第一章材料气相合成与制备第一节等离子体化学1.1等离子体的概念物质的状态是可以变化的，在一定温度和压力条件下固、液、气三态的相互转变早已为人们所熟知。若采取某种手段，如加热、放电等，使气体分子离解和电离，当电离产生的带电粒子密度达到一定数值时物质状态便又出现新变化，这时的电离气体已不再是原来的气体了。首先在组成上，电离气体与普通气体明显不同。后者是由电中性的分子或原子组成的，前者则是带电粒子和中性粒子组成的集合体。更重要的是在性质上，这种电离气体与普通气体有着本质区别。首先，它是一种导电流体，而又能在与气体体积相比拟的宏观尺度内维持电中性。其二，气体分子间并不存在净电磁力，而电离气体中的带电粒子间存在库仑力，由此导致带电粒子群的种种集体运动。再者，作为一个带电粒子系，其运动行为会受到磁场的影响和支配等。因此，这种电离气体是有别于普通气体的一种新的物质聚集态。按聚集态的顺序，列为物质第四态。鉴于无论部分电离还是完全电离，其中的正电荷总数和负电荷总数在数值上总是相等的，故称为等离子体。简而言之，等离子体就是指电离气体。它是电子、离子、原子、分子或自由基粒子组成的集合体。当然，并非任电离气体都能算作等离子体的，因为只要绝对温度不为零，任何气体中总是可能有少许原子电离的。因此，准确地说，只有当带电粒子密度达到其建立的空间电荷足以限制其自身运动时，带电粒子才会对体系性质产生显著影响，这样密度的电离气体才转变成等离子体。此外，等离子体的存在还有其特征的空间和时间限度。当某电离气体存在的时间和空间尺度低于特征限度时，它也不能算是等离体。这些都将在本章第四节讨论。还需指出，把电离气体视为等离子体是一种狭义的定义，而并非等离子体的全部。广义等离子体还应包括正电荷总数和负电荷总数相等的其它许多带电粒子系。诸如电解质溶液中的阴阳离子，金属晶格中的正离子和电子气，半导体中的自由电子和空穴等，也都构成等离子体。但本书只涉及电离气体等离子体。1.2等离子体的化学特征化学是在分子层次上研究物质变化的科学。化学变化干变方化，究其本质都是原子或原子团的重新组合。为使重新组合得以进行，就要提供反应所需的活化能。然而，按字宙的平均能量来衡量，地球是一个“冷星球”。地球上的物质多呈密集的凝聚态，地表又覆盖着高密度的空气，这便使一般的化学反应往往要受“低能量”，“高密度”条件的制约。以致于向反应体系传递并保存高能量是相当困难的，一些需要特大活化能的反应在技术上便很难实现。因此，化学家们总是试图寻找激活反应体系的新方式。另一方面，化学与物理学之间是有紧密联系的。物理状态的变化，导致这种变化的物理因素的作用，都有可能引起化学变化，或影响化学变化的进行。从本质上看，分子中电子的运动、分子中原子间的相互作用力、原于和分子的受激与电离等微观物理运动形态，直接决定着物质的性质及化学反应能力。有鉴于此，当物质由气态转变成等离子态时，其化学行为必然发生变化。实际上，从化学的角度来看，等离子体空间富集的离子、电子、激发态的原子、分子及自由基，恰恰是极活泼的反应性物种。首先，由一些简单物质，在无催化条件下即可得到比较复杂的生成物。例如，由下列左端混合物经中间组获得右端生成物，这个实验可用来说明地球上的原始大气是怎样合成为有机物和氨基酸的)。在远古时代，地球上的大气组成与现今不同，乃是高度的还原性气氛。在地表附近经常发生的低压放电现象将上述左端那样的简单气体激发到等离子态，再经过长时间反应终于合成出了有机物和氨基酸。这表明等离子体甚至与地球上的生命起源也有重要关系。通常都认为氮气是不活泼的，以致在很多场合将其作为保护性气体来使用。但是，氮等离子体的化学行3
