導語：如何才能寫好一篇等離子體物理，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

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本書的第1版很受歡迎，經過修訂和擴充的第2版內容更加具有綜合性。內容不僅包含當今比較熱門研究領域的相關知識，如基本等離子體現象、庫倫散射、電磁場中帶電粒子漂移、等離子體磁場約束、等離子體的動力學和流體力學理論、等離子體波和不穩定性等，還包含一些新的研究主題，有漲落驅動等離子體傳輸、偏濾器（Divertor）物理、中性原子回旋和運輸、雜質等離子體運輸等，書的最后對未來聚變反應堆的發展進行了展望，討論了其方案設計。

全書由19章組成：1.聚變、等離子體、庫侖碰撞和電磁波理論的概念；2.帶電粒子在電磁場中的各種運動形式；3.等離子體中帶電粒子在磁場中受到的磁約束；4.等離子體動理論；5.等離子體流體理論；6.等離子體平衡的特性；7.等離子體的幾種波動形式，如阿爾芬波、朗繆爾波、離子聲波；8.等離子體的不穩定性；9.等離子體碰撞傳輸機制、經典輸運形式、流體理論中的環形效應、多流體傳輸機制等；10.等離子體回旋的形式和特性；11.等離子體湍流輸運的形式和特性；12.等離子體在加熱和電流驅動下的特性；13.等離子體與物質的相互作用；14.偏濾器的模型和操作機制、熱電電流和漂移物對偏濾器（Divertor）的影響；15.等離子體邊緣的粒子輸運、L模式和H模式的區別、熱不穩定性和極向速度自旋加快的相關知識；16.中性粒子運輸的基本原理、擴散理論、積分輸運理論、碰撞概率方法、接觸面電流零點法、離散縱坐標法和蒙特卡羅法；17.等離子體的能量平衡機制和聚變等離子體動力學的相關概念；18.等離子體的各種運行限制，包括實證密度限制、磁流體力學不穩定限制等；19.聚變反應堆和中子源的相關知識。

本書內容豐富，綜合性強，且深入淺出，層次分明，可作為高層大氣物理學、空間探測技術、空間物理學等專業的研究生教材，也可作為相關領域研究人員的參考書。

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    關鍵詞:等離子體物理,湯姆孫散射,動力學形狀因子,等離子體參數

    Thomson scattering: a powerful diagnostic tool of plasma physics

    ZHENG JianYU Chang\|Xuan

    (Key Laboratory of Basic Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences, Department of Modern Physics, University of Science and Technology of China,Hefei 230026, China)

    AbstractThomson scattering is the process in which a low\|energy photon scatters from a free electron. When a laser pulse propagates through a plasma, the spectrum of the scattered light due to the Thomson scattering is proportional to the power spectrum of the electron density fluctuations, i.e., dynamic form factor, from which various plasma parameters can be inferred, such as electron temperature and plasma flow velocity. After years of development, Thomson scattering has now become a powerful diagnostic tool of plasma physics. 

    Keywordsplasma physics, Thomson scattering, dynamic form factor, plasma diagnostics

    1 引言

    精確測量等離子體的狀態參數是深入研究等離子體物理過程的基本前提之一.對于高溫高密度的等離子體,由于受到可接近性的限制,實驗室常用的主動診斷手段(如探針)是無法接近需要探測的等離子體的.當然也有其他被動診斷方式可以提供眾多等離子體參數的測量手段,如X射線能譜測量.相對被動診斷手段,湯姆孫散射作為一種主動診斷手段有其獨特的一面:它可以高時空分辨地測量等離子體參數,且實驗結果的解釋相對簡單,即散射光譜以比較直接的方式與等離子體參數有關.后者特別重要,因為有些診斷方法嚴重依賴于對實驗數據的解釋和處理,導致獲得的等離子體參數的置信度較低.經過多年的發展,特別是由于激光技術以及高速高靈敏度探測器的進步,湯姆孫散射已經逐漸演化成為慣性約束聚變等離子體的標準診斷手段,成為精確研究等離子體行為的強大工具.

    2 湯姆孫散射的基本原理

    湯姆孫散射是低能光子(光子能量遠遠小于0.511MeV)與低能自由電子之間的彈性散射.該過程的經典物理圖像是,在入射電磁波場中振蕩的電子發射電磁波——散射電磁波.若電子有一運動速度v,散射電磁波的頻率將不同于入射電磁波的頻率,其差別為

    這里k=ks-k0是散射波的波矢與入射電磁波的波矢之差,稱為散射差矢.由這個簡單的公式可以看到,散射電磁波攜帶了電子的運動信息,這就是湯姆孫散射可以用來診斷等離子體的基本原因.當然,當我們采用湯姆孫散射診斷等離子體時,我們測量到的散射光譜來自許多電子產生的散射電磁波的相干疊加.疊加的結果是,散射光譜與電子密度漲落功率譜成正比,

    d2PdωdΩ=NeI0r2esin2θS(k,ω)

    這里S(k,ω)就是所謂的動力學形狀因子,它是電子密度漲落自相關函數的譜密度;I0是入射電磁波的功率密度;Ne是發生湯姆孫散射的電子數;re是經典電子半徑;θ是入射電磁波的極化方向與散射波矢之間的夾角.若電子彼此之間是完全無關的,那么散射光譜就是各個電子散射光譜的簡單相加,此時散射光譜反映了電子在散射差矢方向上的速度分布.若等離子體中存在集體運動,電子之間不是彼此完全相互無關的,干涉效應會導致散射光譜在相應于等離子體集體運動模式的頻率和波矢處出現尖銳的極大值.對于無磁化的等離子體,我們知道等離子體中的集體運動模式有兩個:高頻的電子等離子體波和低頻的離子聲波.這兩種集體運動模式的色散關系為

    ω2epw=ω2pe(1+3k2λ2De) ,ω2ia=11+k2λ2DeZTemi+3Timi ,

    這里ωpe是朗謬爾振蕩頻率,λDe是電子德拜長度,Te,i是電子/離子溫度,Z是離子電荷數,mi是離子溫度.經過適當的實驗安排,以滿足k2λ2De1 ,那么我們就能夠從散射光譜中獲得電子密度ne以及電子密度與離化態乘積ZTe的信息.此外,散射光譜的寬度與集體運動模式的阻尼有關,而阻尼也取決于等離子體的狀態參數,因此通過散射光譜的寬度,原則上也可以推斷出等離子體的參數.例如,通過電子等離子體波的散射光譜的寬度,可以測量電子溫度Te. 

    3 湯姆孫散射實驗結果

    中國科學技術大學基礎等離子體物理重點實驗室的研究小組與中國工程物理研究院激光聚變研究中心的同事們同心協力,先后在“星光II”裝置[1—3]和“神光II”裝置[4,5]上完成了湯姆孫散射實驗.圖1是“星光II”裝置上的實驗安排示意圖[3].實驗中,我們采用波長為351nm的激光脈沖輻照金平面靶,產生等離子體,采用波長為526.5nm的激光脈沖作為湯姆孫散射探測束.主激光的能量在100J左右,探針束的能量在10J左右.

    我們得到的典型湯姆孫散射光譜如圖2(a)所示.由于采用了具有高時間分辨的探測設備,得到的是隨時間的演化湯姆孫散射光譜,由此我們可以得到等離子體參數隨時間的演化.

    在“神光II”裝置上,我們進一步利用湯姆孫散射測量了腔靶等離子體的狀態參數[5].實驗安排如圖3所示.在圓柱形腔靶的側壁上,我們開設了一個探針光注入口,散射光由圓柱的端面出射.由于封閉的幾何位形,腔靶內等離子體的離子溫度一般要遠遠高于平面靶產生的等離子體的離子溫度.導致湯姆孫散射光譜嚴重展寬,以至于兩個離子聲波散射峰融合,如圖4所示.

    4 總結

    本文回顧了中國科學技術大學等離子體物理學科點在湯姆孫散射方面的實驗研究工作的主要結果.對于該項診斷技術的掌握,使我們對激光聚變等離子體的演化有了更加深入的了解,有助于我們精確預言激光等離子體的行為.

    致謝 本文報告的工作是多人共同努力協作的結果.作者對以下人員的貢獻表示感謝:白波、王哲斌、蔣小華、李文洪、劉永剛、曹柱榮、丁永坤、鄭志堅等,同時感謝中國工程物理研究院激光聚變中心的制靶人員,“星光II”裝置全體運行人員,以及“神光II”裝置全體運行人員.

