等离子体碰撞
本章主要内容
第五章等离子体中的碰撞与输运
5.1 等离子体中的二体碰撞?二体碰撞
特有性质与
等离子体粒子之间的碰撞密
切相关
一般为多体过程
?二体碰撞近似
二体碰撞过程占主导地位
近似为二体碰撞的叠加过程
碰撞区碰撞间隙区
"适用于带电粒子与中性粒子之
间的碰撞，在一定近似下也可
以用于带电粒子之间的碰撞
"二体碰撞是等离子体碰撞过程
中最基本的问题
?二体碰撞类型
"前三种碰撞为带电粒子与带电粒
子之间的碰撞，库仑力作用，无
需粒子直接接触，为库仑碰撞
"后三种中碰撞的粒子至少有一方
为中性粒子，需要直接接触才会
产生相互作用力
"电子与原子碰撞主要过程有弹性
散射（电子动量改变）和激发、
电离等
"离子与原子碰撞主要过程有弹性
散射（动量和能量交换）和共振
电荷转移等
"分子气体中还包括分解、分解复合、电子吸附和解吸附
?二体碰撞的几个概念
+=+
αβαβ
''
p p p p
"符号表
mαm
β
Eα+Eβ=Eα+Eβ+ΔE
''
k k k k v'
v
α
a
v
β
v
'
β
p'pβ
p
α
a
'
p
β
Δ= E Δ>0
弹性碰撞
非弹性碰撞Eα'E kβ
E
k ka
Eβ
'
k
E
Δ<超弹性碰撞E0
质心坐标R
=m r m r
+
ααβ
β
m m
+
αβ
质心速度v R
==m v m v
+
ααβ
β
m m
+
αβ
v=v'
约化质量m m m
αβ
=
αβ
m m
+
αβ
m
m
βM，M=α=
=α=
αβ
m m m m
++
αβα
β
v v v M v
=?=
ααβ
αβ
C
v'v'v'M v'
=?=
ααβαβ
C
v v v M v
=?=?
ββα
αβ
C
v'v'v'M v'
=?=?
ββααβ
C
v v v,v'v'v'
αβ=α?βαβ=α?β
能量守恒表达式11
mαβvαβ=mαβvαβ+ΔE
22
'
22
Δ=
E0
|v||v| ='
='
αβαβ
粒子1的动量改变量Δp=v?v=Δv=?Δp
m()m
'
αααααβαβ
β
Δpα=??θαβvαβ=?
Δpβ
(1cos)m
Δm
p
粒子1的动量相对损失率(1cos)
β
α=??
θ
p m m
+
Δv
ααβ
v
αβ
αβ
粒子1的动能改变
量'
v
Δ=?=v iΔv=?Δ
αβEαE'αEαmαβαβEβ
k k k k
Δ=???+?v i v
EαEαβθEαEβmβmααβ
(1cos)[()] k
k k
θ
"<>表示在方位角方向求平均，β粒子各向同性时 β>=0 O φ E αβ= 2m m αβ (m m) +2 αβ m m时，E0.5 == αβαβ m或m,E0 ≈ αβαβ 当粒子1沿z轴向粒子2靠近 时，如果粒子1在xy平面的投 影落在圆内，那么粒子1必然 和粒子2发生碰撞 σ=π+ 2 (r r)σ=π+ 2 12 "碰撞截面越大，越容易发生碰撞！它可以用来衡量粒子发生碰撞的概率，分子、原子的半径约为10-10m，它们的碰撞截面约为10-20m2 碰撞截面的几点说明 事实上并非如此！ 极化效应与碰撞粒子的相对速度有关 典型的碰撞截面 图示为简化说明 图中 nσλ= 2 1 1 λ= 12σ 等离子体技术与应用 学号 队别 专业 姓名 摘要 等离子体作为物质存在的一种基本形态，自18世纪中期被发现以来，对它的认识和利用不断深化。我们知道，普通化学反应和化工设备中所产生的温度只有二千多度。而在各种形式的气体放电所形成的低温等离子体中电子温度可达一万度以上，足以造成各种化学键的断裂，或使气体分子激发电离，产生许多在通常条件下不能发生的化学反应，获得通常条件下不能得到的化合物或化工产品，并且获得的化合物与化工产品不会产生热分解。目前，等离子体技术已被广泛的用于国防、工业、农业、环境、通信等一系列国民经济发展领域，极大地推动了信息产业的发展，促进了工业科技进步。 关键词等离子体微波放电隐身技术材料的表面改性微波等离子灯 引言 等离子体是由带电的正粒子、负粒子（其中包括正离子、负离子、电子、自由基和各种活性基团等）组成的集合体，其中正电荷和负电荷电量相等故称等离子体。他们在宏观上呈电中性的电离态气体（也有你液态、固态）。当温度足够高时，构成分子的原子也获得足够大的的动能，开始彼此分离，这一过程称为离解。在此基础上进一步提高温度，就会出现一种全新的现象，原子的外层电子将摆脱原子核的束缚而成为自由电子，失去电子的原子变成带正电的离子，这个过程叫电离。等离子体指的就是这种电离气体，它通常由光子、电子、基态原子（或分子）、激发态原子（或分子）以及正离子和负离子六种基本粒子构成的集合体。因此，等离子体也被称为物质的第四态。 内容 一、等离子的性质 物质的第四态等离子体有着许多独特的物理、化学性质。只要表现如下： 1) 温度高、粒子动能大。 2) 作为带电粒子的集合体，具有类似金属的导电性能。等离子体从整体上看是一种导体电流体。 3) 化学性质活泼，容易发生化学反应。 4) 发光特性，可以作光源。 二、等离子技术的应用 2.1微波放电等离子体技术与应用 通常，低气压、低温等离子体是在1～100pa的气体中进行直流或射频放电产生的。直流辉光发电首先被研究和应用，但该等离子体是有极放电，而且密度低、电离度低、运行气压高，这就限制了其应用的广泛性。随后，射频放电技术逐步被发展起来，这是一种无极放电，且等离子体工作与控制参数比辉光放电有所提高，因而获得了较广泛的应用。但是其密度和电离度仍较低，应用范围依然受到限制。 微波放电初始阶段的物理过程如下。微波引入反应腔中建立起电磁场，反应气体中的电子在微波场作用下获得能量，与气体分子碰撞使其电离，从而得到更多的 等离子污泥处理技术简介 等离子体技术处理危险废物是一种新型环保技术，主要用于工业污水固粒饱水污泥、焚烧炉产生的飞灰及炉渣、工业危险废弃物等危险废物的处理工作。 (1) 等离子技术基本原理等离子体是与固态、液态和气态并列的第四种物质存在状态，它可以存在的参数范围相当宽广（其密度、温度以及磁场强度都可以跨越十几个数量级）。