低温等离子体应用中的几个理论问题

等离子体

低温等离子体应用中的几个理论问题

摘要

低温等离子体在微电子、材料制备、环保、航空航天、军事等领域起着越

来越重要的作用，而很多的理论问题有待人们去解决。本博士学位论文第一部

分第一章介绍了低温等离子体的分类及几种常规的工业应用;第二章简单介绍

--一----------------一、一-...一一一一--一---一~一--一__一

它在环保和通信方面的一些应用:第三章对等离子体化学作了简单叙述:第四

章叙诊子)压退等离子雌至里丝上丘血班三盔醛因叙琅水

。第五章详细介绍了目前尘埃等离子体物理的研

山于尘粒在力n:=n等离子体中的作用，研究它的形成与行为及其对等离子休

中的许多过程的影响己成为低温等离子体物理学中最重要的前沿分支。因此木

论文在第二部分专题研究中专门研究了尘粒对离子输运的影响(第六章)和碰

撞尘埃等离子体中的低频波(第七章)o关于离子输运，我们用蒙特卡罗方法

模拟了平行板辉光放电等离子体中尘粒对鞘层离子输运的影响。考虑了自洽电

场。当离子在鞘层运动时，考虑离子与中性原子之间的电荷交换和弹性碰撞，

以及离子被尘粒的库仑散射和收集作用。模拟得到了一些新的结果:(1)当尘

粒的密度、尺寸、电量增加时，离子到达靶处的能量分布向低能区转移;(2)

随尘粒含量( Yld / Yl;o)增加，靶处离子的密度呈指数衰减;(3)靶处离子的密

度随尘粒半径的增大呈指数衰减:(4)当尘粒含量和尺寸同时增大时，靶处离

子的密度下降要比单纯增大一项快速得多。所以，尽管在等离子体加工中，尘

粒的含量很低，可能只有千分之儿，但其影响却不容忽视。对于碰撞尘埃等离

子体中的低频波，我们采用流体理论，按jitt标准的线性化处理方法，山连续性、

动量、能量和泊松方程得出低频波的色散关系。发现碰撞磁化尘埃等离子体中

存在三支模:完全阻尼热扩散模、受阻尼的静电尘埃声波((EDA)和回旋波

(EDC)，其中受阻尼的静电尘埃回旋波是本文首次发现的。三支模的阻尼都是

由尘粒和中性气体碰撞引起的。EDA的阻尼速度随中性气体压强的增大而增

大，这一点与实验相符，对于EDC也存在同样的关系。尘粒密度对EDA波

和EDC波的影响明显不同于非磁化或者无碰撞尘埃等离子体中的情况。当忽

略碰撞时，阻尼的EDA和EDC波回到纯振荡波。最后就尘埃等离子体晶化

，砚

、

给l侣了一个可能的解释。

本论文的第三个专题研究是频率为雷达波频段的电磁波与部分电离、冷等

离子体的相互作用，它是目前军事上很关注的等离子体隐形技术的原理。计算

了等离子体密度、碰撞频率、磁场对电磁波在等离子体中传播的RCS (Radar

Cross Section)衰减、被吸收功率的影响。结果发现(1)当等离子体密度增

大时，电磁波RCS衰减、被吸收功率的比例明显增加。(2)当碰撞频率小于

所研究的雷达波频段时，在临近碰撞频率附近，电磁波RCS衰减、被吸收功

率的比例很大:在电磁波频率比较大的区域，等离子体对电磁波的影响比较小。

(3)当碰撞频率比较大时，电磁波RCS衰减很强、被吸收功率的比例很大(达

10%以上)，并且曲线变得平缓。(4)磁场的作川在于大大加强频率在电子回

旋频率附近的电磁波的RCS衰减和吸收功率的比例。通过计算，我们发现当

密度为10"cm-',碰撞频率为5 GHz的等离子体对现役雷达工作频段的电磁波

的隐形效果最好。

等离子体

本沦文的最后一个专题研究，以工业_L)IJ途很广的Cr12MoV合金钢为例，

研究氮离子注渗结合对金属表面改性的影响。通过实验和理论计算发现:(1)

氮离子注渗结合方式比单纯的离子注入的深度大大加深。(2)注入后Cr 12MoV

的表面硬度提高较大。(3)注入后Cr12MoV的耐磨性能提高较大。(4)注

入的氮离子在样品里有比较好的浓度分布和损伤分布。

杯

Abstract

Low-temperature plasma is very important in microelectronics, fabricating

materials, protecting environment, aviation and military. However many theoretical

problems have not been solved. The classification and several usual industrial

applications of low-temperature plasma. are presented in chapter one of the first part

of this Ph.D. dissertation. In chapter two, the applications of low-teruperature in

protecting environment and communication are briefly narrated. Plasma chemistry is

outlined in chapter three. Chapter four is devoted to plasma cloaking. The research

status of dusty plasma physics is reviewed in chapter five.

Dust is quite significant in plasma processing, so two specific subjects, the

effects of dust on ion transport (in chapter six) and low-frequency electrostatic

waves in a collisional dusty plasma (in chapter seven), are described in detail in part

two of the Ph.D. dissertation. As for ion transport, Monte Carlo method has been

used to simulate the ion transport in a parallel plate rf glow discharges with dusts. A

self-consistent electric field is taken into account. The charge exchange and elastic

collision between ion and neutral atoms and the collection and Coulomb scattering

of ion on dust grains are considered. Four new results are obtained in this simulation:

(1)When the dust density, size, and/or charge increase, the energy distribution of ion

arriving at the target transfers to low energy region. (2) As dust concentration

771//;:，。rises, the ion density at the target drops exponently. (3) As dust size goes up,

the ion density at the target also go down exponently. (4) As dust density, as well as

size, increases, the ion density at the target decreases more quickly than increasing

either of them. Therefore, though the dust concentration is very low (a few

thousandth), its effects on lots of plasma processes cannot be neglected. For the low-

仁卜·

frequency

momentum

waves, a dispersion relation is derived from the set of continuity,

and energy equation, together with Poisson equation. It is found that

there exist three modes in a magnetized, homogeneous, and collisional dusty plasma:

the wholly damped mode due to the thermal diffusion, damped electrostatic dust

acoustic wave (EDA), and damped electrostatic dust cyclotron wave (EDC)

discovered by the dissertation for the first time; As neutral gas pressure increases,

the damping rates of the EDA and EDC waves increase; The effects of dust density

on the EDA and EDC waves are remarkably different from unmagnetized or

collisionless plasma; A possible explanation to plasma crystallization is suggested

on the basis of the present results.

