低温等离子体科学技术已经成为许多重大科学工程和高科技产业的基础和手段。本书在总结国内外相关知识的基础上，结合作者的科研实践撰写而成。全书分四个部分系统地介绍低温等离子体的基本原理和应用技术：第一部分等离子体物理基础，包括等离子体基础知识、等离子体输运过程、等离子体基元过程、等离子体描述和模拟、低温等离子体诊断等5章；第二部分气体放电理论，包括汤森放电理论、流注放电理论、高频放电理论等3章；第三部分典型的低温等离子体产生形式，包括直流辉光放电和汤森放电、空心阴极放电、电弧放电、电晕放电、介质阻挡放电、射频放电、微波放电等7章；第四部分低温等离子体应用技术，包括低温等离子体表面工程技术、低温等离子体材料合成技术、低温等离子体光源技术、低温等离子体环境技术、等离子体推进技术、等离子体生物医学、等离子体对电磁波的调控、等离子体电流体动力学效应和应用等8章。
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前言
第一部分 等离子体物理基础
第1章 等离子体基础知识3
1.1 等离子体的概念3
1.2 等离子体的基本参数和分类4
1.2.1 等离子体密度和电离度4
1.2.2 电子温度和离子温度4
1.3 等离子体的一般性质6
1.3.1 等离子体的准电中性6
1.3.2 德拜屏蔽和德拜长度6
1.3.3 朗缪尔振荡和等离子体频率8
1.3.4 等离子体参量和等离子体判据9
1.4 等离子体鞘10
1.4.1 鞘的形成10
1.4.2 稳定离子鞘的判据12
1.4.3 蔡尔德-朗缪尔定律14
1.5 等离子体电导和介电常数17
1.5.1 稳态电导17
1.5.2 高频电导和介电常数18
1.5.3 复电导和复介电常数18
1.5.4 磁化等离子体的介电张量20
1.5.5 等离子体中的波和色散关系22
第2章 等离子体输运过程23
2.1 碰撞的基本规律23
2.1.1 弹性碰撞与非弹性碰撞23
2.1.2 平均自由程25
2.1.3 碰撞截面27
2.1.4 微分碰撞截面27
2.2 热运动27
2.2.1 平均能量和速率分布28
2.2.2 杂散电流密度29
2.3 迁移运动29
2.3.1 电子的迁移29
2.3.2 离子的迁移31
2.4 扩散33
2.4.1 连续性方程和扩散系数33
2.4.2 爱因斯坦关系33
2.4.3 纵向扩散和横向扩散34
2.5 双极扩散34
2.6 有磁场的电荷运动36
2.6.1 磁回旋36
2.6.2 有磁场的迁移36
2.6.3 有磁场的扩散37
2.6.4 有磁场的双极扩散39
2.6.5 磁场非均匀性的影响39
第3章 等离子体基元过程43
3.1 电离43
3.1.1 电子碰撞电离43
3.1.2 激发态粒子电离和彭宁效应45
3.1.3 光电离45
3.1.4 合成电离46
3.1.5 热电离46
3.2 激发46
3.3 电荷转移47
3.4 电荷的消失47
3.4.1 离子复合47
3.4.2 电荷扩散48
3.5 负离子的产生和消失49
3.6 等离子体辐射51
3.6.1 等离子体辐射的主要形式51
3.6.2 谱线增宽54
第4章 等离子体描述和模拟56
4.1 基于微观运动的粒子描述56
4.2 基于统计力学的动理学描述57
4.2.1 分布函数57
4.2.2 玻尔兹曼方程58
4.2.3 宏观量58
4.2.4 热平衡分布及宏观量60
4.3 基于宏观量的流体描述64
4.4 流体模拟方法66
4.5 PIC模拟方法70
第5章 低温等离子体诊断80
5.1 等离子体诊断概述80
5.1.1 诊断对象80
5.1.2 主要诊断方法81
5.1.3 诊断系统实现82
5.1.4 数据采集与误差分析84
5.2 放电参数诊断86
5.2.1 电压与电场86
5.2.2 电流与磁场91
5.3 探针诊断92
5.3.1 探针的概念92