当一股强电流通过惰性气体（例如氮气）产生电离，即可形成等离子体。如果 等离子体的形态和性质受到外加电磁场的强烈影响，就会发生强烈的粒子集体运动。 此时能量发生瞬时集中，产生极高的电热效率（85%—95%），等离子体温度即时升 高上千度。这种极高的温度可完全分解有毒物质中存在的有机物或无机物分子，同时 完全分解了焚烧过程中可能形成的二氧化物类物质。整个过程在瞬间即可完成，产生 的高温可以还原一切难以还原和难熔性的物质。等离子体弧心温度可达7000℃，而反应器工作温度可在3000℃内调整。 (2) 等离子体处理工业污泥技术试验分析全国各危险废物处置中心的工业污泥处理技术和能源化研究现状，采用荷兰PANalytical公司Magix（PW2403）X射线荧光光谱仪测定了广西省和海南省主要城市取样工业污泥的组成和热值（试验用脱水污泥含水量74.3%，污泥干基固体挥发份含量62.9%），测试结果示于表1。利用等离子体产生 的瞬时高温突跃，进行了电弧等离子体技术的高温T-jump特性作用于工业污泥的处理试验。在数千度的高温下引起快速反应，使工业污泥中有机物质发生高温下物理化学 变化，如挥发、裂解、氧化、聚合等。反应后的固体残渣表面明显碳化或呈现玻璃态，含水率与挥发成份含量明显下降，性质状态非常稳定。其中受到电弧直接作用的污泥 反应后显熔融态，分解彻底。得到了类似水煤气的气体产物（主要成分CO和CH4气体）。这种物质可以直接点燃，火焰温度高达750℃—850℃。至此，初步完成了高温突跃T-jump处理工业危险废物活性污泥的可能性的实验。此外，在美国进行的测试已表明，经等离子体处理后的工业污泥可以完全分解，二噁英等致癌类再生物质实现零 排放。 (3) 等离子体焚烧技术处理工业污泥工艺流程工业污泥成分是复杂的混和物，其成分、水分均随时间、随地点、随产生源种类的不同发生变化，组分各不相同。与生活污泥、 一、等离子体概述 物质有几个状态？学过初中物理的会很快回答固态、液态、气态。其实，等离子态是物质存在的又一种聚集态，称为物质的第四态。它是由大量的自由电子和离子组成，整体上呈现电中性的电离气体。 在一定条件下，物质的各态之间是可以相互转化的，当有足够的能量施予固体，使得粒子的平均动能超过粒子在晶格中的结合能，晶体被破坏，固体变成液体。若向液体施加足够的能量，使粒子的结合键破坏，液体就变成了气体。若对气体分子施加足够的能量，使电子脱离分子或原子的束缚成为自由电子，失去电子的原子成为带正电的离子时，中性气体就变成了等离子体。物质的状态对应了物质中粒子的有序程度，等离子内物质中的粒子有序程度是最差的。相应的，等离子体内的粒子具有较高的能量、较高的温度。实际上，宇宙中99.9%的物质处于等离子态，它是宇宙中物质存在的普遍形式，不过地球上，等离子体多是人造的。 人工如何造出等离子体呢？从上面的论述可以看出，等离子体的能量是很高的，任何物质加热到足够高的温度，都会成为电离态，形成等离子体。在太阳和恒星的内部，都存在着大量的高温产生的等离子体。太阳和恒星的热辐射和紫外辐射能使星际空间的稀薄气体产生电离，形成等离子体，如地球上空的电离层就是这样来的。各种直流、交流、脉冲放电等均可用来产生等离子体。利用激光也可以产生等离子体。 等离子体如何描述？温度。等离子体有两种状态：平衡状态和非平衡状态。等离子体中的带电粒子之间存在库伦力的作用，但是此作用力远小于粒子运动的热运动能。当讨论处于热平衡状态的等离子体时，常将等离子体当做理想气体处理，而忽略粒子间的相互作用。在热平衡状态下，粒子能量服从麦克斯韦分布。每个粒子的平均动能32 E kT =。对于处于非平衡状态下的等离子体，一般认为不同粒子成分各自处于热平衡态，分别用e T 、i T 、n T 表示电子气、离子气和中性气体的温度，并表示各自的平均动能。可以用动力学温度E T （eV ）表示等离子体的温度，E T 的单位是能量单位，由粒子的动能公式可得 2133222 E E mv kT T = ==，E T 就是粒子的等效能量kT 值（1eV 的能量温度，相应的开氏绝对温度为1T k ==11600K ）。 温度是描述等离子体能量的，还有其它的一些概念来表述。（1）高温等离子体，低温等离子体，冷等离子体。高温等离子体也是完全电离体，温度6810~10K ，核反应、恒星的等离子体是这类。低温等离子体是部分电离体，463410~10,310~310e i T K T K ==??，电弧等离子体、燃烧等离子体是这种。冷等离子体是410,e i T K T >约等于室温的等离子体。 （2）电离度。强电离等离子体指电离度η>10-4的等离子体，弱电离等离子体η<10-4。η是电离度，0=n n n η+，n 是两种异电荷粒子中任何一种密度，0n 为中性粒子密度。粒子密度是表示单位体积中所含粒子的数目。（3）稠密等离子体和稀薄等离子体。具体区分度不详。 辉光放电电晕放电介质阻挡放电射频放电滑动电弧放电射流放电大气压辉光放电次大气压辉光放电 辉光放电(Glow Discharge) 辉光放电属于低气压放电(low pressure discharge)，工作压力一般都低于 10mbar，其构造是在封闭的容器內放置两个平行的电极板，利用电子将中性原子和分子激发，当粒子由激发态(excited state)降回至基态(ground state)时会以光的形式释放出能量。电源可以为直流电源也可以是交流电源。每种气体都有其典型的辉光放电颜色(如下表所示)，荧光灯的发光即为辉光放电。因此，实验时若发现等离子的颜色有误，通常代表气体的纯度有问题，一般为漏气所至。辉光放电是化学等离子体实验的重要工具，但因其受低气压的限制，工业应用难于连续化生产且应用成本高昂，而无法广泛应用于工业制造中。目前的应用范围仅局限于实验室、灯光照明产品和半导体工业等。 