第一章 材料气相合成与制备 第一节 等离子体化学 1.1 等离子体的概念 物质的状态是可以变化的, 在一定温度和压力条件下固 液 气三态的相互转变早已为人们所熟知 若采取某种手段, 如加热 放电等, 使气体分子离解和电离, 当电离产生的带电粒子密度达到一定数值时, 物质状态便又出现新变化, 这时的电离气体已不再是原来的气体了 首先在组成上, 电离气体与普通气体明显不同 后者是由电中性的分子或原子组成的, 前者则是带电粒 子和中性粒子组成的集合体 更重要的是在性质上, 这种电离气体与普通气体有着本质区别 首先, 它是 一种导电流体, 而又能在与气体体积相比拟的宏观尺度内维持电中性 其二, 气体分子间并不存在净电磁 力, 而电离气体中的带电粒子间存在库仑力, 由此导致带电粒子群的种种集体运动 再者, 作为一个带电 粒子系, 其运动行为会受到磁场的影响和支配等 因此, 这种电离气体是有别于普通气体的一种新的物质 聚集态 按聚集态的顺序 列为物质第四态 鉴于无论部分电离还是完全电离, 其中的正电荷总数和负电 荷总数在数值上总是相等的, 故称为等离子体 简而言之 等离子体就是指电离气体 它是电子 离子 原子 分子或自由基粒子组成的集合体 当然, 并非任电离气体都能算作等离子体的, 因为只要绝对温度不为零, 任何气体中总是可能有少许原 子电离的 因此 准确地说, 只有当带电粒子密度达到其建立的空间电荷足以限制其自身运动时 带电粒 子才会对体系性质产生显著影响, 这样密度的电离气体才转变成等离子体 此外 等离子体的存在还有其 特征的空间和时间限度 当某电离气体存在的时间和空间尺度低于特征限度时, 它也不能算是等离体 这 些都将在本章第四节讨论 还需指出, 把电离气体视为等离子体是一种狭义的定义, 而并非等离子体的全部 广义等离子体还应包 括正电荷总数和负电荷总数相等的其它许多带电粒子系 诸如电解质溶液中的阴阳离子 金属晶格中的正 离子和电子气, 半导体中的自由电子和空穴等 也都构成等离子体 但本书只涉及电离气体等离子体 1.2 等离子体的化学特征 化学是在分子层次上研究物质变化的科学 化学变化千变万化, 究其本质都是原子或原子团的重新组 合 为使重新组合得以进行, 就要提供反应所需的活化能 然而, 按字宙的平均能量来衡量, 地球是一个 冷星球 地球上的物质多呈密集的凝聚态, 地表又覆盖着高密度的空气, 这便使一般的化学反应往往 要受 低能量 高密度 条件的制约 以致于向反应体系传递并保存高能量是相当困难的 一些需要 特大活化能的反应在技术上便很难实现 因此 化学家们总是试图寻找激活反应体系的新方式 另一方面, 化学与物理学之间是有紧密联系的 物理状态的变化, 导致这种变化的物理因素的作用, 都 有可能引起化学变化 或影响化学变化的进行 从本质上看, 分子中电子的运动 分子中原子间的相互作 用力 原于和分子的受激与电离等微观物理运动形态, 直接决定着物质的性质及化学反应能力 有鉴于此, 当物质由气态转变成等离子态时, 其化学行为必然发生变化 实际上, 从化学的角度来看, 等离子体空间富 集的离子 电子 激发态的原子 分子及自由基, 恰恰是极活泼的反应性物种 首先, 由一些简单物质, 在 无催化条件下即可得到比较复杂的生成物 例如, 由下列左端混合物经中间组获得右端生成物, 这个实验 可用来说明地球上的原始大气是怎样合成为有机物和氨基酸的) 在远古时代, 地球上的大气组成与现今不 同, 乃是高度的还原性气氛 在地表附近经常发生的低压放电现象将上述左端那样的简单气体激发到等离 子态, 再经过长时间反应终于合成出了有机物和氨基酸 这表明等离子体甚至与地球上的生命起源也有重 要关系 3 通常都认为氮气是不活泼的, 以致在很多场合将其作为保护性气体来使用 但是, 氮等离子体的化学行