5.3.2 朗缪尔探针94
5.3.3 其他探针99
5.4 辐射测量102
5.4.1 基本概念102
5.4.2 红外光测量102
5.4.3 可见光测量103
5.4.4 紫外光测量107
5.4.5 X射线和γ射线测量109
5.4.6 高速摄影110
5.5 光谱诊断113
5.5.1 发射光谱113
5.5.2 吸收光谱117
5.5.3 激光诱导荧光光谱118
5.5.4 光腔衰荡光谱120
5.5.5 碰撞辐射模型121
5.6 激光诊断与微波诊断124
5.6.1 激光诊断技术124
5.6.2 微波诊断技术129
第二部分 气体放电理论
第6章 汤森放电理论137
6.1 电子崩和汤森电离系数137
6.1.1 汤森第一电离系数——a系数137
6.1.2 汤森第二电离系数——B系数139
6.1.3 汤森第三电离系数——y系数139
6.2 汤森判据139
6.3 帕邢定律140
6.4 气体放电的相似定律142
6.5 电负性气体的击穿144
6.6 帕邢曲线的适用条件和偏离145
6.6.1 有限电极145
6.6.2 微电极间隙146
6.6.3 非均匀电场146
6.7 放电的发展和稳定：罗戈夫斯基理论146
6.7.1 空间电荷对放电的影响146
6.7.2 自持放电的稳定过程148
6.8 汤森放电理论的局限性148
第7章 流注放电理论150
7.1 流注放电理论的定性说明150
7.2 雷特判据和米克判据151
7.2.1 雷特判据151
7.2.2 米克判据153
7.3 流注击穿的一般公式155
7.4 流注形成的概率157
7.5 汤森放电与流注击穿之间的过渡159
第8章 高频放电理论161
8.1 电场频率对气体击穿的影响161
8.2 迁移决定的击穿164
8.3 扩散决定的击穿165
8.4 高频电场的电离增强效应166
第三部分 典型的低温等离子体产生形式
第9章 直流辉光放电和汤森放电171
9.1 正常辉光放电的基本特征和分区171
9.1.1 阴极区171
9.1.2 过渡区172
9.1.3 正柱区173
9.1.4 阳极区174
9.2 稳定阴极位降区分析175
9.2.1 伏安特性175
9.2.2 阴极位降和电流密度177
9.2.3 正常辉光放电电流密度的稳定机制179
9.3 过渡区分析180
9.4 正柱区分析181
9.4.1 带电粒子的径向分布182
9.4.2 电子温度183
9.4.3 轴向电场强度184
9.4.4 放电电流对电子温度和电场强度的影响185
9.4.5 径向电场分布187
9.5 汤森暗放电188
9.5.1 电流和电荷分布189
9.5.2 电场分布190
9.5.3 汤森暗放电的电流极限191
9.6 稳定辉光放电和汤森放电的形成过程191
9.6.1 辉光放电的形成过程191
9.6.2 汤森放电的形成过程193
9.6.3 亚辉光放电和脉冲放电195
9.7 辉光放电的不稳定性195
9.7.1 不稳定性的一般机制195
9.7.2 条纹现象199
9.7.3 放电通道收缩和自组织205
9.8 几种非正常辉光放电205
第10章 空心阴极放电207
10.1 空心阴极放电的基本结构和形成207
10.2 空心阴极放电的特征210
10.2.1 腔内电位和电场分布210
10.2.2 负辉区的电子能量分布210
10.2.3 阴极溅射211
10.3 空心阴极放电的产生条件211
10.4 空心阴极放电的模式转换212
10.4.1 空心阴极放电的启动212
10.4.2 伏安特性曲线212
10.4.3 HCD的实现方式214
10.5 增强空心阴极放电215
10.6 微空心阴极放电216
第11章 电弧放电218
11.1 电弧放电的特点和类型218
11.1.1 电弧放电的特点218
11.1.2 电弧放电的分类221
11.1.3 几点问题221