    參考文獻

    [1] Bai B, Zheng J, Yu C X et al. Chin. Phys. Lett.,2001, 18: 936

    [2] Zheng J, Bai B, Liu W D et al. Chin. Phys. Lett. ,2001, 18: 1377

    [3] Bai B, Zheng J, Liu W D et al. Phys. Plasmas, 2001, 8: 4144

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QWindows 7的32位系統，打開資源管理器時總提示：mmc.exe找不到序數

>> 雙擊打開“資源管理器” 讓資源管理器為默認文件夾打開方式等 改變資源管理器打開時的默認文件夾 用資源管理器來打開“我的電腦” 從資源管理器中快速訪問特定對象等 摸清游戲底細:Windows 7游戲資源管理器體驗等 Windows 7資源管理器應用三則等 讓資源管理器運行“計算機”等 Windows　7資源管理器的細節之美等 納米機器人與資源管理器的奇怪沖突等 讓資源管理器的面貌煥然一新等 基于Android的資源管理器設計 資源管理器不能隨機啟動 開啟資源管理器的“大視野” 簡單又實用，巧用資源管理器 Windows資源管理器下崗 資源管理器 這樣用更高效 DOS如何打敗資源管理器的 資源管理器也要多標簽 為資源管理器增加標簽 常見問題解答 當前所在位置：l下載這個動態鏈接庫文件，將其中最新版本的文件放到系統目錄下的Windows\System32中即可解決問題。

如何隱藏指定的硬件設備

Q不管使用的是優盤、手機還是其他USB設備，只要連接到電腦中都會顯示在右下角的設備列表中，經常在進行刪除硬件操作時誤刪除。請問，有沒有什么方法可以將指定的USB設備從設備列表中隱藏起來？

A系統自身并沒有提供這樣的功能，可以從/download.htm下載Zentimo xStorage Manager這款小工具替代系統自帶的設備管理模塊，運行后只要右擊該程序圖標并在列表中找到要隱藏的設備，通過“Menu”菜單中的“Hide device from the tray menu”即可將其隱藏起來了。

裝了系統無法啟動

Q我將自己的筆記本電腦硬盤取下放到朋友的電腦中，并安裝好了操作系統，在朋友的電腦中可以正常啟動、使用，但放回到自己的筆記本電腦中卻無法啟動，出現藍屏。請問這是什么原因？

A操作系統安裝后都會自動識別當前的硬盤配置環境并自動安裝相應的驅動程序，而更換一臺硬件配置不一樣的電腦后，由于系統中沒有這臺電腦的基本硬件（例如主板、BIOS等）的驅動程序，自然就無法成功啟動。如果必須要在其他電腦中安裝系統，可以考慮選擇一些Ghost版系統，在Ghost進度條完成后關機取下硬盤，然后回到自己的電腦中重新安裝硬件驅動程序即可。

重新系統后找不到第二塊硬盤

Q本來系統中有兩塊硬盤，系統安裝前一切正常，但經過幾次裝系統以及相關磁盤的轉換操作后，系統重新安裝并進入時發現找不到第二塊磁盤了，而在磁盤管理器中卻能看到兩塊磁盤，那塊丟失的磁盤被顯示為動態磁盤。請問這該如何解決？

A可能是誤操作將這塊磁盤變成動態磁盤而導致的，只要右擊“我的電腦”（或“計算機”），選擇“管理”，然后打開磁盤管理器，右擊那塊無法在資源管理器中顯示的磁盤并選擇“導入外部磁盤”即可恢復其原先的卷，如果在資源管理器中無法找到之前的數據，可以使用FinalData之類的數據恢復工具進行恢復。

系統時間不顯示小時

QWindows 7系統，使用注冊表學習器軟件嘗試設置了幾個鍵值后發現系統時間只顯示分鐘，當前時間的小時值卻不顯示了。請問這該如何解決？

A你肯定動了時間格式參數的注冊表鍵值項，只要再次打開注冊表編輯器，展開到【HKEY_CURRENT_USER\ControlPanel\International】，找到右側窗口中的“sTimeFormat”項，雙擊并將其值改成“H:mm:ss”，重新啟動系統即可恢復正常了。

任務欄右鍵屬性丟失

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【關鍵詞】等離子；表面活化；關鍵因素

1.引言

自20世紀80年代以來，硅圓片的鍵合技術已很廣泛的用于傳感器和執行器。但硅圓片的預鍵合通常要在1000℃以上的高溫條件下進行退火才能達到較高的粘接強度，而高溫容易引起多方面的問題，如基板結構的不良變化和反應，各材料熱膨脹系數不同引起的鍵合部分應力的增加等等[1]。尤其是已經用于制造器件的硅圓片，高溫條件下硅與其他部分材料的熱不匹配導致較大的熱應力而使器件遭到破壞，或者發生一系列的化學反應而出現缺陷或污染使器件失效。為了解決這些不利的影響，低溫圓片鍵合技術成為了研究重點。

低溫鍵合中鍵合強度的大幅度提高主要由于鍵合前等離子體的表面預處理，并且在低溫鍵合過程中通過調整合適的工藝參數，如表面的預處理時間、偏置電壓的大小、射頻功率、氣體的流動速率等[2-3]，能避免間隙或空洞的形成。本文通過設置不同的參數組合進行試驗，利用正交試驗分析了單晶硅表面活化工藝中重要因素對表面活化效果的影響，找出最優工藝參數，對提高鍵合強度有重大的意義。

2.等離子氣體表面活化原理

2.1 等離子體

等離子體是由部分電子被剝奪的原子及原子被電離后產生的正負電子組成的離子化氣態物質，它廣泛存在于宇宙中，常被視為是除去固、液、氣外，物質存在的第四態。氣體可以通過電弧放電、輝光放電、激光、火焰或者沖擊波等使處于低氣壓狀態的氣體物質轉變成等離子狀態。通常我們采用射頻激勵的方式來獲取等離子體。給一組電機間施以頻率約為13.56MHz的射頻電壓，電極之間形成高頻交變電場，區域內氣體在交變電場的激蕩下，形成等離子體。

常用的等離子體的激發頻率有三種：40kHZ的超聲等離子體、13.56MHZ的射頻等離子體以及2.45GHZ微波等離子體。不同的等離子體產生的自偏壓不同，與材料的反應機制也不相同，如表1所示。

2.2 等離子活化原理

等離子表面活化即通常所說的干法表面活化，它主要是利用等離子體的能量與材料表面進行撞擊產生的物理或化學反應過程來實現清洗、蝕刻及表面活化等。如圖2所示為等離子對硅圓片表面活化的結構示意圖，硅圓片在活性等離子的轟擊作用下其表面會產生物理與化學的雙重反應，使被清洗物表面物質變成粒子和氣態物質，經過抽真空排出，而達到清洗污染、活化表面的目的。

3.等離子表面活化工藝流程

以等離子O2對硅圓片的表面活化工藝為研究對象，其活化工藝流程如圖3所示，主要包括如下的步驟：等離子O2表面預處理、RCA-1溶液清洗、去離子水沖洗、表面干燥、表面活性測量。

3.1 等離子O2表面處理

用等離子體對圓片表面進行轟擊，以清除圓片表面的有機物污染和氧化物等，使圓片表面達到高度不規則的多孔結構。

3.2 RCA-1溶液清洗

RCA-1溶液的主要成分為氨水（NH4OH）、雙氧水（H2O2）以及去離子水（H2O），由于H2O的作用，硅圓片表面有一層自然氧化膜（SiO2），呈親水性，硅片表面和粒子之間可以被清洗液滲透。將等離子O2處理的硅圓片放入一定配比的RCA-1溶液中，在一定的溫度下進行處理。

3.3 去離子水沖洗

經RCA-1溶液處理后的硅圓片用去離子水沖洗，包括活化面和非活化面，以去除圓片表面殘留的溶液。

3.4 表面干燥

將處理好的硅圓片用潔凈干燥的氮氣將表面吹干。

3.5 表面活性測量

表面活性測量是為了評估表面活化后的效果，本文直接通過MATLAB程序計算硅圓片的鍵合率，由所得出的計算結果直觀地反映出鍵合的效果。

4.實驗

4.1 實驗材料

試驗所用的硅圓片為市售4in單晶硅單面拋光圓片，厚度為525μm，P型普通摻雜，主晶向。圓片拋光面粗糙度指標RMS（root mean square）

4.2 影響因素分析

影響等離子體表面活化效果的因素很多，如表面曝光時間、射頻功率大小、真空度高低、自偏壓大小、氣體的流動速率等，試驗針對等離子表面活化的工藝特點，選擇了表面曝光時間、射頻功率、氣體流動速率這3個關鍵因素進行研究。