为就大不相同了，很容易参加各种化学反应。如今，正是利用氮等离子体，人们获得了许多氮化物新材料。诸如仿金镀层TiN，誉为黑色金刚石的立方BN，耐高温精细陶瓷Si3N4等。若以总反应计，可表示为3SiH4+2N2→SisN4+6H22TiCI4+N2→2TiN+4Cl2当采用静高压工艺在热力学平衡态人工合成金刚石时，一般股需要1600～1800K、6大气压的高温高压条件。但若用微波等离子体化学气相淀积工艺，以甲烷和氢气为原料，则在低于0.1大气压，450℃条件下便成功地合成了金刚石。综上所述，等离子体空间这些异乎寻常的化学现象表明，既然等离子体作为物质存在的又一种基本形态那么从化学的角度来看，各种反应便是在新的“介质”中，或者说是在一种新“相”里进行的。这就必然有其新特点、新规律和新用途。这一点一旦为人们所认识，便犹如打开一道门，展现出一个广阔的新领域。然而，把等离子体与化学相“关联”，直至形成一门新的交叉学科，还是经历了漫长的岁月。1.3等离子体的粒子密度和温度等离子体的状态主要取决于它的组成粒子、粒子密度和粒子温度。因此可以说，粒子密度和温度是它的两个基本参量。其它一些参量多与密度和温度有关。1.3.1粒子密度和电离度组成等离子体的基本成份是电子、离子和中性粒子。通常，令n.为电子密度，n为离子密度，ng为未电离的中性粒子密度。为方便起见，当n。=n;时，可以用n表示二者中任一个带电粒子的密度，简称为等离子体密度。本书中，取每立方厘米体积中所含的粒子数作为粒子密度的量纲。显然，如果都是一阶电离，则n。=ni。氢等离子体就是这样。然而，一般等离子体中可能含有不同价态的离子，也可能含有不同种类的中性粒子，因此电子密度和离子密度并不一定总是相等的。不过在大多数情况下，我们所讨论的主要是一阶电离和含同一类中性粒子的等离子体，故可认为n;～ne。这时电离度α可定义为n.a=n.+ns电离度很小的等离子体称为弱电离等离子体。当α较大（约大于0.1)时，称为强电离等离子体。α=1时，则叫做完全电离等离子体。在热力学平衡条件下，电离度仅与粒子种类、粒子密度及温度有关。此外，由粒子密度可以估算带电粒子间的平均距离l。设单位体积内的带电粒子数为N，显然N=ne+ni，则1=: N-1/3由此，对一阶电离的体系而言，电子在离子静电势场中的平均势能PE应为PE~ge-~Ns.e*1式中，q为离子电荷。对一价离子，当然q=1。1.3.2.电子温度和离子温度首先，让我们简单回顾一下“温度”的概念。温度是一个热力学参量，按照热力学理论，只有当物质处于热平衡状态时，才能用一个确定的温度T来描述。若从微观角度来看，温度实际上是物质内部微观粒子平均平动能的量度。在热力学平衡态下，粒子能量遵从麦克斯韦分布。单独粒子平均平动能KE与热平衡温度的关系为4
为就大不相同了, 很容易参加各种化学反应 如今, 正是利用氮等离子体, 人们获得了许多氮化物新材料 诸如仿金镀层TiN, 誉为黑色金刚石的立方BN, 耐高温精细陶瓷Si3N4等 若以总反应计, 可表示为 3SiH4+2N2 → Si3N4+6H2 2TiCl4+N2 → 2TiN+4Cl2 当采用静高压工艺在热力学平衡态人工合成金刚石时, 一般需要1600 1800K 6万大气压的高温高压 条件 但若用微波等离子体化学气相淀积工艺 以甲烷和氢气为原料, 则在低于0.1大气压 450 条件下 便成功地合成了金刚石 综上所述 等离子体空间这些异乎寻常的化学现象表明, 既然等离子体作为物质存在的又一种基本形态, 那么从化学的角度来看, 各种反应便是在新的 介质 中, 或者说是在一种新 相 里进行的 这就必然 有其新特点 新规律和新用途 这一点一旦为人们所认识, 便犹如打开一道门, 展现出一个广阔的新领域 然而, 把等离子体与化学相 关联 , 直至形成 门新的交叉学科, 还是经历了漫长的岁月 1.3 等离子体的粒子密度和温度 等离子体的状态主要取决于它的组成粒子 粒子密度和粒子温度 因此可以说 粒子密度和温度是它 的两个基本参量 其它一些参量多与密度和温度有关 1.3.1 粒子密度和电离度 组成等离子体的基本成份是电子 离子和中性粒子 通常, 令ne为电子密度, ni为离子密度, ng为未电离的 中性粒子密度 为方便起见, 当ne=ni时, 可以用n表示二者中任一个带电粒子的密度, 简称为等离子体密度 本书中, 取每立方厘米体积中所含的粒子数作为粒子密度的量纲 