11.2 电弧放电的结构与特性222
11.2.1 电弧放电的结构222
11.2.2 阴极区物理过程与特性223
11.2.3 阳极区物理过程与特性226
11.2.4 正柱区物理过程与特性227
11.3 电弧放电的电极电位分布和伏安特性230
11.3.1 电位分布230
11.3.2 伏安特性231
11.4 电弧放电的启动、稳定燃烧与熄灭233
11.4.1 电弧放电的启动233
11.4.2 电弧放电的稳定燃烧234
11.4.3 电弧放电的熄灭234
11.5 不同气压电弧放电的特点235
11.5.1 真空电弧放电(p<7.5mTorr)235
11.5.2 低气压电弧放电(7.5mTorrp<76Torr)235
11.5.3 高气压电弧放电(76Torrp760Torr)236
11.5.4 超高气压电弧放电(p>760Torr)237
第12章 电晕放电238
12.1 电晕放电的基本结构和击穿特性238
12.1.1 电极结构238
12.1.2 电晕击穿239
12.1.3 极性效应240
12.1.4 击穿时延241
12.2 稳定电晕及伏安特性242
12.2.1 稳态电晕的离子和电场分布242
12.2.2 稳态电晕的伏安特性244
12.2.3 稳定电晕的阈值条件245
12.3 电晕离子风246
12.4 电晕放电的模式转换249
12.4.1 伏安特性249
12.4.2 电晕放电的模式转换过程251
12.5 特里切尔脉冲254
12.5.1 特里切尔脉冲的特征254
12.5.2 特里切尔脉冲的形成过程和机理256
12.5.3 特里切尔脉冲的电磁辐射特性265
12.5.4 一般电晕放电的电磁辐射265
第13章 介质阻挡放电267
13.1 DBD的基本结构和原理267
13.2 辉光DBD270
13.2.1 对面型DBD270
13.2.2 共面型DBD277
13.2.3 沿面型DBD279
13.2.4 基于DBD的等离子体射流282
13.3 流注DBD285
13.4 DBD的模式转换286
13.5 DBD的非线性现象291
13.5.1 条纹291
13.5.2 自组织斑图295
13.5.3 时间混沌和分岔300
第14章 射频放电313
14.1 电容耦合射频放电314
14.1.1 电容耦合等离子体中场的一般特征314
14.1.2 恒定离子密度模型317
14.1.3 等效电路320
14.1.4 其他特性324
14.2 电感耦合射频放电327
14.2.1 电感耦合等离子体中场的一般特征328
14.2.2 系统总阻抗与等离子体阻抗332
14.2.3 电感耦合等离子体的变压器模型335
14.3 螺旋波放电336
14.3.1 螺旋波及装置介绍337
14.3.2 无限大磁化等离子体中射频波的传播338
14.3.3 圆柱等离子体中螺旋波340
14.3.4 其他问题341
第15章 微波放电344
15.1 微波产生的等离子体344
15.2 等离子体中的微波传播345
15.3 电子回旋共振等离子体源347
第四部分 低温等离子体应用技术
第16章 低温等离子体表面工程技术355
16.1 低温等离子体刻蚀355
16.1.1 等离子体刻蚀工艺的原理356
16.1.2 等离子体刻蚀机分类359
16.2 低温等离子体溅射361
16.2.1 等离子体溅射的基本原理361
16.2.2 等离子体溅射的分类364
16.3 低温等离子体沉积368
16.3.1 溅射沉积369
16.3.2 等离子体增强化学气相沉积371
16.4 低温等离子体注入375
16.4.1 等离子体浸没离子注入的基本原理375
16.4.2 等离子体浸没离子注入的应用376
16.5 等离子体表面改性378
16.5.1 等离子体聚合物材料表面改性379
16.5.2 等离子体玻璃表面改性385