The third specific subject of the dissertation is about the interaction between

等离子体

electromagnetic wave and partly ionized plasma. It is the principle of plasma

cloaking. The wave frequencies for calculation are taken in the present radar wave

region, The effects of plasma density, collision frequency and magnetic field

strength on radar cross section (RCS) and the absorbed power are computed. The

results show: (1) As plasma density rises, the fraction of RCS attenuation and

absorbed power increase significantly. (2) When the collision frequency is less than

the radar frequency, the attenuation of RCS and the absorbed power of the wave are

larger with wave frequency near the collision frequency. (3) The RCS is attenuated

quickly and the proportion of absorbed power is large with large collision frequency,

and at .the sane time, the curve is一 smooth, (4}. The, ii1fluence -of magnetic一flew

strength on the radar wave is to enlarge RCS attenuation and absorbed power with

the wave

frequency near the electron cyclotron frequency.

cloaking is best with the plasma density 10"cm-3

It is found that the effect

护声·

of plasma

GHz.

and collision frequency 5

The last specific subject in the dissertation is about Cr12MoV alloy surface

modification by nitrogen ion implantation together with permeation. Four new

results are attained by experiment and computation: (1)The implanted depth is

deeper by nitrogen ion implantation together with permeation than by only nitrogen

ion implantation. (2) Hardness of Cr12MoV after modification is enhanced largely.

(3) Wear-resisting property is improved remarkably by the method. (4) The

distributions of nitrogen ion density and radiation damage are well.

第一部分综述

第一章低温等离子体物理及其若干常规应用概况

1.1低温等离子体及低温等离子体物理III

低温等离子体是指在实验室和工业设备中通过气体放电或高温燃烧而产生

的温度低于几十万度的部分电离气体。它一般是弱电离、多成份的，并和其它

物质有强烈的相互作用。按物理性质，低温等离子体又分为三类:①热等离子

体(或近局域热力学平衡等离子体);②冷等离子体(非平衡等离子体):③

燃烧等离子体。热等离子与冷等离子体因为其在工业上的广泛应用又合称为工

业等离子体。

1.1.1热等离子体

热等离子体主要山直流电弧放电与高频感应祸合放电方法产生。其特点是

放电的电场强度低(一1 Ovlcm )，且与气体压强的比值也低，因而热电离是主

要的电离机制，粒子碰撞过程起支配作用，电子温度接近于重粒子(原子、离

子)温度。热等离子体己广泛应用于机械加工、冶金、化工、材料、电光源等

领域。

1.1.2冷等离子体

冷等离子f本或非平衡等离子体主要采川辉光放电、微波放电、电晕放电等

方法产生，放电的电场强度与气压比值较高，通常辉光放电与微波放电中气体

等离子体

压强远低于大气压，因而气体粒子密度较低，粒子间碰撞弱，电子在外电场加

速作用一「获取的能量不能及时传递给重粒子(原子、离子、自山葵、分子等)。

结果，低气压等离子休中电子温度远高于重粒子温度。电子温度可高达儿一I一万

度，而重离子温度则接近或略高于室温。电晕放电中虽然气体压强较高但放电

电场强度也高，电子温度仍远高于重粒子温度。冷等离子体己广泛用于微电子

学加工、光磁记录介质加工、光电池、光电源、臭氧生产、离子源等方面。

1.1.3燃烧等离子体

通常火焰电离度很低，但火焰的电现象对于燃烧机理的研究以及火焰中碳

粒等污染物产生机理与控制方法的研究有重要意义。通过添加钾等易电离物质

提高气体电导率后形成的燃烧等离子体主要用于磁流体发电装置。

1.1.4低温等离子体物理

低温等离子体物理学研究部分电离气体的产生、性质与运动规律。由于低

温等离子体中除了有相当数量的电子、离子(101-1011/cm' )，大量的中性粒

子(原子、分子和自由基)外，一些等离子体中还存在大质量、大电荷的负粒

子，称之为尘粒，因此粒子间的相互作用以及各种多体碰撞比完全电离的高温

等离子体更为复杂:加之低温等离子体的电离度、电子密度及温度，气体成分

和压强等可在非常广阔的范围内变化，因此很难有适用于各种低温等离子体的

统一而有效的理论处理方法，必须对具体问题分别地加以研究。

1.2低温等离子体的应用n.2]

低温等离子体的应用涉及面非常广，要全面介绍非常困难。我们依据低温

等离子体的主要性质，把它的常规应用分为以下几类，并介绍一些重要例子，

以说明目前常规应用所达到的水平和所遇到的问题。

1.2.1等离子体电光源

它主要利用气体放电时发出的各种可见或不可见光辐射，再去激发其它材

料发光。这些应用包括低压气体放电灯、高压气体放电幻一、气体放电激光、等

离子体显示器等。高低气压照明灯如荧光灯、氛灯、高压汞灯、高压钠灯、氛

灯及金属卤化物弧灯等都得到了广泛的应用。气体放电激光器主要有原子气体

激光器、分子气体激光器和离子气体激光器，它们在计测、医学、工业上都得

到了广泛的运用。近年来发展起来的大功率气体激光器在加工工业中得到了重

要的应用。等离子体显示器则是采用辉光放电，控制开关过程并选择亮度，利

用放电产生的紫外线去激发各种荧光粉以获得所需颜色的光。在大屏幕的平面

显示方面它是液品显示器的有力竞争者，!J前美、日、意的一些新技术公司正

在开发一种全彩色的交流等离子体显示器(AC plasma displays) [']，而且首台

使用这种显示器可挂在墙壁上的高清晰度彩色电视机(21英寸)己于1995年

在日木面世，我国也于1997年生产出使用这种显示器的高清晰度彩色电视机(4]0

1.2.2等离子体化工及热加工[5-10]