部分气体辉光放电的颜色 Gas He Ne(neon) Ar Kr Xe H2N2O2 Air Cathode Layer red yellow pink -- red-brown pink red pink Negative Glow pink orange dark-blue green orange-green thin-blue blue yellow-white blue Positive Column Red-pink red-brown dark-red blue-purple white-green pink red-yellow red-yellow red-yellow 次大气压下辉光放电(HAPGD)产生低温等离子体 由于大气压辉光放电技术目前虽有报道但技术还不成熟，没有见到可用于工业生产的设备。而次大气压辉光放电技术则已经成熟并被应用于工业化的生产中。次大气压辉光放电可以处理各种材料，成本低、处理的时间短、加入各种气体的气氛含量高、功率密度大、处理效率高。可应用于表面聚合、表面接枝、金属渗氮、冶金、表面催化、化学合成及各种粉、粒、片材料的表面改性和纺织品的表面处理。次大气压下辉光放电的视觉特征呈现均匀的雾状放电；放电时电极两端的电压低而功率密度大；处理纺织品和碳纤维等材料时不会出 等离子体及其技术的应用 摘要: 随着等离子体技术的迅速发展，逐渐形成了一个新兴的等离子体化工体系。我们知道，普通化学反应和化工设备中所产生的温度只有二千多度。而在各种形式的气体放电所形成的低温等离子体中电子温度可达一万度以上，足以造成各种化学键的断裂，或使气体分子激发电离，产生许多在通常条件下不能发生的化学反应，获得通常条件下不能得到的化合物或化工产品，并且获得的化合物与化工产品不会产生热分解。这势必会造就很多性能优良的新物质，其也将会有广泛的应用前景。 关键词：等离子体；喷涂；焊接；尾气处理；隐身技术 Plasma and its technical application ABSTRACT With the rapid development of plasma technology, and gradually formed a new plasma chemical system.We know, the common chemical reaction and chemical engineering equipments only produce two thousand degrees temperature.The temperatures that in low temperature plasma electronic produced by all forms of gas discharge up to ten thousand degrees or above,more enough to fracture all sorts of the chemical bonds, or make the gas molecule ionization, produce many chemical reactions that can't happened in usual conditions , get compound or chemical products that can't achieved in usual conditions , and the products won't occur thermal decomposition.It will produce a lot of new substances that performance excellent ,and have a broad application prospect. keywords:plasma；flame plating；soldering；tail gas treatment；invisible technology 低温等离子体表面处 理技术 Plasma and first wall Introduction Today I will talk about something about my study on the first wall in the tokamak. Firstly, I will show you that what the plasma is in our life thought the following pictures such as: Fig.1 Lighning Fig.2 Aurora Fig.3 Astrospace Just as the pictures mentioned above , they are all consist of plasma. But, what does have in the plasma, now our scientist had given a definition that the plasma state is often referred to as the fourth state of matter and contains enough free charged particles（negative ions 、positive ions）and electronics. Like the photo below. Fig.4 Plasma production Plasma production In our research, we produce the plasma through an ICP (inductively coupled plasma) 火是物质燃烧产生的光和热。必须有可燃物、燃点、助燃气体（不一定是氧气）并存才能生火。三者缺任何一者就不能生火。 火是很泛的概念，基本包含两大元素：发光（光子的产生）和产热（如氧化、核反应所致）。在生活中，火可以被认为是物质发生某些变化时的表征。很多物质都能在某些特定的变化或说反应中产生光和热，两者共同构成我们所说的“火”。 譬如以蜡烛为例，蜡烛燃烧时当然产生了火。但我们到底该认为谁是火呢？是蜡，还是二氧化碳、水，甚至是炭或蜡分解出的小分子有机物？ 