導(dǎo)語(yǔ)：如何才能寫(xiě)好一篇等離子體物理，這就需要搜集整理更多的資料和文獻(xiàn)，歡迎閱讀由公務(wù)員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

本書(shū)的第1版很受歡迎，經(jīng)過(guò)修訂和擴(kuò)充的第2版內(nèi)容更加具有綜合性。內(nèi)容不僅包含當(dāng)今比較熱門(mén)研究領(lǐng)域的相關(guān)知識(shí)，如基本等離子體現(xiàn)象、庫(kù)倫散射、電磁場(chǎng)中帶電粒子漂移、等離子體磁場(chǎng)約束、等離子體的動(dòng)力學(xué)和流體力學(xué)理論、等離子體波和不穩(wěn)定性等，還包含一些新的研究主題，有漲落驅(qū)動(dòng)等離子體傳輸、偏濾器（Divertor）物理、中性原子回旋和運(yùn)輸、雜質(zhì)等離子體運(yùn)輸?shù)?，?shū)的最后對(duì)未來(lái)聚變反應(yīng)堆的發(fā)展進(jìn)行了展望，討論了其方案設(shè)計(jì)。

全書(shū)由19章組成：1.聚變、等離子體、庫(kù)侖碰撞和電磁波理論的概念；2.帶電粒子在電磁場(chǎng)中的各種運(yùn)動(dòng)形式；3.等離子體中帶電粒子在磁場(chǎng)中受到的磁約束；4.等離子體動(dòng)理論；5.等離子體流體理論；6.等離子體平衡的特性；7.等離子體的幾種波動(dòng)形式，如阿爾芬波、朗繆爾波、離子聲波；8.等離子體的不穩(wěn)定性；9.等離子體碰撞傳輸機(jī)制、經(jīng)典輸運(yùn)形式、流體理論中的環(huán)形效應(yīng)、多流體傳輸機(jī)制等；10.等離子體回旋的形式和特性；11.等離子體湍流輸運(yùn)的形式和特性；12.等離子體在加熱和電流驅(qū)動(dòng)下的特性；13.等離子體與物質(zhì)的相互作用；14.偏濾器的模型和操作機(jī)制、熱電電流和漂移物對(duì)偏濾器（Divertor）的影響；15.等離子體邊緣的粒子輸運(yùn)、L模式和H模式的區(qū)別、熱不穩(wěn)定性和極向速度自旋加快的相關(guān)知識(shí)；16.中性粒子運(yùn)輸?shù)幕驹?、擴(kuò)散理論、積分輸運(yùn)理論、碰撞概率方法、接觸面電流零點(diǎn)法、離散縱坐標(biāo)法和蒙特卡羅法；17.等離子體的能量平衡機(jī)制和聚變等離子體動(dòng)力學(xué)的相關(guān)概念；18.等離子體的各種運(yùn)行限制，包括實(shí)證密度限制、磁流體力學(xué)不穩(wěn)定限制等；19.聚變反應(yīng)堆和中子源的相關(guān)知識(shí)。

本書(shū)內(nèi)容豐富，綜合性強(qiáng)，且深入淺出，層次分明，可作為高層大氣物理學(xué)、空間探測(cè)技術(shù)、空間物理學(xué)等專(zhuān)業(yè)的研究生教材，也可作為相關(guān)領(lǐng)域研究人員的參考書(shū)。

篇2

    關(guān)鍵詞:等離子體物理,湯姆孫散射,動(dòng)力學(xué)形狀因子,等離子體參數(shù)

    Thomson scattering: a powerful diagnostic tool of plasma physics

    ZHENG JianYU Chang\|Xuan

    (Key Laboratory of Basic Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences, Department of Modern Physics, University of Science and Technology of China,Hefei 230026, China)

    AbstractThomson scattering is the process in which a low\|energy photon scatters from a free electron. When a laser pulse propagates through a plasma, the spectrum of the scattered light due to the Thomson scattering is proportional to the power spectrum of the electron density fluctuations, i.e., dynamic form factor, from which various plasma parameters can be inferred, such as electron temperature and plasma flow velocity. After years of development, Thomson scattering has now become a powerful diagnostic tool of plasma physics. 

    Keywordsplasma physics, Thomson scattering, dynamic form factor, plasma diagnostics

    1 引言

    精確測(cè)量等離子體的狀態(tài)參數(shù)是深入研究等離子體物理過(guò)程的基本前提之一.對(duì)于高溫高密度的等離子體,由于受到可接近性的限制,實(shí)驗(yàn)室常用的主動(dòng)診斷手段(如探針)是無(wú)法接近需要探測(cè)的等離子體的.當(dāng)然也有其他被動(dòng)診斷方式可以提供眾多等離子體參數(shù)的測(cè)量手段,如X射線能譜測(cè)量.相對(duì)被動(dòng)診斷手段,湯姆孫散射作為一種主動(dòng)診斷手段有其獨(dú)特的一面:它可以高時(shí)空分辨地測(cè)量等離子體參數(shù),且實(shí)驗(yàn)結(jié)果的解釋相對(duì)簡(jiǎn)單,即散射光譜以比較直接的方式與等離子體參數(shù)有關(guān).后者特別重要,因?yàn)橛行┰\斷方法嚴(yán)重依賴(lài)于對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的解釋和處理,導(dǎo)致獲得的等離子體參數(shù)的置信度較低.經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,特別是由于激光技術(shù)以及高速高靈敏度探測(cè)器的進(jìn)步,湯姆孫散射已經(jīng)逐漸演化成為慣性約束聚變等離子體的標(biāo)準(zhǔn)診斷手段,成為精確研究等離子體行為的強(qiáng)大工具.

    2 湯姆孫散射的基本原理

    湯姆孫散射是低能光子(光子能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.511MeV)與低能自由電子之間的彈性散射.該過(guò)程的經(jīng)典物理圖像是,在入射電磁波場(chǎng)中振蕩的電子發(fā)射電磁波——散射電磁波.若電子有一運(yùn)動(dòng)速度v,散射電磁波的頻率將不同于入射電磁波的頻率,其差別為

    這里k=ks-k0是散射波的波矢與入射電磁波的波矢之差,稱(chēng)為散射差矢.由這個(gè)簡(jiǎn)單的公式可以看到,散射電磁波攜帶了電子的運(yùn)動(dòng)信息,這就是湯姆孫散射可以用來(lái)診斷等離子體的基本原因.當(dāng)然,當(dāng)我們采用湯姆孫散射診斷等離子體時(shí),我們測(cè)量到的散射光譜來(lái)自許多電子產(chǎn)生的散射電磁波的相干疊加.疊加的結(jié)果是,散射光譜與電子密度漲落功率譜成正比,

    d2PdωdΩ=NeI0r2esin2θS(k,ω)

    這里S(k,ω)就是所謂的動(dòng)力學(xué)形狀因子,它是電子密度漲落自相關(guān)函數(shù)的譜密度;I0是入射電磁波的功率密度;Ne是發(fā)生湯姆孫散射的電子數(shù);re是經(jīng)典電子半徑;θ是入射電磁波的極化方向與散射波矢之間的夾角.若電子彼此之間是完全無(wú)關(guān)的,那么散射光譜就是各個(gè)電子散射光譜的簡(jiǎn)單相加,此時(shí)散射光譜反映了電子在散射差矢方向上的速度分布.若等離子體中存在集體運(yùn)動(dòng),電子之間不是彼此完全相互無(wú)關(guān)的,干涉效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致散射光譜在相應(yīng)于等離子體集體運(yùn)動(dòng)模式的頻率和波矢處出現(xiàn)尖銳的極大值.對(duì)于無(wú)磁化的等離子體,我們知道等離子體中的集體運(yùn)動(dòng)模式有兩個(gè):高頻的電子等離子體波和低頻的離子聲波.這兩種集體運(yùn)動(dòng)模式的色散關(guān)系為

    ω2epw=ω2pe(1+3k2λ2De) ,ω2ia=11+k2λ2DeZTemi+3Timi ,

    這里ωpe是朗謬爾振蕩頻率,λDe是電子德拜長(zhǎng)度,Te,i是電子/離子溫度,Z是離子電荷數(shù),mi是離子溫度.經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)安排,以滿(mǎn)足k2λ2De1 ,那么我們就能夠從散射光譜中獲得電子密度ne以及電子密度與離化態(tài)乘積ZTe的信息.此外,散射光譜的寬度與集體運(yùn)動(dòng)模式的阻尼有關(guān),而阻尼也取決于等離子體的狀態(tài)參數(shù),因此通過(guò)散射光譜的寬度,原則上也可以推斷出等離子體的參數(shù).例如,通過(guò)電子等離子體波的散射光譜的寬度,可以測(cè)量電子溫度Te. 

    3 湯姆孫散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)基礎(chǔ)等離子體物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究小組與中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心的同事們同心協(xié)力,先后在“星光II”裝置[1—3]和“神光II”裝置[4,5]上完成了湯姆孫散射實(shí)驗(yàn).圖1是“星光II”裝置上的實(shí)驗(yàn)安排示意圖[3].實(shí)驗(yàn)中,我們采用波長(zhǎng)為351nm的激光脈沖輻照金平面靶,產(chǎn)生等離子體,采用波長(zhǎng)為526.5nm的激光脈沖作為湯姆孫散射探測(cè)束.主激光的能量在100J左右,探針束的能量在10J左右.

    我們得到的典型湯姆孫散射光譜如圖2(a)所示.由于采用了具有高時(shí)間分辨的探測(cè)設(shè)備,得到的是隨時(shí)間的演化湯姆孫散射光譜,由此我們可以得到等離子體參數(shù)隨時(shí)間的演化.

    在“神光II”裝置上,我們進(jìn)一步利用湯姆孫散射測(cè)量了腔靶等離子體的狀態(tài)參數(shù)[5].實(shí)驗(yàn)安排如圖3所示.在圓柱形腔靶的側(cè)壁上,我們開(kāi)設(shè)了一個(gè)探針光注入口,散射光由圓柱的端面出射.由于封閉的幾何位形,腔靶內(nèi)等離子體的離子溫度一般要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于平面靶產(chǎn)生的等離子體的離子溫度.導(dǎo)致湯姆孫散射光譜嚴(yán)重展寬,以至于兩個(gè)離子聲波散射峰融合,如圖4所示.

    4 總結(jié)

    本文回顧了中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)等離子體物理學(xué)科點(diǎn)在湯姆孫散射方面的實(shí)驗(yàn)研究工作的主要結(jié)果.對(duì)于該項(xiàng)診斷技術(shù)的掌握,使我們對(duì)激光聚變等離子體的演化有了更加深入的了解,有助于我們精確預(yù)言激光等離子體的行為.

    致謝 本文報(bào)告的工作是多人共同努力協(xié)作的結(jié)果.作者對(duì)以下人員的貢獻(xiàn)表示感謝:白波、王哲斌、蔣小華、李文洪、劉永剛、曹柱榮、丁永坤、鄭志堅(jiān)等,同時(shí)感謝中國(guó)工程物理研究院激光聚變中心的制靶人員,“星光II”裝置全體運(yùn)行人員,以及“神光II”裝置全體運(yùn)行人員.

