等离子体物理范文
时间：2023-03-14 03:05:11
导语：如何才能写好一篇等离子体物理，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。
篇1
本书的第1版很受欢迎，经过修订和扩充的第2版内容更加具有综合性。内容不仅包含当今比较热门研究领域的相关知识，如基本等离子体现象、库伦散射、电磁场中带电粒子漂移、等离子体磁场约束、等离子体的动力学和流体力学理论、等离子体波和不稳定性等，还包含一些新的研究主题，有涨落驱动等离子体传输、偏滤器（Divertor）物理、中性原子回旋和运输、杂质等离子体运输等，书的最后对未来聚变反应堆的发展进行了展望，讨论了其方案设计。
全书由19章组成：1.聚变、等离子体、库仑碰撞和电磁波理论的概念；2.带电粒子在电磁场中的各种运动形式；3.等离子体中带电粒子在磁场中受到的磁约束；4.等离子体动理论；5.等离子体流体理论；6.等离子体平衡的特性；7.等离子体的几种波动形式，如阿尔芬波、朗缪尔波、离子声波；8.等离子体的不稳定性；9.等离子体碰撞传输机制、经典输运形式、流体理论中的环形效应、多流体传输机制等；10.等离子体回旋的形式和特性；11.等离子体湍流输运的形式和特性；12.等离子体在加热和电流驱动下的特性；13.等离子体与物质的相互作用；14.偏滤器的模型和操作机制、热电电流和漂移物对偏滤器（Divertor）的影响；15.等离子体边缘的粒子输运、L模式和H模式的区别、热不稳定性和极向速度自旋加快的相关知识；16.中性粒子运输的基本原理、扩散理论、积分输运理论、碰撞概率方法、接触面电流零点法、离散纵坐标法和蒙特卡罗法；17.等离子体的能量平衡机制和聚变等离子体动力学的相关概念；18.等离子体的各种运行限制，包括实证密度限制、磁流体力学不稳定限制等；19.聚变反应堆和中子源的相关知识。
本书内容丰富，综合性强，且深入浅出，层次分明，可作为高层大气物理学、空间探测技术、空间物理学等专业的研究生教材，也可作为相关领域研究人员的参考书。
篇2
关键词:等离子体物理,汤姆孙散射,动力学形状因子,等离子体参数
Thomson scattering: a powerful diagnostic tool of plasma physics
ZHENG JianYU 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
精确测量等离子体的状态参数是深入研究等离子体物理过程的基本前提之一.对于高温高密度的等离子体,由于受到可接近性的限制,实验室常用的主动诊断手段(如探针)是无法接近需要探测的等离子体的.当然也有其他被动诊断方式可以提供众多等离子体参数的测量手段,如X射线能谱测量.相对被动诊断手段,汤姆孙散射作为一种主动诊断手段有其独特的一面:它可以高时空分辨地测量等离子体参数,且实验结果的解释相对简单,即散射光谱以比较直接的方式与等离子体参数有关.后者特别重要,因为有些诊断方法严重依赖于对实验数据的解释和处理,导致获得的等离子体参数的置信度较低.经过多年的发展,特别是由于激光技术以及高速高灵敏度探测器的进步,汤姆孙散射已经逐渐演化成为惯性约束聚变等离子体的标准诊断手段,成为精确研究等离子体行为的强大工具.
2 汤姆孙散射的基本原理
汤姆孙散射是低能光子(光子能量远远小于0.511MeV)与低能自由电子之间的弹性散射.该过程的经典物理图像是,在入射电磁波场中振荡的电子发射电磁波——散射电磁波.若电子有一运动速度v,散射电磁波的频率将不同于入射电磁波的频率,其差别为
这里k=ks-k0是散射波的波矢与入射电磁波的波矢之差,称为散射差矢.由这个简单的公式可以看到,散射电磁波携带了电子的运动信息,这就是汤姆孙散射可以用来诊断等离子体的基本原因.当然,当我们采用汤姆孙散射诊断等离子体时,我们测量到的散射光谱来自许多电子产生的散射电磁波的相干叠加.叠加的结果是,散射光谱与电子密度涨落功率谱成正比,
d2PdωdΩ=NeI0r2esin2θS(k,ω)
这里S(k,ω)就是所谓的动力学形状因子,它是电子密度涨落自相关函数的谱密度;I0是入射电磁波的功率密度;Ne是发生汤姆孙散射的电子数;re是经典电子半径;θ是入射电磁波的极化方向与散射波矢之间的夹角.若电子彼此之间是完全无关的,那么散射光谱就是各个电子散射光谱的简单相加,此时散射光谱反映了电子在散射差矢方向上的速度分布.若等离子体中存在集体运动,电子之间不是彼此完全相互无关的,干涉效应会导致散射光谱在相应于等离子体集体运动模式的频率和波矢处出现尖锐的极大值.对于无磁化的等离子体,我们知道等离子体中的集体运动模式有两个:高频的电子等离子体波和低频的离子声波.这两种集体运动模式的色散关系为
ω2epw=ω2pe(1+3k2λ2De) ,ω2ia=11+k2λ2DeZTemi+3Timi ,
这里ωpe是朗谬尔振荡频率,λDe是电子德拜长度,Te,i是电子/离子温度,Z是离子电荷数,mi是离子温度.经过适当的实验安排,以满足k2λ2De1 ,那么我们就能够从散射光谱中获得电子密度ne以及电子密度与离化态乘积ZTe的信息.此外,散射光谱的宽度与集体运动模式的阻尼有关,而阻尼也取决于等离子体的状态参数,因此通过散射光谱的宽度,原则上也可以推断出等离子体的参数.例如,通过电子等离子体波的散射光谱的宽度,可以测量电子温度Te.
3 汤姆孙散射实验结果
中国科学技术大学基础等离子体物理重点实验室的研究小组与中国工程物理研究院激光聚变研究中心的同事们同心协力,先后在“星光II”装置[1—3]和“神光II”装置[4,5]上完成了汤姆孙散射实验.图1是“星光II”装置上的实验安排示意图[3].实验中,我们采用波长为351nm的激光脉冲辐照金平面靶,产生等离子体,采用波长为526.5nm的激光脉冲作为汤姆孙散射探测束.主激光的能量在100J左右,探针束的能量在10J左右.