水和二氧化碳是无法独自产生火的，可排除此可能性；我们在蜡烛燃烧时看到黑烟，说明炭还好好的存在着，并未发生反应，所以这种可能性亦不存在，至于其他杂分子，也是燃烧的副产物，既然称为产物，则不会在我们所讨论的反应过程中发生变化了，排除。只剩下蜡了。蜡是火？确实荒谬。不错，蜡本身绝不是火，但火源自蜡，而非上述任何其他物质，这是肯定的。蜡产生了火，而火却不是此反应中的任何反应物或生成物本身！火就是火自己！但火实际上确是一种物质，但又不仅仅是物质。 或许我们也会问“闪电是什么物质？”，有人可能会回答道“闪电是一种现象，不是一种物质”，这样的答复没什么意义。其实这个问题颇值得思考。闪电产生于空气中，更准确地说，是云（以水为主）中。书本告诉我们闪电是电中和所致，但这并不直击问题要害。相信某人说“闪电是一种大自然的现象”没人会反驳，但我提出的闪电与他说的闪电是两个不同的词。我说的是一个物质名词，他说的是一个动名词！举个例子，我说的闪电好比雪snow，而他所说的闪电好比下雪fall of snow OR snowing。对于火的理解，也有相同的理解分歧。但是，我们要清楚一点，任何自然现象都是物质的。客观存在的是物质本身，而其现象只是人脑中的反映，或说人的感知及后继的理性思考。 在火中，光既是物质又是能量，这不难接受。而对于热，大多数人认为热仅仅是能量，但实际上，热辐射作为一种电磁辐射，在量子物理中亦有物质性，其和光的本质是同一的。更深层上，物质与能量是统一的，可等价的。只是当代物理学界倾向于将物质统一于能量——受限的能量。所以火的本质既是同具光波和热辐射的电磁波，是物质，也是同具光能、热能的能量。 电子离开原子核，这个过程就叫做“电离”。这时，物质就变成了由带正电的原子核和带负电的电子组成的，一团均匀的“浆糊”，人们称它离子浆。这些离子浆中正负电荷总量相等，因此又叫等离子体。 火是物质吗?如果是,是什么物质? 3.空心阴极效应如何产生的？ 两平行平板阴极置于真空设备中，当满足气体点燃电压时，这两个阴极都产生辉光放电，在阴极附近形成阴极暗区，当两阴极靠近或气压降低时，两 个负辉区合并。此时从阴极K1发射出电子在K1 的阴极位降区加速，当它进入阴极K2的阴极位降 区又被减速，因此如果这些电子没有产生电离和 激发，则电子在K1和K2之间来回振动，增加了 电子和气体分子的碰撞几率，可以引起更多的激 发和电离过程。电离密度增加，负辉光强度增加， 这种现象称为空心阴极效应。 4.辉光放电和弧光放电的特点各是？ 5.低于和高于共析温度渗氮时组织是如何形成的？1首先是α相被氮所饱和,当氮含量达到饱和极限时，便通过非扩散性的晶格重构方式，形成γ’相；随着时间的延长，当γ’相的氮含量达到饱和极限时，在铁的表层，同样以晶格重构方式形成ε相。γ’相和ε相均按扩散方式长大。因此，纯铁经充分渗氮后，表层组织依次为ε、γ’以及α相 2在高于共析温度时纯铁渗氮，在渗氮温度下生成的组织，由表及里依次为：ε，，γ，α。当缓冷至室温时，低浓度的ε相会析出。γ相在590发生共析转变（），相降低了其饱和含氢量而析出。若快冷时，则含氮奥氏体发生氮马氏体转变，故表层组织依次为：ε，，，α 6.三种渗氮理论分别是什么？1射与沉积理论：离子渗氮时，渗氮层是通过反应阴极溅射而形成。在真空炉体内，工件为阴极，炉体为阳极，加上直流高压后，稀薄气体电离，形成等离子体2子离子理论：在离子渗氮中，虽然溅射很明显，然而不是主要的控制因素，对渗氮起决定作用的是氮氢分子离子化的结果3性氮原子模型：对离子渗氮其作用的实际上是中性氮原子，分子离子的作用是次要的 7.简述离子渗氮的特点：优点a渗氮速度快b渗氮层组织易控制，脆性小c无公害热处理d节约能源、气源e变形小；f适用于不锈钢渗氮。缺点：1不同形状、尺寸、材料的零件混合装炉渗氮时，要使工件温度均匀一致比较困难2.离子渗氮设备较复杂，价格也比气体渗氮炉贵3.准确测定零件温度较困难。 8.简述渗氮过程中脉状组织形成受什么影响？a合金元素在晶界偏聚严重的，则脉状组织明显；b工艺参数的影响：渗氮温度高，保温时间越长，NH3渗氮时炉内；压强越高，均促进脉状组织的形成；c零件棱角的影响：棱角处的脉状组织比其他部位严重得多 9.讨论渗氮材料选择有哪些原则？ 1碳钢渗氮效果极差，表面硬度低，硬化层浅。为了提高碳氮的硬化效果，可以采用离子软化工艺2合金结构钢。根据使用条件，选择不同的钢种进行离子渗氮，预先处理一般为调制处理，有的低碳合金钢可以用正火处理。而渗氮温度必须略低于调制回火温度，以保证心部强度不致降低。3工模具渗氮。常用离子渗氮提高工模具使用寿命。4不锈耐酸钢的离子渗氮。离子渗氮可以大幅度提高铁素体型，马氏体型和奥氏体不锈钢的硬度和耐磨性。对于表面要求耐磨，往往由于磨损报废，又要求耐酸蚀的零件可以选用不锈耐酸钢进行离子渗氮处理。5铸铁的离子渗氮。铸铁由于含碳量及含硅量较高，阻止氮的扩散，常采用离子软化的方法渗氮，或选用球墨铸铁合金铸铁，也加快渗速6钛及钛合金的渗氮。由于钛及钛合金具有优异的特性，有广泛的应用。 10.试举例说明如何提高离子渗层的耐蚀性能与耐磨性能： 提高耐蚀性：加入适量的合金元素。提高耐磨性：控制好渗氮温度(较低为宜)，选择合适气体比例(减少CO2)。 11.检测渗氮层厚度的方法有哪些？1金相法2硬度梯度法3用X射线衍射法测化合物层厚度4淬火法； 12.检测渗氮层硬度的方法有哪些？1表面硬度：表面硬度的测定以负荷5~10kg的维氏硬度计为准；2硬度梯度：用50~100g现为硬度计进行测定，从边缘往中心每隔一定距离打一硬度值，然后作出硬度分布曲线。 13.元素Al和Cr对渗层有什么影响 1)形成合金氮化物，使硬度、耐磨性增加2)溶入а-Fe中，提高а-Fe的溶氮能力，产生固溶强化作用3)影响氮在铁中的扩散系数及表面吸氮能力4)改变钢的临界点，从而改变渗氮温度 等离子体法处理危险废弃物技术与设备 等离子体法是处理危险废物的新型技术。日前，力学所工程科学部废物处理技术组建成了等离子体热解处理模拟医疗废物的全套实验室系统。 