    參考文獻(xiàn)

    [1] Bai B, Zheng J, Yu C X et al. Chin. Phys. Lett.,2001, 18: 936

    [2] Zheng J, Bai B, Liu W D et al. Chin. Phys. Lett. ,2001, 18: 1377

    [3] Bai B, Zheng J, Liu W D et al. Phys. Plasmas, 2001, 8: 4144

篇3

QWindows 7的32位系統(tǒng)，打開(kāi)資源管理器時(shí)總提示：mmc.exe找不到序數(shù)

>> 雙擊打開(kāi)“資源管理器” 讓資源管理器為默認(rèn)文件夾打開(kāi)方式等 改變資源管理器打開(kāi)時(shí)的默認(rèn)文件夾 用資源管理器來(lái)打開(kāi)“我的電腦” 從資源管理器中快速訪問(wèn)特定對(duì)象等 摸清游戲底細(xì):Windows 7游戲資源管理器體驗(yàn)等 Windows 7資源管理器應(yīng)用三則等 讓資源管理器運(yùn)行“計(jì)算機(jī)”等 Windows　7資源管理器的細(xì)節(jié)之美等 納米機(jī)器人與資源管理器的奇怪沖突等 讓資源管理器的面貌煥然一新等 基于Android的資源管理器設(shè)計(jì) 資源管理器不能隨機(jī)啟動(dòng) 開(kāi)啟資源管理器的“大視野” 簡(jiǎn)單又實(shí)用，巧用資源管理器 Windows資源管理器下崗 資源管理器 這樣用更高效 DOS如何打敗資源管理器的 資源管理器也要多標(biāo)簽 為資源管理器增加標(biāo)簽 常見(jiàn)問(wèn)題解答 當(dāng)前所在位置：l下載這個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件，將其中最新版本的文件放到系統(tǒng)目錄下的Windows\System32中即可解決問(wèn)題。

如何隱藏指定的硬件設(shè)備

Q不管使用的是優(yōu)盤(pán)、手機(jī)還是其他USB設(shè)備，只要連接到電腦中都會(huì)顯示在右下角的設(shè)備列表中，經(jīng)常在進(jìn)行刪除硬件操作時(shí)誤刪除。請(qǐng)問(wèn)，有沒(méi)有什么方法可以將指定的USB設(shè)備從設(shè)備列表中隱藏起來(lái)？

A系統(tǒng)自身并沒(méi)有提供這樣的功能，可以從/download.htm下載Zentimo xStorage Manager這款小工具替代系統(tǒng)自帶的設(shè)備管理模塊，運(yùn)行后只要右擊該程序圖標(biāo)并在列表中找到要隱藏的設(shè)備，通過(guò)“Menu”菜單中的“Hide device from the tray menu”即可將其隱藏起來(lái)了。

裝了系統(tǒng)無(wú)法啟動(dòng)

Q我將自己的筆記本電腦硬盤(pán)取下放到朋友的電腦中，并安裝好了操作系統(tǒng)，在朋友的電腦中可以正常啟動(dòng)、使用，但放回到自己的筆記本電腦中卻無(wú)法啟動(dòng)，出現(xiàn)藍(lán)屏。請(qǐng)問(wèn)這是什么原因？

A操作系統(tǒng)安裝后都會(huì)自動(dòng)識(shí)別當(dāng)前的硬盤(pán)配置環(huán)境并自動(dòng)安裝相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，而更換一臺(tái)硬件配置不一樣的電腦后，由于系統(tǒng)中沒(méi)有這臺(tái)電腦的基本硬件（例如主板、BIOS等）的驅(qū)動(dòng)程序，自然就無(wú)法成功啟動(dòng)。如果必須要在其他電腦中安裝系統(tǒng)，可以考慮選擇一些Ghost版系統(tǒng)，在Ghost進(jìn)度條完成后關(guān)機(jī)取下硬盤(pán)，然后回到自己的電腦中重新安裝硬件驅(qū)動(dòng)程序即可。

重新系統(tǒng)后找不到第二塊硬盤(pán)

Q本來(lái)系統(tǒng)中有兩塊硬盤(pán)，系統(tǒng)安裝前一切正常，但經(jīng)過(guò)幾次裝系統(tǒng)以及相關(guān)磁盤(pán)的轉(zhuǎn)換操作后，系統(tǒng)重新安裝并進(jìn)入時(shí)發(fā)現(xiàn)找不到第二塊磁盤(pán)了，而在磁盤(pán)管理器中卻能看到兩塊磁盤(pán)，那塊丟失的磁盤(pán)被顯示為動(dòng)態(tài)磁盤(pán)。請(qǐng)問(wèn)這該如何解決？

A可能是誤操作將這塊磁盤(pán)變成動(dòng)態(tài)磁盤(pán)而導(dǎo)致的，只要右擊“我的電腦”（或“計(jì)算機(jī)”），選擇“管理”，然后打開(kāi)磁盤(pán)管理器，右擊那塊無(wú)法在資源管理器中顯示的磁盤(pán)并選擇“導(dǎo)入外部磁盤(pán)”即可恢復(fù)其原先的卷，如果在資源管理器中無(wú)法找到之前的數(shù)據(jù)，可以使用FinalData之類(lèi)的數(shù)據(jù)恢復(fù)工具進(jìn)行恢復(fù)。

系統(tǒng)時(shí)間不顯示小時(shí)

QWindows 7系統(tǒng)，使用注冊(cè)表學(xué)習(xí)器軟件嘗試設(shè)置了幾個(gè)鍵值后發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)間只顯示分鐘，當(dāng)前時(shí)間的小時(shí)值卻不顯示了。請(qǐng)問(wèn)這該如何解決？

A你肯定動(dòng)了時(shí)間格式參數(shù)的注冊(cè)表鍵值項(xiàng)，只要再次打開(kāi)注冊(cè)表編輯器，展開(kāi)到【HKEY_CURRENT_USER\ControlPanel\International】，找到右側(cè)窗口中的“sTimeFormat”項(xiàng)，雙擊并將其值改成“H:mm:ss”，重新啟動(dòng)系統(tǒng)即可恢復(fù)正常了。

任務(wù)欄右鍵屬性丟失

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【關(guān)鍵詞】等離子；表面活化；關(guān)鍵因素

1.引言

自20世紀(jì)80年代以來(lái)，硅圓片的鍵合技術(shù)已很廣泛的用于傳感器和執(zhí)行器。但硅圓片的預(yù)鍵合通常要在1000℃以上的高溫條件下進(jìn)行退火才能達(dá)到較高的粘接強(qiáng)度，而高溫容易引起多方面的問(wèn)題，如基板結(jié)構(gòu)的不良變化和反應(yīng)，各材料熱膨脹系數(shù)不同引起的鍵合部分應(yīng)力的增加等等[1]。尤其是已經(jīng)用于制造器件的硅圓片，高溫條件下硅與其他部分材料的熱不匹配導(dǎo)致較大的熱應(yīng)力而使器件遭到破壞，或者發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)而出現(xiàn)缺陷或污染使器件失效。為了解決這些不利的影響，低溫圓片鍵合技術(shù)成為了研究重點(diǎn)。

低溫鍵合中鍵合強(qiáng)度的大幅度提高主要由于鍵合前等離子體的表面預(yù)處理，并且在低溫鍵合過(guò)程中通過(guò)調(diào)整合適的工藝參數(shù)，如表面的預(yù)處理時(shí)間、偏置電壓的大小、射頻功率、氣體的流動(dòng)速率等[2-3]，能避免間隙或空洞的形成。本文通過(guò)設(shè)置不同的參數(shù)組合進(jìn)行試驗(yàn)，利用正交試驗(yàn)分析了單晶硅表面活化工藝中重要因素對(duì)表面活化效果的影響，找出最優(yōu)工藝參數(shù)，對(duì)提高鍵合強(qiáng)度有重大的意義。

2.等離子氣體表面活化原理

2.1 等離子體

等離子體是由部分電子被剝奪的原子及原子被電離后產(chǎn)生的正負(fù)電子組成的離子化氣態(tài)物質(zhì)，它廣泛存在于宇宙中，常被視為是除去固、液、氣外，物質(zhì)存在的第四態(tài)。氣體可以通過(guò)電弧放電、輝光放電、激光、火焰或者沖擊波等使處于低氣壓狀態(tài)的氣體物質(zhì)轉(zhuǎn)變成等離子狀態(tài)。通常我們采用射頻激勵(lì)的方式來(lái)獲取等離子體。給一組電機(jī)間施以頻率約為13.56MHz的射頻電壓，電極之間形成高頻交變電場(chǎng)，區(qū)域內(nèi)氣體在交變電場(chǎng)的激蕩下，形成等離子體。

常用的等離子體的激發(fā)頻率有三種：40kHZ的超聲等離子體、13.56MHZ的射頻等離子體以及2.45GHZ微波等離子體。不同的等離子體產(chǎn)生的自偏壓不同，與材料的反應(yīng)機(jī)制也不相同，如表1所示。

2.2 等離子活化原理

等離子表面活化即通常所說(shuō)的干法表面活化，它主要是利用等離子體的能量與材料表面進(jìn)行撞擊產(chǎn)生的物理或化學(xué)反應(yīng)過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)清洗、蝕刻及表面活化等。如圖2所示為等離子對(duì)硅圓片表面活化的結(jié)構(gòu)示意圖，硅圓片在活性等離子的轟擊作用下其表面會(huì)產(chǎn)生物理與化學(xué)的雙重反應(yīng)，使被清洗物表面物質(zhì)變成粒子和氣態(tài)物質(zhì)，經(jīng)過(guò)抽真空排出，而達(dá)到清洗污染、活化表面的目的。

3.等離子表面活化工藝流程

以等離子O2對(duì)硅圓片的表面活化工藝為研究對(duì)象，其活化工藝流程如圖3所示，主要包括如下的步驟：等離子O2表面預(yù)處理、RCA-1溶液清洗、去離子水沖洗、表面干燥、表面活性測(cè)量。

3.1 等離子O2表面處理

用等離子體對(duì)圓片表面進(jìn)行轟擊，以清除圓片表面的有機(jī)物污染和氧化物等，使圓片表面達(dá)到高度不規(guī)則的多孔結(jié)構(gòu)。

3.2 RCA-1溶液清洗

RCA-1溶液的主要成分為氨水（NH4OH）、雙氧水（H2O2）以及去離子水（H2O），由于H2O的作用，硅圓片表面有一層自然氧化膜（SiO2），呈親水性，硅片表面和粒子之間可以被清洗液滲透。將等離子O2處理的硅圓片放入一定配比的RCA-1溶液中，在一定的溫度下進(jìn)行處理。

3.3 去離子水沖洗

經(jīng)RCA-1溶液處理后的硅圓片用去離子水沖洗，包括活化面和非活化面，以去除圓片表面殘留的溶液。

3.4 表面干燥

將處理好的硅圓片用潔凈干燥的氮?dú)鈱⒈砻娲蹈伞?/p>

3.5 表面活性測(cè)量

表面活性測(cè)量是為了評(píng)估表面活化后的效果，本文直接通過(guò)MATLAB程序計(jì)算硅圓片的鍵合率，由所得出的計(jì)算結(jié)果直觀地反映出鍵合的效果。

4.實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用的硅圓片為市售4in單晶硅單面拋光圓片，厚度為525μm，P型普通摻雜，主晶向。圓片拋光面粗糙度指標(biāo)RMS（root mean square）

4.2 影響因素分析

影響等離子體表面活化效果的因素很多，如表面曝光時(shí)間、射頻功率大小、真空度高低、自偏壓大小、氣體的流動(dòng)速率等，試驗(yàn)針對(duì)等離子表面活化的工藝特點(diǎn)，選擇了表面曝光時(shí)間、射頻功率、氣體流動(dòng)速率這3個(gè)關(guān)鍵因素進(jìn)行研究。

（1）曝光時(shí)間

對(duì)于高質(zhì)量的鍵合強(qiáng)度，硅圓片表面的曝光時(shí)間是一個(gè)非常重要的因素。根據(jù)已有的研究可以歸納出：曝光時(shí)間在5秒以下能較好的去除污染物，達(dá)到一個(gè)最適宜的鍵合強(qiáng)度，并且界面處也不會(huì)有氣泡產(chǎn)生；10s-2min有少量氣泡產(chǎn)生；超過(guò)3min氣泡的數(shù)量就會(huì)增加得很明顯（如圖3所示）。