（1）曝光時間

對于高質量的鍵合強度，硅圓片表面的曝光時間是一個非常重要的因素。根據已有的研究可以歸納出：曝光時間在5秒以下能較好的去除污染物，達到一個最適宜的鍵合強度，并且界面處也不會有氣泡產生；10s-2min有少量氣泡產生；超過3min氣泡的數量就會增加得很明顯（如圖3所示）。

本文選擇了5S的活化時間對硅圓片進行試驗。

（2）射頻功率

射頻功率不同，等離子體穿透圓片的深度也不相同，頻率越低，偏置電壓越大；增加偏置電壓導致等離子穿透圓片更深，圓片表面非常活躍，能輕易的從清洗溶液中吸附水分子。根設備的具體情況選擇了100w。

（3）O2的流動速率

氣體的流動速率是影響表面活化效果的靈敏因素，流動速率的大小使活化效果相差很大。根據長期試驗經驗，確定活化工藝中O2的流速為100sccm。

4.3 實驗

為研究等離子對硅圓片表面活化的效果，在反應腔中將硅圓片分別進行了5s不同時間的等離子曝光，然后將其放入RCA-1溶液和去離子水中清洗（包括活化面和非活化面），接著用潔凈干燥的N2將硅圓片吹干，處理時間不超過3min。

5.結論分析

采用MATLAB圖像處理技術將試驗后的硅片紅外圖經過灰度增強、邊界拾取、著色處理和鍵合率計算后可得到在8s曝光、50w射頻功率和100sccm氣體流量的作用下，硅圓片的鍵合效果最好，鍵合率達到了98.127%（如圖4所示）。這說明合適工藝參數下的等離子表面處理技術能使硅圓片實現超高的鍵合率。

參考文獻

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[2]Xuan Xiong Zhang，Jean-Pierre Raskin.Low-Temperature Wafer Bonding：A Study of Void Formation and Influence on Bonding Strength[J].Journal of micro-electromechanical sytem，Vol.14，NO.2，April 2005.

[3]Xuan Xiong Zhang，Jean-Pierre Raskin.Low-Temperature Wafer Bonding Optimal O2 Plasma Surface Pretreatment Time.Electromical and Solid-State Letter，7（8）G172-G174（2004）.

[4]聶磊.低溫圓片鍵合理論與工藝研究[D].華中科技大學，2007.

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[6]馮祥芬，謝涵坤，張菁.低溫等離子體表面處理技術在生物醫用材料中的應用[J].物理，2002，31（1）：27-30.

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關鍵詞： 激光等離子體相互作用； 電子加速； 啁啾脈沖放大技術

中圖分類號： TF806.83 文獻標志碼： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2016.03.017

文章編號： 1005-5630（2016）03-0278-05

Abstract： Electron beam acquired by laser-plasma acceleration has great potential in the applications of medical imaging，cancer therapy，fast ignition in inertial fusion，and astrophysics.With the continuous development of chirp plus amplification technology，the intensity of the laser pulse increases rapidly while the laser beam duration reduced dramatically.With such ultra-short，ultra-intense laser pulse interacting with plasma，it can stimulate high amplitude plasma wave，which can accelerate the electrons to high energies.In this paper，we introduce the main schemes for laser-plasma electron acceleration，and some new research progress in recent years.

Keywords： laser-plasma interaction； electron acceleration； chirped pulse amplification

引 言

高品質電子束流在物理學、醫學等方面有著大量的應用需求，然而由于空間電場梯度等限制，傳統加速器體積龐大而且造價極高，所以如何在短距離內獲得高品質的電子束流一直是物理學探索的前沿課題。隨著激光技術的出現，1979年Tajima等首先從理論上驗證了基于激光與等離子體相互作用產生等離子體波的電子加速器的可行性[1]。他們指出，激光驅動等離子體波形成的強電場可以使帶電粒子加速到相對論能量。

伴隨著啁啾脈沖放大技術的出現，高能量密度激光技術進入了一個新的領域。隨著激光脈沖長度的不斷縮減，激光器峰值功率不斷提高，激光和等離子體的相互作用顯現了許多新的物理現象。超短超強激光脈沖可以非常容易地使初始為靜態的電子加速到相對論能量，更重要的是，超短超強激光脈沖可以通過有質動力激發大振幅的等離子體波，通過各種不同的加速機制使電子加速獲得更高能量，加速梯度可達到100 GeV/m，是傳統加速器的1 000倍。

本文總結了近年來一些關于激光等離子體電子加速方面的主要的幾個加速機制以及最新的研究進展。

1 主要加速機制

根據等離子體波生成的方法，激光等離子體加速電子的主要機制有激光尾波場加速度（laser wakefield acceleration，LWFA）、等離子體拍頻波加速度（plasma beat wave acceleration，PBWA）、激光自調制尾波場加速（self-modulate laser wakefield acceleration，SM-LWFA）和空泡加速機制（bubble regime acceleration，BRA）。這幾種加速機制中激光脈沖與等離子體波之間的關系[2]如圖1所示。

1.1 等離子體拍頻波加速

等離子體拍頻波加速度（PBWA）[3]是采用兩束長激光脈沖同時入射。分別設兩個脈沖的頻率為ω1和ω2，當ω1-ω2=ωp時，滿足共振條件，兩束激光通過拍頻則可以產生波長為λp的駐波，這些駐波可以有效地驅動等離子體波加速電子。然而，PBWA機制存在一些限制，比如，當等離子體波的振幅不斷增加時，由于相對論效應，相應的等離子體振蕩頻率就會降低，所以就會偏離了上述的共振條件，引起共振失調。20世紀80年代中期至90年代早期，激光脈沖的寬度一般都大于等離子體波的長度，激光場的強度又低于相對論自聚焦閾值，因此得到了相當多的關注，有不少實驗和理論研究成果相繼發表。其中較突出的是1993年，Clayton等將2.1 MeV的電子注入到兩束CO2激光聚焦產生的拍波結構中，在16 mm的加速距離上將電子的能量提高到28 MeV，加速電場達到2.8 GV/m[4]。隨著超短超強激光脈沖技術的發展，人們的研究重心逐步轉向單個激光脈沖激發尾波場加速電子過程。

1.2 自調制尾波場加速

為了解決PBWA限制，Andreev等[5]和Krall等[6]提出了一種新方案，即自調制尾波場加速SM-LWFA。這種機制采用的是單束的、激光脈沖長度大約是幾個等離子波長的激光脈沖，運行在密度較高的等離子體中，而且激光的功率大于激光自聚焦的臨界功率。通過系列作用，激光被分級為很多波長為λp的短脈沖，這些短脈沖與等離子體共振，起到加速的作用。倫敦帝國理工大學Modena等利用功率為20 TW，持續時間0.8 ps，激光中心聚焦強度5×1018 W/cm2的激光，經過4 mm的相互作用距離，獲得能量44 MeV的電子束。這次實驗首次證明了激光加速梯度可到100 GV/m。由于自調制尾波場是由自調制不穩定激發起來的，使得實驗結果很依賴于初始等離子體狀態，而且加速過程不穩定，電子能量是連續分布，因此后續的研究工作較少。

1.3 激光尾波場加速

激光尾波場加速的原理是當一束強激光脈沖在稀薄的等離子體中傳播時，激光脈沖的縱向有質動力將電子從激光脈沖區域排開，從而通過共振激發出了一個很強的等離子體波，即尾波場。尾波場可以在很短的距離上將電子加速到非常高的能量。2010年中國科學院上海光學精密機械研究所強場激光物理國家重點實驗室研究人員首次利用電離注入的全光驅動雙尾波場級聯電子加速器方案，成功實現了電子注入與電子加速的分離與控制，實驗獲得了能量近GeV的準單能電子束和187 GV/m的超高加速梯度等突破性研究成果[7]，實驗裝置圖如圖2所示。這種雙尾波場級聯加速機制的成功實現為未來產生高性能的單能電子束提供了可行途徑，對超強超短激光驅動的臺式化粒子加速器的發展與應用帶來巨大影響。

為了使得到的粒子束具有很好的方向性以及單能性，科學家們在近幾年提出了全光注入法。其中，比較突出的有密歇根大學Umstadter等提出的激光注入法[8]、Easrey等提出的碰撞光脈沖注入法[9]以及Moore等提出的激光電離加有質動力加速的全光學注入機制[10]。

