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电浆

王朝百科·作者佚名  2009-10-24
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游离电子和自由电子流体组成的物质的第四种形态。如极高温度的气体就形成电浆,其特点是粒子间有很强的电力。日光灯的光和恒星内部含有电浆。电浆物理学研究电浆的性质。其主要目的是产生可控核融合(nuclear fusion),以便最终获得能源。主要方法是用磁场保持等电浆“电浆约束”(plasma confinement)和电浆通电流、注入粒子或应用无线电波等方式加热电浆。

电浆之基本原理物理学上的电浆,是1928年由Langmuir开始说的。因为这个部分具有普通气体缺少的很有趣的性质,Langmuir因此决定用特别的名称称呼它,所以就提倡采用「电浆」(Plasma)这个名词。不久之後,在物理学上开始以此种意义广泛使用电浆这个名词。

电浆是一团带正、负电荷之粒子所形成的气体,而且在正常状况下,正电荷之总数等於负电荷之总数。带正电荷之粒子是因为失去电子而带正电荷之气体原子或分子(气体正离子);而带负电荷之粒子主要为电子,也包括少许的气体负离子。但是电浆中也含有中性的气体原子、分子和自由基。至於整团气体粒子中,正离子(或电子)所占的比例,一般定义为「离子化程度」(Ionization Degree)。基於电浆产生的方法和维持状态(如压力、电源供应器之功率等)的不同,各种离子化程度由小於0.1 %到接近100 %都有。所有的电浆都会发光(glow),这大都是由於电浆中的激发态粒子(excited state,X*)返回基态(ground state, X)时,将其能量以光子(hν)的形式放出所造成的,此称为弛豫反应(relaxation reaction),可用下列式子来表示:

RX* → RX + hν

所放出的光一般在可见光及紫外光的范围,其波长和电浆内的气体种类有密切的关系。

已知电浆是由电子、正离子、中性原子、自由基等组成的,所以,在电浆内部的反应极为繁杂,包含气体分子之激发(excitation),解离(dissociation),离子化(ionization),结合(recombination)等作用,其可能发生的反应如下表所列。

感应偶合式电浆产生原理感应隅合式电浆(Inductively-Coupled-Plasma,ICP)之工作原理,如图二所示於线圈上加上一高频电源,当线圈上之电流改变时,由安培定律 H = J + 0(E/t) 知,可感应产生一变动磁场,并且由法拉第定律 E = - 0(H/t) 知此变动之磁场会感应一反方向之电场,此电场加速电浆中的电子而成一与线圈电流相反的二次电流。并且随著施加於线圈上之电流不断改变,而使感应出之电场也不断改变,这不断改变之电场与平板式高周波电浆一样能用来加速电子以维持电浆,所不同的是电场与电极之方向不同。在平板式高周波电浆中电子因受电场影响而运动方向垂直於电极,所以会有许多电子逃离电浆跑到电极上,使能量消耗在加热电极。而在感应隅合式电浆中,电子受感应电场之影响而运动方向与电极平行,因此不会有太多的电子损耗在电极上,故可维持线圈周围相当高之电子密度(电浆密度,plasma density)。

基本性质电浆又称等离子体,是一种相似于普通气体有不同于普通气体的物质。说它相似,是因为构成等离子体的粒子间距较大,并处于不断无规则碰撞之中,其热运动与普通气体相似;说它不同,首先,等离子体是由等量的电子和正离子所构成,整体上不显电性,但各粒子带电,而普通气体是由中性的原子或分子构成。等离子体是在极高温度下(>10^4k),由原子碰撞发生电离产生的高温气体。宇宙中99%的物质是等离子体。

中空阴极电浆产生原理在一金属管状物,可为圆形、方形、椭圆形或其他形状,在外加一高周波在此管状物上,会产生一自我偏压,故造成整支管子都是带一负偏压,这使得电子无论是往哪一方向作运动,都会被排斥,如图四所示,所以,电子在管内会作来回震汤的运动,故电子在碰撞到电极板前,能走更长的距离,这就表示电子会有更多的机会或机率与中性气体原子产生碰撞,从而产生电浆,此种电浆产生方式,我们就称它为中空阴极电浆产生法(Hollow Cathode Plasma, HCP)。