显然, 如果都是一阶电离, 则ne=ni 氢 等离子体就是这样 然而, 一般等离子体中可能含有不同价态的离子, 也可能含有不同种类的中性粒子, 因 此电子密度和离子密度并不一定总是相等的 不过在大多数情况下, 我们所讨论的主要是一阶电离和含同 一类中性粒子的等离子体, 故可认为ni ne 这时电离度α可定义为 电离度很小的等离子体称为弱电离等离子体 当α较大(约大于0.1)时, 称为强电离等离子体 α=1时, 则叫 做完全电离等离子体 在热力学平衡条件下, 电离度仅与粒子种类 粒子密度及温度有关 此外, 由粒子密度可以估算带电粒子间的平均距离l 设单位体积内的带电粒子数为N, 显然N=ne+ni, 则 l = N-1/3 由此, 对一阶电离的体系而言, 电子在离子静电势场中的平均势能PE应为 式中, q为离子电荷 对一价离子 当然q=1 1.3.2.电子温度和离子温度 首先, 让我们简单回顾一下 温度 的概念 温度是一个热力学参量 按照热力学理论 只有当物质 处于热平衡状态时 才能用一个确定的温度T来描述 若从微观角度来看 温度实际上是物质内部微观粒 子平均平动能的量度 在热力学平衡态下, 粒子能量遵从麦克斯韦分布 单独粒子平均平动能KE与热平衡温度的关系为 4
KE= 1/2(mv)= 3/2(kT)式中，m为粒子质量，v为粒子的根均方速度，k为玻尔兹曼常数。然而，等离子体中不只有一种粒子。虽然当带电粒子的库仑相互作用位能远小于热运动动能时，即若满足PE《KE，便可以认为各种粒子在热平衡态也服从麦京斯韦分布。但是，不一定有合适的形成条件和足够的持续时间来使各种粒子都达到统一的热平衡态。因此也就不可能用一个统一的温度来描述。在这种情况下，按弹性碰撞理论，离子一离子，电子一电子等同类粒子间的碰撞频率远大手离子.电子间的碰撞频率。况且，同类粒子的质量相同，碰撞时的能量交换最有效。因而，将会是每一种粒子各自先行达自身的热平衡状。而且最先到达热平衡态的应是最轻的带电粒子，即电子。这样一来，就必须用不同的粒子温度来描述了。通常，令电子温度为T，离子温度为T，中性粒子温度为Tg。考虑到“热容”，等离子体的宏观温度当取决子重粒子的温度。值得指出的是关于温度的量纲。在讨论等离子体时，为了方便起见，往往直接以“电子伏特”作为温度的单位，以下且记为Tev，即以与kT值对应的能量来表示。则Tev=kT若Tev=leV，又由于kt=leV=1.6x10-12尔格，则温度为1ev便相当于绝对温度T=11600K。但需注意，单个粒子的平均动能仍为KE= 3/2(kT)=3/2(Tev)依据等离子体的粒子温度，可以把等离子体分为二大类，即热平衡等离子体和非平衡等离子体。当T。=T时，称为热平衡等离子体，单称为热等离子体(Thermalplasma)。这类等离子体不仅电子温度高，重粒子温度也高。然而，所谓热平衡状态，是把物质无限长时间地置手某种氛围（温度、压力等）条件下，最终所能达到的一种状态。由于存在等离子体辐射的缘故，总会有部分能量逃逸出等离子体而又无法以相同机制补充。因而要达到严格意义上的热平衡状态，条件是很苛刻的。实际上比较容易形成的是，各种粒子的温度几乎近似相等(T。～T;Tg)，组成也接近平衡组成的等离子体。这叫做局域热力学平衡态(Localthermal equilibrium)，略称为LTE态等离子体。在等离子体工艺中实际使用的LTE态等离子体温度约为5×10°2×10*K，一般是在大气压水平的高气压条件下产生的。当T。》T;时，称为非平衡态的等离子体(Nonthermal equilibriumplasma)。其电子温度高达10*K以上，而离子和原子之类的重粒子温度却可低到300～500K。因此按其重粒子温度也叫做低温等离子体(Coldplasma)。一般在100Torr(1Torr=133Pa)以下的低气压下形成。尚需指出，应当消除可能产生的一种误解，即高温必然意味着大热量。