它们主要利用热等离子体的高温、高焙、高能量密度的特点。这些应用包

括钦白生产、乙炔生产、超细超纯材料粉的制备、合成材料的制备、热等离子

体喷涂、废物处理与有用物质的回收、等离子体冶金、等离子体球化、等离子

体烧结等。电弧及高频热等离子体发生器已商品化。我国研制的以大功率、高

频等离子体发生器作为氧气加热的热源进行钦白生产，目前已进入年产3000吨

的试生产阶段。用等离子体球化方法生产的铁粉己用于复印机中。热等离子体

喷涂山于集被喷涂的原料颗粒的加热、加速、熔化、撞击基板并迅速铺展、冷

却与固化等过程于一体，在很短的时间内完成上述一系列过程，因而熔融颗粒

等离子体

在基板_!二冷却速率极高，材料品粒来不及一长大，从而可产生品粒细，甚至非品

玻璃体的高性能涂层。目前陶瓷/陶瓷或金属/陶瓷等耐磨、耐腐蚀或耐高温

的等离子体喷涂技术已成为常规的机加工工艺而得到广泛应用。然而目前热等

离子体的最重要和最具前景的应用则是在新型特殊功能材料的制备和废物处理

方面121。例如等离子体处理造纸黑液有可能最终解决长期困扰造纸业发展的黑

液污染环境问题141。对其它有机、有毒废物的处理也有良好的应用前景。近几

年来，金刚石膜、富勒烯(C6。足球烯)及超导体粉己用热等离子体制备成功，

并开展了像0 -C3N;这种可能比金刚石还硬的合成材料的制备。Boulos等人在

最近的文献中报道，他们已用热等离子体合成了生物陶瓷材料，如经基磷灰石

15-71

1.2.3等离子体加工

等离子体加工主要利用冷等离子体中电子、离子、自由基的能量或活性诱

发化学反应或物理过程，其应用包括超大规模集成电路蚀刻、材料合成及薄膜

沉积和材料表面改性等方面。从近几年来国际学术期刊与低温等离子体国际会

议文集中所发表的论文以及各国专利申请的数量看，这方面的应用己成了低温

等离子体最重要的应用领域。有关专家估计till，它仅在半导体工艺方面的潜在

市场就约为260亿美元，在电子学方面的潜在市场约为400亿美元。

1)蚀刻

集成电路的生产由沉积、掩模、蚀刻和剥模这些重复步骤组成，以形成和连接

象晶体管和电容器那样的电路元件。而蚀刻是微电子加工的关键工艺。过去采

用化学法蚀刻(湿法蚀刻)，方向性差。随着集成电路集成度的提高，如一个

Pentium芯片上集成大约500万个元件，单个元件尺寸要求小于0.5 11 m,(正在

向0.25 11 m发展)，化学蚀刻己无法满足这种亚微米线宽的工艺要求(即使是光

刻工艺也难达到此要求)四，目前己逐步被等离子体蚀刻(干法蚀刻)取代。等离

子体蚀刻有两个最大的优点:①等离子体对蚀刻剂粒种有较强的催化作用，因

而它的蚀刻效率高，②它通过鞘层来加速离子，使离子垂直地撞击在掩模基体

上，因此它能在一直线上进行方向性极强的蚀刻，从而保证高集成度要求的高

分辨率。图1.1是Coburn和Winters的典型实验结果[121，它证明了在氢等离子

体中氟的蚀刻率比只有该气体或只有等离子体时的蚀刻率大1个数量级。图1.2

显示了化学蚀刻与等离子体蚀刻的差别。图1.3是反应离子蚀刻器(RIE)的示

意图。基体被夹在下面电极上，RF电源功率通常加于上电极，而较小的RF偏

压加于基体上，RF放电在两个平行板电极fill产生等离子体。两个电源产生的合

成直流偏压可能为儿百伏，因而在约1 cm厚度内产生Child-Langmuir鞘。在

13.56MHz的频率下，离子通过这个鞘平稳地下落，它们在该RF频率作用下只

受到小的速度调制。这类等离子体源因其简单而用于绝大多数半导体生产线。

等离子体蚀刻已用于硅、铝、绝缘材料、有机材料、GaAs等的蚀刻加工，成为

微电子工业中不可替代的加工手段。

图1 .1

只有Xe2F2气体

等离子体化学蚀刻的催化效应的证据

11 Ar+离子束+Xe2F2气体III只有Ar+离子束

图1.2化学蚀刻与等离子体蚀刻的差异

(a)各向同性蚀刻，没有离子;tb)定向蚀刻，有离子，没有钝化;

Cc)竖直蚀刻，有钝化。

等离子体

i—主RF1:一气休人aPa-.一撰电电饭.‘一

梦,s一失么‘一技泛电如甲—气怀函p ia--

.压欲夕.，一He冲匆荆。

图1.3反应离子蚀刻器的示意图

c"Yt

在有子塞位入《。》中·必须牲幼物休来.睡共位人的

赛面，在PSIIIb)中·等离子侈，盆物体·并且水子由梦电势峥加

速到折有农该上

一i谕元手砚it-!I出离子宜.，一众二‘一悦创的离子宋.。

一祀.t=RiE}I二，.”二一灰空，.一勺14}9Ri}ti"--ffX

子以.宜人肘妞击呀育.旦.it一宫电压眯冲炭生拼.