在2009年，Rechatin等提出了一種冷光注射的加速機制[11]。與原有的那些光注入機制不同的是，這種機制中的光注入并不是通過電子的加熱所引起的，而是通過脈沖間的相互碰撞產生了一個空間周期性的和長期有效的作用力。這個作用力阻止了電子的縱向運動，并引導電子注入到傳播的激光脈沖尾波中。這種加速機制可以在很小的能散范圍內注入電子，從而獲得密度很低的等離子體以及能散很低的高能量電子束。

2013年，美國Austin實驗室通過自注入機制，在大于100 J的PW級的激光器系統上，得到了能量超過2 GeV的準單能電子束，其中高能部分能散為5%[12]。2014年，LBNL實驗室的Leemans等通過采用9 cm長的毛細管引導激光與等離子體作用，產生了4.25 GeV的高能電子束[13]，取得了激光加速歷程上的又一突破。2015年，Rassou等指出，強大的縱向磁場對激光尾波場的加速也有一定的影響[14]。

1.4 空泡加速

隨著啁啾脈沖放大的進一步發展，出現了可達到飛秒量級的超短超強激光脈沖，因此人們又重新開始考慮用強激光脈沖的尾波場直接驅動等離子體波加速電子。2002年，Pukhov等 [15]發現，一些傳播在空泡邊緣的電子可以被困在其后方靠近軸的位置，進而在激光的尾部產生了一個只有離子存在的空泡區域，同時，一部分電子可以通過注射的方式進入腔內進行高能加速，即空泡加速機制。要利用尾波加速產生單能電子束，需要滿足兩個條件：一個是電子的捕獲（注入）；另一個是要有穩定的加速場。所謂的空泡加速之所以可以產生準單能電子束，關鍵在于這兩個條件都能滿足。Pollock等在空泡制度下的激光尾波場加速實驗中，通過仿真模擬得出，當電子被困于第二個時間段時，這些電子與通過激光的自聚焦以及電子的相互移動而形成的兩個動態區域相互作用，得到了超相對能量的電子環結構，這些電子環的能量達到170～280 MeV（能散5%～25%）[16]。2013年，Nakajima等提出了幾種利用空泡加速機制的加速方案，有望在Petawatt Aquitane Laser裝置的3.5 kJ，500fs拍瓦激光器上將電子能量提高到100 GeV[17]。

2 其他加速機制

Sadykova等提出了一個新的加速機制――基于受激前向散射的等離子加速[18]。他們認為，由于高強度激光脈沖的長度很短，導致注入的電子束與等離子體波之間的交互作用時間很短，因此受激后向散射脈沖并不適用于粒子加速，所以建議采用刺激前向散射的方式，以獲得更久的粒子加速時間以及更長的加速距離。

近幾年，很多研究人員考慮用線性啁啾脈沖去加速粒子[19]。通過啁啾脈沖，改變了激光脈沖原有的對稱性，在激光脈沖中會出現一個相位緩沖區。在該相位緩沖區中，由于激光具有強度較大、束寬較寬和浮動性較小的性質，滯后的電子在該區域中可以較長時間處于同一強度從而獲得二次加速，進而獲得能量較高、單準性較好的電子束。在2013年，Salamin等就對不同啁啾參數下的電子加速進行了研究[20]。他們對比線性啁啾脈沖和平方性啁啾脈沖對加速電子能量的影響，得出線性啁啾加速電子的能量是平方性啁啾脈沖加速電子能量的兩倍。因為線性啁啾脈沖加入后，激光脈沖呈現梯形狀，從而使電子能在準靜態的部分持續更長的時間，達到加速的目的。

3 結 論

激光等離子體加速在近三十年來取得了巨大進步。隨著激光技術的發展，激光脈沖已經能夠達到百太瓦和飛秒的級別，在不同條件下不同的激光等離子體電子加速機制被發現并引導了實驗上的成功。然而，雖然實驗上已經獲得了一些非常好的準高能電子束，但是電子束的穩定性還不是很理想，仍將限制其實際應用。因此，如何通過研究激光與等離子體相互作用機制，從而產生穩定的，準高能電子束仍是今后研究的主要方向之一。

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篇6

關鍵詞 水稻種子；等離子體；處理；生物學性狀；產量；影響

中圖分類號 S511 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2013）01-0033-01

等離子體處理種子是一項新技術，是物理方法在農業中的應用[1-3]。等離子體是物質存在的第4種狀態，處理后的作物種子，能夠激活作物種子酶的活力，使作物表現出較強的抗逆性和生命力，提高作物產量，增產增收效果明顯，為農業增產增收開辟了新途徑[4-10]。探索等離子體處理[11]水稻種子的效果，明確其對產量及產值的影響可為該區域水稻優質高產高效生產提供有力的技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

試驗地點設在樺郊鄉友誼村友誼社。試驗田土壤為河谷平川沙壤質沖積土，供試土壤含堿解氮228 mg/kg、速效磷17.8 mg/kg、速效鉀78 mg/kg、有機質39 g/kg，pH值5.7。供試水稻品種為通育315，由吉林省通化市農業科學院提供。供試水稻專用肥由吉林金穗肥料有限公司提供。

1.2 試驗方法

試驗設2個處理，分別為：等離子體處理水稻種子，劑量與次數為0.5A×2（A）；以未用等離體處理水稻種子作對照（CK）。6次重復，隨機區組試驗設計。苗床土為園田土與草碳土按3∶1比例混拌過篩，300 kg過篩土加2.5 kg水稻育苗調制劑混拌均勻。處理區與對照區施肥相同。

2 結果與分析

2.1 等離子體處理水稻種子對其生物學性狀的影響

由表1可知，處理A的出苗期比CK提前1 d，秧苗莖葉干重和秧苗根系干重分別比CK多0.339 5 g/百株和0.217 5 g/百株，秧苗株高、秧苗根長、秧苗根數、分蘗期株高、分蘗株數分別比CK高2.3 cm、1.3 cm、2.2條、0.6 cm、0.9株/穴，秧苗葉齡指數、收獲期株高與CK無差異。

2.2 等離子體處理水稻種子對其產量及產值的影響

由表2可知，處理A的穴穗數、穗粒數、結實率比CK分別多1.1穗/穴、7.0粒、2.2個百分點，穗癟粒數、結實率、千粒重與CK無差異，產量比CK增產744.75 kg/hm2，增幅為11.06%，比CK增收1 980.83元/hm2。

3 結論

試驗結果表明，等離子體處理水稻種子，可以明顯提早水稻出苗期，增加秧苗百株莖葉干重和秧苗百株根系干重，提高秧苗株高、秧苗根長和分蘗期株高，增多秧苗根數和分蘗株數；同時提高每穴穗數、穗粒數，明顯比對照增加產量744.75 kg/hm2，比對照增收1 980.83元/hm2。

4 參考文獻

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篇7

關鍵詞：大氣壓等離子體；等離子體射流；介質阻擋放電；微空心陰極放電；射流裝置結構

中圖分類號：O461 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）34-0009-05

自美國弗吉尼亞老道明大學的Laroussi M博士在1996首次報道大氣壓放電射流型等離子體（Atmospheric Plasma Jet，APPJ）用于致病菌的殺滅以來，針對APPJ裝置的結構設計、放電特性及應用研究，受到了材料、醫學、環境、化工等領域諸多學者的廣泛關注。與傳統的氣體放電等離子體相比較，APPJ的最大優勢在于通過強氣流將等離子體“吹”出放電腔，直接噴射到大氣環境中，使得等離子體與高壓電極分離，對操作者的安全性有極大提高。此外，從傳統方式下的氣體放電產生等離子體來看，其放電間隙僅限于毫米到幾厘米量級，導致狹小空間內的帶電粒子的活性與壽命受到影響，這就使得處理樣品的尺寸受到極大限制，即使樣品能夠進入到放電間隙，也會對放電的穩定性帶來影響，而APPJ的出現恰好克服了這些缺點。APPJ的發展與近幾年來迅速崛起的等離子體材料學、等離子體醫學密切相關。目前，APPJ不僅在金屬、金屬氧化物、有機高分子聚合物、熱敏感材料的表面親水性及其化學活性的改性方面已有許多研究成果，同時，這些裝置在等離子體醫學中已成功用于細菌、真菌、體外凝血、癌細胞治理、牙齒美白等。在國際上，一些學者甚至將其用于慢性感染傷口的愈合、皮膚螨蟲的治療，且以優于傳統方法的臨床效果為佐證。國內對APPJ的研究相對較晚，且大多使用惰性氣體（如氦氣）放電，除進行材料表面改性、致病菌殺滅以外，在口腔醫學、傷口治療等領域的涉足相對較少。主要有華中科技大學、中國科學技術大學、中科院物理所、清華大學等高校與研究所。另外，APPJ自身所含有的高速運動自由基與處理對象間的碰撞反應是物理化學、空氣動力學及微生物學等學科的高度交叉，目前的許多研究仍處于實驗室階段，與工業應用仍有相當的差距。本文概述了APPJ裝置的結構特點及放電特性，闡述了它們的基本原理，結合APPJ在材料表面改性與等離子體醫學中的廣泛應用，對APPJ進一步發展所面臨的挑戰及未來應用前景進行了展望。