本文選擇了5S的活化時(shí)間對(duì)硅圓片進(jìn)行試驗(yàn)。

（2）射頻功率

射頻功率不同，等離子體穿透圓片的深度也不相同，頻率越低，偏置電壓越大；增加偏置電壓導(dǎo)致等離子穿透圓片更深，圓片表面非?；钴S，能輕易的從清洗溶液中吸附水分子。根設(shè)備的具體情況選擇了100w。

（3）O2的流動(dòng)速率

氣體的流動(dòng)速率是影響表面活化效果的靈敏因素，流動(dòng)速率的大小使活化效果相差很大。根據(jù)長(zhǎng)期試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，確定活化工藝中O2的流速為100sccm。

4.3 實(shí)驗(yàn)

為研究等離子對(duì)硅圓片表面活化的效果，在反應(yīng)腔中將硅圓片分別進(jìn)行了5s不同時(shí)間的等離子曝光，然后將其放入RCA-1溶液和去離子水中清洗（包括活化面和非活化面），接著用潔凈干燥的N2將硅圓片吹干，處理時(shí)間不超過(guò)3min。

5.結(jié)論分析

采用MATLAB圖像處理技術(shù)將試驗(yàn)后的硅片紅外圖經(jīng)過(guò)灰度增強(qiáng)、邊界拾取、著色處理和鍵合率計(jì)算后可得到在8s曝光、50w射頻功率和100sccm氣體流量的作用下，硅圓片的鍵合效果最好，鍵合率達(dá)到了98.127%（如圖4所示）。這說(shuō)明合適工藝參數(shù)下的等離子表面處理技術(shù)能使硅圓片實(shí)現(xiàn)超高的鍵合率。

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篇5

關(guān)鍵詞： 激光等離子體相互作用； 電子加速； 啁啾脈沖放大技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)： TF806.83 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2016.03.017

文章編號(hào)： 1005-5630（2016）03-0278-05

Abstract： Electron beam acquired by laser-plasma acceleration has great potential in the applications of medical imaging，cancer therapy，fast ignition in inertial fusion，and astrophysics.With the continuous development of chirp plus amplification technology，the intensity of the laser pulse increases rapidly while the laser beam duration reduced dramatically.With such ultra-short，ultra-intense laser pulse interacting with plasma，it can stimulate high amplitude plasma wave，which can accelerate the electrons to high energies.In this paper，we introduce the main schemes for laser-plasma electron acceleration，and some new research progress in recent years.

Keywords： laser-plasma interaction； electron acceleration； chirped pulse amplification

引 言

高品質(zhì)電子束流在物理學(xué)、醫(yī)學(xué)等方面有著大量的應(yīng)用需求，然而由于空間電場(chǎng)梯度等限制，傳統(tǒng)加速器體積龐大而且造價(jià)極高，所以如何在短距離內(nèi)獲得高品質(zhì)的電子束流一直是物理學(xué)探索的前沿課題。隨著激光技術(shù)的出現(xiàn)，1979年Tajima等首先從理論上驗(yàn)證了基于激光與等離子體相互作用產(chǎn)生等離子體波的電子加速器的可行性[1]。他們指出，激光驅(qū)動(dòng)等離子體波形成的強(qiáng)電場(chǎng)可以使帶電粒子加速到相對(duì)論能量。

伴隨著啁啾脈沖放大技術(shù)的出現(xiàn)，高能量密度激光技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新的領(lǐng)域。隨著激光脈沖長(zhǎng)度的不斷縮減，激光器峰值功率不斷提高，激光和等離子體的相互作用顯現(xiàn)了許多新的物理現(xiàn)象。超短超強(qiáng)激光脈沖可以非常容易地使初始為靜態(tài)的電子加速到相對(duì)論能量，更重要的是，超短超強(qiáng)激光脈沖可以通過(guò)有質(zhì)動(dòng)力激發(fā)大振幅的等離子體波，通過(guò)各種不同的加速機(jī)制使電子加速獲得更高能量，加速梯度可達(dá)到100 GeV/m，是傳統(tǒng)加速器的1 000倍。

本文總結(jié)了近年來(lái)一些關(guān)于激光等離子體電子加速方面的主要的幾個(gè)加速機(jī)制以及最新的研究進(jìn)展。

1 主要加速機(jī)制

根據(jù)等離子體波生成的方法，激光等離子體加速電子的主要機(jī)制有激光尾波場(chǎng)加速度（laser wakefield acceleration，LWFA）、等離子體拍頻波加速度（plasma beat wave acceleration，PBWA）、激光自調(diào)制尾波場(chǎng)加速（self-modulate laser wakefield acceleration，SM-LWFA）和空泡加速機(jī)制（bubble regime acceleration，BRA）。這幾種加速機(jī)制中激光脈沖與等離子體波之間的關(guān)系[2]如圖1所示。

1.1 等離子體拍頻波加速

等離子體拍頻波加速度（PBWA）[3]是采用兩束長(zhǎng)激光脈沖同時(shí)入射。分別設(shè)兩個(gè)脈沖的頻率為ω1和ω2，當(dāng)ω1-ω2=ωp時(shí)，滿(mǎn)足共振條件，兩束激光通過(guò)拍頻則可以產(chǎn)生波長(zhǎng)為λp的駐波，這些駐波可以有效地驅(qū)動(dòng)等離子體波加速電子。然而，PBWA機(jī)制存在一些限制，比如，當(dāng)?shù)入x子體波的振幅不斷增加時(shí)，由于相對(duì)論效應(yīng)，相應(yīng)的等離子體振蕩頻率就會(huì)降低，所以就會(huì)偏離了上述的共振條件，引起共振失調(diào)。20世紀(jì)80年代中期至90年代早期，激光脈沖的寬度一般都大于等離子體波的長(zhǎng)度，激光場(chǎng)的強(qiáng)度又低于相對(duì)論自聚焦閾值，因此得到了相當(dāng)多的關(guān)注，有不少實(shí)驗(yàn)和理論研究成果相繼發(fā)表。其中較突出的是1993年，Clayton等將2.1 MeV的電子注入到兩束CO2激光聚焦產(chǎn)生的拍波結(jié)構(gòu)中，在16 mm的加速距離上將電子的能量提高到28 MeV，加速電場(chǎng)達(dá)到2.8 GV/m[4]。隨著超短超強(qiáng)激光脈沖技術(shù)的發(fā)展，人們的研究重心逐步轉(zhuǎn)向單個(gè)激光脈沖激發(fā)尾波場(chǎng)加速電子過(guò)程。

1.2 自調(diào)制尾波場(chǎng)加速

為了解決PBWA限制，Andreev等[5]和Krall等[6]提出了一種新方案，即自調(diào)制尾波場(chǎng)加速SM-LWFA。這種機(jī)制采用的是單束的、激光脈沖長(zhǎng)度大約是幾個(gè)等離子波長(zhǎng)的激光脈沖，運(yùn)行在密度較高的等離子體中，而且激光的功率大于激光自聚焦的臨界功率。通過(guò)系列作用，激光被分級(jí)為很多波長(zhǎng)為λp的短脈沖，這些短脈沖與等離子體共振，起到加速的作用。倫敦帝國(guó)理工大學(xué)Modena等利用功率為20 TW，持續(xù)時(shí)間0.8 ps，激光中心聚焦強(qiáng)度5×1018 W/cm2的激光，經(jīng)過(guò)4 mm的相互作用距離，獲得能量44 MeV的電子束。這次實(shí)驗(yàn)首次證明了激光加速梯度可到100 GV/m。由于自調(diào)制尾波場(chǎng)是由自調(diào)制不穩(wěn)定激發(fā)起來(lái)的，使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果很依賴(lài)于初始等離子體狀態(tài)，而且加速過(guò)程不穩(wěn)定，電子能量是連續(xù)分布，因此后續(xù)的研究工作較少。

1.3 激光尾波場(chǎng)加速

激光尾波場(chǎng)加速的原理是當(dāng)一束強(qiáng)激光脈沖在稀薄的等離子體中傳播時(shí)，激光脈沖的縱向有質(zhì)動(dòng)力將電子從激光脈沖區(qū)域排開(kāi)，從而通過(guò)共振激發(fā)出了一個(gè)很強(qiáng)的等離子體波，即尾波場(chǎng)。尾波場(chǎng)可以在很短的距離上將電子加速到非常高的能量。2010年中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)場(chǎng)激光物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究人員首次利用電離注入的全光驅(qū)動(dòng)雙尾波場(chǎng)級(jí)聯(lián)電子加速器方案，成功實(shí)現(xiàn)了電子注入與電子加速的分離與控制，實(shí)驗(yàn)獲得了能量近GeV的準(zhǔn)單能電子束和187 GV/m的超高加速梯度等突破性研究成果[7]，實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖2所示。這種雙尾波場(chǎng)級(jí)聯(lián)加速機(jī)制的成功實(shí)現(xiàn)為未來(lái)產(chǎn)生高性能的單能電子束提供了可行途徑，對(duì)超強(qiáng)超短激光驅(qū)動(dòng)的臺(tái)式化粒子加速器的發(fā)展與應(yīng)用帶來(lái)巨大影響。

為了使得到的粒子束具有很好的方向性以及單能性，科學(xué)家們?cè)诮鼛啄晏岢隽巳庾⑷敕?。其中，比較突出的有密歇根大學(xué)Umstadter等提出的激光注入法[8]、Easrey等提出的碰撞光脈沖注入法[9]以及Moore等提出的激光電離加有質(zhì)動(dòng)力加速的全光學(xué)注入機(jī)制[10]。

在2009年，Rechatin等提出了一種冷光注射的加速機(jī)制[11]。與原有的那些光注入機(jī)制不同的是，這種機(jī)制中的光注入并不是通過(guò)電子的加熱所引起的，而是通過(guò)脈沖間的相互碰撞產(chǎn)生了一個(gè)空間周期性的和長(zhǎng)期有效的作用力。這個(gè)作用力阻止了電子的縱向運(yùn)動(dòng)，并引導(dǎo)電子注入到傳播的激光脈沖尾波中。這種加速機(jī)制可以在很小的能散范圍內(nèi)注入電子，從而獲得密度很低的等離子體以及能散很低的高能量電子束。

2013年，美國(guó)Austin實(shí)驗(yàn)室通過(guò)自注入機(jī)制，在大于100 J的PW級(jí)的激光器系統(tǒng)上，得到了能量超過(guò)2 GeV的準(zhǔn)單能電子束，其中高能部分能散為5%[12]。2014年，LBNL實(shí)驗(yàn)室的Leemans等通過(guò)采用9 cm長(zhǎng)的毛細(xì)管引導(dǎo)激光與等離子體作用，產(chǎn)生了4.25 GeV的高能電子束[13]，取得了激光加速歷程上的又一突破。2015年，Rassou等指出，強(qiáng)大的縱向磁場(chǎng)對(duì)激光尾波場(chǎng)的加速也有一定的影響[14]。