实际上对非平衡等离子体而言，例如在辉光放电的反应管中，若其内部T。=10eV，即大约相当于1X10°K，但因T,只有数百开，整体的宏观温度便很低，所以反应管壁可能只接近室温。这是由于带电粒子密度只有10~10（cm）时，粒子靠热运动碰撞器壁而传递的总热量并不是那么大的。有鉴于此，非平衡性对等离子体化学与工艺来说是十分有意义的。这意味着，一方面电子具有足够高的能量以使反应物分子激发、离解和电离，另一方面反应体系又得以保持低温，乃至接近室温。这样一来，不仅设备投资少，省能源，在普通的化学实验室里易于实现，而且所进行的反应具备非平衡态的特色。因此获得了非常广泛而有效地应用。1.4等离子体的准电中性维持宏观电中性是等离子体的基本特征。本节将通过对等离子体屏蔽特性和振荡特性的讨论引出电中性由手正离子和电子的空间电荷互相抵消，使等离子体在宏观上呈电中性。但是，只有在特定的空间尺度和时间尺度上电中性才是成立的。事实上，由手受内部粒子热运动的扰动或存在外界干扰等缘故，等离子体5
KE = 1/2(mν 2 ) = 3/2(kT) 式中 m为粒子质量 v为粒子的根均方速度, k为玻尔兹曼常数 然而 等离子体中不只有一种粒子 虽然 当带电粒子的库仑相互作用位能远小于热运动动能时, 即若满足PE KE 便可以认为各种粒子在热平衡态 也服从麦京斯韦分布 但是, 不一定有合适的形成条件和足够的持续时间来使各种粒子都达到统一的热平 衡态 因此也就不可能用一个统一的温度来描述 在这种情况下 按弹性碰撞理论, 离子一离子, 电子 电子等同类粒子间的碰撞频率远大于离子-电子间的碰撞频率 况且, 同类粒子的质量相同 碰撞时的能量 交换最有效 因而 将会是每一种粒子各自先行达自身的热平衡状 而且最先到达热平衡态的应是最轻的 带电粒子, 即电子 这样一来, 就必须用不同的粒子温度来描述了 通常, 令电子温度为Te, 离子温度为Ti, 中性粒子温度为Tg 考虑到 热容 , 等离子体的宏观温度当取 决子重粒子的温度 值得指出的是关于温度的量纲 在讨论等离子体时, 为了方便起见, 往往直接以 电子伏特 作为温度的 单位, 以下且记为Tev 即以与kT值对应的能量来表示 则 Tev = kT 若Tev=1eV, 又由于kt=1eV=1.6x10-12尔格, 则温度为1ev便相当于绝对温度T=11600K 但需注意, 单个粒子的平均动能仍为 KE = 3/2(kT)=3/2(Tev) 依据等离子体的粒子温度, 可以把等离子体分为二大类, 即热平衡等离子体和非平衡等离子体 当Te=Ti时, 称为热平衡等离子体, 单称为热等离子体(Thermal plasma) 这类等离子体不仅电子温度高, 重粒子温度也高 然而, 所谓热平衡状态, 是把物质无限长时间地置于某种氛围(温度 压力等)条件下, 最 终所能达到的一种状态 由于存在等离子体辐射的緣故, 总会有部分能量逃逸出等离子体而又无法以相同 机制补充 因而要达到严格意义上的热平衡状态, 条件是很苛刻的 实际上比较容易形成的是, 各种粒子 的温度几乎近似相等(Te Ti Tg), 组成也接近平衡组成的等离子体 这叫做局域热力学平衡态(Local thermal equilibrium), 略称为LTE态等离子体 在等离子体工艺中实际使用的LTE态等离子体温度约为5 103 2 104 K, 一般是在大气压水平的高气压条件下产生的 当Te Ti时, 称为非平衡态的等离子体(Nonthermal equilibrium plasma) 其电子温度高达104 K以上, 而离 子和原子之类的重粒子温度却可低到300 500K 因此按其重粒子温度也叫做低温等离子体(Cold plasma) 一般在100Torr(1Torr=133Pa)以下的低气压下形成 尚需指出, 应当消除可能产生的一种误解, 即高温必然意味着大热量 实际上对非平衡等离子体而言, 例 如在辉光放电的反应管中, 