1 基于MHCD的APPJ

微空心陰極放電（Microhollow Cathode Discharge，MHCD）已經過了100多年的發展歷史，其放電時擁有較高的電子濃度，在后來的應用中，人們利用它的高能活性粒子，進行材料表面改性、致病菌殺滅等。其典型構造為三層疊狀，即金屬電極-絕緣介質-金屬電極。通常情況下，電極使用金屬鉬、鎢、鋁或者銅箔制作，絕緣介質則為云母、氧化鋁陶瓷或聚四氟乙烯等，通過高速鉆機或者激光器打一穿孔，孔徑典型值為10～500μm。由于陰極孔存在電子鐘擺、二次電子發射以及彭寧效應，使得MHCD的電離率較高，外加相對較低的電壓就能放電，降低了對外部絕緣的要求。更為重要的是，MHCD在非惰性氣體（主要指空氣和氮氣）射流方面有著天然的優勢。

美國老道明大學的Schoenbach課題組基于MHCD原理，報道了世界上第一個空氣APPJ裝置。圖1（a）為該裝置結構示意圖，中間絕緣介質厚度0.2～0.5mm，兩側電極厚0.1～0.3mm，放電孔徑0.2～0.8mm。當外部空氣以8L/min的流量通過放電微孔且兩電極間外加直流電壓1.5～2.5kV時，該裝置開始放電，其維持電壓很低，只需500V左右。穩定放電時，維持電流約2mA。圖2給出了射流時的氣體溫度曲線圖，可以明顯看出，隨著軸向距離的增加，氣體溫度先迅速下降，然后緩慢趨近于室溫。后來，為了增大孔徑內的氣體壓力，提高噴射氣流的速率，出現了圖1中（b）和（c）兩種裝置結構，而圖1中的結構（d）也是在圖1（a）的基礎上改進得到，其兩電極間開始出現較小的正對面積，有利于孔內粒子的進一步電離。前述四種結構下實現的等離子體射流面積較小，而圖1（e）所示的陣列式多孔放電結構因能實現相對較大面積放電而備受學者青睞，但為了維持空心陰極效應，陣列式結構對孔徑尺寸有著嚴格的要求，其加工工藝要求甚高，且很難實現每孔均同時穩定放電，在實際應用過程中并不能對樣品進行嚴格意義上的均勻處理。

另外，韓國的Hong Y C課題組也在微孔射流上做了大量的工作，他們使用60Hz的交流電壓源作為外部激勵，并制作了空氣等離子體射流裝置，圖3（a）給出了其裝置原理圖。當空氣流量為5L/min時，該裝置射流長度可達23mm，在氣體放電長度上代表了使用空氣產生非平衡等離子體射流的最高水平。由于該類裝置具有較高的電離率，在距噴口10mm處，等離子體溫度為60℃，且功率最大可達2W，比之前報道的直流電源激勵的射流功率都要高。在后續的報道中，他們研制了可產生65mm的多孔陣列式氮氣等離子體射流源，其正常工作電壓5.5～9.5kV（峰峰值），氣體溫度可穩定維持在34℃以下。至于放電波形，電壓大致為鋸齒狀，電流則呈周期性的脈沖放電，且脈沖頻率為10～400kHz，這種特殊的振蕩式放電與Hensel K等人采用直流電源激勵時的電特性有相似之處。另外，由于他們的研究均使用交流電源驅動，雖然已具有良好的應用特性，但裝置正常工作時在正負半周期均會產生嚴重的電壓振蕩，一般的交流電壓源很難滿足這種特殊的放電需求。為此，對于該類APPJ裝置放電電源輸出參數的設計就提出了很高的要求。

圖1 基于MHCD的等離子體射流裝置示意圖

圖2 等離子體射流氣體溫度與軸向距離關系圖

2 DBD形式的APPJ

由于前述基于MHCD的APPJ裝置是實現氮氣、空氣等離子體射流的最佳方式，所以將其單獨列為一節進行介紹。而目前使用較多的介質阻擋放電（Dielectric Barrier Discharge，DBD）難以對以空氣為代表的非惰性氣體實現射流型非平衡等離子體。因此，DBD形式下使用的氣體以價格較為昂貴的惰性氦氣和氬氣為主，純氬氣放電時的熱量以及發光強度相對氦氣較大，放電時的電子密度一般為氦氣的2～2.5倍，但氬氣放電時對電路參數較為敏感，很難通過常規的診斷方式來識別其放電模式。而在實際的操作過程中，我們通常都會忽略這些因素，一般都是根據具體的應用對象，通過在惰性氣體中混入一定比例的其他氣體（如氧氣、氮氣），來達到相應的應用效果，但這種情況下，很容易對放電的穩定、均勻性造成影響。

（a）schematic of air plasma jet

（b） photo of N2 plasma jet with the porous alumina dielectric

圖3 基于MHCD的陣列式等離子體射流裝置

等離子體中高能活性粒子的運動不僅受裝置結構的影響，外加電源的頻率對其運動也至關重要。用來激發DBD形式的射流可以使用射頻、微波誘導、脈沖以及低中頻交流電源。從目前的研究來看，由于成本及相關技術原因，國內使用射頻或者微波誘導產生冷等離子體射流的研究不多，而國外已有相關的實際應用。就使用脈沖電源而言，不但可以提高電子能量，減小功率損耗，利于離子化效率的提升，而且可以避免其他類型電源激勵下射流的熱不穩定性，實現更為穩定的放電。特別是在電暈放電狀態下，當脈沖持續時間小于電弧產生所需的時間時，已經結束的脈沖可以迅速抑制電弧的形成，避免向火花放電發展。至于交流正弦波電源，在滿足放電要求的前提之上，相對前三者更為價廉，也是在目前被廣泛用于APPJ的原因之一。

2.1 單電極APPJ

就單電極等離子體射流結構而言，有三種常見的形式。圖4給出了結構示意圖，其中外表面單電極如圖4（a），直接將高壓環形電極置于石英管外壁。在這種方式下，Ye R觀察到等離子體子彈以17km/s的速度快速向管外噴出，這種狀態的維持源于光電離作用，但在高壓電極附近，電場卻起著維持等離子體發展的主導作用，驅使等離子體向低電場區域運動，從而形成射流型等離子體在大氣環境下的長度。圖4（b）、圖4（c）給出了另外兩種單電極結構示意圖，圖4中的結構（b）在制作時一般使用細針，但由于電場主要集中在電極的尖端，射流的激發源于電暈放電，這種方式下在射流長度上會受到一定限制。圖4中的結構（c）為單針電極射流示意圖，該方式并非DBD，但考慮該結構在一些特殊場合下（狹縫、管狀組織內部、牙根管等）的巨大優勢，同時與圖4中的結構（a）和（b）共同構成較為完整的單電極射流體系，為此在該處將圖4中的結構（c）一并介紹。Lu等人使用脈沖電源在這方面做了大量的工作，詳細探討了脈沖電壓幅值、頻率、脈寬時間、氣體流量以及噴口直徑對射流長度的影響。同時，在該裝置上檢測到的放電電流峰值達360mA，是目前低溫等離子體射流領域報道的最大電流值。然而，有文獻指出，圖4中的（a）和（c）結構因高壓電極直接暴露在大氣環境中，存在一定的安全隱患。針對該問題，也報道了其派生結構，主要是在針電極孔上外接超細絕緣管，操作者通過直接接觸絕緣管進行射流應用，這樣一來便有兩大好處：一方面使得與處理對象接觸較近的為絕緣細管與等離子體，可巧妙避免高壓單電極的誤傷；另外，由于人體對絕緣管的觸摸，導致接觸區域的電場得到加強，絕緣管表面的電荷積累增多，促使射流長度變長，圖5為使用該方式產生的60cm超長氬氣等離子體柱照片。