第17章 低温等离子体材料合成技术387
17.1 纳米材料的合成387
17.1.1 电弧放电法制备纳米材料387
17.1.2 微等离子体放电法制备纳米材料391
17.2 臭氧的合成397
17.2.1 介质阻挡放电臭氧合成技术397
17.2.2 介质阻挡放电合成臭氧的反应机理400
第18章 低温等离子体光源技术402
18.1 等离子体照明光源402
18.1.1 气体放电灯的基本特性403
18.1.2 高强度气体放电灯工作原理404
18.1.3 主要的气体放电光源406
18.2 等离子体显示技术410
18.2.1 等离子体显示板的分类411
18.2.2 等离子体显示板的结构及其工作原理412
18.2.3 等离子体显示板的发光机理415
第19章 低温等离子体环境技术417
19.1 低温等离子体废气处理技术417
19.1.1 低温等离子体无机废气处理417
19.1.2 低温等离子体净化有机废气421
19.2 等离子体技术废水处理技术424
19.2.1 等离子体废水处理的基本原理424
19.2.2 等离子体技术处理废水的应用428
19.3 等离子体固体废弃物处理技术430
19.3.1 等离子体固体废弃物处理机理430
19.3.2 处理固体废弃物的等离子体发生器431
19.3.3 等离子体固体废弃物处理应用434
第20章 等离子体推进技术437
20.1 等离子体推进原理437
20.1.1 推力的产生437
20.1.2 等离子体的产生439
20.1.3 等离子体的加速方式440
20.2 离子推力器441
20.3 霍尔推力器442
20.4 螺旋波等离子体推力器443
20.5 磁等离子体动力推力器444
20.6 电弧推力器445
20.7 其他等离子体推力器446
第21章 等离子体生物医学448
21.1 低温等离子体活性粒子448
21.1.1 气相活性粒子448
21.1.2 液相活性粒子450
21.2 等离子体消毒453
21.2.1 等离子体对器械、器具的灭菌消毒454
21.2.2 等离子体处理包装材料454
21.2.3 等离子体净化空气中的微生物454
21.2.4 等离子体净化水中的微生物455
21.3 等离子体医学455
21.3.1 皮肤消毒、细胞分化和伤口愈合455
21.3.2 皮肤病的治疗456
21.3.3 细胞的凋亡和癌症的治疗457
21.3.4 血液的凝固和快速止血457
21.3.5 牙科和龋齿的治疗458
21.3.6 化妆和美容458
21.3.7 生物医学材料的表面改性458
21.3.8 等离子体细胞保护459
21.4 等离子体农业461
21.4.1 等离子体食品处理461
21.4.2 等离子体生物诱变育种461
21.4.3 其他等离子体农业技术462
第22章 等离子体对电磁波的调控463
22.1 等离子体的电磁特性和电磁波传输463
22.1.1 等离子体介电常数和电导463
22.1.2 电磁波在等离子体中的传播463
22.2 等离子体隐身464
22.2.1 电磁波在层状等离子体中的传播465
22.2.2 电磁波在曲面等离子体柱的散射472
22.3 等离子体射频天线480
22.4 等离子体射频开关485
22.4.1 等离子体射频传输线485
22.4.2 等离子体微带开关487
22.5 等离子体光子晶体493
22.5.1 一维等离子体光子晶体的频率特性493
22.5.2 二维等离子体光子晶体498
第23章 等离子体电流体动力学效应和应用499
23.1 电流体动力学效应499
23.2 强化对流散热501
23.3 流动控制504
23.3.1 等离子体流控的模拟505
23.3.2 流动控制的物理机制507
23.3.3 流动控制效应的实验验证512
参考文献514
京公网安备 11010102004214号