[N 1.4离子束拉入一，i PS11 (1'j比较

尽管如此，等离子体蚀刻中仍然存在着许多迫切需要解决的问题，它包括

反应离子蚀刻时一滞fil微负载ysl器件损坏以及尘粒(dust grains)产生等，其‘}，以

尘粒的影响最为重要。从八十年代末开始，人们已观察到从蚀刻和沉积所用的气

体中形成大小多1 Pill的尘粒(1a-16)，这些尘粒相对于恳浮朗缪尔探针的电位是带

负电荷的，并被悬浮在局部电位最大处的等离子体中，势井往往正好在晶片上

的鞘层边缘，在等离子体关闭(即鞘崩淡)l时，尘粒落到品片上，影响芯片的质

鉴趁.0

一些研究机构己在研究对此的补救办法I}}l通过把金属和介质插入物放置

在品片下，改变等离子体中的等电位线，从而达到除去位19r的目的。然而尘粒

污染基片的问题并没有根本解决。最近儿年来，研究等离子体加工过程中尘粒

的形成及其行为对等离子体过程的影响己成为等离子体物理中的一个重要前沿

分支，简称为尘埃等离子体(Dusty Plasma)。它也是本学位论文专题研究的

内容之一，在后面的第六和第七章中将详细讨论。

2)薄膜沉积

通常的物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)在许多情况下川

等离子体增强化学气相沉积(PECVD)去代替效果更好，沉积速度可以大大提

高，工件表而温度又不必很高。碳化硅，氧化硅，氮化硅等己用PECVD方法

成功1也I5 i.积出来。例如川N,0 ! i S'114作一I:作气体，采川辉光放电，已在微电子

器件加工中成功地制备出了多层金属之{'"1的Si0:绝缘膜。硅太(f能电池也己用

等离子体沉积镀膜的方法生产出来了。一些高品质功能膜如金刚石或类金刚石

脱也制备成功，正走向实际应用。

3)材丰}，表ifli改性117-201

把氮和其它原子深深地植入表而，通过改变材料表而的化学成分和结构，

从III]改变诸‘」一料表ffll(l'J物理化学hl:能，N硬攻、摩擦及抗磨损41i耐肩蚀。这，if M

两种方法实现:植入原子的高能离子束，或把物体浸在植入粒种的等离子体中

;宇给物体一个负高压脉冲以加速等离子体离f-通过鞘层(图1.4)进入物体表面。

前者是传统的离子注入，后者是80年代后期才发展起来的新技术:等离子体源

离子植入(PSII) X1'-181。传统的离子注入技术已经用于航空、航天、石油、机械

等行业，并己成为一些高精密、关键零部件表而处理的重要手段。离子注入机

也己1's,11况:化。在I'SII III,等离子体包困复杂表Im形状的物体，因此不必转动物

体便一，it使其所有表面暴露于离子束中，因此比传统的离子注入更简单、有效，

口前正处于由实验室走向工业应用的阶段。在切削工具尖端的硬化、人造关节

等离子体

的摩擦和磨损性能的改善及磁盘、光盘的表而处理中已有应用的实例。日前PSIl

中遇到的一些问题，如由于靶的二次电子发射，它不仅加热壁，而且增加电源

的负荷，义难于准确地计算注入计量。为了减轻这一问题，已建议采取磁绝缘1191

但这对于复杂形状的工件难以实现。另外，离子垂直注入表面，需要稠密等离

子体产生较薄的鞘层等。

1.3低温等离子体物理研究状况111

低温等离子体的广泛与多样实际应川推动着低温等离子体物理学研究的发

展，美、加、法、俄、英、荷、瑞典、南非等国在热等离子体研究与工业应用

方而，以及美、日、俄、法等国在冷等离子体研究与应用方面，都已开展了几

一1年的工作。在美国，1二业应用主要以_{一些大公司进行研究与开发，如热等离

子体方而，Westinghouse公司等研制了大功率等离子体发生器，并少I-J于冶金、

废料处理，材料加工等方而，通用电气公司等研制了低压等离子体喷涂设备并

川-1,一 }机发动机涡轮叶片耐热涂层喷涂，Bethlehem钢铁公司进行等离子体冶

金研究。在冷等离子体方而，对蚀刻、聚合、沉积、溅射、表而处理等方面都

进行了研究和实际应用，IBM公司、Bell实验室是最主要的研究单位。最近，

由美国国家科学基金会资助，成立了Plasma-Aided Manufacturing工程研究中

心，进行冷等离子体蚀刻、表面处理与热等离子体喷涂、合成等方面的应用3L

础研究。

日木主要偏重于技术开发，在低压等离子体蚀刻、镀膜、聚合、溅射与热

等离子体I喷涂、制粉等许多方面进行研究与开发，日木在先进的ECR(电子回

旋共振)系统的开发方面处于世界领先地位，给半导体制造厂提供了ECR蚀刻

与镀膜设备。近年来，山日木政府科技厅、文部省与日木学术振兴会组织了“热

等离子体加工”、“等离子体材料处理”、“反应性等离子体加工”等研究计

划，促进有关应用基础研究。在此值得一提的是，日木特别注意在该领域的专

利申请，并处于居先地位。

我国低温等离子体研究与开发，其发展极不平衡。在热等离子体方而，有

较好的基础;但在冷等离子体的最重要的工业应用一等离子体蚀刻和镀膜方而，

却研究较少。所幸，国家自然科学基金委己充分注意到了这种情况，正积极鼓

励、推动该研究课题的发]测’l。

日前在等离子体的各种应用中都遇到相同的问题，这主要是对等离子体加

工过程的机理了解不够，加之可变参数太多，缺乏有效的监测与调节手段，造

成工艺过程重复性差，产品质量不稳定，产最低或效率不高。因此低温等离子

体物理的基础研究就显得格外重要。等离子体蚀刻是半导体集成电路生产中的

关键工艺，也是低温等离子体的最重要应川。目前迫切需要解决山于尘粒造成

的对质量影响的关键问题，使研究等离子体加_U过程中尘粒的形成及其行为对

等离子体过程的影响成为低温等离子体物理学中最重要的前沿课题之一，并己

成为整个等离子体物理学的一个前沿分支，称为尘埃等离子体物理。木论文的

专题研究中有两章(第六和第七章)正是针对尘埃等离子体物理中的两个纂木

问题:离子输运及低频波。它们的研究对卫}!解尘粒对加工等离子体的作用及影

响是一卜分重要的。

第二章人造电离层及其应用

2.1引言

IU超高功率[P=(3-5) x 109 W]超短脉}I' ( T二10-100 ns )，高重复频率F=100Hz

的微波束能够在大气压下指定空间区域产生等离子体，并且用这种方法产生的

等离子体

等离子体具有一些重要特性:等离子体形成于微波脉冲结束之后;放电结束之

后，等离子体还存在很长时间，达儿十us。这是因为在超高功率和超短脉冲

条件下，电子被高强度的微波电场迅速加速而来不及与气体分子发生充分的碰

撞，因而电子具有很高的能量，通常为儿十到儿百电子伏特，比气体电离电位

高许多，在微波脉冲结束时，等离子体是高度非热平衡的，高能最的电子将与

气体发生碰撞，继续电离气体。利用等离子体在微波放电结束之后还存在很一长

时l'fij的这种特性，用超高一率、超短脉N'微波(X =3-100 cm, T =10-100 11s)在地

球大气层(H=30-60 km)产生等离子体，tall人造电离层(Artificial Ionized Layer,

简称AIL)具有重要的应用前景，特别是在大气环保领域，例如臭氧的产!I-.,

大气诊断、大气污染物的清除、紫外线辐射的产生等。这是因为:(1)微波束

很容易并且高效率地释放能量到大气层;(2)利用两束微波束能够很容易地在

指定空间区域大范围产生等离子体;(3)高效的等离子体化学反应。另外AIL

还可用于无线电通信。

2.2臭氧的产生!21,221

当航天飞机或火箭在空中飞行时，航人吃机或火箭轨迹的直径100米范田

内，臭氧被严重破坏，在随后的儿个小}1"j一山J几湍流扩散形成臭氧洞。利川超高

功率、超短脉冲微波束在大气层产生的AIL能产生臭氧层，恢复臭氧原来的浓

度。这是因为电子被高强度的微波电场迅速加速而具有很高的能量，高能量的

电子与Oz, N:分子发生碰撞，激发Oz, N)分子，将02, N2分子离解成。、N

原子，激发态的02, Nz分子再与O原子发生反应，产生臭氧。

O+O2+M一03+M (2.1)

这里M为O:或N:分子。图2.1, 2.2, 2.3分别为不同气压、不同脉冲、不同

温度情况下，利用All,产生臭氧的浓度演变图。

L03j, 1013CM一‘。

0一20·一40

60

t.丁s

图2.1不同重复频率、不同气压的臭氧浓度演变图

z =SOOns,(1)250Hz(P=12torr), (2) SOHz(P=12torr), (3)50Hz(P=18torr).