我们得到的典型汤姆孙散射光谱如图2(a)所示.由于采用了具有高时间分辨的探测设备,得到的是随时间的演化汤姆孙散射光谱,由此我们可以得到等离子体参数随时间的演化.
在“神光II”装置上,我们进一步利用汤姆孙散射测量了腔靶等离子体的状态参数[5].实验安排如图3所示.在圆柱形腔靶的侧壁上,我们开设了一个探针光注入口,散射光由圆柱的端面出射.由于封闭的几何位形,腔靶内等离子体的离子温度一般要远远高于平面靶产生的等离子体的离子温度.导致汤姆孙散射光谱严重展宽,以至于两个离子声波散射峰融合,如图4所示.
4 总结
本文回顾了中国科学技术大学等离子体物理学科点在汤姆孙散射方面的实验研究工作的主要结果.对于该项诊断技术的掌握,使我们对激光聚变等离子体的演化有了更加深入的了解,有助于我们精确预言激光等离子体的行为.
致谢 本文报告的工作是多人共同努力协作的结果.作者对以下人员的贡献表示感谢:白波、王哲斌、蒋小华、李文洪、刘永刚、曹柱荣、丁永坤、郑志坚等,同时感谢中国工程物理研究院激光聚变中心的制靶人员,“星光II”装置全体运行人员,以及“神光II”装置全体运行人员.
参考文献
[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
篇3
QWindows 7的32位系统，打开资源管理器时总提示：mmc.exe找不到序数
>> 双击打开“资源管理器” 让资源管理器为默认文件夹打开方式等 改变资源管理器打开时的默认文件夹 用资源管理器来打开“我的电脑” 从资源管理器中快速访问特定对象等 摸清游戏底细:Windows 7游戏资源管理器体验等 Windows 7资源管理器应用三则等 让资源管理器运行“计算机”等 Windows 7资源管理器的细节之美等 纳米机器人与资源管理器的奇怪冲突等 让资源管理器的面貌焕然一新等 基于Android的资源管理器设计 资源管理器不能随机启动 开启资源管理器的“大视野” 简单又实用，巧用资源管理器 Windows资源管理器下岗 资源管理器 这样用更高效 DOS如何打败资源管理器的 资源管理器也要多标签 为资源管理器增加标签 常见问题解答 当前所在位置：l下载这个动态链接库文件，将其中最新版本的文件放到系统目录下的Windows\System32中即可解决问题。
如何隐藏指定的硬件设备
Q不管使用的是优盘、手机还是其他USB设备，只要连接到电脑中都会显示在右下角的设备列表中，经常在进行删除硬件操作时误删除。请问，有没有什么方法可以将指定的USB设备从设备列表中隐藏起来？
A系统自身并没有提供这样的功能，可以从/download.htm下载Zentimo xStorage Manager这款小工具替代系统自带的设备管理模块，运行后只要右击该程序图标并在列表中找到要隐藏的设备，通过“Menu”菜单中的“Hide device from the tray menu”即可将其隐藏起来了。
装了系统无法启动
Q我将自己的笔记本电脑硬盘取下放到朋友的电脑中，并安装好了操作系统，在朋友的电脑中可以正常启动、使用，但放回到自己的笔记本电脑中却无法启动，出现蓝屏。请问这是什么原因？
A操作系统安装后都会自动识别当前的硬盘配置环境并自动安装相应的驱动程序，而更换一台硬件配置不一样的电脑后，由于系统中没有这台电脑的基本硬件（例如主板、BIOS等）的驱动程序，自然就无法成功启动。如果必须要在其他电脑中安装系统，可以考虑选择一些Ghost版系统，在Ghost进度条完成后关机取下硬盘，然后回到自己的电脑中重新安装硬件驱动程序即可。
重新系统后找不到第二块硬盘
Q本来系统中有两块硬盘，系统安装前一切正常，但经过几次装系统以及相关磁盘的转换操作后，系统重新安装并进入时发现找不到第二块磁盘了，而在磁盘管理器中却能看到两块磁盘，那块丢失的磁盘被显示为动态磁盘。请问这该如何解决？
A可能是误操作将这块磁盘变成动态磁盘而导致的，只要右击“我的电脑”（或“计算机”），选择“管理”，然后打开磁盘管理器，右击那块无法在资源管理器中显示的磁盘并选择“导入外部磁盘”即可恢复其原先的卷，如果在资源管理器中无法找到之前的数据，可以使用FinalData之类的数据恢复工具进行恢复。
系统时间不显示小时
QWindows 7系统，使用注册表学习器软件尝试设置了几个键值后发现系统时间只显示分钟，当前时间的小时值却不显示了。请问这该如何解决？
A你肯定动了时间格式参数的注册表键值项，只要再次打开注册表编辑器，展开到【HKEY_CURRENT_USER\ControlPanel\International】，找到右侧窗口中的“sTimeFormat”项，双击并将其值改成“H:mm:ss”，重新启动系统即可恢复正常了。
任务栏右键属性丢失
篇4
【关键词】等离子；表面活化；关键因素
1.引言
自20世纪80年代以来，硅圆片的键合技术已很广泛的用于传感器和执行器。但硅圆片的预键合通常要在1000℃以上的高温条件下进行退火才能达到较高的粘接强度，而高温容易引起多方面的问题，如基板结构的不良变化和反应，各材料热膨胀系数不同引起的键合部分应力的增加等等[1]。尤其是已经用于制造器件的硅圆片，高温条件下硅与其他部分材料的热不匹配导致较大的热应力而使器件遭到破坏，或者发生一系列的化学反应而出现缺陷或污染使器件失效。为了解决这些不利的影响，低温圆片键合技术成为了研究重点。
低温键合中键合强度的大幅度提高主要由于键合前等离子体的表面预处理，并且在低温键合过程中通过调整合适的工艺参数，如表面的预处理时间、偏置电压的大小、射频功率、气体的流动速率等[2-3]，能避免间隙或空洞的形成。本文通过设置不同的参数组合进行试验，利用正交试验分析了单晶硅表面活化工艺中重要因素对表面活化效果的影响，找出最优工艺参数，对提高键合强度有重大的意义。
2.等离子气体表面活化原理
2.1 等离子体