若其内部Te=10eV, 即大约相当于1 105 K, 但因Ti只有数百开, 整体的宏观温 度便很低, 所以反应管壁可能只接近室温 这是由于带电粒子密度只有109 1013(cm -3)时 粒子靠热运动碰 撞器壁而传递的总热量并不是那么大的 有鉴于此, 非平衡性对等离子体化学与工艺来说是十分有意义的 这意味着, 一方面电子具有足够高的 能量以使反应物分子激发 离解和电离, 另一方面反应体系又得以保持低温, 乃至接近室温 这样一来, 不 仅设备投资少, 省能源, 在普通的化学实验室里易于实现 而且所进行的反应具备非平衡态的特色 因此 获得了非常广泛而有效地应用 1.4 等离子体的准电中性 维持宏观电中性是等离子体的基本特征 本节将通过对等离子体屏蔽特性和振荡特性的讨论引出电中性 由于正离子和电子的空间电荷互相抵消, 使等离子体在宏观上呈电中性 但是, 只有在特定的空间尺度和 时间尺度上电中性才是成立的 事实上, 由于受内部粒子热运动的扰动或存在外界干扰等缘故, 等离子体 5
内时时处处都有可能出现电荷分离，即偏离电中性的现象。但同样地，这种偏离也是有时空限度的，一旦出现偏离，存在于电荷间的库仑相互作用又将使电中性尽快得到恢复。举例说明，假设在密度为ne=n;=10l*cm的等离子体中，有一个半径为1cm的小球。若由于某种扰动，突然有万分之一的电子移出球外，使电中性受到局部破坏，球内便会出现正电荷过剩，其净电荷数为9，那么该净电荷将会产生一个强电场。不难算出在距球心lcm的球面处，电场强度将高达6x10°（Vm)。由此可见，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性。可以说，“偏离”与“恢复”这一对矛盾总是存在于等离子体的整体运动之中。但同时|ni-nel《n。又成立，故谓之“准电中性”。1.4.1德拜屏蔽与德拜长度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”。从远离该正电荷的“云外”来看，电子云的包围削弱了积累起来的有效电荷，也即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之为静电屏蔽，也叫做德拜屏蔽。经过屏蔽后该正电荷的静电势场叫做屏蔽库仑势。由求解屏蔽库仑势可引出等离子体电中性条件成立的空间尺度的特征参数-德拜长度，Rp=J 60kTne2D具有长度量纲。由此可见，德拜长度是描述等离子体空间特性的一个重要参量。归纳起来，其物理意义如下：(i)等离子体对作用于它的电势具有屏蔽能力，入p即为静电相互作用的屏蔽距离或屏蔽半径(i)德拜长度是等离子体中电中性条件成立的最小空间尺度。在距某个电荷中心的距离r<入p的范围内，存在着该电荷产生的静电势场，因此就这个范围来看，等离子体并不是电中性的，只是从r>入p的空间尺度上来看，等离子体才是电中性的。也可以说，德拜长度是等离子体中因热运动或其他扰动导致电荷分离的最大允许尺寸限度。(ii)德拜长度还可以作为等离子体宏观空间尺度的下限。德拜屏蔽要想得以实现，等离子体的空间尺度正就必须远大于德拜半径。这就是说，一个电离气体若称得上是物质第四态的等离子体，其存在的空间条件应为tL》ΛD否则，它就不成其为等离子体，而仍然属于气体。1.4.2朗谬尔振荡与振荡频率以上通过对等离子体屏蔽特性的讨论得出了等离子体存在的宏观空间尺度，接着再来考察等离子体的振荡特性，以便引出等离子体存在的时间特征尺度。如前所述，当等离子体内由于热运动涨落等原因出现电荷分离时，将产生强电电中性区++于不品大的电场，因而使其具有恢复宏观电中性的强烈趋势。实际上，等离子体中最普遍，最快的集体运动是由电子运动引起的。为简单起见，假设只考虑e一维方向的运动。如图1.3所示，设由于偶然的热运动涨落，某一区域内的电子忽然间都以相同的速度沿x方向移动，产生位移8。假定在电子群移动之前，此区域内的正负电荷正好完全抵6