(Oaj, lo"crn一，

2.0

1 tOO

︸00

0 i-1L) 40

图2.2不同脉冲的臭氧浓度演变Ml(P=12torr,F=250Hz)

(1)500ns,(2)6ns.

[0;,1. cm一3

1 o 'F;{/_. T=2)?0K

10 '0

rh=HOOK

l0’。

O·20一40’60一80 100

t.‘

图2.3不同温度的臭氧浓度演变图(F=3Hz)

等离子体

根据P. Atkinson等的实验结果可以估算AIL产生臭氧的效率。假定AIL由

两束微波束在30 km高空产生(微波波长3cm，功率P=4-109 W，脉Mill寸fil] T -40

ns，发射天线直径60 m，两天线相距35 km )。另外假定:(1)微波能员在放电

区被全部吸收掉;(2)象在实验室一样，产生一个臭氧分子的能量很低。则一

个脉冲下用毫微秒微波在10' cm，范围内产生的臭氧密度可达2- 10'2 cm-'。由此

可推算出:如果微波脉冲的重复频率为F=1 kHz，则恢复I km'范围的臭氧浓

度需要一天时间，消耗的能量大约为5 MW-ho

2.3大气中少数微粒的诊断1231

大气中有少数微粒例如CI, NO, H要与臭氧发生反应损坏臭氧层，从而

影响气候的变化，因此诊断这些微粒非常爪要。利川AIL可以诊断这些微粒的

浓度，如图2.4。利用地面上的微波发射器在25-60 km高空击穿大气，产生等

Ionized Region

Spectrometer

图2.4

MicrpMve Lidars

He刊er-

大气微粒测JAk图

离子体，电离出来的高能电子再与这些微粒的原子发生碰撞，激发这些微粒的

原子，被激发的原子的密度变化为

dNjc Idt==k,,,. N,, (t)N、一N;.,/z;., (2.2)

N, (t)=N,.o·exp(v;t) (2.3)

这里N、为第s种微粒的密度，N，为第s种微粒第J激发态的密度，k，为其激

发速率，几、为其停留在激发态的114问，N. 0)为电子密度，N,。为电子初始密

度，。，二k,. N为电子电离速率，N为中性气体密度。一个脉冲内分光计接收

到的光子数为

只、(:)=(k;..v/k;)·(N..,/N)。(S/4JrH’)·(N,k·v)(2.4)

这里:为微波脉冲时f0] , N, = N, (t = -r)。当co >vfi寸(w为微波频率)，

k /k，是一个仅与碰撞电子能量，激发截而与电离截面比值口声/口，有关的最，

很容易求出，因此利用(2.4)式可以求出N, IN.

计算结果表明:如果用34m的天线，发射波长为3cm、功率P=4-109 W,

脉冲时间i -100 ns、脉冲的重复频率为F=1 kHz的微波，在SO km的高空产生

等离子体，诊断相对密度为从IN-10-1’的微粒，则用间接分光计接收光子仅

需103个脉冲，如果用直接分光一计接收光子则需要101-101个脉冲。

2.4大气净化Iz41

太阳辐射引起大气层中氟氯烷(freon )发生光解作用，形成自山氛Cl,

破坏臭氧层，而氟氯烷在同温层存在时间为儿十年，因此破坏氟氯烷、净化大

气层非常重要。利用两束短脉冲微波，在10-20 km高空对流层可以产生电子密

度达1010-1012 cm-，的等离子体，在微波脉冲过后，等离子体衰减过程中，山于

电子对氟氯烷高离解附着作用而破坏氟氯烷的浓度，

CFCI3+e--Cl +CFCl2 (2.5)

CF2C12+e一Cl +CFCI (2.5)

净化效率与等离子体衰减速率和持续时间有关，等离子体衰减越慢、持续时间

越长，净化效率就越高。用超高功率、超短脉冲微波在高空产生的AIL，在微

波放电结束之后，等离子体还存在很长时间，并且产生的电子密度高达1012cm"

等离子体

，、且能量高。因此用AIL净化大气具有很高的效率。被破坏的氟氛烷分子与

微波脉冲结束时的电子密度N*以及等离子体的衰减速率有关

Nt (t)/ Nr.o=(1+a。，·N,,k t)一r

(2.7)

式中:= k-, /a,,, ko,为电子对氟氯烷离解附着作用系数，a。，为复合系数。图

2.5为氟氯烷相对密度与N,、的关系。当电子温度Te<0.06 eV时，电子对氟叙

烷离解附着作用截面最大，因而破坏氟氯烷的概率很高。

Nr/Nto

0 .816

1 0.0

0.4

0 .2

0_0

10’“-一1.Z}-rt一一LVi一-1 }F "

N

一3

ekr C

图2.5氟氯烷相对密度与Nc*的关系(+:实验，曲线1和2:计算)

2.5无线电反射IZSI

人造电离层用于远距离广播电视通信的原理如图2.6，利用两束交叉微波束

可以在指定空01区域产生等离子体，通过调节微波的偏振结构和脉冲时间得到

理想的等离子体密度和AIL结构。用长脉冲的两束交叉TE波可以产生多层等

离子体，用来反射近地面的无线电信号或雷达信号。如果用短脉冲微波，则只

能产生单层AIL，可以反射频率小于1-2 Gl-Iz的无线电波(这个频率值比电离

层反射的最大频率大两个数量级)。当v +o, < 0.2to ( v为电子与分子的碰撞

频率，田，为传输的无线电频率，田为微波频率)时，无线电波的反射系数最

大。

AI11f旧AL协时ite

一LAYER-. . .J

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分甲IQAf1f}`}O}YA}}V#5oly i _bFANS