全套实验室模拟处理装置为中试规模，设计能力最大可达到5吨/日，包括进料子系统、等离子体核心处理设备和完善的尾气后处理子系统。进料子系统主要是柱塞式液压给料机，核心处理设备由等离子体炉、电源设备、测量控制系统、工作气体控制供应系统等设备组成；尾气后处理子系统由尾气急冷器、空气预热器、碳纤维吸附器、烟气脱酸、烟气再热器、尾气燃烧炉、引风机等设备组成。该系统还包括冷却和散热系统等辅助设备。 等离子体法利用电弧放电，可以将裂解温度提高到1500~2000oC，有效打断有机物的化学键，达到很高的摧毁效率，并能避免在处理过程中排放NOx、CO 和二噁英类等在焚烧时生成的有害物质，因此适合处理各类难分解的危险废物，达到近零排放的水平。实验数据显示，等离子体法仅形成少量裂解气体、炭黑和玻璃体，特别有利于二次产物的后处理和无害化，处理一吨废物的电耗约 1200~1500 kWh，低于焚烧多氯联苯等高危废物的能耗和能源成本，产生的可燃性尾气中的能源还可以回收利用，因而也是节能型技术。但是由于技术复杂，成本昂贵，国际上发展速度并不快，主要是用于处理多氯联苯（PCBs）、废农药、焚烧飞灰、医疗废物等有机与无机废物的处置，国内尚没有成熟的商业化产品。 近年来，课题组以交流等离子体弧技术为基础，在处理废塑料、废橡胶、医疗废物、有机废物、化学试剂和电子线路板等实验研究的基础上，承担了国家863计划课题和院知识创新工程方向性重要项目，研制交流等离子体处理医疗废物的成套设备和技术，并于2006年在四川晨光化工研究院建成国内首套工业规模的化工固体危险废物处理系统。 现在，课题组与深圳迈科瑞环境技术有限公司的合作，全面开发等离子体处理危险废物的技术和设备，努力通过走产业化的道路，尽早实现科研成果向生产力的转化。 等离子体处理有机废气技术综述 [摘要]本文旨在综述等离子体降解有机废气技术。阐述了等离子体的概念，讨论了等离子体处理有机废气的机理，又分别综述了联合处理VOCs废气技术的研究进展。最后提出了该项技术在有机废气治理领域的研究方向。 [关键字]低温等离子体；联合；研究方向 引言 目前对有机废气治理采用的处理方法主要有吸收、吸附、催化燃烧等，这些方法所用设备多、工艺繁、能耗大：而相对比较热门的生物处理法又面临占地面积大，易受负荷变化影响，微生物菌种筛选和驯化难度大等问题。而等离子体技术作为一种高效率、占地少、运行费用低、使用范围广的环保处理新技术已成为近年来的研究热点。 1.等离子体技术处理有机废气机理分析 1.1等离子体概念 等离子体就是处于电离状态的气体，其英文名称为plasma。等离子体是被称作除固态、液态和气态之外的第四种物质存在形态。它是由大量带电粒子（离子、电子）和中性粒子（原子、激发态分子及光子）和自由基组成的导电性流体，因其总的正、负电荷数相等，故称为等离子体。 按热力学平衡状态进行分类，等离子体可分为热力学平衡状态等离子体（高温等离子体）和非热力学平衡状态等离子体（低温等离子体）。非平衡等离子体较平衡等离子体易在常温常压下产生，因此在环保领域有着广泛的应用前景。以下等离子体处理技术即低温等离子体技术。 1.2等离子体处理有机废气的机理 虽然对低温等离子体去除污染物的机理还不清楚，但一般都认为是粒子间非弹性碰撞的结果。其降解机理可概括为：1、高能电子直接作用于有机废气分子，污染物分子受碰撞激发或离解形成相应的基团和自由基。2、高能电子与气态污染物中所含的空气、水蒸气和其它分子作用产生新的自由基和激发态物质活性粒子及氧化性极强的O3，将有机物彻底氧化。3、活性基团从高能激发态向下跃迁产生紫外光，紫外光直接与有害气体反应而使气体分子键断裂从而得以降解。 2.等离子体处理有机废气的工艺分析 2.1等离子体单独作用处理有机废气 本章主要内容 6.1 各种直流放电方法与放电模式 ? 冷阴极放电与热阴极放电的区别 ? 空心阴极放电的原理与优点 等离子体表面处理技术的原理及应用 前言：随着高科技产业的讯速发展，各种工艺对使用产品的技术要求越来越高。 等离子表面处理技术的出现，不仅改进了产品性能、提高了生产效率，更随着高科技产业的迅猛发展，各种工艺对使用产品的技术要求也越来越高。这种材料表面处理技术是目前材料科学的前沿领域，利用它在一些表面性能差和价格便宜的基材表面形成合金层，取代昂贵的整体合金，节约贵金属和战略材料，从而大幅度降低成本。正是这种广泛的应用领域和巨大的发展空间使等离子表面处理技术迅速在国外发达国家发展起来。 一、等离子体表面改性的原理 等离子，即物质的第四态，是由部分电子被剥夺后的原子以及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气状物质。它的能量范围比气态、液态、固态物质都高，存在具有一定能量分布的电子、离子和中性粒子，在与材料表面的撞击时会将自己的能量传递给材料表面的分子和原子，产生一系列物理和化学过程。其作用在物体表面可以实现物体的超洁净清洗、物体表面活化、蚀刻、精整以及等离子表面涂覆。 二、等离子体表面处理技术的应用 1、在工艺产业方面的应用 1）、在测量被处理材料的表面张力 表面张力测定是用来评估材料表面是否能够获得良好的油墨附着力或者粘接附着品质的重要手段。为了能够评估等离子处理是否有效的改善了表面状态，或者为了寻求最佳的等离子表面处理工艺参数，通常通过测量表面能的方式来测定表面，比如使用Plasmatreat 测试墨水。最主要的表面测定方式包括测试墨水，接触角测量以及动态测量 评价表面状态 低表面能, 低于28 mN/m良好的表面附着能力，高表面能 2）预处理–Openair? 等离子技术，对表面进行清洗、活化和涂层处理的高技术表面处理工艺 常压等离子处理是最有效的对表面进行清洗、活化和涂层的处理工艺之一，可以用于处理各种材料，包括塑料、金属或者玻璃等等。 使用Openair?等离子技术进行表面清洗，可以清除表面上的脱模剂和添加剂等，而其活化过程，则可以确保后续的粘接工艺和涂装工艺等的品质，对于涂层处理而言，则可以进一步改善复合物的表面特性。使用这种等离子技术，可以根据特定的工艺需求，高效地对材料进行表面预处理。 