1.4 空泡加速

隨著啁啾脈沖放大的進(jìn)一步發(fā)展，出現(xiàn)了可達(dá)到飛秒量級(jí)的超短超強(qiáng)激光脈沖，因此人們又重新開(kāi)始考慮用強(qiáng)激光脈沖的尾波場(chǎng)直接驅(qū)動(dòng)等離子體波加速電子。2002年，Pukhov等 [15]發(fā)現(xiàn)，一些傳播在空泡邊緣的電子可以被困在其后方靠近軸的位置，進(jìn)而在激光的尾部產(chǎn)生了一個(gè)只有離子存在的空泡區(qū)域，同時(shí)，一部分電子可以通過(guò)注射的方式進(jìn)入腔內(nèi)進(jìn)行高能加速，即空泡加速機(jī)制。要利用尾波加速產(chǎn)生單能電子束，需要滿(mǎn)足兩個(gè)條件：一個(gè)是電子的捕獲（注入）；另一個(gè)是要有穩(wěn)定的加速場(chǎng)。所謂的空泡加速之所以可以產(chǎn)生準(zhǔn)單能電子束，關(guān)鍵在于這兩個(gè)條件都能滿(mǎn)足。Pollock等在空泡制度下的激光尾波場(chǎng)加速實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)仿真模擬得出，當(dāng)電子被困于第二個(gè)時(shí)間段時(shí)，這些電子與通過(guò)激光的自聚焦以及電子的相互移動(dòng)而形成的兩個(gè)動(dòng)態(tài)區(qū)域相互作用，得到了超相對(duì)能量的電子環(huán)結(jié)構(gòu)，這些電子環(huán)的能量達(dá)到170～280 MeV（能散5%～25%）[16]。2013年，Nakajima等提出了幾種利用空泡加速機(jī)制的加速方案，有望在Petawatt Aquitane Laser裝置的3.5 kJ，500fs拍瓦激光器上將電子能量提高到100 GeV[17]。

2 其他加速機(jī)制

Sadykova等提出了一個(gè)新的加速機(jī)制――基于受激前向散射的等離子加速[18]。他們認(rèn)為，由于高強(qiáng)度激光脈沖的長(zhǎng)度很短，導(dǎo)致注入的電子束與等離子體波之間的交互作用時(shí)間很短，因此受激后向散射脈沖并不適用于粒子加速，所以建議采用刺激前向散射的方式，以獲得更久的粒子加速時(shí)間以及更長(zhǎng)的加速距離。

近幾年，很多研究人員考慮用線性啁啾脈沖去加速粒子[19]。通過(guò)啁啾脈沖，改變了激光脈沖原有的對(duì)稱(chēng)性，在激光脈沖中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)相位緩沖區(qū)。在該相位緩沖區(qū)中，由于激光具有強(qiáng)度較大、束寬較寬和浮動(dòng)性較小的性質(zhì)，滯后的電子在該區(qū)域中可以較長(zhǎng)時(shí)間處于同一強(qiáng)度從而獲得二次加速，進(jìn)而獲得能量較高、單準(zhǔn)性較好的電子束。在2013年，Salamin等就對(duì)不同啁啾參數(shù)下的電子加速進(jìn)行了研究[20]。他們對(duì)比線性啁啾脈沖和平方性啁啾脈沖對(duì)加速電子能量的影響，得出線性啁啾加速電子的能量是平方性啁啾脈沖加速電子能量的兩倍。因?yàn)榫€性啁啾脈沖加入后，激光脈沖呈現(xiàn)梯形狀，從而使電子能在準(zhǔn)靜態(tài)的部分持續(xù)更長(zhǎng)的時(shí)間，達(dá)到加速的目的。

3 結(jié) 論

激光等離子體加速在近三十年來(lái)取得了巨大進(jìn)步。隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光脈沖已經(jīng)能夠達(dá)到百太瓦和飛秒的級(jí)別，在不同條件下不同的激光等離子體電子加速機(jī)制被發(fā)現(xiàn)并引導(dǎo)了實(shí)驗(yàn)上的成功。然而，雖然實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)獲得了一些非常好的準(zhǔn)高能電子束，但是電子束的穩(wěn)定性還不是很理想，仍將限制其實(shí)際應(yīng)用。因此，如何通過(guò)研究激光與等離子體相互作用機(jī)制，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的，準(zhǔn)高能電子束仍是今后研究的主要方向之一。

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篇6

關(guān)鍵詞 水稻種子；等離子體；處理；生物學(xué)性狀；產(chǎn)量；影響

中圖分類(lèi)號(hào) S511 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2013）01-0033-01

等離子體處理種子是一項(xiàng)新技術(shù)，是物理方法在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用[1-3]。等離子體是物質(zhì)存在的第4種狀態(tài)，處理后的作物種子，能夠激活作物種子酶的活力，使作物表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗逆性和生命力，提高作物產(chǎn)量，增產(chǎn)增收效果明顯，為農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收開(kāi)辟了新途徑[4-10]。探索等離子體處理[11]水稻種子的效果，明確其對(duì)產(chǎn)量及產(chǎn)值的影響可為該區(qū)域水稻優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)高效生產(chǎn)提供有力的技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)在樺郊鄉(xiāng)友誼村友誼社。試驗(yàn)田土壤為河谷平川沙壤質(zhì)沖積土，供試土壤含堿解氮228 mg/kg、速效磷17.8 mg/kg、速效鉀78 mg/kg、有機(jī)質(zhì)39 g/kg，pH值5.7。供試水稻品種為通育315，由吉林省通化市農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供。供試水稻專(zhuān)用肥由吉林金穗肥料有限公司提供。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)2個(gè)處理，分別為：等離子體處理水稻種子，劑量與次數(shù)為0.5A×2（A）；以未用等離體處理水稻種子作對(duì)照（CK）。6次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)。苗床土為園田土與草碳土按3∶1比例混拌過(guò)篩，300 kg過(guò)篩土加2.5 kg水稻育苗調(diào)制劑混拌均勻。處理區(qū)與對(duì)照區(qū)施肥相同。

2 結(jié)果與分析

2.1 等離子體處理水稻種子對(duì)其生物學(xué)性狀的影響

由表1可知，處理A的出苗期比CK提前1 d，秧苗莖葉干重和秧苗根系干重分別比CK多0.339 5 g/百株和0.217 5 g/百株，秧苗株高、秧苗根長(zhǎng)、秧苗根數(shù)、分蘗期株高、分蘗株數(shù)分別比CK高2.3 cm、1.3 cm、2.2條、0.6 cm、0.9株/穴，秧苗葉齡指數(shù)、收獲期株高與CK無(wú)差異。

2.2 等離子體處理水稻種子對(duì)其產(chǎn)量及產(chǎn)值的影響

由表2可知，處理A的穴穗數(shù)、穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率比CK分別多1.1穗/穴、7.0粒、2.2個(gè)百分點(diǎn)，穗癟粒數(shù)、結(jié)實(shí)率、千粒重與CK無(wú)差異，產(chǎn)量比CK增產(chǎn)744.75 kg/hm2，增幅為11.06%，比CK增收1 980.83元/hm2。

3 結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明，等離子體處理水稻種子，可以明顯提早水稻出苗期，增加秧苗百株莖葉干重和秧苗百株根系干重，提高秧苗株高、秧苗根長(zhǎng)和分蘗期株高，增多秧苗根數(shù)和分蘗株數(shù)；同時(shí)提高每穴穗數(shù)、穗粒數(shù)，明顯比對(duì)照增加產(chǎn)量744.75 kg/hm2，比對(duì)照增收1 980.83元/hm2。

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篇7

關(guān)鍵詞：大氣壓等離子體；等離子體射流；介質(zhì)阻擋放電；微空心陰極放電；射流裝置結(jié)構(gòu)

中圖分類(lèi)號(hào)：O461 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）34-0009-05

自美國(guó)弗吉尼亞老道明大學(xué)的Laroussi M博士在1996首次報(bào)道大氣壓放電射流型等離子體（Atmospheric Plasma Jet，APPJ）用于致病菌的殺滅以來(lái)，針對(duì)APPJ裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、放電特性及應(yīng)用研究，受到了材料、醫(yī)學(xué)、環(huán)境、化工等領(lǐng)域諸多學(xué)者的廣泛關(guān)注。與傳統(tǒng)的氣體放電等離子體相比較，APPJ的最大優(yōu)勢(shì)在于通過(guò)強(qiáng)氣流將等離子體“吹”出放電腔，直接噴射到大氣環(huán)境中，使得等離子體與高壓電極分離，對(duì)操作者的安全性有極大提高。此外，從傳統(tǒng)方式下的氣體放電產(chǎn)生等離子體來(lái)看，其放電間隙僅限于毫米到幾厘米量級(jí)，導(dǎo)致狹小空間內(nèi)的帶電粒子的活性與壽命受到影響，這就使得處理樣品的尺寸受到極大限制，即使樣品能夠進(jìn)入到放電間隙，也會(huì)對(duì)放電的穩(wěn)定性帶來(lái)影響，而APPJ的出現(xiàn)恰好克服了這些缺點(diǎn)。APPJ的發(fā)展與近幾年來(lái)迅速崛起的等離子體材料學(xué)、等離子體醫(yī)學(xué)密切相關(guān)。目前，APPJ不僅在金屬、金屬氧化物、有機(jī)高分子聚合物、熱敏感材料的表面親水性及其化學(xué)活性的改性方面已有許多研究成果，同時(shí)，這些裝置在等離子體醫(yī)學(xué)中已成功用于細(xì)菌、真菌、體外凝血、癌細(xì)胞治理、牙齒美白等。在國(guó)際上，一些學(xué)者甚至將其用于慢性感染傷口的愈合、皮膚螨蟲(chóng)的治療，且以?xún)?yōu)于傳統(tǒng)方法的臨床效果為佐證。國(guó)內(nèi)對(duì)APPJ的研究相對(duì)較晚，且大多使用惰性氣體（如氦氣）放電，除進(jìn)行材料表面改性、致病菌殺滅以外，在口腔醫(yī)學(xué)、傷口治療等領(lǐng)域的涉足相對(duì)較少。主要有華中科技大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中科院物理所、清華大學(xué)等高校與研究所。另外，APPJ自身所含有的高速運(yùn)動(dòng)自由基與處理對(duì)象間的碰撞反應(yīng)是物理化學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)及微生物學(xué)等學(xué)科的高度交叉，目前的許多研究仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，與工業(yè)應(yīng)用仍有相當(dāng)?shù)牟罹?。本文概述了APPJ裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及放電特性，闡述了它們的基本原理，結(jié)合APPJ在材料表面改性與等離子體醫(yī)學(xué)中的廣泛應(yīng)用，對(duì)APPJ進(jìn)一步發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)及未來(lái)應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

1 基于MHCD的APPJ

微空心陰極放電（Microhollow Cathode Discharge，MHCD）已經(jīng)過(guò)了100多年的發(fā)展歷史，其放電時(shí)擁有較高的電子濃度，在后來(lái)的應(yīng)用中，人們利用它的高能活性粒子，進(jìn)行材料表面改性、致病菌殺滅等。其典型構(gòu)造為三層疊狀，即金屬電極-絕緣介質(zhì)-金屬電極。通常情況下，電極使用金屬鉬、鎢、鋁或者銅箔制作，絕緣介質(zhì)則為云母、氧化鋁陶瓷或聚四氟乙烯等，通過(guò)高速鉆機(jī)或者激光器打一穿孔，孔徑典型值為10～500μm。由于陰極孔存在電子鐘擺、二次電子發(fā)射以及彭寧效應(yīng)，使得MHCD的電離率較高，外加相對(duì)較低的電壓就能放電，降低了對(duì)外部絕緣的要求。更為重要的是，MHCD在非惰性氣體（主要指空氣和氮?dú)猓┥淞鞣矫嬗兄烊坏膬?yōu)勢(shì)。