尼八皿t的

图2.6 AIL用于远距离)’‘才币电视通信图

14

第三章等离子体化学

3.1引言

自然界一切形式的宏观物质都是山一百多种元素构成的。元素结合成各种

分子，大量的分子则依靠某种作用力聚集在一起，山作用力的强弱不等而表现

为不同的存在状态，常为固态、液态或气态，即物质的三态。化学是研究化学

反应及物质变化的科学。化学反应及物质变化虽然千变万化，但木质_L都是原

子或分子的重新结合，从而得到新物质或新材料。要使一个化学反应得以进行，

必须提供该反应所需的活化能(active energy)I"I o常规化学反应是在三态条件下

进行的。因此，一些需要很大活化能的化学反应在三态条件下就不容易甚至不

能进行。

等离子体

等离子体是物质的第四态，通常是山处于游离状态的电子，正、负离子(尘

埃)，激发态和基态原子(或分子)，光子(常见的有远红外光直到紫外光)组

成的集合体。从化学反应的角度来看，这些粒子正是极其活泼的物种(active

species).因此，一些在“三态”条件下不易(或不能)进行的化学反应在等

离子体态下就比较容易(或能够)进行。所以一个新的化学领域就诞生了—

等离子体化学。与常规化学反应比较起来，等离子体化学以高温、高速反应为

主要特征141。人们常说的低温等离子体那是4-1 1对于核聚变那种上亿摄氏度的高

温等离子体而言的，其实通常说低温等离子体的“低温”也可以达到上万摄氏

度。等离子体空间蕴藏着很多目前还鲜为人知的化学现象，有待人们去发掘

127,291

3.2微波等离子体中几类典型的化学反应

产生等离子体的方法很多。微波产生等离子体的工作原理是将微波能转换

成工作气体分子的内能，使之电离、激发、离解。微波产生的等离子体有两条

较突出的优点:(1)因为它是无电极的放电，所以可获得较纯的等离子体且密

度较高;(2)微波产生的是非平衡的等离子体(对于热平衡的系统，细致平衡

原理成立，既，某种正反应伴有等几率的逆反应，这不利于人们所希望的反应

进行)。所以许多化学反应适合于在微波等离子体中进行;另外功率在MW(兆

瓦)级以下的微波技术己被不少国家掌握(功率在GW级的微波技术—例如，

用于人造电离层的微波技术一一迄今肚界_}二恐怕只有俄罗斯典正过关了)。所

以建微波等离子了州七学反应装置是许多实验室)l.展等离子体化学研究时的首选

方案。利fIJ这种装置可实现下述几类化学反应四:

3.2.1等离子体催化反应反应式可写成

A(气)+B(气)-I-M(固)一AB(气)+M(lk!l)

意即气态物质人、B经微波放电成为活性物种，在固体催化剂M表面催化合成

新的物种。众所周知，苯和甲烷(俗称沼气)均是化学性质很不活泼的物种，

一般不易发生化学反应，但它们都是丰f}'}} f(oj又廉价的原料。现在可以山它们一与

AIz0。等催化剂通过等离子体催化反应产生许多有价值的衍生物。

3.2.2等离子体表面改性反应式可写成

A(固)+B(气)--C(固)

意即B气体放电等离子体与固体A表面反应井在表面生成新的化合物，可使表

面性质发生显著变化。可广泛应用于高分子材料、金属等固体表面改性。

3.2.3等离子体蚀刻可表示成

A(固)-i-B(气)一C(气)

这就是说，选择合适的气体(如CF,)'其等离子体态与固体(如Si)表面发

生反应，生成气态物质(如SiF,)，可用于材料表面的蚀刻。等离子体蚀刻的

一般知识和重要应用以及等离子体蚀刻的其他方法己在第一章中讲过，这里就

不再赘述。

3.2.4等离子体化学气相沉积可表述为

A(气)+13(气)一C(固)+D(气)

即两种气体在等离子体状态下发生反应，生成新的物种，

形成尺习‘儿十

米材料的制备

nm的微小颗粒，沉积于丛少l·或器壁表面，

通过碰撞成核生一长，

等离子体

近年来被广泛川于纳

。有的文献把等离子体化学气相沉积又IIq做Plasma Enhanced

Chemical Vapor Deposition(简称PECVD )，这就强调了等离子体态在这类化

学反应中的作用。由于PECVD在制备纳米材料中的重要作用，所以我们在下

一节介绍了纳米材料后还要回头来再谈它。

3.3纳米材料(Nano Structured Materials 1291)

谈到等离子体化学，势必要涉及当前材料科学研究的热门领域—纳米材

料。目前人们把纳米材料划分为两个层次:一是纳米颗粒(particulate or

particle ):二是纳米固体(包括山纳米颗粒凝聚而成的二维牡9)j莫和三f11:块体)) 1301,

纳米颗粒尺寸范田在原子和宏观物质的中户IJ，即，纳米尺寸范(al (10-9_10-'米)，

所以有人干脆把1-100 nm尺寸的微粒和山它作单元构成的固体通称为纳米材

料。为什么要给这个尺寸范田的材料一个一专门的术语?并且它是当前乃至未来

长时期材料科学研究的热门领域昵?那一定是纳米材料体系具有许多独特的性

质和规律，而且这些性质和规律己经或正在被原子物理、等离子体物理、凝聚

态物理、胶体化学、固体化学、配位化学和化学反应动力学等基础科学所达到

的成就与实验技术所达到的水平揭示出来。正因为如此，所以虽然纳米科技是

80年代末刁’诞生的新科技(1990年7月在美国巴尔纂摩召开的困际第一届纳

米科学技术会议_I:il:式六布了它的诞生)，f l 1.纳米科技的从础1讲究和应川从础

研究的时间是历史上儿乎所有新科技当中最短的:从1990年7月的第一届纳

米利，技会议到1994年11月在美国加州召开第一届纳米材料应用的商R-会议，

刁·4年多一点时问，不少国家就取得了一批具有商业价值的研究成果，受到企

业界的重视。而且正式宣布纳米科技诞生刁.4年，1994年在美国波士顿召开的

MRS (Material Research Society)秋季会议一1;又正式提出了纳米材料1程。它

标志着很大一部分纳米材料的研究成果已或正从实验室向工业生产转化，有人

认为纳米材料工程是21世纪科学发展水平的重要标志之一1301。从这个意义上

似乎川’以这样说:一个国家在纳米科技上的水平主要不是着它在墓础和应用基

础研究方一而的水平而主要是取决于它在制务工艺卜的水“!之，说到底就是，人们

可以按自己的怠志设计有特殊功能的材料是一回事，能不能制备出来则是另一

回事。等离子体化学与纳米材料之所以有密切关系正在于前者为后者提供了一

种优越的制备方法—我们先来讲纳米材料的一些独特性质和规律是怎样被揭

示出来的，然后再回头来谈这个问题。当颗粒的尺寸进入纳米量级时，颗粒和

由它构成的纳米固体具有下述三个方面的效应13ol。山此产生出正常固体不具备

的许多特殊性质。

3.3.1表面与界面效应

随着粒径〔颗粒尺寸)减少，比表而积急剧变大。例如，粒径为10 nm时‘，

某金属的纳米颗粒的比表而积为1个单位;粒径小到2 nm时，比表而积猛增

到5个单位。这样高的比表而，使处于表而的原子数越来越多，大大增强了纳

米颗粒的活性(activity )。例如，金属的纳米颗粒在空气中会燃烧，无机材料

的纳米颗粒暴露在大气‘t，会吸附气体，并与之发生反应。表而原子活性高的原

因在J几它缺少近邻配位的表而原子，极不稳定，很容易与其他原子结合。图3.1

给出了，个示意图，说明处于表而的原子(A, B, C, D和E)比处于内部的

原子的配位有较明显的减少，它们均处于不稳定状态，近邻缺位越多越容易与

其他原子结合。

IA

等离子体

一仓-入B

.…

a o 0 0

份些D

a.吸_-

c a.