等离子体及其技术应用 生化系化学教育姓名：蒋敏学号：20101420 摘要：通过介绍等离子体的概念、分类、特性、原理及其在化学工业、材料工业、电子工业、能源方面和机械工业、国防工业、生物医学及环境保护方面的技术应用。 关键词：等离子体、概念、特性、原理、应用 前言：等离子体是宇宙中物质存在的一种状态。物质除固、液、气三态外，还有第四种状态即等离子态。所谓等离子体就是气体在外力作用下发生电离，产生电荷相反、数量相等的电子和正离子以及游离基(电子、离子和游离基之间又可复合成原子和分子)，由于在宏观上呈中性，故称之为等离子体。处于等离于态的各种物质微粒具有较强的化学活性，在一定的条件下可获得较完全的化学反应，物质的各态之间是可以相互转化的。 1. 等离子体 等离子体是由电子、离子等带电粒子以及中性粒子(原子、分子、微料等)组成的, 宏观上呈现准中性, 且具有集体效应的混合气体。所谓准中性是指在等离子体中的正负离子数目基本相等, 系统在宏观上呈现中性, 但在小尺度上则呈现出电磁性, 而集体效应则突出地反映了等离子体与中性气体的区别。 1.1等离子体的含义 由电子、离子和中性粒子三种成分组成。其中电子和离子的电荷总数基本相等，因而作为整体是电中性的。等离子体是由大量带电粒子组成的有宏观空间尺度和时间尺度的体系。 1.2等离子体的产生 对液体加热使之温度升高，可以使它转化为气体。在通常的气体中，物质的最小单元是分子。如果对气体再加热使气体温度升高时，分子会分解成单个原子，这种以原子为基本单元而组成的气体叫做原子气体。使原子气体的温度再升高，原子运动的速度增大。通过相互碰撞使之电离出自由电子和阳离子，当许多原子被电离之后，会形成一个电离过程、电离成的离子与电子复合成中性微粒过程之间的动态平衡，因此 等离子体技术对合成纤维表面改性的探讨 关键字：合成纤维;等离子体技术;表面改性; 合成纤维织物的拉伸、耐磨等耐用性能．及免烫、抗折皱等外观性能一般优于天然纤维织物，但其舒适性、易染性不太理想。例如，涤纶、丙纶的公定回潮率分别是04％和0.0％。显然．该二种纤维的吸湿性较差，其织物透过皮肤排泄的高热汗气的能力即透湿性较差，从而影响人们穿着的舒适性。另一方面，涤纶分子的极性较小，缺乏亲水性，无特定染色基团．易染性差，难以染出探浓鲜艳的色泽；而丙纶的染色条件更为苛刻．采用分散染料只能得到很淡的颜色，通常采用原渡着色、纤维改性等方法才能解决染色问题。 从50年代末开始，等离子体技术在离子渗析、渗硅、渗碳等表面处理工程中迅速发展。例如，利用沉积效应使碳在受热基体上有序生长构成金刚石薄膜，将氧化铝陶瓷层喷涂在铝合金上等。近年来，等离子体技术在纺织品染整工程中的应用引起了广泛关注。涤纶、聚丙烯等合成纤维，经等离子体处理，不仅可改进染色性能，还能改善润湿性、吸湿性、亲水性等。 1等离子体技术物质除了以气、液、固态存在以外．在一定条件下，有一部分分子被离解成原子．并且部分甚至全部原子或分子发生电离，电子脱离原子和分子在空间自由运动。失去一部分电子的原子和分子带有正电荷成为正离子。这种由带正负电荷的粒子组成的气体．正负电荷数相等，净电荷数等于零，称为等离子体。[1]在强磁场控制下，等离子体的粒子可以作有规律的运动．从而开发出许多新的用途。 等离子体共有三种：热等离子体、冷等离子体、混合等离子体。常见的低温等离子体由辉光放电产生，真空度1．33322-1333．22Pa，工作电流500至几千伏的直流电或交流电，电流频率-60Hz，平均电子能量1～10eV， 电子温度(ek是电子动能)，电子密度[2] 根据被处理材料和工作气体的性质、放电时间、放电功率、放电真空度的变化，等离子体处理聚合物能产生不同的效果。氧、氮、氩、二氧化碳和氨气等气体产生的低温等离子体可改善合成纤维的润湿性、亲水性，CF4气体产生的等离子体在纤维表面产生强烈的氧化作用．可增强纤维的拒水性。等离子体处理聚碳酸酯、聚四氟乙烯等聚合物时，高聚物自由基重新聚合产生表面交联，使表面层分子量增加．提高聚合物的熔点。随着等离子体放电时间的延长，高能粒子对纤维表面的刻蚀作用增强，重量损失逐渐增加；随着离子体放电功率增大，产生的高能粒子能量增加；随着等离子体放电真空度增大，在一定范围内分子平均能量降低。[3]总之．由于各种等离子体反应器的设计不同．故应根据具体情况选择适当的工作参数。 2等离子体处理改善合成纤维的润湿性 2．1等离子体的刻蚀作用 低温等离子体是在真空下由辉光放电产生的具有高能量的离子和分子，电子温度达上万度(K)。等离子体处理合成纤维能引发生成高聚物自由基，随后进行链裂解、自由基转移、氧化、歧化和复合等反应，构成表面层中的降解、刻蚀、氧化和交联反应裂解和氧化的小分子产物被不断蒸发和喷溅清除出去。所以．在合成纤维光滑的表面层会产生一些小圆坑或沟槽，表面改性层达50～50OA[2]. 2．2合成纤维的表面能 合成纤维表面层分子和内部分子所具有的能量是不同的。内部任意一个分子所受周围分子的引力是球形对称的．而表面层的分子受内部分子引力大于外部气体或液体分子列它的吸引力。在恒温、恒压和组成一定的情况下， 等离子体加工技术 摘要 随着科学技术的不断发展，工业需求的不断提高，各种高新设备应运而生，然而要加工这些设备就要使用更先进的加工技术。而等离子体加工技术就是一种不断发展的新型加工技术。本文简要介绍了工业用等离子体的分类及等离子体加工技术涉及的科学工程问题。围绕材料添加与去除加工，讨论了等离子体喷涂、增强沉积、离子去除等若干典型加工工艺的技术发展和应用情况，并对一些工艺中出现的现象以及某待深入研究的潜在科学问题进行了举例说明。 