等离子体是由部分电子被剥夺的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气态物质，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。气体可以通过电弧放电、辉光放电、激光、火焰或者冲击波等使处于低气压状态的气体物质转变成等离子状态。通常我们采用射频激励的方式来获取等离子体。给一组电机间施以频率约为13.56MHz的射频电压，电极之间形成高频交变电场，区域内气体在交变电场的激荡下，形成等离子体。
常用的等离子体的激发频率有三种：40kHZ的超声等离子体、13.56MHZ的射频等离子体以及2.45GHZ微波等离子体。不同的等离子体产生的自偏压不同，与材料的反应机制也不相同，如表1所示。
2.2 等离子活化原理
等离子表面活化即通常所说的干法表面活化，它主要是利用等离子体的能量与材料表面进行撞击产生的物理或化学反应过程来实现清洗、蚀刻及表面活化等。如图2所示为等离子对硅圆片表面活化的结构示意图，硅圆片在活性等离子的轰击作用下其表面会产生物理与化学的双重反应，使被清洗物表面物质变成粒子和气态物质，经过抽真空排出，而达到清洗污染、活化表面的目的。
3.等离子表面活化工艺流程
以等离子O2对硅圆片的表面活化工艺为研究对象，其活化工艺流程如图3所示，主要包括如下的步骤：等离子O2表面预处理、RCA-1溶液清洗、去离子水冲洗、表面干燥、表面活性测量。
3.1 等离子O2表面处理
用等离子体对圆片表面进行轰击，以清除圆片表面的有机物污染和氧化物等，使圆片表面达到高度不规则的多孔结构。
3.2 RCA-1溶液清洗
RCA-1溶液的主要成分为氨水（NH4OH）、双氧水（H2O2）以及去离子水（H2O），由于H2O的作用，硅圆片表面有一层自然氧化膜（SiO2），呈亲水性，硅片表面和粒子之间可以被清洗液渗透。将等离子O2处理的硅圆片放入一定配比的RCA-1溶液中，在一定的温度下进行处理。
3.3 去离子水冲洗
经RCA-1溶液处理后的硅圆片用去离子水冲洗，包括活化面和非活化面，以去除圆片表面残留的溶液。
3.4 表面干燥
将处理好的硅圆片用洁净干燥的氮气将表面吹干。
3.5 表面活性测量
表面活性测量是为了评估表面活化后的效果，本文直接通过MATLAB程序计算硅圆片的键合率，由所得出的计算结果直观地反映出键合的效果。
4.实验
4.1 实验材料
试验所用的硅圆片为市售4in单晶硅单面抛光圆片，厚度为525μm，P型普通掺杂，主晶向。圆片抛光面粗糙度指标RMS（root mean square）
4.2 影响因素分析
影响等离子体表面活化效果的因素很多，如表面曝光时间、射频功率大小、真空度高低、自偏压大小、气体的流动速率等，试验针对等离子表面活化的工艺特点，选择了表面曝光时间、射频功率、气体流动速率这3个关键因素进行研究。
（1）曝光时间
对于高质量的键合强度，硅圆片表面的曝光时间是一个非常重要的因素。根据已有的研究可以归纳出：曝光时间在5秒以下能较好的去除污染物，达到一个最适宜的键合强度，并且界面处也不会有气泡产生；10s-2min有少量气泡产生；超过3min气泡的数量就会增加得很明显（如图3所示）。
本文选择了5S的活化时间对硅圆片进行试验。
（2）射频功率
射频功率不同，等离子体穿透圆片的深度也不相同，频率越低，偏置电压越大；增加偏置电压导致等离子穿透圆片更深，圆片表面非常活跃，能轻易的从清洗溶液中吸附水分子。根设备的具体情况选择了100w。
（3）O2的流动速率
气体的流动速率是影响表面活化效果的灵敏因素，流动速率的大小使活化效果相差很大。根据长期试验经验，确定活化工艺中O2的流速为100sccm。
4.3 实验
为研究等离子对硅圆片表面活化的效果，在反应腔中将硅圆片分别进行了5s不同时间的等离子曝光，然后将其放入RCA-1溶液和去离子水中清洗（包括活化面和非活化面），接着用洁净干燥的N2将硅圆片吹干，处理时间不超过3min。
5.结论分析
采用MATLAB图像处理技术将试验后的硅片红外图经过灰度增强、边界拾取、着色处理和键合率计算后可得到在8s曝光、50w射频功率和100sccm气体流量的作用下，硅圆片的键合效果最好，键合率达到了98.127%（如图4所示）。这说明合适工艺参数下的等离子表面处理技术能使硅圆片实现超高的键合率。
参考文献
[1]T.Suni，K.Henttinen，I.Suni，J.Makinenb.Effects of Plasma Activation on Hydrophlic Bonding of Si and SiO2 [J].Journal of The Electrochemical Society，149（6）G348-G351（2002）.
[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]聂磊.低温圆片键合理论与工艺研究[D].华中科技大学，2007.
[5]黄河浪，卢晓宁，薛丽丹，曾志高，梁星宇.用氧等离子体处理改善竹地板胶合性能[J].浙江林学院学报，2006，23（5）：486-490.
[6]冯祥芬，谢涵坤，张菁.低温等离子体表面处理技术在生物医用材料中的应用[J].物理，2002，31（1）：27-30.
[7]赵化侨.等离子体化学与工艺[M].合肥：中国科学技术大学出版社，1993：1-2.
[8]D J Upadhyay，Nai-Yi，C A Anderson，etal.Surface recovery and degradation of air dielectric barrier discharge processed poly（methyl methacrylate）and poly（ether ether ketone）films.Polymer degradation and stability.2005，87：33-41.
