等离子体化工导论讲义第一部分

等离子体化工导论讲义印永祥四川大学化工学院前言等离子体化工是利用气体放电的方式产生等离子体作为化学性生产手段的一门科学。因其在原理与应用方面都与传统的化学方法有着完全不同的规律而引起广泛的兴趣，自20世纪70年代以来该学科迅速发展，已经成为人们十分关注的新兴科学领域之一。特别是，近年来低温等离子体技术以迅猛的势头在化工合成、材料制备、环境保护、集成电路制造等许多领域得到研究和应用，使其成为具有全球影响的重要科学与工程。例如：先进的等离子体刻蚀设备已成为21世纪目标为0.1μm线宽的集成电路芯片唯一的选择，利用等离子体增强化学气相沉积方法制备无缺陷、附着力大的高品位薄膜将会使微电子学系统设计发生一场技术革命，低温等离子体对废水和废气的处理正在向实际应用阶段过渡，农作物、微生物利用等离子体正在不断培育出新的品种，利用等离子体技术对大分子链实现嫁接和裁剪、利用等离子体实现煤的洁净和生产多种化工原料的煤化工新技术正在发展。可以说，在不久的将来，低温等离子体技术将在国民经济各个领域产生不可估量的作用。但是，与应用研究的发展相比，被称为年轻科学的等离子体化学的基础理论研究缓慢而且较薄弱，其理论和方法都未达到成熟的地步。例如，其中的化学反应是经过何种历程进行，活性基团如何产生等等。因此，本课程力求介绍这些方面的一些基础理论、研究方法、最新研究成果以及应用工艺。课程内容安排：1、等离子体的基本概念2、统计物理初步3、等离子体中的能量传递和等离子体的性质4、气体放电原理及其产生方法5、冷等离子体中的化学过程及研究方法6、热等离子体中的化学过程及研究方法7、当前等离子体的研究热点8、等离子体的几种工业应用学习方法：1、加强大学物理和物理化学的知识2、仔细作好课堂笔记，完成规定作业3、大量阅读参考书和科技文献第一章等离子体的概念1．等离子体的定义a．通过气体放电的形式，将电场的能量传递给气体体系，使之发生电离过程，当电离程度达到一定的时候，这种物质的状态就是等离子体状态。b．简单说来，等离子体是由气体分子、原子、原子团、电子、离子和光子组成的体系，是物质的第四态。2．等离子体的一些基本性质a．高焓、高内能状态的物质，可以非常容易地为化学反应的体系提供活化能。b．等离子体是一种导电流体，因此这种流体容易与电场和磁场发生相互作用，从而将电场能量转化为自己的内能，为化学反应的体系提供活化能。3．等离子体的用途a．能源领域：受控核聚变b．空间物理及天体物理c．材料领域：材料的改性：例如增加四氟乙烯表面的浸润性。材料的合成：高分子材料：通过等离子体增强它的接枝与聚合。合成超细粉末：例如合成纳米粉体：SiC,AlN,TiO2……d．在天然气化工方面：天然气制乙炔、合成气4、等离子体的描述1）等离子体的密度：nening单位m-3cm-32)电离度的概念α=ne/(ng+ne)0α≤1单位体积中的电子云密度与原来气体密度的比值。无量纲3)等离子体的温度Te，Tg，Ti……Tp一般情况下，温度由K,℃来描述，但在等离子体物理中，用eV（电子伏特）描述：1eV=1.602*10-19焦耳=11600K体系温度Tp=(Tene+Tgng+Tini)/(ne+ng+ni)4）等离子体的分类a．高温等离子体T＞106Kb．低温等离子体：Tp≤104K热等离子体：中性气体温度等于电子温度；冷等离子体：Te≥Ti,Tg4．等离子体的压强：P=nKT,Pe,Pg,……PiPp=Pe+Pg+Pi作业1、在辉光放电等离子体中，气体的压强为20Pa，电离度α＝10－4，电子温度Te＝1eV，重粒子温度350K。试确定放电管中的等离子体宏观温度，这种等离子体是热等离子体还是冷等离子体。2、在弧光放电等离子体中，电子密度为1014cm－3，中性气体密度为1017cm－3，电子温度与重粒子温度同为0.5eV，试计算这种等离子体的压强。（作理想气体近似3、一般情况下，等离子体中存在几种基本粒子？试简述这些基本粒子的主要特征。第二章微观粒子热运动速率和能量统计分布律一麦克斯韦速率分布（见图2）只要粒子通过充分的碰撞，发展形成平衡态，该体系粒子性质服从麦氏分布f(v)＝22232exp24vkTmvkTm式中m（kg）为被统计粒子的质量，k=1.38X10-23J/K为玻尔兹曼常数，T（K）为粒子的温度。分布函数的意义：分布在单位速率区间内粒子的数目与总数目之比。设系统的粒子总数为N0，利用分布函数可以非常方便地得到速率在vvvd~内的粒子数目dvvfNdN0，注：dvvf=1……归一化条件分布函数的归一化：0dvvf=1分布函数的意义：1、若长时间地跟踪某一粒子，其处于dvv~区间内的几率由分布函数表示。2、若在某一瞬间把整个系统的粒子速度固定，那么处于dvv~区间内粒子的数目占整个系统粒子数目的比值即它所占的分率。利用分布函数，也可以对微观粒子所体现的宏观量进行统计计算。单个微粒的内能：KT23理想气体单位体积的内能：KTn23dvxfmvE0221=dvvekTmmvkTmv22230222421=kTmkTkTmm2328342212523k:波尔兹曼常数；T：被统计粒子的温度(v)图2分布函数的图象注：dxex0n2xf(n)f(v)nf(n)nf(n)021121234132214583531二、麦氏能量分布函数如果将统计参量设定为粒子的动能，则分布函数的形式为21232214kTekTf式中ε表示粒子的动能，K、T意义同前。