a..一

。。.T.-

.00

:

一:

OO

000

000

0一00

O︸00

0 100

O二00

O二:

.-.﹃

图3.1 A原子缺少三个近邻，B, C, D各缺少两个，E缺少一个

3.3.2小尺寸效应

当粒径与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度(高温超导体的

相干长度约为1 nm，低温超导体的为10-10' nm )等物理特征尺寸相当或更小

时，周期性的边界条件将被破坏(局域性增强)，光、电、磁、声、热和力学

等特性都会呈现新的尺寸‘效应。例如，光吸收显著增加并产生吸收峰的等离子

共振频移;磁有序态向磁无序态，正常相向超导书!的转变;声子ii发生改变等。

纳米颗粒的这些小尺寸效应为实用技术开拓了新领域。例如，纳米尺习‘的强磁

性颗粒当粒径为单磁畴临界尺寸时，具有甚高的矫顽力，可制成磁性信用卡、

磁性钥匙、磁性车票等;超顺磁性的纳米颗粒可以制成磁性流体，广泛地用于

电声器件、旋转密封、润滑、选矿等;金属纳米颗粒的熔点可以远低于块状金

属，此特性为粉末冶金工业提供了新工艺;利用等离子共振频率随颗粒尺寸变

化的性质，可以通过改变粒径来控制吸收边的位移，制造具有一定频宽的微波

吸收纳米材料，用于电磁波屏蔽、隐形飞机等，这是纳米材料在军事_L的一项

重要应用。1991年在历时42天的海湾战争中，美国出动飞机1270架次，使伊

军95%的重要军事日标被毁，而美战机无一受损。为什么伊拉克的雷达防御系

统对美机不起作用?为什么美国的导弹击中伊军事目标如此准确?空对地导弹

击中伊拉克的坦克有很高命中率?一个重要原因就是美国战机F-117A机身表

面上包M了红外与微波隐身材料(纳米材料)，它具有优异的宽频带微波吸收

能力，可以逃避雷达的监视，而伊拉克的军事日标和坦克等武器没有防御红外

线探测的隐身材料，很容易被美机上灵敏红外线探测器所发现，再通过激光制

导武器很滩确地击中!1标。

3.3.3量子尺寸效应

这一效应最核心的问题是，材料中电子的能级或能带与组成材料的颗粒尺

等离子体

寸有密切的关系。

颗粒尺刁‘的减少，

1993年，美国贝尔实验室在CdSe(硒化福)中发现，随着

能隙有增大的趋势(这就使得即使是同一种材料，只

不同，其光吸收或者发光带的特征波长也不同)，发光带的波长由6900

!从尺寸

埃(红

光)移l;d了4800埃(蓝光)。这种随着颗粒尺二J一减少，能隙加宽发生蓝移(blue shift)