美國(guó)老道明大學(xué)的Schoenbach課題組基于MHCD原理，報(bào)道了世界上第一個(gè)空氣APPJ裝置。圖1（a）為該裝置結(jié)構(gòu)示意圖，中間絕緣介質(zhì)厚度0.2～0.5mm，兩側(cè)電極厚0.1～0.3mm，放電孔徑0.2～0.8mm。當(dāng)外部空氣以8L/min的流量通過(guò)放電微孔且兩電極間外加直流電壓1.5～2.5kV時(shí)，該裝置開(kāi)始放電，其維持電壓很低，只需500V左右。穩(wěn)定放電時(shí)，維持電流約2mA。圖2給出了射流時(shí)的氣體溫度曲線圖，可以明顯看出，隨著軸向距離的增加，氣體溫度先迅速下降，然后緩慢趨近于室溫。后來(lái)，為了增大孔徑內(nèi)的氣體壓力，提高噴射氣流的速率，出現(xiàn)了圖1中（b）和（c）兩種裝置結(jié)構(gòu)，而圖1中的結(jié)構(gòu)（d）也是在圖1（a）的基礎(chǔ)上改進(jìn)得到，其兩電極間開(kāi)始出現(xiàn)較小的正對(duì)面積，有利于孔內(nèi)粒子的進(jìn)一步電離。前述四種結(jié)構(gòu)下實(shí)現(xiàn)的等離子體射流面積較小，而圖1（e）所示的陣列式多孔放電結(jié)構(gòu)因能實(shí)現(xiàn)相對(duì)較大面積放電而備受學(xué)者青睞，但為了維持空心陰極效應(yīng)，陣列式結(jié)構(gòu)對(duì)孔徑尺寸有著嚴(yán)格的要求，其加工工藝要求甚高，且很難實(shí)現(xiàn)每孔均同時(shí)穩(wěn)定放電，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中并不能對(duì)樣品進(jìn)行嚴(yán)格意義上的均勻處理。

另外，韓國(guó)的Hong Y C課題組也在微孔射流上做了大量的工作，他們使用60Hz的交流電壓源作為外部激勵(lì)，并制作了空氣等離子體射流裝置，圖3（a）給出了其裝置原理圖。當(dāng)空氣流量為5L/min時(shí)，該裝置射流長(zhǎng)度可達(dá)23mm，在氣體放電長(zhǎng)度上代表了使用空氣產(chǎn)生非平衡等離子體射流的最高水平。由于該類(lèi)裝置具有較高的電離率，在距噴口10mm處，等離子體溫度為60℃，且功率最大可達(dá)2W，比之前報(bào)道的直流電源激勵(lì)的射流功率都要高。在后續(xù)的報(bào)道中，他們研制了可產(chǎn)生65mm的多孔陣列式氮?dú)獾入x子體射流源，其正常工作電壓5.5～9.5kV（峰峰值），氣體溫度可穩(wěn)定維持在34℃以下。至于放電波形，電壓大致為鋸齒狀，電流則呈周期性的脈沖放電，且脈沖頻率為10～400kHz，這種特殊的振蕩式放電與Hensel K等人采用直流電源激勵(lì)時(shí)的電特性有相似之處。另外，由于他們的研究均使用交流電源驅(qū)動(dòng)，雖然已具有良好的應(yīng)用特性，但裝置正常工作時(shí)在正負(fù)半周期均會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的電壓振蕩，一般的交流電壓源很難滿(mǎn)足這種特殊的放電需求。為此，對(duì)于該類(lèi)APPJ裝置放電電源輸出參數(shù)的設(shè)計(jì)就提出了很高的要求。

圖1 基于MHCD的等離子體射流裝置示意圖

圖2 等離子體射流氣體溫度與軸向距離關(guān)系圖

2 DBD形式的APPJ

由于前述基于MHCD的APPJ裝置是實(shí)現(xiàn)氮?dú)狻⒖諝獾入x子體射流的最佳方式，所以將其單獨(dú)列為一節(jié)進(jìn)行介紹。而目前使用較多的介質(zhì)阻擋放電（Dielectric Barrier Discharge，DBD）難以對(duì)以空氣為代表的非惰性氣體實(shí)現(xiàn)射流型非平衡等離子體。因此，DBD形式下使用的氣體以?xún)r(jià)格較為昂貴的惰性氦氣和氬氣為主，純氬氣放電時(shí)的熱量以及發(fā)光強(qiáng)度相對(duì)氦氣較大，放電時(shí)的電子密度一般為氦氣的2～2.5倍，但氬氣放電時(shí)對(duì)電路參數(shù)較為敏感，很難通過(guò)常規(guī)的診斷方式來(lái)識(shí)別其放電模式。而在實(shí)際的操作過(guò)程中，我們通常都會(huì)忽略這些因素，一般都是根據(jù)具體的應(yīng)用對(duì)象，通過(guò)在惰性氣體中混入一定比例的其他氣體（如氧氣、氮?dú)猓?，?lái)達(dá)到相應(yīng)的應(yīng)用效果，但這種情況下，很容易對(duì)放電的穩(wěn)定、均勻性造成影響。

（a）schematic of air plasma jet

（b） photo of N2 plasma jet with the porous alumina dielectric

圖3 基于MHCD的陣列式等離子體射流裝置

等離子體中高能活性粒子的運(yùn)動(dòng)不僅受裝置結(jié)構(gòu)的影響，外加電源的頻率對(duì)其運(yùn)動(dòng)也至關(guān)重要。用來(lái)激發(fā)DBD形式的射流可以使用射頻、微波誘導(dǎo)、脈沖以及低中頻交流電源。從目前的研究來(lái)看，由于成本及相關(guān)技術(shù)原因，國(guó)內(nèi)使用射頻或者微波誘導(dǎo)產(chǎn)生冷等離子體射流的研究不多，而國(guó)外已有相關(guān)的實(shí)際應(yīng)用。就使用脈沖電源而言，不但可以提高電子能量，減小功率損耗，利于離子化效率的提升，而且可以避免其他類(lèi)型電源激勵(lì)下射流的熱不穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)更為穩(wěn)定的放電。特別是在電暈放電狀態(tài)下，當(dāng)脈沖持續(xù)時(shí)間小于電弧產(chǎn)生所需的時(shí)間時(shí)，已經(jīng)結(jié)束的脈沖可以迅速抑制電弧的形成，避免向火花放電發(fā)展。至于交流正弦波電源，在滿(mǎn)足放電要求的前提之上，相對(duì)前三者更為價(jià)廉，也是在目前被廣泛用于APPJ的原因之一。

2.1 單電極APPJ

就單電極等離子體射流結(jié)構(gòu)而言，有三種常見(jiàn)的形式。圖4給出了結(jié)構(gòu)示意圖，其中外表面單電極如圖4（a），直接將高壓環(huán)形電極置于石英管外壁。在這種方式下，Ye R觀察到等離子體子彈以17km/s的速度快速向管外噴出，這種狀態(tài)的維持源于光電離作用，但在高壓電極附近，電場(chǎng)卻起著維持等離子體發(fā)展的主導(dǎo)作用，驅(qū)使等離子體向低電場(chǎng)區(qū)域運(yùn)動(dòng)，從而形成射流型等離子體在大氣環(huán)境下的長(zhǎng)度。圖4（b）、圖4（c）給出了另外兩種單電極結(jié)構(gòu)示意圖，圖4中的結(jié)構(gòu)（b）在制作時(shí)一般使用細(xì)針，但由于電場(chǎng)主要集中在電極的尖端，射流的激發(fā)源于電暈放電，這種方式下在射流長(zhǎng)度上會(huì)受到一定限制。圖4中的結(jié)構(gòu)（c）為單針電極射流示意圖，該方式并非DBD，但考慮該結(jié)構(gòu)在一些特殊場(chǎng)合下（狹縫、管狀組織內(nèi)部、牙根管等）的巨大優(yōu)勢(shì)，同時(shí)與圖4中的結(jié)構(gòu)（a）和（b）共同構(gòu)成較為完整的單電極射流體系，為此在該處將圖4中的結(jié)構(gòu)（c）一并介紹。Lu等人使用脈沖電源在這方面做了大量的工作，詳細(xì)探討了脈沖電壓幅值、頻率、脈寬時(shí)間、氣體流量以及噴口直徑對(duì)射流長(zhǎng)度的影響。同時(shí)，在該裝置上檢測(cè)到的放電電流峰值達(dá)360mA，是目前低溫等離子體射流領(lǐng)域報(bào)道的最大電流值。然而，有文獻(xiàn)指出，圖4中的（a）和（c）結(jié)構(gòu)因高壓電極直接暴露在大氣環(huán)境中，存在一定的安全隱患。針對(duì)該問(wèn)題，也報(bào)道了其派生結(jié)構(gòu)，主要是在針電極孔上外接超細(xì)絕緣管，操作者通過(guò)直接接觸絕緣管進(jìn)行射流應(yīng)用，這樣一來(lái)便有兩大好處：一方面使得與處理對(duì)象接觸較近的為絕緣細(xì)管與等離子體，可巧妙避免高壓?jiǎn)坞姌O的誤傷；另外，由于人體對(duì)絕緣管的觸摸，導(dǎo)致接觸區(qū)域的電場(chǎng)得到加強(qiáng)，絕緣管表面的電荷積累增多，促使射流長(zhǎng)度變長(zhǎng)，圖5為使用該方式產(chǎn)生的60cm超長(zhǎng)氬氣等離子體柱照片。

圖4 單電極等離子體射流裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 60cm超長(zhǎng)氬氣等離子體柱照片

2.2 兩電極APPJ

目前的兩電極等離子體射流裝置結(jié)構(gòu)不勝枚舉，但放電形式大多基于DBD（還有很多結(jié)構(gòu)并非DBD形式，此處不做介紹），需要指出的是，在有的情況下，兩個(gè)電極之間并沒(méi)有放置處理樣品或阻擋介質(zhì)時(shí)，并不是嚴(yán)格意義上的DBD，有學(xué)者稱(chēng)這種結(jié)構(gòu)為類(lèi)DBD，但此處假設(shè)兩個(gè)電極間已有阻擋物體，將其納入DBD形式的兩電極射流結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹。