如果被统计的粒子处在保守力场中，上式中粒子的能量应用动能和势能来代替，即ε=εk+εp.21232214kkTpekTf作业：1、利用能量分布函数计算一摩尔单原子理想气体分子的内能。2、速率分布函数的意义是什么？试说明下列各量的意义：Nf(v)dv21()vvNfvdv21()vvvfvdv三、麦氏速度分布函数以上讨论的是粒子按速率分布的规律，对粒子的速度的方向未作任何确定。下面进一步介绍粒子按速度分布的规律。kTvvvmkTmvvvfzyxzyx2)(exp2,,22223=kTmvkTmkTmvkTmkTmvkTmzyx2exp22exp22exp2221221221=f(vx)f(vy)f(vz)利用速度分布函数，可以对与粒子速度关联的物理量进行统计求得其宏观量。例：计算粒子对容器壁的压强。分析：离子对容器的压强，实质上是微观粒子在单位时间内传递给容器壁单位面积的动量。设容器内粒子密度为n，在器壁上取一面元dA为底面积，以vxdt为高作一柱体垂直于dA,在柱形体积中，在dt内速度在vx-vx+dvx的粒子传递给器壁的动量为xxmvdtdAv2)nf(vdpx△xxxxdvmvdtdAvvnfp0202221022exp2122xxxxxxdvvkTmvkTmndtdAmdtdAdvvvnf0222122exp21222kTmvdkTmvvmkTkTmdtdAnmxxx0202212exp2exp21222xxxxdvkTmvkTmvvmkTkTmdtdAnm02212exp22122xxdvkTmvkTmmkTdtdAnmdtdAnKT四、微观粒子按自由程分布规律粒子在任意两次连续碰撞之间通过的路程称为粒子的自由程，用表示。由于粒子随机运动，这些自由程有长有短，具有偶然性。这些自由程的平均值称为粒子的平均自由程，用A表示。在研究体系的全部粒子中，人们往往需要知道自由程介于任一给定长度区间--+d的粒子数有多少、自由程大于某一给定长度的粒子数有多少等问题。即研究粒子按自由程的分布情况。0()exp()()(1exp())1()exp()ffnf（自由程大于时的粒子数）（自由程小于时的粒子数）自由程分布函数的物理意义：1、当长时间跟踪一个粒子时，发现该粒子自由程有长有短，具有偶然性。该函数表示粒子在多次碰撞中自由程大于或小于某一数值的几率。2、在一个大数量粒子组成的系统中，发现各粒子自由程有长有短，具有偶然性。该函数表示在任一时刻自由程大于或小于某一数值的粒子数与总数目之比。作业：a.利用速度分布函数计算打到器壁单位面积上的粒子数.0xxxdtdAdvvvnfN02212exp2xxxdtdAdvvkTmvTkmn0222122122exp2kTmvdmkTkTmvkTmndtdAxx02212exp2212kTmvmkTkTmndtdAx10221221mkTkTmndtdA212mkTdtdAnb.用速率分布函数计算粒子的平均速率.dvvkTmvkTmvdvvvfv2022302exp24023232exp24dvkTmvvkTm（由积分公式022321expdvvv）21222238224mkTmTkkTm第三章等离子体的性质等离子体的性质包括等离子体的准中性条件、等离子体振荡、等离子体鞘层、等离子体在电磁场中的运动、等离子体辐射等。这些性质非常重要，并构成等离子体区别于其他物质形态的特殊性。同时也使等离子体本生极其应用形成一系列新的规律。3.1等离子体准中性条件3.1.1概述由于正离子和电子的空间电荷相互抵消，使等离子体在宏观上呈电中性。但是这种电中性只有在特定的空间尺度和时间尺度上才成立。事实上，由于受内部粒子热运动的扰动或外界干扰等作用，等离子体内处处时时都有可能出现电荷分离，即偏离电中性的现象。等离子体对电中性的破坏是非常敏感的，它具有强烈维持电中性的特征。可以说，偏离和恢复电中性总是存在于等离子体中，故称为准电中性。3.1.2德拜屏蔽若由于某种扰动在等离子体内某处出现了电量为q的正电荷积累，则由于该电荷的静电势场作用，其周围一定会吸引电子而排斥正离子，结果出现一个带净负电荷的球状“电子云”。从远离该正电子的“云外”来看，电子云的包围削弱了积累起来的有效电荷，也削弱了它对远处带电粒子的库仑力。这种现象在物理学中称为静电屏蔽，也叫做德拜屏蔽。经过屏蔽后该正电荷德静电势场叫做屏蔽库仑势。设待求的电势分布为r，则对空间任意一点的r满足泊松方程rr021式中，r为正电荷中心周围r处的空间电荷密度分布。0是真空介电常数。由于屏蔽作用的存在，r应由r处的正负电荷密度之差决定ernrnrei式中，rni，rne分别为r处正负带电粒子的数密度。本来，当等离子体中没有空间电荷积累时，电子和离子时均匀分布的，并且0nnnei。积累空间电荷后，rni，rne就不在均匀分布了。假定质量小的电子先达到热平衡，且rne服从麦克斯韦分布，而质量大的正离子则由于其惯性，在远离正电荷中心处仍呈原来的致中性正电荷背景。即expexpeeeeeeeVrq