导电性因为等离子体包含丰富的正、负自由电荷,它是理想导体。地球上空的电离层也是等离子体,所以它会影响无线电波的传播,微波的电离层反射效应就源于此。

等离子体在磁场中的特性1.等离子体的磁场冻结效应

等离子体是一种良导体,其内部可以存在磁场,磁场可以是外加的也可以是自身通过的电流产生的。一旦等离子体的磁场发生变化,根据电磁感应定律,等离子体内感应电流的磁场会抵消一部分磁场的变化。这种现象成为等离子体的磁场冻结效应。因此,当等离子体在磁场中运动时,内部的磁感线会跟着一起运动。同样的原因,一块内部没有磁场的等离子体在进入磁场区域时,会挤压磁感线是之变形。

2.等离子体在磁场中的运动

利用等离子体的特性利用磁场对等离子体进行控制和约束。

在均匀的磁场中,运动的带电粒子将绕磁感线做螺旋运动,在非均匀磁场中,磁感线成为带电粒子运动的中心引导线。带电粒子由磁场较弱区域进入磁场较强区域时,其速度减慢,利用这一性质可以制造一种叫“磁镜”的约束装置。两个面对面放置的,通有同向电流的线圈,可以产生一个两端较强中间较弱的磁场区域。期间的带电粒子只要是运动速度不是很大,就可以在两线圈之间来回运动,像两面镜子之间反射一样。故叫做磁镜,用它可以控制等离子体的运动。

电浆清洗技术在电子工业领域的应用液晶面板趋动IC贴合前

各式基板表面清洁、活化、改质

IC封装基板

PCB贴合、印刷、电镀或sputter前

IC 去除残馀光阻

光学塑胶镀膜印刷前

光学或特殊薄膜涂布前

印刷、黏著前清洁、表面处理粗化

纤维表面改质、染整物表面清洁粗化

其他表面清洁及改质(增加附著性)

受控核聚变的展望我们知道,要想使核聚合在一起,就要有足够高的能量使核之间克服库伦斥力的影响去碰撞聚合。等离子体的温度极高,本身就具有足够大的热动能,只要使其密度足够高,就能自动地实现核碰撞从而达到核聚变的效果。因此,等离子体是核聚变的理想反应物。约束等离子体的方法就是前面提到的磁约束装置。如果将磁场的形状,强度,分布设计的合适,可防止等离子体沿着磁感线方向飞散。

现实实验中著名的有“托卡马克装置”,也环流器。

托卡马克(Tokamak)是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环性容器。它的名字 Tokamak 来源于环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit)、线圈(kotushka)。最初是由位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人在20世纪50年代发明的。

托卡马克的中央是一个环形的真空室,外面缠绕着线圈。在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场,将其中的等离子体加热到很高的温度,以达到核聚变的目的。

相比其他方式的受控核聚变,托卡马克拥有不少优势。1968年8月在苏联新西伯利亚召开的第三届等离子体物理和受控核聚变研究国际会议上,阿齐莫维齐宣布在苏联的T-3托卡马克上实现了电子温度 1 keV,质子温度 0.5 keV,nτ=10的18次方m-3.s,这是受控核聚变研究的重大突破,在国际上掀起了一股托卡马克的热潮,各国相继建造或改建了一批大型托卡马克装置。其中比较著名的有:美国普林斯顿大学由仿星器-C改建成的 ST Tokamak,美国橡树岭国家实验室的奥尔马克(Ormark),法国冯克奈-奥-罗兹研究所的 TFR Tokamak,英国卡拉姆实验室的克利奥(Cleo),西德马克斯-普朗克研究所的 Pulsator Tokamak。

 
 
 
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