[9]林晓辉，廖广兰，史铁林，聂磊.硅片低温键合湿化学法表面活化工艺研究[J].传感技术学报，2006，19（5）：1384-1387.
篇5
关键词： 激光等离子体相互作用； 电子加速； 啁啾脉冲放大技术
中图分类号： TF806.83 文献标志码： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2016.03.017
文章编号： 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
高品质电子束流在物理学、医学等方面有着大量的应用需求，然而由于空间电场梯度等限制，传统加速器体积庞大而且造价极高，所以如何在短距离内获得高品质的电子束流一直是物理学探索的前沿课题。随着激光技术的出现，1979年Tajima等首先从理论上验证了基于激光与等离子体相互作用产生等离子体波的电子加速器的可行性[1]。他们指出，激光驱动等离子体波形成的强电场可以使带电粒子加速到相对论能量。
伴随着啁啾脉冲放大技术的出现，高能量密度激光技术进入了一个新的领域。随着激光脉冲长度的不断缩减，激光器峰值功率不断提高，激光和等离子体的相互作用显现了许多新的物理现象。超短超强激光脉冲可以非常容易地使初始为静态的电子加速到相对论能量，更重要的是，超短超强激光脉冲可以通过有质动力激发大振幅的等离子体波，通过各种不同的加速机制使电子加速获得更高能量，加速梯度可达到100 GeV/m，是传统加速器的1 000倍。
本文总结了近年来一些关于激光等离子体电子加速方面的主要的几个加速机制以及最新的研究进展。
1 主要加速机制
根据等离子体波生成的方法，激光等离子体加速电子的主要机制有激光尾波场加速度（laser wakefield acceleration，LWFA）、等离子体拍频波加速度（plasma beat wave acceleration，PBWA）、激光自调制尾波场加速（self-modulate laser wakefield acceleration，SM-LWFA）和空泡加速机制（bubble regime acceleration，BRA）。这几种加速机制中激光脉冲与等离子体波之间的关系[2]如图1所示。
1.1 等离子体拍频波加速
等离子体拍频波加速度（PBWA）[3]是采用两束长激光脉冲同时入射。分别设两个脉冲的频率为ω1和ω2，当ω1-ω2=ωp时，满足共振条件，两束激光通过拍频则可以产生波长为λp的驻波，这些驻波可以有效地驱动等离子体波加速电子。然而，PBWA机制存在一些限制，比如，当等离子体波的振幅不断增加时，由于相对论效应，相应的等离子体振荡频率就会降低，所以就会偏离了上述的共振条件，引起共振失调。20世纪80年代中期至90年代早期，激光脉冲的宽度一般都大于等离子体波的长度，激光场的强度又低于相对论自聚焦阈值，因此得到了相当多的关注，有不少实验和理论研究成果相继发表。其中较突出的是1993年，Clayton等将2.1 MeV的电子注入到两束CO2激光聚焦产生的拍波结构中，在16 mm的加速距离上将电子的能量提高到28 MeV，加速电场达到2.8 GV/m[4]。随着超短超强激光脉冲技术的发展，人们的研究重心逐步转向单个激光脉冲激发尾波场加速电子过程。
1.2 自调制尾波场加速
为了解决PBWA限制，Andreev等[5]和Krall等[6]提出了一种新方案，即自调制尾波场加速SM-LWFA。这种机制采用的是单束的、激光脉冲长度大约是几个等离子波长的激光脉冲，运行在密度较高的等离子体中，而且激光的功率大于激光自聚焦的临界功率。通过系列作用，激光被分级为很多波长为λp的短脉冲，这些短脉冲与等离子体共振，起到加速的作用。伦敦帝国理工大学Modena等利用功率为20 TW，持续时间0.8 ps，激光中心聚焦强度5×1018 W/cm2的激光，经过4 mm的相互作用距离，获得能量44 MeV的电子束。这次实验首次证明了激光加速梯度可到100 GV/m。由于自调制尾波场是由自调制不稳定激发起来的，使得实验结果很依赖于初始等离子体状态，而且加速过程不稳定，电子能量是连续分布，因此后续的研究工作较少。
1.3 激光尾波场加速
激光尾波场加速的原理是当一束强激光脉冲在稀薄的等离子体中传播时，激光脉冲的纵向有质动力将电子从激光脉冲区域排开，从而通过共振激发出了一个很强的等离子体波，即尾波场。尾波场可以在很短的距离上将电子加速到非常高的能量。2010年中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室研究人员首次利用电离注入的全光驱动双尾波场级联电子加速器方案，成功实现了电子注入与电子加速的分离与控制，实验获得了能量近GeV的准单能电子束和187 GV/m的超高加速梯度等突破性研究成果[7]，实验装置图如图2所示。这种双尾波场级联加速机制的成功实现为未来产生高性能的单能电子束提供了可行途径，对超强超短激光驱动的台式化粒子加速器的发展与应用带来巨大影响。
为了使得到的粒子束具有很好的方向性以及单能性，科学家们在近几年提出了全光注入法。其中，比较突出的有密歇根大学Umstadter等提出的激光注入法[8]、Easrey等提出的碰撞光脉冲注入法[9]以及Moore等提出的激光电离加有质动力加速的全光学注入机制[10]。
在2009年，Rechatin等提出了一种冷光注射的加速机制[11]。与原有的那些光注入机制不同的是，这种机制中的光注入并不是通过电子的加热所引起的，而是通过脉冲间的相互碰撞产生了一个空间周期性的和长期有效的作用力。这个作用力阻止了电子的纵向运动，并引导电子注入到传播的激光脉冲尾波中。这种加速机制可以在很小的能散范围内注入电子，从而获得密度很低的等离子体以及能散很低的高能量电子束。
2013年，美国Austin实验室通过自注入机制，在大于100 J的PW级的激光器系统上，得到了能量超过2 GeV的准单能电子束，其中高能部分能散为5%[12]。2014年，LBNL实验室的Leemans等通过采用9 cm长的毛细管引导激光与等离子体作用，产生了4.25 GeV的高能电子束[13]，取得了激光加速历程上的又一突破。2015年，Rassou等指出，强大的纵向磁场对激光尾波场的加速也有一定的影响[14]。
1.4 空泡加速
随着啁啾脉冲放大的进一步发展，出现了可达到飞秒量级的超短超强激光脉冲，因此人们又重新开始考虑用强激光脉冲的尾波场直接驱动等离子体波加速电子。2002年，Pukhov等 [15]发现，一些传播在空泡边缘的电子可以被困在其后方靠近轴的位置，进而在激光的尾部产生了一个只有离子存在的空泡区域，同时，一部分电子可以通过注射的方式进入腔内进行高能加速，即空泡加速机制。要利用尾波加速产生单能电子束，需要满足两个条件：一个是电子的捕获（注入）；另一个是要有稳定的加速场。所谓的空泡加速之所以可以产生准单能电子束，关键在于这两个条件都能满足。Pollock等在空泡制度下的激光尾波场加速实验中，通过仿真模拟得出，当电子被困于第二个时间段时，这些电子与通过激光的自聚焦以及电子的相互移动而形成的两个动态区域相互作用，得到了超相对能量的电子环结构，这些电子环的能量达到170～280 MeV（能散5%～25%）[16]。2013年，Nakajima等提出了几种利用空泡加速机制的加速方案，有望在Petawatt Aquitane Laser装置的3.5 kJ，500fs拍瓦激光器上将电子能量提高到100 GeV[17]。