关键词：等离些有子体；加工；等离子体喷涂；等离子体聚合 Abstract With the continuous development of science and technology,increasing industrial demand,a variety of high-tech equipment came into being,however, to the processing of these devices is necessary to use more advanced processing technology.The plasma processing technology is a continuous development of new processing technology.This article briefly describes the classification of industrial plasma and plasma processing technology involved in scientific engineering problems.Adding and removing surrounding material processing,Discusses the plasma spraying, enhanced deposition, ion removal, etc. Several typical processing technology development and application,And some of the processes the phenomenon appears to be in-depth study as well as some of the potential scientific issues illustrate. Key words: Plasma；Machining；Plasma spraying；Plasma polymerization 引言 随着科学与工程技术的迅速发展，对新材料、新结构、新工艺的要求日益迫切。人们不仅要对材料的表面性能进行改进，而且还要了解元素（原子）的相互作用，新相的形成，亚稳态、非晶态的形成等机制；对一些结构器件的要求已达到了μm、nm 量级。在实现这些要求的过程中，作为特种加工手段之一的等离子体加工工艺的应用越来越广泛，实际上，等离子体之所以成为现代制造技术的重要手段之一，是由其能量状态决定的。物体由固体到等离子体态的转化过程中，都伴随有足够能量的输入。所以作为一种物质形态的等离子体具有最高的能量状态，为现代材料加工提供了巨大潜力。 等离子体又叫做电浆，是由部分电子被剥夺后的原子及原子团被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，它广泛存在于宇宙中，常被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。等离子体是一种很好的导电体，利用经过巧妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。等离子体物理的发展为材料、能源、信息、环境空间、空间物理、地球物理等科学的进一步发展提供了新的技术和工艺。 物质由分子组成，分子由原子组成，原子由带正电的原子核和围绕它的、带负电的电子构成。当被加热到足够高的温度或其他原因，外层电子摆脱原子核的束缚成为自由电子，就像下课后的学生跑到操场上随意玩耍一样。电子离开原子核，这个过程就叫做“电离”。这时，物质就变成了由带正电的原子核和带负电的电子组成的、一团均匀的“浆糊”，因此人们戏称它为离子浆，这些离子浆中正负电荷总量相等，所以就叫等离子体。 1简介 看似“神秘”的等离子体，其实是宇宙中一种常见的物质，在太阳、恒星、闪电中都存在等离子体，它占了整个宇宙的99%。21世纪人们已经掌握和利用电场和磁场产生来控制等离子体。例如焊工们用高温等离子体焊接金属。 等离子体由离子、电子以及未电离的中性粒子的集合组成，整体呈中性的物质状态。等离子体可分为两种：高温和低温等离子体。等离子体温度分别用电子温度和离子温度表示，两者相等称为高温等离子体；不相等则称低温等离子体。低温等离子体广泛运用于多种 等离子体发生器 生产领域。例如：等离子电视，婴儿尿布表面防水涂层，增加啤酒瓶阻隔性。更重要的是在电脑芯片中的蚀刻运用，让网络时代成为现实。 高温等离子体只有在温度足够高时发生的。恒星不断地发出这种等离子体，组成了宇宙的99%。低温等离子体是在常温下发生的等离子体（虽然电子的温度很高）。低温等离子体可以被用于氧化、变性等表面处理或者在有机物和无机物上进行沉淀涂层处理。 等离子体（Plasma）是一种由自由电子和带电离子为主要成分的物质形态，广泛存在于宇宙中，常被视为是物质的第四态，被称为等离子态，或者“超气态”，也称“电浆体”。等离子体具有很高的电导率，与电磁场存在极强的耦合作用。等离子体是由克鲁克斯在1879年发现的，1928年美国科学家欧文·朗缪尔和汤克斯（Tonks）首次将“等离子体”（plasma）一词引入物理学，用来描述气体放电管里的物质形态[1]。严格来说，等离子体是具有高位能动能的气体团，等离子体的总带电量仍是中性，借由电场或磁场的高动能将外层的电子击出，结果电子已不再被束缚于原子核，而成为高位能高动能的自由电子。 等离子体是物质的第四态，即电离了的“气体”，它呈现出高度激发的不稳定态，其中包括离子(具有不同符号和电荷)、电子、原子和分子。其实，人们对等离子体现象并不生疏。在自然界里，炽热烁烁的火焰、光辉夺目的闪电、以及绚烂壮丽的极光等都是等离子体作用的结果。对于整个宇宙来讲，几乎99．9%以上的物质都是以等离子体态存在的，如恒星和行星际空间等都是由等离子体组成的。用人工方法，如核聚变、核裂变、辉光放电及各种放电都可产生等离子体。分子或原子的内部结构主要由电子和原子核组成。在通常情况下，即上述物质前三种形态，电子与核之间的关系比较固定，即电子以不同的能级存在于核场的周围， 等离子体物理及应用领域 什么是等离子体？ 由大量的带电粒子组成的非束缚态的宏观体系 非束缚性：异类带电粒子之间相互“自由”，等离子体的基本粒子元是正负荷电的粒子（电子、离子），而不是其结合体。 粒子与电磁场的不可分割性：等离子体中粒子的运动与电磁场（外场及粒子产生的自洽场）的运动紧密耦合，不可分割。 