内时时处处都有可能出现电荷分离, 即偏离电中性的现象 但同样地, 这种偏离也是有时空限度的, 一旦出 现偏离, 存在于电荷间的库仑相互作用又将使电中性尽快得到恢复 举例说明, 假设在密度为ne=ni=1014 cm -3的等离子体中, 有一个半径为1cm的小球 若由于某种扰动, 突然 有万分之一的电子移出球外, 使电中性受到局部破坏, 球内便会出现正电荷过剩, 其净电荷数为q, 那么该 净电荷将会产生一个强电场 不难算出在距球心1cm的球面处, 电场强度将高达6x105 (V·m -1) 由此可见, 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性 可以说, 偏离 与 恢复 这一对矛盾总是存在于等离子体的整体运动之中 但同时|ni-ne| ne又成立, 故谓之 准电中性 1.4.1 德拜屏蔽与德拜长度 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 从远离该正电荷的 云外 来看, 电子云的包围削弱了积累起来的有效电荷, 也即削弱了它对远处带电粒子的库仑力 这种现象在物 理学中称之为静电屏蔽, 也叫做德拜屏蔽 经过屏蔽后该正电荷的静电势场叫做屏蔽库仑势 由求解屏蔽库仑势可引出等离子体电中性条件成立的空间尺度的特征参数-德拜长度, λD具有长度量纲 由此可见, 德拜长度是描述等离子体空间特性的一个重要参量 归纳起来, 其物理意义如下 (i)等离子体对作用于它的电势具有屏蔽能力, λD即为静电相互作用的屏蔽距离或屏蔽半径 (ii)德拜长度是等离子体中电中性条件成立的最小空间尺度 在距某个电荷中心的距离r<λD的范围内, 存在着该电荷产生的静电势场, 因此就这个范围来看, 等离子 体并不是电中性的, 只是从r>λD的空间尺度上来看, 等离子体才是电中性的 也可以说, 德拜长度是等离子 体中因热运动或其他扰动导致电荷分离的最大允许尺寸限度 (iii)德拜长度还可以作为等离子体宏观空间尺度的下限 德拜屏蔽要想得以实现, 等离子体的空间尺度正就必须远大于德拜半径 这就是说, 一个电离气体若称 得上是物质第四态的等离子体, 其存在的空间条件应为 L λD 否则, 它就不成其为等离子体, 而仍然属于气体 1.4.2 朗谬尔振荡与振荡频率 以上通过对等离子体屏蔽特性的讨论得出了等离子体存在的宏观空间尺度 接着再来考察等离子体的振荡特性, 以便引出等离子体存在的时间特征尺度 如前所述 当等离子体内由于热运动涨落等原因出现电荷分离时, 将产生强 大的电场, 因而使其具有恢复宏观电中性的强烈趋势 实际上 等离子体中最 普遍 最快的集体运动是由电子运动引起的 为简单起见, 假设只考虑 一维方向的运动 如图l.3所示, 设由于偶然的热运动涨落, 某一区域内的电子忽 然间都以相同的速度沿x方向移动, 产生位移δ 假定在电子群移动之前, 此区域内的正负电荷正好完全抵 6
消，则电子集体定向移动必然引起空间电荷分离。一方负电荷过剩另一方便正电荷过剩。这将导致产生一个空间电场E。该电场的方向是要把电子拉回平衡位置，以恢复电中性。然而，由于运动的惯性，电子不可能停留在平衡位置，而是会冲过平衡位置。这样一来，又引起了相反方向的电荷分离，产生反向电场E（E应与图中E方向相反）。当电子达到另一边最大位移后，会再次被拉回，并又因惯性而冲过平衡位。置如此往复，电子于是在平衡位置附近来回作集体振荡。就如同弹簧振子的简谐振荡似的。而离子则由于其质量远大于电子，对于电扬的交替变化来不及响应，以致可以认为是近似不动的。仍作为均匀的正电荷本底。这种电中性被破坏时产生的空间电荷振荡现象首先被朗谬尔所发现，故叫做朗谬尔振荡。通常即将称为等离子体振荡。它是等离子体的固有特征之一，总是要在等离子体各处互不相关地发生看的。其振荡频率叫做等离子体振荡频率或朗谬尔频率。其振荡频率为：7ka=Ym式中，m为其质量。