2 其他加速机制
Sadykova等提出了一个新的加速机制――基于受激前向散射的等离子加速[18]。他们认为，由于高强度激光脉冲的长度很短，导致注入的电子束与等离子体波之间的交互作用时间很短，因此受激后向散射脉冲并不适用于粒子加速，所以建议采用刺激前向散射的方式，以获得更久的粒子加速时间以及更长的加速距离。
近几年，很多研究人员考虑用线性啁啾脉冲去加速粒子[19]。通过啁啾脉冲，改变了激光脉冲原有的对称性，在激光脉冲中会出现一个相位缓冲区。在该相位缓冲区中，由于激光具有强度较大、束宽较宽和浮动性较小的性质，滞后的电子在该区域中可以较长时间处于同一强度从而获得二次加速，进而获得能量较高、单准性较好的电子束。在2013年，Salamin等就对不同啁啾参数下的电子加速进行了研究[20]。他们对比线性啁啾脉冲和平方性啁啾脉冲对加速电子能量的影响，得出线性啁啾加速电子的能量是平方性啁啾脉冲加速电子能量的两倍。因为线性啁啾脉冲加入后，激光脉冲呈现梯形状，从而使电子能在准静态的部分持续更长的时间，达到加速的目的。
3 结 论
激光等离子体加速在近三十年来取得了巨大进步。随着激光技术的发展，激光脉冲已经能够达到百太瓦和飞秒的级别，在不同条件下不同的激光等离子体电子加速机制被发现并引导了实验上的成功。然而，虽然实验上已经获得了一些非常好的准高能电子束，但是电子束的稳定性还不是很理想，仍将限制其实际应用。因此，如何通过研究激光与等离子体相互作用机制，从而产生稳定的，准高能电子束仍是今后研究的主要方向之一。
参考文献：
[1] TAJIMA T，DAWSON J M.Laser electron-accelerator[J].Physical Review Letters，1979，43（4）：267-270.
[2] HOOKER S M.Developments in laser-driven plasma accelerators[J].Nature Photonics，2013，7（10）：775-782.
[3] CLAYTON C E，JOSHI C，DARROW C，et al.Relativistic plasma-wave excitation by collinear optical mixing[J].Physical Review Letters，1985，54（21）：2343-2346.
[4] CLAYTON C E，MARSH K A，DYSON A，et al.Ultrahigh-gradient acceleration of injected electrons by laser-excited relativistic electron plasma waves[J].Physical Review Letters，1993，70（1）：37-40.
[5] ANDREEV N E，GORBUNOV L M，KIRSANOV V I，et al.Resonant excitation of wakefields by a laser-pulse in a plasma[J].JETP Letters，1992，55：571-576.
[6] KRALL J，TING A，ESAREY E，et al.Enhanced acceleration in a self-modulated-laser wakefield accelerator[J].Physical Review E，1993 ，48（3）：2157-2161.
[7] LIU J S，XIA C Q，WANG W T，et al.All-optical cascaded laser wakefield accelerator using ionization-induced injection[J].Physical Review Letters，2011，107（3）：373-377.
[8] UMSTADTER D，KIM J，DODD E.Laser injection of ultra-short electron pulses into wakefield plasma waves[J].Physical Review Letters，1996，76（12）：2073-2076.
[9] ESAREY E，HUBBARD R F，LEEMANS W P，et al.Electron injection into plasma wakefields by colliding laser pulses[J].Physical Review Letters，1997，79（14）：2682-2685.
[10] MOORE C I，TING A，MCNAUGHT S J，et al.A laser-accelerator injector based on laser ionization and ponderomotive acceleration of electrons[J].Physical Review Letters，1999，82（8）：1688-1691.
[11] RECHATIN C，FAURE J，LIFSCHITZ A，et al.Quasimonoenergetic electron beams produced by colliding cross-polarized laser pulses in underdense plasmas[J].New Journal of Physics，2009：013011.
[12] WANG X M，ZGADZAJ R，FAZEL N，et al.Quasi-monoenergetic laser-plasma acceleration of electrons to 2 GeV[J].Nature Communications，2013，4：1988.
[13] LEEMANS W P，GONSALVES A J，MAO S，et al.Multi-GeV electron beams from capillary discharge guided subpetawatt laser pulses in the self-trapping regime[J].Physical Review Letters，2014，113（24）：245002.
[14] RASSOU S，BOURDIER A，DROUIN M.Influence of a strong longitudinal magnetic field on laser wakefield acceleration[J].Physics of Plasmas，2015，22（7）：073104.
