低温等离子体应用中的几个理论问题

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。 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 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:热等离子 体(或近局域热力学平衡等离子体);冷等离子体( 非平衡等离子体 ): 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 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(40 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 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: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，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。 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=RiEI 二，.”二一灰空， .一勺 149Riti“-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 (1j 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 Il 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 S114 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(lJ 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 1s,11 况: 化。在 ISII 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 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 lfij 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。 O20 一 4060 一 80 100 t. 图 2.3 不同温度的臭氧浓度演变图(F=3Hz) 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- 102 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,.oexp(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,kv)(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“ ， 、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 ;l;石I I l o 11 5.4 足I - kl f 带电荷数 Nq 为I, 粒人小 d 的关系图，计 tI 所选参数足典 N).的加卜等离子体参数 :T=3cV, Ti=0.03ev, ni=3 X 100cm o 诱导电子发 W. f 1J 电场假定为 10vcm“.尘粒充电的 护沪夕01 沪. 才 15 巨.0 三。另日 nu 10-1 0 field-emission-limited/ m1-0.01 rparticle-limited_.气蕊 0.1dasma-limited 1 10 1 的 1000 particle size d (nm) 图 5.4 尘粒所带电荷与尘粒大小的关系计算选取的参数:He 等离子体 T=3ev, T.,=0.03ev, n;=3 x 100 cm-, E=1.0v/cm. 过程受三种不同的机制限 aJ，一是等离子体 IR IIIJ条手!:(plasma-limited condition), 相当于上述的有限轨道探针模型中的相应条件;二是由于尘粒上的电子感应电 场产生的场发射限制条件(field-emission-limited condition):三是电子对尘粒 的亲和性(affinity) 产生的粒子限制条件 (particle- limited condition) 1g1。当 尘粒大小小于几个 m1 时，主要受粒子限制条件的限制，这时尘粒仅带一个或 不带负电荷:当尘粒大小在几 nm 到数十 nm 之间时，场发射限制条件起主要 作用，尘粒所带电量在几个电子电量，并月_具有明显的涨落 1881;当尘粒大于数 十 nm 时，主要受等离子体限制条件的限制，尘粒电量从数十个到数千个电子 电量，并且随尘粒含量(n, /ni)的增加而减少(由于电中性条件的要求) 。 3)尘粒的电荷涨落 、Q ，4、 M fall， 弓，_;( 一 矛了 11 p 月.J r 活口，we )I!(f;:JIll. A j I1, .l 1,)力.;:Ill。;l-.、 ，(.t (l 足句冬:)、能.;I I 、:I_ 仁 i;ll:.;OAK:11 WA I,体IJ ，1I, 1, ，、众的 )廿.的(11，穴 to f I 一!h )之 i 灯 以曰 l 尹 次电 J 气发 qJ，从II) p 幻.叫山曰曰八 r、 1 、 不.J 竹.， 、 ， .日 JI 月咨!fJ ，. 产;生玉、 勺彩响.a 交的! 。抓训 III.;:，l:“i: (I 勺密 I 江 11r.L 句 g 人叫， of (a AM)，:fu Pil! Ill prJ 变化 IIIRill M.之 I、II Alto J14 f.也将;!三响 1I; WI IV 1l1ill 使且 l!;年，,ht 炎电 14 涨 A 11 川连 to VIA MIN 述NJ。 ,