圖6給出了六個(gè)典型的兩電極射流裝置結(jié)構(gòu)示意圖，圖6（a）為外表面雙電極結(jié)構(gòu)，Teschke M等觀察到等離子體像“子彈”一樣以數(shù)十千米每秒的速度向前發(fā)射，且子彈的射出總是出現(xiàn)在電壓上升至一定值的時(shí)刻。Sands B L認(rèn)為這種結(jié)構(gòu)下射流的產(chǎn)生并不依賴(lài)于管內(nèi)的電場(chǎng)，在管內(nèi)開(kāi)始放電之前，等離子體射流已經(jīng)開(kāi)始產(chǎn)生，且其源于一種不斷發(fā)生的自持放電。當(dāng)收縮兩個(gè)電極間的距離時(shí)，管內(nèi)放電將會(huì)延遲，同時(shí)射流的產(chǎn)生時(shí)間將會(huì)提前，且距離越小，這種現(xiàn)象越明顯。而圖6（b）是將圖6中的結(jié)構(gòu)（a）的一外置電極改為內(nèi)置，有學(xué)者稱(chēng)圖6中的結(jié)構(gòu)（b）為中心電極結(jié)構(gòu)，當(dāng)內(nèi)置電極接高壓電源輸出端時(shí)，其強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)仍集中于尖端附近，這種源于電暈方式激發(fā)的射流長(zhǎng)度相對(duì)較短，但與圖6中的（a）結(jié)構(gòu)相比較，圖6中的（b）結(jié)構(gòu)的放電穩(wěn)定性更好。圖6（c）幾乎與圖6中的結(jié)構(gòu)（b）類(lèi)似，只是圖6中的結(jié)構(gòu)（c）的內(nèi)電極為空心結(jié)構(gòu)，同時(shí)可以在電極上開(kāi)以噴氣孔，此時(shí)更容易實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定均勻放電，但由于噴氣孔分擔(dān)了部分氣流量，減小了內(nèi)電極管內(nèi)的壓力，在同等條件下，其射流長(zhǎng)度及應(yīng)用效果均不及空心電極結(jié)構(gòu)。圖6（d）則在圖6中的結(jié)構(gòu)（c）的基礎(chǔ)上保留外表面電極，但將內(nèi)置的電極移至噴口附近，作為地電極，而圖6中的結(jié)構(gòu)（a）、結(jié)構(gòu)（b）和結(jié)構(gòu)（c）的電極接線方式可以任意改變。對(duì)于圖6中的結(jié)構(gòu)（d），當(dāng)?shù)仉姌O遠(yuǎn)離噴口處的高壓電極時(shí)，實(shí)際上是作為單電極方式而存在，此時(shí)大氣中的某處則成為了參考電位；當(dāng)縮短兩電極的距離至某一值時(shí)，便開(kāi)始出現(xiàn)電弧。因此，在使用圖6中的結(jié)構(gòu)（d）放電時(shí)，應(yīng)特別注意兩電極間的相對(duì)距離，避免電弧的發(fā)生。至于圖6中的結(jié)構(gòu)（e），為一種針-板式射流方式，其功率一般在50W以下。這種結(jié)構(gòu)若是內(nèi)置實(shí)心針電極，則一般使用射頻電源驅(qū)動(dòng)（13.56MHz、27.12MHz或40.68MHz），且隨著頻率的不斷提高，等離子體的電流密度不斷增大，但很容易拉弧。在應(yīng)用過(guò)程中，可根據(jù)具體情況設(shè)計(jì)相應(yīng)的冷卻系統(tǒng)，以降低腔體發(fā)熱。而當(dāng)內(nèi)置電極為空心結(jié)構(gòu)時(shí)，圖6中的結(jié)構(gòu)（e）更適合進(jìn)行陣列式等離子體射流，因?yàn)榇藭r(shí)可以充分利用各管?chē)娚涞酱髿獾牡入x子體間的相互作用，對(duì)空間及樣品的表面電荷進(jìn)行均勻分配，發(fā)揮其自適應(yīng)、自調(diào)節(jié)能力。Kong M G的研究表明，圖6中的結(jié)構(gòu)（e）在陣列式射流時(shí)的放電穩(wěn)定性與一致性上明顯優(yōu)于單個(gè)射流。

圖6 兩電極等離子體射流裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3 等離子體“子彈”機(jī)理分析

在早期的研究中，由于等離子體診斷技術(shù)的局限性，學(xué)者們大多只能通過(guò)肉眼或者普通長(zhǎng)曝光數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行放電圖像拍攝，觀察到了等離子體射流過(guò)程中的各種物理放電現(xiàn)象，同時(shí)，許多研究者更為注重的是等離子體射流源的應(yīng)用特性，至于這些物理現(xiàn)象的機(jī)理解釋及放電的演化，特別是對(duì)等離子體射流機(jī)理的形成及關(guān)鍵參數(shù)的控制研究，目前仍處于初始階段。最近幾年，隨著納秒量級(jí)增強(qiáng)型電荷耦合器件（Intensified Charge Coupled Device，ICCD）及電子倍增電荷耦合器件（Electron-Multiplying CCD，EMCCD）技術(shù)的發(fā)展，學(xué)者們對(duì)于射流機(jī)理的研究才開(kāi)始進(jìn)入到微觀層面。2005年，德國(guó)伍珀塔爾大學(xué)的Teschke M等在毛細(xì)管內(nèi)進(jìn)行氦氣等離子體射流時(shí)，通過(guò)納秒量級(jí)ICCD拍攝到的等離子體射流實(shí)際上是由類(lèi)似“子彈”的高速小光球組成，且總出現(xiàn)在電壓的上升階段，它們的推進(jìn)速度約為104～105m/s，遠(yuǎn)高于氣體本身的流速。美國(guó)的Laroussi M課題組通過(guò)ICCD對(duì)等離子體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行拍攝，發(fā)現(xiàn)以圓環(huán)形狀存在的等離子體“子彈”運(yùn)動(dòng)速度高達(dá)106m/s，并認(rèn)為電壓及氣體流量是影響“子彈”形成的兩個(gè)重要因素，其演化過(guò)程與正流注相似。日本矢崎（Yazaki）公司Ye R研究員等開(kāi)展了射流等離子體的動(dòng)力學(xué)研究，認(rèn)為光致電離是形成“等離子體子彈”的根本原因，同時(shí)發(fā)現(xiàn)“等離子體子彈”在演化過(guò)程中呈現(xiàn)出先加速后減速的趨勢(shì)，其運(yùn)動(dòng)速度與氣流方向無(wú)關(guān)。隨后，針對(duì)這種“子彈”模式的射流方式，美國(guó)的Sand B L等也相繼觀察到了等離子體“子彈”，并提出了相應(yīng)的理論模型，但這些理論的提出還有待進(jìn)一步研究。這些研究很好地揭示了“等離子體子彈”的形成及發(fā)展，但事實(shí)上，通過(guò)模型計(jì)算得出的“等離子體子彈”的理論速度與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)值仍存在一定的差異，因此，對(duì)于射流機(jī)理的解釋還有待研究?，F(xiàn)階段人們普遍認(rèn)為，電場(chǎng)是維持等離子體發(fā)展的主導(dǎo)因素，且不斷促使電離崩頭電離前方氣體，從而跟隨氣流至管外低電場(chǎng)區(qū)形成射流等離子體。此外，學(xué)者們?cè)谘芯窟^(guò)程中還觀測(cè)到了豐富的物理現(xiàn)象，如射流模式的演化、短時(shí)混沌現(xiàn)象、“電荷溢流”現(xiàn)象、“自組織模式”、等離子體的非準(zhǔn)電中性效應(yīng)等，針對(duì)這些有趣現(xiàn)象的研究，目前仍在深入進(jìn)行中。

4 APPJ面臨的問(wèn)題及展望

等離子體射流經(jīng)過(guò)了半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，但興起等離子體射流應(yīng)用于材料、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的研究，還不到20年。雖然近年不斷涌現(xiàn)出各式各樣的射流裝置，可在理論研究與實(shí)踐應(yīng)用相結(jié)合的過(guò)程中，仍有許多問(wèn)題亟待解決。

首先，APPJ應(yīng)用涉及的知識(shí)面較廣，幾乎涵蓋了機(jī)械、材料、電氣、生物、化學(xué)、物理以及動(dòng)力等學(xué)科。人們一般難以從不同學(xué)科角度來(lái)進(jìn)行同一問(wèn)題的研究，在針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合時(shí)，很難根據(jù)作用對(duì)象的特征，對(duì)等離子體源的氣體放電溫度、輸出功率進(jìn)行良好控制。

其次，APPJ在相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)有了很好的實(shí)驗(yàn)效果，但放電功率密度相對(duì)較小，對(duì)放電效率及利用率尚無(wú)明確定義。不管是在材料表面改性，還是等離子體醫(yī)學(xué)應(yīng)用，當(dāng)前的大多數(shù)研究仍停留于實(shí)驗(yàn)室階段，如何實(shí)現(xiàn)工業(yè)級(jí)大面積、高效率應(yīng)用還需在裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上進(jìn)一步改進(jìn)。此外，對(duì)于放電機(jī)理的研究，目前并沒(méi)有一個(gè)較為圓滿(mǎn)的解釋?zhuān)瑢W(xué)者們無(wú)法達(dá)成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。同時(shí)，等離子射流很大程度依賴(lài)于惰性氣體，其應(yīng)用成本及風(fēng)險(xiǎn)，并沒(méi)有得到合理評(píng)估，對(duì)其應(yīng)用效果應(yīng)開(kāi)展長(zhǎng)期的后期效果

論證。

再次，雖然近幾年已出現(xiàn)氮?dú)馍踔潦强諝釧PPJ，但發(fā)展腳步較為緩慢，特別是它們的射流長(zhǎng)度極為有限、氣體放電溫度相對(duì)偏高，在很多實(shí)踐環(huán)節(jié)都受到了相當(dāng)?shù)南拗?。再者，不論是在?guó)內(nèi)還是國(guó)外，實(shí)現(xiàn)大面積非平衡等離子體射流都會(huì)在裝置的加工工藝及放電穩(wěn)定性方面面臨巨大挑戰(zhàn)。

最后，APPJ已經(jīng)展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景，俄羅斯女科學(xué)家Ermolaeva S A認(rèn)為非平衡氬氣等離子體射流可以替代抗生素，德國(guó)科學(xué)家Zimmermann J甚至認(rèn)為APPJ可以用來(lái)抑制艾滋病毒在血液中的傳播。在國(guó)內(nèi)，華中科技大學(xué)盧新培教授制作了世界上唯一一種能放入牙齒根管內(nèi)對(duì)根管進(jìn)行殺菌的等離子體射流裝置，這一切成果讓我們倍感欣慰。但我們?nèi)孕枰粩嘀铝τ诨A(chǔ)學(xué)科的研究，這將有益于更深層次地揭示APPJ的作用機(jī)理。APPJ應(yīng)不斷向著陣列式、高功率密度、低成本及專(zhuān)一應(yīng)用場(chǎng)合的方向發(fā)展，其光明的應(yīng)用前景有望在人類(lèi)的健康事業(yè)、半導(dǎo)體工業(yè)及等離子體化學(xué)等領(lǐng)域做出重大貢獻(xiàn)。

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篇8

我國(guó)預(yù)計(jì)會(huì)在2020年左右建成空間站，而這個(gè)尚未建成的太空家園承載著許多科學(xué)家的科研規(guī)劃。東華大學(xué)物理系特聘研究員杜誠(chéng)然，就是其中的一員。他說(shuō)：“我國(guó)的空間站將成為空間科學(xué)和多種新技術(shù)研究實(shí)驗(yàn)的重要基地，希望有機(jī)會(huì)能在空間站微重力環(huán)境下進(jìn)行復(fù)雜等離子體實(shí)驗(yàn)?！?/p>

關(guān)于復(fù)雜等離子體，杜誠(chéng)然做了一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹：物質(zhì)在固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)之外，還有第4種形態(tài)，存在于宇宙空間中，那就是等離子體。通俗地說(shuō)，如果對(duì)氣體進(jìn)一步加熱，使其發(fā)生電離，就能產(chǎn)生等離子體?！拔覀?cè)诘入x子體中引入宏觀尺度的塵埃顆粒，組成一種更加復(fù)雜的混合粒子系統(tǒng)，就形成了復(fù)雜等離子體。在微重力環(huán)境下，所形成的系統(tǒng)將更加接近自然界中傳統(tǒng)物質(zhì)的性質(zhì)?？梢哉f(shuō)，復(fù)雜等離子體系統(tǒng)將各個(gè)不同的經(jīng)典物理學(xué)科（包括等離子體物理、流體力學(xué)、凝聚態(tài)物理等）有機(jī)地結(jié)合在了一起，尤其是對(duì)于傳統(tǒng)物質(zhì)的基礎(chǔ)研究更有著不可估量的意義。”

兩次交換生開(kāi)啟科研之路

杜誠(chéng)然的科研之路，是從當(dāng)交換生開(kāi)始的。

2005年8月，正在上海交通大學(xué)讀大三的杜誠(chéng)然被學(xué)校選中，去新加坡國(guó)立大學(xué)進(jìn)行一個(gè)學(xué)期的交換學(xué)習(xí)。在新加坡的一個(gè)學(xué)期，杜誠(chéng)然進(jìn)入了實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)始接觸實(shí)驗(yàn)研究。隨后，他又公費(fèi)去德國(guó)的薩爾布呂肯大學(xué)交換了一學(xué)期，這一次，他學(xué)會(huì)了德語(yǔ)。在德國(guó)交換期間，杜誠(chéng)然也和在新加坡時(shí)一樣，在實(shí)驗(yàn)室工作過(guò)一段時(shí)間。這兩個(gè)學(xué)期的交換生生涯讓杜誠(chéng)然見(jiàn)識(shí)到了國(guó)外的科研氛圍，看到了與國(guó)內(nèi)不同的科研與教學(xué)方式，他認(rèn)識(shí)到，這個(gè)時(shí)候國(guó)外的科研和教學(xué)環(huán)境要優(yōu)于國(guó)內(nèi)。因此，本科畢業(yè)后，杜誠(chéng)然決定去德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)繼續(xù)深造。