的现象称为量子尺寸效应。翌年，美国伯克利实验室利用纳米CdSe的量子尺

刁‘效应制备出了CdSe可调谐的发光管。这种发光管就是通过控制纳米CdSe的

粒径达到在红、绿、蓝光之间的变化，这一成就使纳米颗粒在微电子学和光电

子学中的地位变得十分显赫。

总之，纳米颗粒表现出表面效应、小尺、J‘效应、员子尺一寸效应及宏观r.子

隧道效应等特点，导致它的光、电、磁、声、热、敏感和力学等特性显著不同

于常规材料，这就使得它具有广泛的应川I) If ".;。以_卜习卜的都是当粒径降到纳米

!IA级时呈现的特异性能。事实上，随着近年来制各出纳米碳管，人们发现只要

一个方向(径向)的尺寸降到纳米量级而另一个方向(轴向)即使长到儿十微

米的管也呈现出许多特异的物理性能。理沦计算表明，纳米碳管的抗张强度0 d

比钢高100倍，热导与金刚石相仿:电导高一于铜。

3.4等离子体化学与纳米材料的制备

许多制备过程都伴随着化学反应，而在前两节中我们已讲述，让化学反应

在等离子体态下进行就能达到常规化学反应达不到的效果。这就决定了等离子

体化学在纳米材料制备中的重要地位。不仅如此，它还有一些优点是J〔他制备

法所不及的。限于篇幅，这里只通过两种等离子体化学制备法来具体说明这些

优点。

3.4:1等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)我国南京大学建成了一台微

波等离子体化学反应装置四，除了其他功能外，这台装置的一个重要用途就是

在其一_f;llI PECVD制得了多种氧化物(如，TC03, TiO2, A120;等)纳米材料，

而且只把氧气换成氮气或沼气(其他都不变)又制得了相应的氮化物或碳化物

纳米材料;另外，在纳米颗粒的出口处引入有机单体，利用紫外线(许多等离

子体中本来就有的)可引发某些有机单体瞬间聚合还制备出用途更广的有机-

无机纳米复合材料。从这个例子我们看到，_I二艺简单、成本较低、一机多能是

PECVD的突出优点。

3.4.2辉光放电等离子体引发化学气相沉积法(GDPICVD) ['0i直接沉积法

是当前制备纳米薄膜普遍采用的方法。制备时，丛片的位置和温度、气体的压

强、沉积速率是影响薄膜质量的重要因素。在儿种直接沉积法中，采用GDPICVD

这些因素比较容易控制，这有利于高质量纳米膜的规模化生产。

第四章等离子体隐形技术原理

4.1引言

五十年代开始，特别是近二十年来，以美国为首的西方发达困家和俄罗斯

(前苏联)致力于发展军事用途的飞机隐形技术，为了加强飞机的隐形性，一坛

机被迫采用大量高科技合成复合材料，选川的飞机外型不完全符合最佳的空气

动力学要求，这些直接对隐形飞机的飞行技术性能和机动J胜能产生负面影响，

且成木昂贵。如果采用等离子体隐形技术，即在飞机四周形成一种特殊的等离

等离子体

子体，不让飞机被雷达“看到”。这样做u=不涉及飞机本身的空气动力系统。

在不影响被保护飞机的技术性能的同时，人造等离子体云可使飞机的被发现率

大大降低，而且耗资也少;还可以根据需要方便地将等离子体系统启动使被保

护对象(例如飞机，一导弹)隐形，也可以关闭1-,hli`形装假，以便导航或节约能源。

俄罗斯克尔德什科学研究中心在1999年初宣布研制出第三代飞机的等离子休

隐形系统，_此重呈不到100公斤，耗能不超过儿卜千瓦，可使探测雷达有效的

区域减少到不及1%(与美国F-117A隐形战月机和B-2隐形轰炸机反映在雷达

上的效果大致相当)。美国从90年左右开始研究等离子体l}_AV形技术，r1前至少

已完成实验室条件下各种等离子体与雷达波相互作ill的机理研究。在一个人气

压下产生等离子体的电源功率密度己降到I OInW/crn，以下，能使雷达的目标有

效截而(radar cross-section)降低20到30dB o美I-s,1近来还致力研究等离子体

隐形大线，即利川非金属管内放电产生的等离J二体的泞电特性构成天线单元，

达到发刘和接l收信号又降低有效发射IfI1的日的，而.I l具有方向性灵活，频率和

频宽易变等特点。此技术己通过原理验ill- >美国海军正在组织应川试验。为了

军事和商业日的，美国和俄罗斯等对其技术均采取了严格的保密措施，至今未

见详自U的报道。

我国对隐形飞机的研究起步较晚，尽管对隐形飞机的复合电磁吸收材料及

表面涂层等方面有一定的研究，但均未有实际应川。我国现有的各型r'>}机均为

常规战机，无任何隐身能力，大大削弱了，l戊机的‘t戈斗力及生存能力，影响了我

国因防技术的综合实力。等离子体隐形技术在我卜阅困防工业具有极大的应川前

景，如隐形飞机和天线、亚要军事}」标的保护、隐形舰艇和雷达站、隐形一-y弹

等。在民用方面亦有广泛的应用，如贵重精密仪器的电磁屏蔽层，相互干扰少

的微波通信系统等。因此近来我因科技界已开始关注等离子休隐形技术。等离

子体隐形技术的基本原理是雷达波与等离子体相互作用。利用等离子体对雷达

波的反射、折射、吸收、变频等，将雷达波能rl.Ilk衰减、改变雷达波的传播相角，

乃至使雷达波产生绕射，从而达到隐形效果。原则土解带有适当的边界条件的

麦克斯韦方程组及带电粒子在电磁场中的运动方程，就可以得到等离子体中电

磁场的自恰解，求出等离子体对雷达波的反射、折射、吸收、变频等作用。图

4.1是两种等离子体隐形方案的示意图。

幼EM wave is attenuated妙此plasma as it is reflected from the target.

权)EM wave is rclractcd around the cloaked t瑰et.

图4.1等离子了本隐形方式

雷达波属于电磁波的微波范畴，一般的电磁波都可以用平面波分量的傅里

叶积分来表示，因此为了简单起见，一般研究平而微波与等离子体4fl?i作川。

美!s=1有两家一单,Vq--Hughes Research Laboratories 1311 ffi UTK Microwave&Plasma

Laboratory, University of Tennessee, 132-34)分别研究了微波在非磁化、磁化等离子

体，}，的传JIL其'if Hughes Research Laboratories dif }Z,飞;达波在三1卜磁化均匀与J卜

均匀等离子体中的传播，发现微波在均匀等离子体传播时，由于电子与中性气

体的碰撞效应，雷达的目标有效截面(RCS)减少了20到25 dB;在等离子休筱

盖的C-band矩形波导管里，等离子体吸收的RCS达63 dB。对于非均匀等离

子体，等离子体对雷达波的反射包括雷达波在等离子体与真空界面的反射、等

离子体取而的反射、雷达波在靶处的反射，解析求解很困难，他们只求解了等

离子体密度为Epstein分布，且雷达波垂t'!.入射时，宙达波的反射功率。UTK

Microwave&Plasma Laboratory研究了微波与非均匀磁化等离子休的相互作用

等离子体

(32.34)。他们研究的等离子体为冷的、部分电离、稳态、非均匀、碰撞、磁化、

圆柱形等离子体:等离子体厚度为12 cm,密度呈抛物线分布，磁场为常数B,

=0.143 T，即电子回旋频率to,,, = 4 GHz;取电子与’1，性气体的碰撞频率为

ve,;二5 MHz, v,,,，二10 MHz, v,,,,=20 MHz。他们将等离子休厚度分成12层，

每层的等离子体密度看成均匀的。示卜算了微波总反射功率、吸收功率、透射功

率与等离子体密度、碰撞频率和微波传播方向的关系。研究发现对于低密高碰

撞频率的等离子体，微波的反射功率很低，总反射功率、吸收功率随等离子休

中心密度的增大而增大，透射功率随等离子体中心密度的增大而减少;以微波

的频率为横坐标，反射功率、吸收功率的峰值随碰撞频率的增大而减少，透射

功率峰值随碰撞频率的增大而增大;微波传播方向与磁场的夹角越小，反射功

率的峰值、吸收功率的峰位越大，透射功率越小。

4.2电磁波在非磁化等离子体中的传播

4.2.1均匀等离子体的情形

对于非碰撞、非磁化等离子体，当微波的入射频率必。大于等离子体频率

必，时，微波能在等离子体中传播;但WO < w，时，微波的传播波矢k(平而波

k取标量k)小于零，电磁波不能在等离子体中传播。对于部分电离的大气等

离子体，中性气体的密度比较高，电子的平均自山程远小于电子的德拜长度，

忽略等离子体的集休效应，电子与中性气体的碰掩频率较大，因此等离子体的

一

!’、}!l，J!}，.S Fr.灰d专I 'l!)}心}击;)匀，)‘lll.·仪)，让tj丈女左

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J忆‘l，T .114部分‘，不尔为穴减;;飞发交，

竹一离),fslllA')f116ld程足个Il

ms to部of /I fs%41}I R常数。It! 01;IItt磁波(I一{411 ;ii

^.今·离),. ROM、):l卜Jr YiIlf'1}II 410，牛“

以及等离J气

关的衰减过程，电磁波to过等离jif相14,部分在交界IN被反刘

:体‘欲)江(J

·部分6一^h

离r(扣!，被吸收，·部分经等离广体透射出夕;‘、反身J功率与真空III了专播功率的

比VI.为

(4.3)

撅一拼

一一+

l一l

一一

君一P0

经界而进入等离子体的功率P, = I'o一只。电磁波在等离子体中传播时，山于电

子与，卜性气体的碰掩，将发生能量的碰摊Ik,I次，损失一部分能量，剩余的能1i1.n

到达等离二r体边缘!!寸被透射到真空，}，。透刘功率为

只二伽?(u1(4.4)

这坦d为等离子体宽度。电磁波在等离子体，}，被衰减的功率，即吸收功率

PQ二P，一Pr一P, (4.5)

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