圖4 單電極等離子體射流裝置結構示意圖

圖5 60cm超長氬氣等離子體柱照片

2.2 兩電極APPJ

目前的兩電極等離子體射流裝置結構不勝枚舉，但放電形式大多基于DBD（還有很多結構并非DBD形式，此處不做介紹），需要指出的是，在有的情況下，兩個電極之間并沒有放置處理樣品或阻擋介質時，并不是嚴格意義上的DBD，有學者稱這種結構為類DBD，但此處假設兩個電極間已有阻擋物體，將其納入DBD形式的兩電極射流結構進行介紹。

圖6給出了六個典型的兩電極射流裝置結構示意圖，圖6（a）為外表面雙電極結構，Teschke M等觀察到等離子體像“子彈”一樣以數十千米每秒的速度向前發射，且子彈的射出總是出現在電壓上升至一定值的時刻。Sands B L認為這種結構下射流的產生并不依賴于管內的電場，在管內開始放電之前，等離子體射流已經開始產生，且其源于一種不斷發生的自持放電。當收縮兩個電極間的距離時，管內放電將會延遲，同時射流的產生時間將會提前，且距離越小，這種現象越明顯。而圖6（b）是將圖6中的結構（a）的一外置電極改為內置，有學者稱圖6中的結構（b）為中心電極結構，當內置電極接高壓電源輸出端時，其強電場區仍集中于尖端附近，這種源于電暈方式激發的射流長度相對較短，但與圖6中的（a）結構相比較，圖6中的（b）結構的放電穩定性更好。圖6（c）幾乎與圖6中的結構（b）類似，只是圖6中的結構（c）的內電極為空心結構，同時可以在電極上開以噴氣孔，此時更容易實現穩定均勻放電，但由于噴氣孔分擔了部分氣流量，減小了內電極管內的壓力，在同等條件下，其射流長度及應用效果均不及空心電極結構。圖6（d）則在圖6中的結構（c）的基礎上保留外表面電極，但將內置的電極移至噴口附近，作為地電極，而圖6中的結構（a）、結構（b）和結構（c）的電極接線方式可以任意改變。對于圖6中的結構（d），當地電極遠離噴口處的高壓電極時，實際上是作為單電極方式而存在，此時大氣中的某處則成為了參考電位；當縮短兩電極的距離至某一值時，便開始出現電弧。因此，在使用圖6中的結構（d）放電時，應特別注意兩電極間的相對距離，避免電弧的發生。至于圖6中的結構（e），為一種針-板式射流方式，其功率一般在50W以下。這種結構若是內置實心針電極，則一般使用射頻電源驅動（13.56MHz、27.12MHz或40.68MHz），且隨著頻率的不斷提高，等離子體的電流密度不斷增大，但很容易拉弧。在應用過程中，可根據具體情況設計相應的冷卻系統，以降低腔體發熱。而當內置電極為空心結構時，圖6中的結構（e）更適合進行陣列式等離子體射流，因為此時可以充分利用各管噴射到大氣的等離子體間的相互作用，對空間及樣品的表面電荷進行均勻分配，發揮其自適應、自調節能力。Kong M G的研究表明，圖6中的結構（e）在陣列式射流時的放電穩定性與一致性上明顯優于單個射流。

圖6 兩電極等離子體射流裝置結構示意圖

3 等離子體“子彈”機理分析

在早期的研究中，由于等離子體診斷技術的局限性，學者們大多只能通過肉眼或者普通長曝光數碼相機進行放電圖像拍攝，觀察到了等離子體射流過程中的各種物理放電現象，同時，許多研究者更為注重的是等離子體射流源的應用特性，至于這些物理現象的機理解釋及放電的演化，特別是對等離子體射流機理的形成及關鍵參數的控制研究，目前仍處于初始階段。最近幾年，隨著納秒量級增強型電荷耦合器件（Intensified Charge Coupled Device，ICCD）及電子倍增電荷耦合器件（Electron-Multiplying CCD，EMCCD）技術的發展，學者們對于射流機理的研究才開始進入到微觀層面。2005年，德國伍珀塔爾大學的Teschke M等在毛細管內進行氦氣等離子體射流時，通過納秒量級ICCD拍攝到的等離子體射流實際上是由類似“子彈”的高速小光球組成，且總出現在電壓的上升階段，它們的推進速度約為104～105m/s，遠高于氣體本身的流速。美國的Laroussi M課題組通過ICCD對等離子體的運動狀態進行拍攝，發現以圓環形狀存在的等離子體“子彈”運動速度高達106m/s，并認為電壓及氣體流量是影響“子彈”形成的兩個重要因素，其演化過程與正流注相似。日本矢崎（Yazaki）公司Ye R研究員等開展了射流等離子體的動力學研究，認為光致電離是形成“等離子體子彈”的根本原因，同時發現“等離子體子彈”在演化過程中呈現出先加速后減速的趨勢，其運動速度與氣流方向無關。隨后，針對這種“子彈”模式的射流方式，美國的Sand B L等也相繼觀察到了等離子體“子彈”，并提出了相應的理論模型，但這些理論的提出還有待進一步研究。這些研究很好地揭示了“等離子體子彈”的形成及發展，但事實上，通過模型計算得出的“等離子體子彈”的理論速度與實驗觀測值仍存在一定的差異，因此，對于射流機理的解釋還有待研究。現階段人們普遍認為，電場是維持等離子體發展的主導因素，且不斷促使電離崩頭電離前方氣體，從而跟隨氣流至管外低電場區形成射流等離子體。此外，學者們在研究過程中還觀測到了豐富的物理現象，如射流模式的演化、短時混沌現象、“電荷溢流”現象、“自組織模式”、等離子體的非準電中性效應等，針對這些有趣現象的研究，目前仍在深入進行中。

4 APPJ面臨的問題及展望

等離子體射流經過了半個多世紀的發展，但興起等離子體射流應用于材料、醫學等領域的研究，還不到20年。雖然近年不斷涌現出各式各樣的射流裝置，可在理論研究與實踐應用相結合的過程中，仍有許多問題亟待解決。

首先，APPJ應用涉及的知識面較廣，幾乎涵蓋了機械、材料、電氣、生物、化學、物理以及動力等學科。人們一般難以從不同學科角度來進行同一問題的研究，在針對不同的應用場合時，很難根據作用對象的特征，對等離子體源的氣體放電溫度、輸出功率進行良好控制。

其次，APPJ在相關的應用領域已經有了很好的實驗效果，但放電功率密度相對較小，對放電效率及利用率尚無明確定義。不管是在材料表面改性，還是等離子體醫學應用，當前的大多數研究仍停留于實驗室階段，如何實現工業級大面積、高效率應用還需在裝置的結構設計上進一步改進。此外，對于放電機理的研究，目前并沒有一個較為圓滿的解釋，學者們無法達成統一的認識。同時，等離子射流很大程度依賴于惰性氣體，其應用成本及風險，并沒有得到合理評估，對其應用效果應開展長期的后期效果

論證。

再次，雖然近幾年已出現氮氣甚至是空氣APPJ，但發展腳步較為緩慢，特別是它們的射流長度極為有限、氣體放電溫度相對偏高，在很多實踐環節都受到了相當的限制。再者，不論是在國內還是國外，實現大面積非平衡等離子體射流都會在裝置的加工工藝及放電穩定性方面面臨巨大挑戰。

最后，APPJ已經展現出良好的應用前景，俄羅斯女科學家Ermolaeva S A認為非平衡氬氣等離子體射流可以替代抗生素，德國科學家Zimmermann J甚至認為APPJ可以用來抑制艾滋病毒在血液中的傳播。在國內，華中科技大學盧新培教授制作了世界上唯一一種能放入牙齒根管內對根管進行殺菌的等離子體射流裝置，這一切成果讓我們倍感欣慰。但我們仍需要不斷致力于基礎學科的研究，這將有益于更深層次地揭示APPJ的作用機理。APPJ應不斷向著陣列式、高功率密度、低成本及專一應用場合的方向發展，其光明的應用前景有望在人類的健康事業、半導體工業及等離子體化學等領域做出重大貢獻。

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篇8

我國預計會在2020年左右建成空間站，而這個尚未建成的太空家園承載著許多科學家的科研規劃。東華大學物理系特聘研究員杜誠然，就是其中的一員。他說：“我國的空間站將成為空間科學和多種新技術研究實驗的重要基地，希望有機會能在空間站微重力環境下進行復雜等離子體實驗。”