“可能是因?yàn)橹霸诘聡?guó)做過(guò)交換生，德語(yǔ)也還熟練，所以我在學(xué)校融入得很快，一個(gè)月的時(shí)間，我已經(jīng)能在感興趣的實(shí)驗(yàn)室里做一些簡(jiǎn)單的工作。”杜誠(chéng)然說(shuō)：“我對(duì)選擇科研方向特別謹(jǐn)慎，先后在3個(gè)實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐之后，我才最終決定了研究方向――在德國(guó)馬普學(xué)會(huì)地外物理研究所研究復(fù)雜等離子體?！?/p>

研究生期間，杜誠(chéng)然所做的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)就是關(guān)于復(fù)雜等離子體中微粒凝結(jié)過(guò)程的研究。由于微米量級(jí)顆粒在等離子體環(huán)境中與電子流和離子流相互作用下能夠帶有極大的電荷，國(guó)際上普遍認(rèn)為在等離子環(huán)境中帶同種電荷的顆粒凝結(jié)是不可能的。而杜誠(chéng)然通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究塵埃聲波與帶電微粒的相互作用，在國(guó)際上首次提出利用自激發(fā)波的方法克服顆粒間的屏蔽排斥相互作用勢(shì)從而實(shí)現(xiàn)大尺寸顆粒的凝結(jié)，并開(kāi)創(chuàng)性地使用長(zhǎng)距顯微鏡直接觀測(cè)懸浮于等離子體中的凝結(jié)體的結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)表于PhysPlasmas上，文章被多次引用。

此方法被美國(guó)Baylor大學(xué)、法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究院CNRS等多個(gè)科研機(jī)構(gòu)的科研團(tuán)隊(duì)所采用，研究結(jié)果對(duì)理解宇宙中星體的形成過(guò)程有著重要的意義。

對(duì)于初涉科研之路的杜誠(chéng)然來(lái)說(shuō)，這是很高的評(píng)價(jià)了。而這些，當(dāng)時(shí)的他并不知道。“這是我研究生時(shí)候做的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)時(shí)對(duì)自己的成果根本沒(méi)有清醒的認(rèn)識(shí)，真的沒(méi)想到會(huì)有這么大的反響?！倍耪\(chéng)然誠(chéng)說(shuō)道。

“微重力”帶來(lái)“大成果”

這個(gè)實(shí)驗(yàn)給杜誠(chéng)然的科研之路上演了一出“開(kāi)門(mén)紅”，也給了他更大的信心。隨后，杜誠(chéng)然開(kāi)始參與第三代際空間站復(fù)雜等離子體實(shí)驗(yàn)室PK-3Plus的工作，負(fù)責(zé)后期實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析工作。

在分析這些數(shù)據(jù)的時(shí)候，他發(fā)現(xiàn)了一種塵埃顆粒團(tuán)簇穿越另一塵埃顆粒團(tuán)簇而導(dǎo)致的“行”形成過(guò)程的記憶效應(yīng)，這在國(guó)際上尚屬首次。他說(shuō)：“在分析這種在空間或時(shí)間上具有某種規(guī)律性的非均勻宏觀結(jié)構(gòu)時(shí)，我通過(guò)將空間站中的微重力實(shí)驗(yàn)與地面實(shí)驗(yàn)室中的高分辨率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及使用GPU并行計(jì)算技術(shù)獲得的模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)了非相加性對(duì)于‘行’結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程有著重要的影響?！标P(guān)于這一實(shí)驗(yàn)的相關(guān)研究結(jié)果最后發(fā)表于EurophysLett.等國(guó)際期刊上，其中，在New JPhys上發(fā)表的綜述論文被英國(guó)物理協(xié)會(huì)IOP選為“Hightlight of 2012”。

杜誠(chéng)然介紹，在國(guó)際空間站上復(fù)雜等離子體實(shí)驗(yàn)室PK-3 Plus上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)是德國(guó)和俄羅斯兩國(guó)的合作實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，每次任務(wù)前都由兩國(guó)科學(xué)家討論決定具體的實(shí)驗(yàn)方案并上傳到國(guó)際空間站。實(shí)驗(yàn)期間，兩國(guó)科學(xué)家在莫斯科近郊科羅廖夫的國(guó)際空間站控制中心，直接與在軌宇航員一起操作和監(jiān)控實(shí)驗(yàn)。任務(wù)結(jié)束后，所儲(chǔ)存的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)被宇航員帶回地面并送往馬普學(xué)會(huì)和俄羅斯高溫聯(lián)合研究所進(jìn)行分析。杜誠(chéng)然說(shuō)：“整個(gè)流程是非常復(fù)雜的，牽涉到多個(gè)方面，而在多年的前期工作之下，才最終產(chǎn)生了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。而我只是在分析這些數(shù)據(jù)的時(shí)候發(fā)現(xiàn)了這一成果，嚴(yán)格意義上來(lái)說(shuō)不敢居功?！?/p>

雖然杜誠(chéng)然不以該成果為傲，但自然有人慧眼識(shí)英才。2012年，在PK-3 Plus行將退役之時(shí)，杜誠(chéng)然開(kāi)始參與由歐洲宇航局主導(dǎo)的第四代在軌國(guó)際空間站復(fù)雜等離子體實(shí)驗(yàn)室PK-4科學(xué)裝置的測(cè)試開(kāi)發(fā)，在波爾多參與德國(guó)宇航中心（DLR）第20次拋物線實(shí)驗(yàn)任務(wù)。

2014年，在馬普學(xué)會(huì)地外物理研究所工作的杜誠(chéng)然決定回國(guó)?！斑@不僅是因?yàn)榧胰嗽趪?guó)內(nèi)，也是因?yàn)槲覈?guó)空間站微重力環(huán)境下的自然科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究剛剛起步。我希望自己在這方面的經(jīng)驗(yàn)可以提供一些思路和想法，做一點(diǎn)綿薄的貢獻(xiàn)?！?/p>

在2014年成功發(fā)射的PK-4的開(kāi)發(fā)研究中，杜誠(chéng)然作為科學(xué)專(zhuān)家組成員參與實(shí)驗(yàn)規(guī)劃及數(shù)據(jù)分析，并參與下一代國(guó)際空間站復(fù)雜等離子體實(shí)驗(yàn)室PlasmaLab的硬件開(kāi)發(fā)和測(cè)試（包括拋物線飛行微重力測(cè)試）。在我國(guó)空間站行將建成之時(shí)，杜誠(chéng)然的經(jīng)歷彌足珍貴，將為我國(guó)建造復(fù)雜等離子體實(shí)驗(yàn)室乃至為我國(guó)復(fù)雜等離子的發(fā)展提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

在國(guó)外的這些年，杜誠(chéng)然的學(xué)習(xí)、工作方式或多或少的被“同化”。他說(shuō)：“本科的時(shí)候我經(jīng)常一個(gè)人學(xué)習(xí)到晚上十一二點(diǎn)。剛?cè)サ聡?guó)的時(shí)候，我覺(jué)得那里的人很‘不務(wù)正業(yè)’，經(jīng)常聚在一起閑聊?！倍耪\(chéng)然笑笑，繼續(xù)說(shuō)道：“后來(lái)發(fā)現(xiàn)很多科研思路就是在這種討論中展開(kāi)的，比一個(gè)人窩在屋里做研究更有效率。因此回國(guó)之后我也不像以前一樣喜歡一個(gè)人加班加點(diǎn)，反而更喜歡出去跑步、做做運(yùn)動(dòng)，花更多的時(shí)間與同事及學(xué)生討論問(wèn)題?！?/p>

作為一個(gè)上海人，杜誠(chéng)然在回國(guó)之后首選家鄉(xiāng)，作為特聘研究員加入了東華大學(xué)。他說(shuō)：“東華大學(xué)有一個(gè)非常好的特點(diǎn)，就是它可以包容在短期內(nèi)難以取得結(jié)果的研究，鼓勵(lì)需要大量時(shí)間積累的基礎(chǔ)性研究。我覺(jué)得這個(gè)真的很好，對(duì)我來(lái)說(shuō)很重要?！?/p>

在東華大學(xué)，杜誠(chéng)然帶著5個(gè)研究生。對(duì)待學(xué)生，杜誠(chéng)然鼓勵(lì)他們獨(dú)立思考?！爱?dāng)我們出現(xiàn)分歧的時(shí)候，他們經(jīng)常提出不同的觀點(diǎn)，這樣很好。不過(guò)他們需要在思考的深度上下功夫，我要的不僅是不同的觀點(diǎn)，而更應(yīng)該是有深度的思考?！倍耪\(chéng)然說(shuō)，在帶學(xué)生上面他還是新手，還在摸索最適合的方法。

篇9

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī)；等離子體；電場(chǎng)；磁場(chǎng)

中圖分類(lèi)號(hào)：V439 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）05-0055-02

1 方案背景

1.1 燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)面臨的問(wèn)題

燃?xì)鉁u輪是燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)三大核心部件之首，其性能很大程度上決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能。而渦輪進(jìn)口溫度對(duì)渦輪做功能力和效率有直接影響，所以各國(guó)不遺余力地致力于提高渦輪進(jìn)口溫度。但是，受到材料自身特性的影響，即使考慮到冷卻技術(shù)的進(jìn)步，提高渦輪進(jìn)口溫度也將遇到瓶頸。

1.2 人工等離子體技術(shù)的發(fā)展

1.2.1 等離子體簡(jiǎn)介

等離子體又叫電漿或超氣態(tài)，即電離了的“氣體”。等離子體廣泛存在于宇宙中，是物質(zhì)的主要存在形式。自然界中的火焰、閃電等都是等離子體。當(dāng)原子被加熱到足夠高的溫度或受其它作用時(shí)，電子擺脫原子核的束縛成為自由電子。等離子體即由原子核、電子組成，宏觀上等離子體呈現(xiàn)電中性，是一種很好的導(dǎo)電體，經(jīng)過(guò)巧妙的設(shè)計(jì)，可以被磁場(chǎng)捕捉、移動(dòng)和加速[1]。

1.2.2 等離子體的應(yīng)用

等離子電視、磁流體發(fā)電機(jī)是等離子體應(yīng)用實(shí)例。在航天領(lǐng)域，已經(jīng)進(jìn)入到實(shí)用階段的的離子發(fā)動(dòng)機(jī)（日本的“隼鳥(niǎo)”、歐洲的“智能1號(hào)”、美國(guó)的“黎明號(hào)”）是以人工制造的等離子體作為工作介質(zhì)，通過(guò)精準(zhǔn)控制的磁場(chǎng)和電磁場(chǎng)來(lái)獲得推力。隨著科技的進(jìn)步，將來(lái)對(duì)人工制造等離子體及對(duì)其應(yīng)用上將取得長(zhǎng)足的進(jìn)步。

1.2.3 磁流體發(fā)電機(jī)

值得一提的是利用等離子體作為工作介質(zhì)的磁流體發(fā)電機(jī)，其結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