[15] PUKHOV A，MEYER-TER-VEHN J，Laser wakefield acceleration：the highly non-linear broken-wave regime[J].Applied Physics，2002，74（4/5）：355-361.
[16] POLLOCK B B，TSUNG F S，ALBERT F，et al.Formation of ultrarelativistic electron rings from a laser-wakefield accelerator[J].Physical Review Letters，2015，115（5）：055004.
[17] NAKAJIMA K，LU H Y，ZHAO X Y，et al.100GeV large scale laser plasma electron acceleration by a multi-PW laser[J].Chinese Optics Letters，2013，11（1）：013501.
[18] SADYKOVA S P，RUKHADZE A A，SAMKHARADZE T G，et al.A new scheme for high-intensity laser-driven electron acceleration in a plasma[J].Contributions to Plasma Physics，2014，55（8）：619-624.
篇6
关键词 水稻种子；等离子体；处理；生物学性状；产量；影响
中图分类号 S511 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2013）01-0033-01
等离子体处理种子是一项新技术，是物理方法在农业中的应用[1-3]。等离子体是物质存在的第4种状态，处理后的作物种子，能够激活作物种子酶的活力，使作物表现出较强的抗逆性和生命力，提高作物产量，增产增收效果明显，为农业增产增收开辟了新途径[4-10]。探索等离子体处理[11]水稻种子的效果，明确其对产量及产值的影响可为该区域水稻优质高产高效生产提供有力的技术支撑。
1 材料与方法
1.1 试验概况
试验地点设在桦郊乡友谊村友谊社。试验田土壤为河谷平川沙壤质冲积土，供试土壤含碱解氮228 mg/kg、速效磷17.8 mg/kg、速效钾78 mg/kg、有机质39 g/kg，pH值5.7。供试水稻品种为通育315，由吉林省通化市农业科学院提供。供试水稻专用肥由吉林金穗肥料有限公司提供。
1.2 试验方法
试验设2个处理，分别为：等离子体处理水稻种子，剂量与次数为0.5A×2（A）；以未用等离体处理水稻种子作对照（CK）。6次重复，随机区组试验设计。苗床土为园田土与草碳土按3∶1比例混拌过筛，300 kg过筛土加2.5 kg水稻育苗调制剂混拌均匀。处理区与对照区施肥相同。
2 结果与分析
2.1 等离子体处理水稻种子对其生物学性状的影响
由表1可知，处理A的出苗期比CK提前1 d，秧苗茎叶干重和秧苗根系干重分别比CK多0.339 5 g/百株和0.217 5 g/百株，秧苗株高、秧苗根长、秧苗根数、分蘖期株高、分蘖株数分别比CK高2.3 cm、1.3 cm、2.2条、0.6 cm、0.9株/穴，秧苗叶龄指数、收获期株高与CK无差异。
2.2 等离子体处理水稻种子对其产量及产值的影响
由表2可知，处理A的穴穗数、穗粒数、结实率比CK分别多1.1穗/穴、7.0粒、2.2个百分点，穗瘪粒数、结实率、千粒重与CK无差异，产量比CK增产744.75 kg/hm2，增幅为11.06%，比CK增收1 980.83元/hm2。
3 结论
试验结果表明，等离子体处理水稻种子，可以明显提早水稻出苗期，增加秧苗百株茎叶干重和秧苗百株根系干重，提高秧苗株高、秧苗根长和分蘖期株高，增多秧苗根数和分蘖株数；同时提高每穴穗数、穗粒数，明显比对照增加产量744.75 kg/hm2，比对照增收1 980.83元/hm2。
4 参考文献
[1] 方向前，边少锋，付稀厚，等.等离子体处理大豆对化肥利用率的影响[J].中国农学通报，2003，27（6）：392-395.
[2] 边少锋，方向前，柴寿江，等.等离子体处理次数、时期对玉米性状及产量的影响[J].玉米科学，2005，13（2）：107-108，111.
[3] 方向前，边少锋，孟祥盟，等.等离子体处理玉米对化肥利用率的影响[J].中国农学通报，2006，26（2）：203-205.
[4] 方向前，边少锋，柴寿江，等.等离子体种子处理[J].技术农业与技术，2006，26（2）：107-108.
[5] 柴寿江，方向前，付稀厚，等.等离子体技术处理玉米种子及效益分析[J].现代农业科技，2007（23）：138.
[6] 方向前，边少锋，徐克章，等.等离子体处理玉米种子对生物性状及产量影响的研究[J].玉米科学，2004，12（4）：60-61.
[7] 张丽华，边少锋，方向前，等.等离子体种子处理对水稻生物学性状及产量的影响[J].吉林农业科学，2007，32（2）：16-18.
[8] 金心宇，张昱，金卫.等离子体状态下PYM处理水稻和大麦种子的效果[J].浙江农业科学，2002（4）：168-188.
[9] 方晓宇.等离子体种子处理机处理水稻种子的效果[J].现代化农业，2010（8）：27.