集体效应起主导作用：等离子体中相互作用的电磁力是长程的。 等离子体是物质第四态 电离气体是一种常见的等离子体 需要有足够的电离度的电离气体才具有等离子体性质。 “电性”比“中性”更重要 ( 电离度 >10-4 ) 放电是使气体转变成等离子体的一种常见形式 等离子体 电离气体 宇宙中90％物质处于等离子体态 人类的生存伴随着水，水存在的环境是地球文明得以进化、发展的的热力学环境，这种环境远离等离子体物态普遍存在的状态。因而，天然等离子 体就只能存在于远离人群的地方，以闪电、极光的形式为人们所敬畏、所赞叹。 由地球表面向外，等离子体是几乎所有可见物质的存在形式，大气外侧的电离层、日地空间的太阳风、太阳日冕、太阳内部、星际空间、星云及星团，毫无例外的都是等离子体。 地球上，人造的等离子体也越来越多地出现在我们的周围。 日常生活中：日光灯、电弧、等离子体显示屏、臭氧发生器 典型的工业应用：等离子体刻蚀、镀膜、表面改性、喷涂、烧结、冶炼、加热、有害物处理 高技术应用：托卡马克、惯性约束聚变、氢弹、高功率微波器件、离子源、强流束、飞行器鞘套与尾迹 等离子体参数空间 密度(cm -3) 温度 (度) 太阳核心 磁约束 聚 变 霓虹灯 北极光 火 闪电 日冕 氢 星际空间 荧光 气体 液 体 固 体 惯性聚变 星 太阳风 低温等离子体的应用领域 低温等离子体物理与技术经历了一个由60年代初的空间等离子体研究向80年代和90年代以材料为导向研究领域的大转变，高速发展的微电子科学、环境科学、能源与材料科学等，为低温等离子体科学发展带来了新的机遇和挑战。 现在,低温等离子体物理与应用已经是一个具有全球影响的重要的科学与工程，对高科技经济的发展及传统工业的改造有着巨大的影响。例如，1995年全球微电子工业的销售额达1400亿美元，而三分之一微电子器件设备采用等离子体技术。塑料包装材料百分之九十都要经过低温等离子体的表面处理和改性。科学家预测：二十一世纪低温等离子体科学与技术将会产生突破。据估计，低温等离子体技术在半导体工业、聚合物薄膜、材料防腐蚀、等离子体电子学、等离子体合成、等离子体冶金、等离子体煤化工、等离子体三废处理等领域的潜在市场每年将达一千几百亿美元。 等离子体辅助加工被用来制造特种优良性能的新材料、研制新的化学物质和化学过程，加工、改造和精制材料及其表面，具有极其广泛的工业应用--从薄膜沉积、等离子体聚合、微电路制造到焊接、工具硬化、超微粉的合成、等离子体喷涂、等离子体冶金、等离子体化工、微波源。等离子体辅助加工已开辟的和潜在的应用领域包括： ●半导体集成电路及其它微电子设备的制造 ●工具、模具及工程金属的硬化 ●药品的生物相溶性包装材料的制备 ●表面防蚀及其它薄层的沉积 ●特殊陶瓷（包括超导材料） ●新的化学物质及材料的制造 ●金属的提炼 ●聚合物薄膜的印刷和制备 ●有害废物的处理 ●焊接 ●磁记录材料和光学波导材料 ●精细加工 ●照明及显示 ●电子电路及等离子体二极管开关 ●等离子体化工(氢等离子体裂解煤制乙炔、等离子体煤气化、等离子体裂解重烃、等离子体制炭黑、等离子体制电石等) 对上述某些部分领域的目前潜在市场估计： ●半导体工业约为260亿美元 ●等离子体电子学约为400亿美元 ●工具及模具硬化约为20亿美元 ●作记录和医用聚合物薄膜领域约为几十亿美元的市场 对一些新的有活力的市场估计： ●金属腐蚀防护约为500亿美元 ●优质陶瓷约为50亿美元 ●在废物处理、金属提练、包装材料及制药业中的应用约为几十亿美元市场。 低温等离子体物理与应用是一个具有全球性影响的重要的科学与工程，对全世界的高科技工业发展及许多传统工业的改造都有着直接的影响，二十一世纪初等离子体辅助加工会产生重要的突破，而这些突破对高科技产业的保护及提高其在市场中的地位将是极为重要的，例如等离子体的应用
等离子污泥处理技术简介
等离子体概述
低温等离子体的产生方法
等离子体及其技术的应用
低温等离子体表面处理技术
火与等离子体
等离子体
等离子体法处理危险废弃物技术与设备
等离子体处理有机废气技术综述
等离子体的生成方式
第6章 等离子体的生成方法
6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 各种直流放电方法与放电模式 辉光放电与低温等离子体 电弧放电与热等离子体 高频放电产生等离子体 微波放电产生等离子体
?直流放电法
– 冷阴极放电 – 热阴极放电 – 空心阴极放电 – 磁场辅助放电（磁控管放电）
" 直流放电的特征：
1. 电极上所加电压在极性上是恒定的，正电位端为阳极、负电位为阴极； 2. 等离子体的生成与维持主要通过阴极鞘层中的电子加速和等离子体中的 焦耳加热来实现；
– 冷阴极放电依靠阴极的二次电子发射来维持放 电，热阴极依靠阴极本身的热电子发射来维持放 电； – 热阴极放电需要较高的阴极温度 （1000￣3000oC），但在低气压（如0.1Pa）下 仍能维持放电； – 冷阴极放电需要较高的着火电压与放电维持电压 （用于加速离子），而热阴极放电的放电维持电 压较低； – 冷阴极放电器件不需要加热灯丝有较长的寿命， 且节能，热阴极放电器件有较高的功率；
– 阴极面积大，易于产生较高的电流密度，从而 得到高密度等离子体； – 空心阴极放电的阴极属冷阴极，依靠二次电子 发射维持放电； – 空心阴极有利于提高电离效率
? 径向电子运动在一定条件下可以维持很长的寿命， 从而增加其参与电离的次数（条件：平均自由程大 于圆筒半径，阴极表面的鞘层厚度小于圆筒半径， 电子在另一侧鞘层内被反射） ? 阳极面积小，可以减少阳极对电子的吸收，加强放 电；等离子体表面处理技术
等离子体及其技术应用
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等离子体加工技术
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等离子体物理及应用领域
低温等离子体的应用领域