關于復雜等離子體，杜誠然做了一個簡單的介紹：物質在固態、液態和氣態之外，還有第4種形態，存在于宇宙空間中，那就是等離子體。通俗地說，如果對氣體進一步加熱，使其發生電離，就能產生等離子體。“我們在等離子體中引入宏觀尺度的塵埃顆粒，組成一種更加復雜的混合粒子系統，就形成了復雜等離子體。在微重力環境下，所形成的系統將更加接近自然界中傳統物質的性質。可以說，復雜等離子體系統將各個不同的經典物理學科（包括等離子體物理、流體力學、凝聚態物理等）有機地結合在了一起，尤其是對于傳統物質的基礎研究更有著不可估量的意義。”

兩次交換生開啟科研之路

杜誠然的科研之路，是從當交換生開始的。

2005年8月，正在上海交通大學讀大三的杜誠然被學校選中，去新加坡國立大學進行一個學期的交換學習。在新加坡的一個學期，杜誠然進入了實驗室，開始接觸實驗研究。隨后，他又公費去德國的薩爾布呂肯大學交換了一學期，這一次，他學會了德語。在德國交換期間，杜誠然也和在新加坡時一樣，在實驗室工作過一段時間。這兩個學期的交換生生涯讓杜誠然見識到了國外的科研氛圍，看到了與國內不同的科研與教學方式，他認識到，這個時候國外的科研和教學環境要優于國內。因此，本科畢業后，杜誠然決定去德國慕尼黑工業大學繼續深造。

“可能是因為之前在德國做過交換生，德語也還熟練，所以我在學校融入得很快，一個月的時間，我已經能在感興趣的實驗室里做一些簡單的工作。”杜誠然說：“我對選擇科研方向特別謹慎，先后在3個實驗室實踐之后，我才最終決定了研究方向――在德國馬普學會地外物理研究所研究復雜等離子體。”

研究生期間，杜誠然所做的第一個實驗就是關于復雜等離子體中微粒凝結過程的研究。由于微米量級顆粒在等離子體環境中與電子流和離子流相互作用下能夠帶有極大的電荷，國際上普遍認為在等離子環境中帶同種電荷的顆粒凝結是不可能的。而杜誠然通過實驗研究塵埃聲波與帶電微粒的相互作用，在國際上首次提出利用自激發波的方法克服顆粒間的屏蔽排斥相互作用勢從而實現大尺寸顆粒的凝結，并開創性地使用長距顯微鏡直接觀測懸浮于等離子體中的凝結體的結構，實驗結果發表于PhysPlasmas上，文章被多次引用。

此方法被美國Baylor大學、法國國家科學研究院CNRS等多個科研機構的科研團隊所采用，研究結果對理解宇宙中星體的形成過程有著重要的意義。

對于初涉科研之路的杜誠然來說，這是很高的評價了。而這些，當時的他并不知道。“這是我研究生時候做的第一個實驗，當時對自己的成果根本沒有清醒的認識，真的沒想到會有這么大的反響。”杜誠然誠說道。

“微重力”帶來“大成果”

這個實驗給杜誠然的科研之路上演了一出“開門紅”，也給了他更大的信心。隨后，杜誠然開始參與第三代際空間站復雜等離子體實驗室PK-3Plus的工作，負責后期實驗數據的分析工作。

在分析這些數據的時候，他發現了一種塵埃顆粒團簇穿越另一塵埃顆粒團簇而導致的“行”形成過程的記憶效應，這在國際上尚屬首次。他說：“在分析這種在空間或時間上具有某種規律性的非均勻宏觀結構時，我通過將空間站中的微重力實驗與地面實驗室中的高分辨率實驗數據以及使用GPU并行計算技術獲得的模擬計算結果進行比較，發現了非相加性對于‘行’結構的形成過程有著重要的影響。”關于這一實驗的相關研究結果最后發表于EurophysLett.等國際期刊上，其中，在New JPhys上發表的綜述論文被英國物理協會IOP選為“Hightlight of 2012”。

杜誠然介紹，在國際空間站上復雜等離子體實驗室PK-3 Plus上進行的實驗是德國和俄羅斯兩國的合作實驗項目，每次任務前都由兩國科學家討論決定具體的實驗方案并上傳到國際空間站。實驗期間，兩國科學家在莫斯科近郊科羅廖夫的國際空間站控制中心，直接與在軌宇航員一起操作和監控實驗。任務結束后，所儲存的實驗數據被宇航員帶回地面并送往馬普學會和俄羅斯高溫聯合研究所進行分析。杜誠然說：“整個流程是非常復雜的，牽涉到多個方面，而在多年的前期工作之下，才最終產生了大量的實驗數據。而我只是在分析這些數據的時候發現了這一成果，嚴格意義上來說不敢居功。”

雖然杜誠然不以該成果為傲，但自然有人慧眼識英才。2012年，在PK-3 Plus行將退役之時，杜誠然開始參與由歐洲宇航局主導的第四代在軌國際空間站復雜等離子體實驗室PK-4科學裝置的測試開發，在波爾多參與德國宇航中心（DLR）第20次拋物線實驗任務。

2014年，在馬普學會地外物理研究所工作的杜誠然決定回國。“這不僅是因為家人在國內，也是因為我國空間站微重力環境下的自然科學實驗研究剛剛起步。我希望自己在這方面的經驗可以提供一些思路和想法，做一點綿薄的貢獻。”

在2014年成功發射的PK-4的開發研究中，杜誠然作為科學專家組成員參與實驗規劃及數據分析，并參與下一代國際空間站復雜等離子體實驗室PlasmaLab的硬件開發和測試（包括拋物線飛行微重力測試）。在我國空間站行將建成之時，杜誠然的經歷彌足珍貴，將為我國建造復雜等離子體實驗室乃至為我國復雜等離子的發展提供寶貴的經驗。

在國外的這些年，杜誠然的學習、工作方式或多或少的被“同化”。他說：“本科的時候我經常一個人學習到晚上十一二點。剛去德國的時候，我覺得那里的人很‘不務正業’，經常聚在一起閑聊。”杜誠然笑笑，繼續說道：“后來發現很多科研思路就是在這種討論中展開的，比一個人窩在屋里做研究更有效率。因此回國之后我也不像以前一樣喜歡一個人加班加點，反而更喜歡出去跑步、做做運動，花更多的時間與同事及學生討論問題。”

作為一個上海人，杜誠然在回國之后首選家鄉，作為特聘研究員加入了東華大學。他說：“東華大學有一個非常好的特點，就是它可以包容在短期內難以取得結果的研究，鼓勵需要大量時間積累的基礎性研究。我覺得這個真的很好，對我來說很重要。”

在東華大學，杜誠然帶著5個研究生。對待學生，杜誠然鼓勵他們獨立思考。“當我們出現分歧的時候，他們經常提出不同的觀點，這樣很好。不過他們需要在思考的深度上下功夫，我要的不僅是不同的觀點，而更應該是有深度的思考。”杜誠然說，在帶學生上面他還是新手，還在摸索最適合的方法。

篇9

關鍵詞：航空發動機；等離子體；電場；磁場

中圖分類號：V439 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）05-0055-02

1 方案背景

1.1 燃氣渦輪發動機面臨的問題

燃氣渦輪是燃氣渦輪發動機三大核心部件之首，其性能很大程度上決定了發動機的整體性能。而渦輪進口溫度對渦輪做功能力和效率有直接影響，所以各國不遺余力地致力于提高渦輪進口溫度。但是，受到材料自身特性的影響，即使考慮到冷卻技術的進步，提高渦輪進口溫度也將遇到瓶頸。

1.2 人工等離子體技術的發展

1.2.1 等離子體簡介

等離子體又叫電漿或超氣態，即電離了的“氣體”。等離子體廣泛存在于宇宙中，是物質的主要存在形式。自然界中的火焰、閃電等都是等離子體。當原子被加熱到足夠高的溫度或受其它作用時，電子擺脫原子核的束縛成為自由電子。等離子體即由原子核、電子組成，宏觀上等離子體呈現電中性，是一種很好的導電體，經過巧妙的設計，可以被磁場捕捉、移動和加速[1]。

1.2.2 等離子體的應用

等離子電視、磁流體發電機是等離子體應用實例。在航天領域，已經進入到實用階段的的離子發動機（日本的“隼鳥”、歐洲的“智能1號”、美國的“黎明號”）是以人工制造的等離子體作為工作介質，通過精準控制的磁場和電磁場來獲得推力。隨著科技的進步，將來對人工制造等離子體及對其應用上將取得長足的進步。