篇7
关键词：大气压等离子体；等离子体射流；介质阻挡放电；微空心阴极放电；射流装置结构
中图分类号：O461 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）34-0009-05
自美国弗吉尼亚老道明大学的Laroussi M博士在1996首次报道大气压放电射流型等离子体（Atmospheric Plasma Jet，APPJ）用于致病菌的杀灭以来，针对APPJ装置的结构设计、放电特性及应用研究，受到了材料、医学、环境、化工等领域诸多学者的广泛关注。与传统的气体放电等离子体相比较，APPJ的最大优势在于通过强气流将等离子体“吹”出放电腔，直接喷射到大气环境中，使得等离子体与高压电极分离，对操作者的安全性有极大提高。此外，从传统方式下的气体放电产生等离子体来看，其放电间隙仅限于毫米到几厘米量级，导致狭小空间内的带电粒子的活性与寿命受到影响，这就使得处理样品的尺寸受到极大限制，即使样品能够进入到放电间隙，也会对放电的稳定性带来影响，而APPJ的出现恰好克服了这些缺点。APPJ的发展与近几年来迅速崛起的等离子体材料学、等离子体医学密切相关。目前，APPJ不仅在金属、金属氧化物、有机高分子聚合物、热敏感材料的表面亲水性及其化学活性的改性方面已有许多研究成果，同时，这些装置在等离子体医学中已成功用于细菌、真菌、体外凝血、癌细胞治理、牙齿美白等。在国际上，一些学者甚至将其用于慢性感染伤口的愈合、皮肤螨虫的治疗，且以优于传统方法的临床效果为佐证。国内对APPJ的研究相对较晚，且大多使用惰性气体（如氦气）放电，除进行材料表面改性、致病菌杀灭以外，在口腔医学、伤口治疗等领域的涉足相对较少。主要有华中科技大学、中国科学技术大学、中科院物理所、清华大学等高校与研究所。另外，APPJ自身所含有的高速运动自由基与处理对象间的碰撞反应是物理化学、空气动力学及微生物学等学科的高度交叉，目前的许多研究仍处于实验室阶段，与工业应用仍有相当的差距。本文概述了APPJ装置的结构特点及放电特性，阐述了它们的基本原理，结合APPJ在材料表面改性与等离子体医学中的广泛应用，对APPJ进一步发展所面临的挑战及未来应用前景进行了展望。
1 基于MHCD的APPJ
微空心阴极放电（Microhollow Cathode Discharge，MHCD）已经过了100多年的发展历史，其放电时拥有较高的电子浓度，在后来的应用中，人们利用它的高能活性粒子，进行材料表面改性、致病菌杀灭等。其典型构造为三层叠状，即金属电极-绝缘介质-金属电极。通常情况下，电极使用金属钼、钨、铝或者铜箔制作，绝缘介质则为云母、氧化铝陶瓷或聚四氟乙烯等，通过高速钻机或者激光器打一穿孔，孔径典型值为10～500μm。由于阴极孔存在电子钟摆、二次电子发射以及彭宁效应，使得MHCD的电离率较高，外加相对较低的电压就能放电，降低了对外部绝缘的要求。更为重要的是，MHCD在非惰性气体（主要指空气和氮气）射流方面有着天然的优势。
美国老道明大学的Schoenbach课题组基于MHCD原理，报道了世界上第一个空气APPJ装置。图1（a）为该装置结构示意图，中间绝缘介质厚度0.2～0.5mm，两侧电极厚0.1～0.3mm，放电孔径0.2～0.8mm。当外部空气以8L/min的流量通过放电微孔且两电极间外加直流电压1.5～2.5kV时，该装置开始放电，其维持电压很低，只需500V左右。稳定放电时，维持电流约2mA。图2给出了射流时的气体温度曲线图，可以明显看出，随着轴向距离的增加，气体温度先迅速下降，然后缓慢趋近于室温。后来，为了增大孔径内的气体压力，提高喷射气流的速率，出现了图1中（b）和（c）两种装置结构，而图1中的结构（d）也是在图1（a）的基础上改进得到，其两电极间开始出现较小的正对面积，有利于孔内粒子的进一步电离。前述四种结构下实现的等离子体射流面积较小，而图1（e）所示的阵列式多孔放电结构因能实现相对较大面积放电而备受学者青睐，但为了维持空心阴极效应，阵列式结构对孔径尺寸有着严格的要求，其加工工艺要求甚高，且很难实现每孔均同时稳定放电，在实际应用过程中并不能对样品进行严格意义上的均匀处理。
另外，韩国的Hong Y C课题组也在微孔射流上做了大量的工作，他们使用60Hz的交流电压源作为外部激励，并制作了空气等离子体射流装置，图3（a）给出了其装置原理图。当空气流量为5L/min时，该装置射流长度可达23mm，在气体放电长度上代表了使用空气产生非平衡等离子体射流的最高水平。由于该类装置具有较高的电离率，在距喷口10mm处，等离子体温度为60℃，且功率最大可达2W，比之前报道的直流电源激励的射流功率都要高。在后续的报道中，他们研制了可产生65mm的多孔阵列式氮气等离子体射流源，其正常工作电压5.5～9.5kV（峰峰值），气体温度可稳定维持在34℃以下。至于放电波形，电压大致为锯齿状，电流则呈周期性的脉冲放电，且脉冲频率为10～400kHz，这种特殊的振荡式放电与Hensel K等人采用直流电源激励时的电特性有相似之处。另外，由于他们的研究均使用交流电源驱动，虽然已具有良好的应用特性，但装置正常工作时在正负半周期均会产生严重的电压振荡，一般的交流电压源很难满足这种特殊的放电需求。为此，对于该类APPJ装置放电电源输出参数的设计就提出了很高的要求。
图1 基于MHCD的等离子体射流装置示意图
图2 等离子体射流气体温度与轴向距离关系图
2 DBD形式的APPJ
由于前述基于MHCD的APPJ装置是实现氮气、空气等离子体射流的最佳方式，所以将其单独列为一节进行介绍。而目前使用较多的介质阻挡放电（Dielectric Barrier Discharge，DBD）难以对以空气为代表的非惰性气体实现射流型非平衡等离子体。因此，DBD形式下使用的气体以价格较为昂贵的惰性氦气和氩气为主，纯氩气放电时的热量以及发光强度相对氦气较大，放电时的电子密度一般为氦气的2～2.5倍，但氩气放电时对电路参数较为敏感，很难通过常规的诊断方式来识别其放电模式。而在实际的操作过程中，我们通常都会忽略这些因素，一般都是根据具体的应用对象，通过在惰性气体中混入一定比例的其他气体（如氧气、氮气），来达到相应的应用效果，但这种情况下，很容易对放电的稳定、均匀性造成影响。