需要指出的是，各种振荡现象就其运动本质而言虽然互不相同。但对运动规律的数学描述却很类似。因此，等离子体中电子的振荡频率为のpe,In.e?Or.=e.m.这便是电子振动荡频率表达式，式中m。为电子质量。离子的振荡频率为のpi,I nie?@,i=Iomi式中，m为离子质量。显然，由于m》me，所以必然是Ope》のpi。也就是说，离子比电子重得多，惯性使大得多，因此振荡频率就小得多。等离子体振荡频率为のpO,=V ope+ opi则由上述分析，不难得出opのpe。所以，一般即把等离子体中的电子振荡频率当作等离子体振荡频率。振荡特性表明等离子体电中性条件成立的时间特征尺度为：=1(s)T,"OP此特征参数与德拜长度的物理意义一样，也可以把振荡周期t（即の)的物理意义归纳为以下几点。只不过前者是从空间角度，而后者则是从时间角度描述而已。(i)等离子体对于因热运动等引起的涨落有阻止能力，のp即可看成是涨落引起的电子定向运动被阻止，并转入等离子体振荡这种固有运动模式所需的最短时间。(ii)振荡周期t可作为等离子体电中性条件成立的最小时间尺度。当任一个时间间隔t<t时，由于等离子体振荡总是存在着的，因而体系中任何一处的正负电荷总是分离的。同时建立起使带电粒子作周期性振荡的空间电场。只有当t>，时，可能产生的空间电荷和空间电场在这段大于振荡周期的时间问隔内，平均效应才都会归于零，这时方可从时间尺度上把等离子体看成是宏观电中性的。7
消, 则电子集体定向移动必然引起空间电荷分离 一方负电荷过剩,另一方便正电荷过剩 这将导致产生一 个空间电场E 该电场的方向是要把电子拉回平衡位置, 以恢复电中性 然而, 由于运动的惯性, 电子不可 能停留在平衡位置 而是会冲过平衡位置 这样一来, 又引起了相反方向的电荷分离, 产生反向电场E’(E’ 应与图中E方向相反) 当电子达到另一边最大位移后, 会再次被拉回, 并又因惯性而冲过平衡位 置如此 往复, 电子于是在平衡位置附近来回作集体振荡 就如同弹簧振子的简谐振荡似的 而离子则由于其质量 远大于电子, 对于电扬的交替变化来不及响应, 以致可以认为是近似不动的 仍作为均匀的正电荷本底 这种电中性被破坏时产生的空间电荷振荡现象首先被朗谬尔所发现, 故叫做朗谬尔振荡 通常即将称为等 离子体振荡 它是等离子体的固有特征之一, 总是要在等离子体各处互不相关地发生着的 其振荡频率叫 做等离子体振荡频率或朗谬尔频率 其振荡频率为 式中, m为其质量 需要指出的是, 各种振荡现象就其运动本质而言虽然互不相同, 但对运动规律的数学描述却很类似 因 此, 等离子体中电子的振荡频率为ωpe 这便是电子振动荡频率表达式, 式中me为电子质量 离子的振荡频率为ωpi, 式中, mi为离子质量 显然, 由于mi me, 所以必然是ωpe ωpi 也就是说, 离子比电子重得多, 惯性使 大得多, 因此振荡频率就小得多 等离子体振荡频率为ωp 则由上述分析, 不难得出ωp ωpe 所以, 一般即把等离子体中的电子振荡频率当作等离子体振荡频率 振荡特性表明等离子体电中性条件成立的时间特征尺度为 τp ωp -1 此特征参数与德拜长度的物理意义一样, 也可以把振荡周期 (即 )的物理意义归纳为以下几点 只不过 前者是从空间角度, 而后者则是从时间角度描述而已 , p -1即可看成是涨落引起的电子定向运动被阻止, 并 转入等离子体振荡这种固有运动模式所需的最短时间 (i)等离子体对于因热运动等引起的涨落有阻止能力 ω (ii)振荡周期τp可作为等离子体电中性条件成立的最小时间尺度 体系中任何一处的正负电荷总是分离 的 当任一个时间间隔τ<τp时, 由于等离子体振荡总是存在着的, 因而 同时建立起使带电粒子作周期性振荡的空间电场 只有当τ>τp时, 可能产生的空间电荷和空间电场在 7 这段大于振荡周期的时间问隔内, 平均效应才都会归于零, 这时方可从时间尺度上把等离子体看成是宏观 电中性的