1.2.3 磁流體發電機

值得一提的是利用等離子體作為工作介質的磁流體發電機，其結構示意圖見圖1。

磁流體發電技術是利用等離子體高速流過磁場，正負離子受相反方向的洛倫茲力而分別聚集到兩極，從而產生持續電流。我國早在60年代初就開始研究，并列入“863”計劃，在北京、上海、南京建立了試驗基地。磁流體發電中，利用高溫燃燒的氣體中添加1%的鉀、銫等堿金屬化合物（也叫種子）的方法，使得氣體在3000K左右甚至2200K左右就能轉化為滿足要求的等離子體[2][3][4]。

2 等離子體工質發動機的基本結構

等離子體工質發動機的基本機構（見圖2）與目前發動機結構（見圖3）類似，在燃燒室中增加兩個電場結構和電子收集板，第一個電場用以使燃氣電離，電子收集板用以收集電離后的電子，第二個電場用以調節帶正電的離子的方向回歸軸線方向；在導向葉片位置，可設置一個磁場結構，用以調節燃氣以合適的方向進入到下一環節――“燃氣渦輪”；“燃氣渦輪”是一個用磁場代替渦輪葉片從燃氣中提取功率的結構；在“燃氣渦輪”之后有一個放電網，電子收集板收集的電子在放電網與正離子重新結合形成常規燃氣，使得可以繼續用渦輪提從中提取功率。

3 工作原理

氣體進入燃燒室之前，工作原理與常規發動機無異，即氣流經過壓氣機壓縮壓力增大，以合適的壓力和速度進入燃燒室燃燒產生燃氣。在燃氣達到燃氣渦輪之前被電場電離，變成電子和正離子。電子和正離子都受到電場力的作用，電子所受力與電場方向相反，而正離子所受力與電場線方向相同。由于電子的質量相對于正離子的質量近乎可以忽略，所以電子獲得的加速度比正離子所獲得的加速度大得多，那么，電子的運動軌跡可以在正離子運動軌跡偏轉很少的情況發生很大的偏轉。收集板（相當于磁流體發電機的一極）用于收集偏轉的電子。正離子將通過電場和磁場所形成的“導向葉片”，將燃氣方向調整至需要的方向，之后流經安裝在發動機軸上的磁場盤（如圖4所示）。在磁場盤中，離子受到洛倫茲力，速度的大小不變但方向改變，而且在每一點，速度方向改變的趨勢都一致。磁場將會受到反作用力，該反作用力通過磁場盤傳遞到發動機軸。流經磁場盤后，燃氣的能量降低（速度不變，壓力和溫度降低）。這時磁場盤相當于沖擊式渦輪。如圖5和圖6。

磁場盤的級數可視情況而定。當燃氣的溫度降低到常規渦輪葉片可以承受的溫度后，通過放電網將正負離子重新摻混，一方面產生持續的電流，作為電源使用；另一方面燃氣變為常規的中性燃氣，從而可以用普通渦輪提取燃氣中的動能。用渦輪提取燃氣動能的原理與普通發動機無異，不再贅述。

4 優點和難點

優點：渦輪前溫度得到解放，發動機性能得到極大提高。

難點：燃氣的電離、磁場的建立和調節、抗電磁干擾能力。

5 結語

目前，該方案所涉及到的等離子體的產生、電磁場的產生和精確調控、相互間的電池干擾、等離子體對金屬的腐蝕等諸多技術問題，仍需一一攻克。但相信隨著技術的進步，該方案不失為未來的一個選擇。

參考文獻

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篇10

關鍵詞： 硅刻蝕； 容性耦合等離子體； 射頻電壓； 腔室壓強； Kriging模型； 優化

中圖分類號： TN405.98； TB115.1文獻標志碼： B

Abstract： The discharge process in capacitively coupled plasma reaction chamber and the plasma silicon etch process are simulated by CFDACE+ and CFDTOPO. The effect of different radio frequency voltage and chamber conditions on plasma characteristics are discussed. The results show that， with the increase of radio frequency voltage， the flux of ion increases； the flux of ion decreases with the increase of chamber pressure when the radio frequency voltage is low， but the change trend shows in opposite direction while the radio frequency voltage is high. The Kriging model is used to optimize the parameters such as chamber pressure and ration frequency voltage， which have influences on the etching profile. The result shows that the optimization method is feasible， which can provide reference for the design of the etch device in similar process condition.

Key words： silicon etch； capacitively coupled plasma； radio frequency voltage； chamber press； Kriging model； optimization

引言

技術的不斷進步對微電子機械系統工藝和器件的設計提出更高的要求[1]，如元器件本身的尺寸減小：其表面特征尺寸已由原來的微米級上升到現在的納米級.傳統的濕法刻蝕由于各向異性差、均勻性差、不容易控制等缺點，逐漸被各向異性好、均勻性好、容易控制的干法刻蝕所取代.

在干法刻蝕中等離子體刻蝕應用最廣泛，也是微納米加工能力最強的技術，但是其目前主要依賴于刻蝕經驗.由于試驗周期長、成本高[2]，等離子體刻蝕的工藝仿真技術顯得尤為重要.工藝仿真技術可通過建立適當的模型，得到目標結構的仿真效果，因此可以根據刻蝕機腔室的工藝相關參數預測刻蝕形貌，還能夠對工藝參數進行優化，進而得到理想的刻蝕形貌.仿真模擬不僅降低微電子機械系統加工工藝的試驗成本，提高生產效率，更為等離子體刻蝕的研究提供一定的參考.

1刻蝕形貌分析

1.1腔室模型分析

建立二維軸對稱腔室模型，見圖1，模擬最簡單的容性耦合等離子體放電：Cl2從入口進入腔室內部，被射頻電壓電離成總體呈電中性的等離子體.電場對離子加速，帶有一定能量和角度分布的等離子體轟擊刻蝕材料，既發生物理反應又發生化學反應，在刻蝕材料表面形成所需的圖案.

2基于Kriging模型的優化設計

通常，評價刻蝕結果質量的參數有剖面的垂直度、刻蝕速率、刻蝕均勻性和刻蝕的選擇比等.如果刻蝕的形貌與理想形貌差別較大，即刻蝕垂直度不夠好，將直接影響由晶片組成的元器件的質量，甚至不能使用.腔室壓強和射頻電壓是影響刻蝕形貌的重要參數.以這2個參數作為變量，分析不同參數組合下的刻蝕形貌，并以刻蝕垂直度作為目標函數進行初步優化.

2.1試驗點選取和優化模型選擇

腔室壓強和射頻電壓是影響等離子體密度、能量和角度分布等特性的2個重要參數，而等離子體的特性決定等離子體刻蝕的結果.以腔室壓強和射頻電壓作為變量，分析其對刻蝕垂直度的影響.

采用2個變量3水平的全因子設計方法，通過對不同參數組合下的數值模擬，得到9組參數組合下的刻蝕形貌（垂直度）.射頻電壓的取值范圍為0～200 V，腔室壓強的范圍為0～5 Pa.通過調節不同宏觀參數得到微觀的理想刻蝕形貌，是具有大難度的多尺度優化問題，所以采用模型的方法實現優化目的.同時，該問題屬于非線性問題，可采用Kriging模型.Kriging模型是一種估計方差最小的無偏估計模型[811]，該模型既可以用來解決各向同性問題，又可以用來解決各向異性問題，而且在解決非線性程度較高的問題時容易取得理想的擬合效果.

以圖5所示的刻蝕形貌與理想形貌的垂直度差作為目標函數，計算不同條件下得到的離子流量和目標函數，見表1.隨著射頻電壓的升高，離子的流量增大；在低射頻電壓時，離子流量隨腔室壓強的升高而減小，高射頻電壓下趨勢相反.

3結論

（1）等離子體刻蝕中Cl2刻蝕硅是比較簡單的一類，腔室壓強和射頻電壓不同程度地影響等離子體的流量和能量分布等特性.隨著射頻電壓的升高，離子的流量增大；在低射頻電壓時，離子流量隨腔室壓強的升高而減小，高射頻電壓下趨勢相反.

（2）總體來說，雖然優化后的刻蝕形貌不是完全理想的直上直下的刻蝕形貌，但呈現各向異性很強、剖面光滑的形貌.將優化后的參數組合再進行刻蝕模擬，得到的目標函數為65.5，并不是71.3，可能是由2個原因造成的：一是優化模型選取不當，二是試驗點太少（個變量可以分為4個水平或更多）.

通過對Cl2等離子體刻蝕硅的數值模擬與優化，從科研應用的角度提出一種等離子刻蝕機的優化方法，可以為工藝條件相近的刻蝕機設備的研究和設計提供參考.參考文獻：

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