磁流體發(fā)電技術(shù)是利用等離子體高速流過(guò)磁場(chǎng)，正負(fù)離子受相反方向的洛倫茲力而分別聚集到兩極，從而產(chǎn)生持續(xù)電流。我國(guó)早在60年代初就開(kāi)始研究，并列入“863”計(jì)劃，在北京、上海、南京建立了試驗(yàn)基地。磁流體發(fā)電中，利用高溫燃燒的氣體中添加1%的鉀、銫等堿金屬化合物（也叫種子）的方法，使得氣體在3000K左右甚至2200K左右就能轉(zhuǎn)化為滿(mǎn)足要求的等離子體[2][3][4]。

2 等離子體工質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

等離子體工質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)的基本機(jī)構(gòu)（見(jiàn)圖2）與目前發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖3）類(lèi)似，在燃燒室中增加兩個(gè)電場(chǎng)結(jié)構(gòu)和電子收集板，第一個(gè)電場(chǎng)用以使燃?xì)怆婋x，電子收集板用以收集電離后的電子，第二個(gè)電場(chǎng)用以調(diào)節(jié)帶正電的離子的方向回歸軸線方向；在導(dǎo)向葉片位置，可設(shè)置一個(gè)磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)，用以調(diào)節(jié)燃?xì)庖院线m的方向進(jìn)入到下一環(huán)節(jié)――“燃?xì)鉁u輪”；“燃?xì)鉁u輪”是一個(gè)用磁場(chǎng)代替渦輪葉片從燃?xì)庵刑崛」β实慕Y(jié)構(gòu)；在“燃?xì)鉁u輪”之后有一個(gè)放電網(wǎng)，電子收集板收集的電子在放電網(wǎng)與正離子重新結(jié)合形成常規(guī)燃?xì)?，使得可以繼續(xù)用渦輪提從中提取功率。

3 工作原理

氣體進(jìn)入燃燒室之前，工作原理與常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)異，即氣流經(jīng)過(guò)壓氣機(jī)壓縮壓力增大，以合適的壓力和速度進(jìn)入燃燒室燃燒產(chǎn)生燃?xì)?。在燃?xì)膺_(dá)到燃?xì)鉁u輪之前被電場(chǎng)電離，變成電子和正離子。電子和正離子都受到電場(chǎng)力的作用，電子所受力與電場(chǎng)方向相反，而正離子所受力與電場(chǎng)線方向相同。由于電子的質(zhì)量相對(duì)于正離子的質(zhì)量近乎可以忽略，所以電子獲得的加速度比正離子所獲得的加速度大得多，那么，電子的運(yùn)動(dòng)軌跡可以在正離子運(yùn)動(dòng)軌跡偏轉(zhuǎn)很少的情況發(fā)生很大的偏轉(zhuǎn)。收集板（相當(dāng)于磁流體發(fā)電機(jī)的一極）用于收集偏轉(zhuǎn)的電子。正離子將通過(guò)電場(chǎng)和磁場(chǎng)所形成的“導(dǎo)向葉片”，將燃?xì)夥较蛘{(diào)整至需要的方向，之后流經(jīng)安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)軸上的磁場(chǎng)盤(pán)（如圖4所示）。在磁場(chǎng)盤(pán)中，離子受到洛倫茲力，速度的大小不變但方向改變，而且在每一點(diǎn)，速度方向改變的趨勢(shì)都一致。磁場(chǎng)將會(huì)受到反作用力，該反作用力通過(guò)磁場(chǎng)盤(pán)傳遞到發(fā)動(dòng)機(jī)軸。流經(jīng)磁場(chǎng)盤(pán)后，燃?xì)獾哪芰拷档停ㄋ俣炔蛔儯瑝毫蜏囟冉档停?。這時(shí)磁場(chǎng)盤(pán)相當(dāng)于沖擊式渦輪。如圖5和圖6。

磁場(chǎng)盤(pán)的級(jí)數(shù)可視情況而定。當(dāng)燃?xì)獾臏囟冉档偷匠Ｒ?guī)渦輪葉片可以承受的溫度后，通過(guò)放電網(wǎng)將正負(fù)離子重新?lián)交欤环矫娈a(chǎn)生持續(xù)的電流，作為電源使用；另一方面燃?xì)庾優(yōu)槌Ｒ?guī)的中性燃?xì)?，從而可以用普通渦輪提取燃?xì)庵械膭?dòng)能。用渦輪提取燃?xì)鈩?dòng)能的原理與普通發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)異，不再贅述。

4 優(yōu)點(diǎn)和難點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：渦輪前溫度得到解放，發(fā)動(dòng)機(jī)性能得到極大提高。

難點(diǎn)：燃?xì)獾碾婋x、磁場(chǎng)的建立和調(diào)節(jié)、抗電磁干擾能力。

5 結(jié)語(yǔ)

目前，該方案所涉及到的等離子體的產(chǎn)生、電磁場(chǎng)的產(chǎn)生和精確調(diào)控、相互間的電池干擾、等離子體對(duì)金屬的腐蝕等諸多技術(shù)問(wèn)題，仍需一一攻克。但相信隨著技術(shù)的進(jìn)步，該方案不失為未來(lái)的一個(gè)選擇。

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篇10

關(guān)鍵詞： 硅刻蝕； 容性耦合等離子體； 射頻電壓； 腔室壓強(qiáng)； Kriging模型； 優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)： TN405.98； TB115.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

Abstract： The discharge process in capacitively coupled plasma reaction chamber and the plasma silicon etch process are simulated by CFDACE+ and CFDTOPO. The effect of different radio frequency voltage and chamber conditions on plasma characteristics are discussed. The results show that， with the increase of radio frequency voltage， the flux of ion increases； the flux of ion decreases with the increase of chamber pressure when the radio frequency voltage is low， but the change trend shows in opposite direction while the radio frequency voltage is high. The Kriging model is used to optimize the parameters such as chamber pressure and ration frequency voltage， which have influences on the etching profile. The result shows that the optimization method is feasible， which can provide reference for the design of the etch device in similar process condition.

Key words： silicon etch； capacitively coupled plasma； radio frequency voltage； chamber press； Kriging model； optimization

引言

技術(shù)的不斷進(jìn)步對(duì)微電子機(jī)械系統(tǒng)工藝和器件的設(shè)計(jì)提出更高的要求[1]，如元器件本身的尺寸減?。浩浔砻嫣卣鞒叽缫延稍瓉?lái)的微米級(jí)上升到現(xiàn)在的納米級(jí).傳統(tǒng)的濕法刻蝕由于各向異性差、均勻性差、不容易控制等缺點(diǎn)，逐漸被各向異性好、均勻性好、容易控制的干法刻蝕所取代.

在干法刻蝕中等離子體刻蝕應(yīng)用最廣泛，也是微納米加工能力最強(qiáng)的技術(shù)，但是其目前主要依賴(lài)于刻蝕經(jīng)驗(yàn).由于試驗(yàn)周期長(zhǎng)、成本高[2]，等離子體刻蝕的工藝仿真技術(shù)顯得尤為重要.工藝仿真技術(shù)可通過(guò)建立適當(dāng)?shù)哪Ｐ?，得到目?biāo)結(jié)構(gòu)的仿真效果，因此可以根據(jù)刻蝕機(jī)腔室的工藝相關(guān)參數(shù)預(yù)測(cè)刻蝕形貌，還能夠?qū)に噮?shù)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而得到理想的刻蝕形貌.仿真模擬不僅降低微電子機(jī)械系統(tǒng)加工工藝的試驗(yàn)成本，提高生產(chǎn)效率，更為等離子體刻蝕的研究提供一定的參考.

1刻蝕形貌分析

1.1腔室模型分析

建立二維軸對(duì)稱(chēng)腔室模型，見(jiàn)圖1，模擬最簡(jiǎn)單的容性耦合等離子體放電：Cl2從入口進(jìn)入腔室內(nèi)部，被射頻電壓電離成總體呈電中性的等離子體.電場(chǎng)對(duì)離子加速，帶有一定能量和角度分布的等離子體轟擊刻蝕材料，既發(fā)生物理反應(yīng)又發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在刻蝕材料表面形成所需的圖案.

2基于Kriging模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)

通常，評(píng)價(jià)刻蝕結(jié)果質(zhì)量的參數(shù)有剖面的垂直度、刻蝕速率、刻蝕均勻性和刻蝕的選擇比等.如果刻蝕的形貌與理想形貌差別較大，即刻蝕垂直度不夠好，將直接影響由晶片組成的元器件的質(zhì)量，甚至不能使用.腔室壓強(qiáng)和射頻電壓是影響刻蝕形貌的重要參數(shù).以這2個(gè)參數(shù)作為變量，分析不同參數(shù)組合下的刻蝕形貌，并以刻蝕垂直度作為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行初步優(yōu)化.

2.1試驗(yàn)點(diǎn)選取和優(yōu)化模型選擇

腔室壓強(qiáng)和射頻電壓是影響等離子體密度、能量和角度分布等特性的2個(gè)重要參數(shù)，而等離子體的特性決定等離子體刻蝕的結(jié)果.以腔室壓強(qiáng)和射頻電壓作為變量，分析其對(duì)刻蝕垂直度的影響.

采用2個(gè)變量3水平的全因子設(shè)計(jì)方法，通過(guò)對(duì)不同參數(shù)組合下的數(shù)值模擬，得到9組參數(shù)組合下的刻蝕形貌（垂直度）.射頻電壓的取值范圍為0～200 V，腔室壓強(qiáng)的范圍為0～5 Pa.通過(guò)調(diào)節(jié)不同宏觀參數(shù)得到微觀的理想刻蝕形貌，是具有大難度的多尺度優(yōu)化問(wèn)題，所以采用模型的方法實(shí)現(xiàn)優(yōu)化目的.同時(shí)，該問(wèn)題屬于非線性問(wèn)題，可采用Kriging模型.Kriging模型是一種估計(jì)方差最小的無(wú)偏估計(jì)模型[811]，該模型既可以用來(lái)解決各向同性問(wèn)題，又可以用來(lái)解決各向異性問(wèn)題，而且在解決非線性程度較高的問(wèn)題時(shí)容易取得理想的擬合效果.

以圖5所示的刻蝕形貌與理想形貌的垂直度差作為目標(biāo)函數(shù)，計(jì)算不同條件下得到的離子流量和目標(biāo)函數(shù)，見(jiàn)表1.隨著射頻電壓的升高，離子的流量增大；在低射頻電壓時(shí)，離子流量隨腔室壓強(qiáng)的升高而減小，高射頻電壓下趨勢(shì)相反.

3結(jié)論

（1）等離子體刻蝕中Cl2刻蝕硅是比較簡(jiǎn)單的一類(lèi)，腔室壓強(qiáng)和射頻電壓不同程度地影響等離子體的流量和能量分布等特性.隨著射頻電壓的升高，離子的流量增大；在低射頻電壓時(shí)，離子流量隨腔室壓強(qiáng)的升高而減小，高射頻電壓下趨勢(shì)相反.

（2）總體來(lái)說(shuō)，雖然優(yōu)化后的刻蝕形貌不是完全理想的直上直下的刻蝕形貌，但呈現(xiàn)各向異性很強(qiáng)、剖面光滑的形貌.將優(yōu)化后的參數(shù)組合再進(jìn)行刻蝕模擬，得到的目標(biāo)函數(shù)為65.5，并不是71.3，可能是由2個(gè)原因造成的：一是優(yōu)化模型選取不當(dāng)，二是試驗(yàn)點(diǎn)太少（個(gè)變量可以分為4個(gè)水平或更多）.

通過(guò)對(duì)Cl2等離子體刻蝕硅的數(shù)值模擬與優(yōu)化，從科研應(yīng)用的角度提出一種等離子刻蝕機(jī)的優(yōu)化方法，可以為工藝條件相近的刻蝕機(jī)設(shè)備的研究和設(shè)計(jì)提供參考.參考文獻(xiàn)：

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