（a）schematic of air plasma jet
（b） photo of N2 plasma jet with the porous alumina dielectric
图3 基于MHCD的阵列式等离子体射流装置
等离子体中高能活性粒子的运动不仅受装置结构的影响，外加电源的频率对其运动也至关重要。用来激发DBD形式的射流可以使用射频、微波诱导、脉冲以及低中频交流电源。从目前的研究来看，由于成本及相关技术原因，国内使用射频或者微波诱导产生冷等离子体射流的研究不多，而国外已有相关的实际应用。就使用脉冲电源而言，不但可以提高电子能量，减小功率损耗，利于离子化效率的提升，而且可以避免其他类型电源激励下射流的热不稳定性，实现更为稳定的放电。特别是在电晕放电状态下，当脉冲持续时间小于电弧产生所需的时间时，已经结束的脉冲可以迅速抑制电弧的形成，避免向火花放电发展。至于交流正弦波电源，在满足放电要求的前提之上，相对前三者更为价廉，也是在目前被广泛用于APPJ的原因之一。
2.1 单电极APPJ
就单电极等离子体射流结构而言，有三种常见的形式。图4给出了结构示意图，其中外表面单电极如图4（a），直接将高压环形电极置于石英管外壁。在这种方式下，Ye R观察到等离子体子弹以17km/s的速度快速向管外喷出，这种状态的维持源于光电离作用，但在高压电极附近，电场却起着维持等离子体发展的主导作用，驱使等离子体向低电场区域运动，从而形成射流型等离子体在大气环境下的长度。图4（b）、图4（c）给出了另外两种单电极结构示意图，图4中的结构（b）在制作时一般使用细针，但由于电场主要集中在电极的尖端，射流的激发源于电晕放电，这种方式下在射流长度上会受到一定限制。图4中的结构（c）为单针电极射流示意图，该方式并非DBD，但考虑该结构在一些特殊场合下（狭缝、管状组织内部、牙根管等）的巨大优势，同时与图4中的结构（a）和（b）共同构成较为完整的单电极射流体系，为此在该处将图4中的结构（c）一并介绍。Lu等人使用脉冲电源在这方面做了大量的工作，详细探讨了脉冲电压幅值、频率、脉宽时间、气体流量以及喷口直径对射流长度的影响。同时，在该装置上检测到的放电电流峰值达360mA，是目前低温等离子体射流领域报道的最大电流值。然而，有文献指出，图4中的（a）和（c）结构因高压电极直接暴露在大气环境中，存在一定的安全隐患。针对该问题，也报道了其派生结构，主要是在针电极孔上外接超细绝缘管，操作者通过直接接触绝缘管进行射流应用，这样一来便有两大好处：一方面使得与处理对象接触较近的为绝缘细管与等离子体，可巧妙避免高压单电极的误伤；另外，由于人体对绝缘管的触摸，导致接触区域的电场得到加强，绝缘管表面的电荷积累增多，促使射流长度变长，图5为使用该方式产生的60cm超长氩气等离子体柱照片。
图4 单电极等离子体射流装置结构示意图
图5 60cm超长氩气等离子体柱照片
2.2 两电极APPJ
目前的两电极等离子体射流装置结构不胜枚举，但放电形式大多基于DBD（还有很多结构并非DBD形式，此处不做介绍），需要指出的是，在有的情况下，两个电极之间并没有放置处理样品或阻挡介质时，并不是严格意义上的DBD，有学者称这种结构为类DBD，但此处假设两个电极间已有阻挡物体，将其纳入DBD形式的两电极射流结构进行介绍。
图6给出了六个典型的两电极射流装置结构示意图，图6（a）为外表面双电极结构，Teschke M等观察到等离子体像“子弹”一样以数十千米每秒的速度向前发射，且子弹的射出总是出现在电压上升至一定值的时刻。Sands B L认为这种结构下射流的产生并不依赖于管内的电场，在管内开始放电之前，等离子体射流已经开始产生，且其源于一种不断发生的自持放电。当收缩两个电极间的距离时，管内放电将会延迟，同时射流的产生时间将会提前，且距离越小，这种现象越明显。而图6（b）是将图6中的结构（a）的一外置电极改为内置，有学者称图6中的结构（b）为中心电极结构，当内置电极接高压电源输出端时，其强电场区仍集中于尖端附近，这种源于电晕方式激发的射流长度相对较短，但与图6中的（a）结构相比较，图6中的（b）结构的放电稳定性更好。图6（c）几乎与图6中的结构（b）类似，只是图6中的结构（c）的内电极为空心结构，同时可以在电极上开以喷气孔，此时更容易实现稳定均匀放电，但由于喷气孔分担了部分气流量，减小了内电极管内的压力，在同等条件下，其射流长度及应用效果均不及空心电极结构。图6（d）则在图6中的结构（c）的基础上保留外表面电极，但将内置的电极移至喷口附近，作为地电极，而图6中的结构（a）、结构（b）和结构（c）的电极接线方式可以任意改变。对于图6中的结构（d），当地电极远离喷口处的高压电极时，实际上是作为单电极方式而存在，此时大气中的某处则成为了参考电位；当缩短两电极的距离至某一值时，便开始出现电弧。因此，在使用图6中的结构（d）放电时，应特别注意两电极间的相对距离，避免电弧的发生。至于图6中的结构（e），为一种针-板式射流方式，其功率一般在50W以下。这种结构若是内置实心针电极，则一般使用射频电源驱动（13.56MHz、27.12MHz或40.68MHz），且随着频率的不断提高，等离子体的电流密度不断增大，但很容易拉弧。在应用过程中，可根据具体情况设计相应的冷却系统，以降低腔体发热。而当内置电极为空心结构时，图6中的结构（e）更适合进行阵列式等离子体射流，因为此时可以充分利用各管喷射到大气的等离子体间的相互作用，对空间及样品的表面电荷进行均匀分配，发挥其自适应、自调节能力。Kong M G的研究表明，图6中的结构（e）在阵列式射流时的放电稳定性与一致性上明显优于单个射流。
图6 两电极等离子体射流装置结构示意图
3 等离子体“子弹”机理分析
在早期的研究中，由于等离子体诊断技术的局限性，学者们大多只能通过肉眼或者普通长曝光数码相机进行放电图像拍摄，观察到了等离子体射流过程中的各种物理放电现象，同时，许多研究者更为注重的是等离子体射流源的应用特性，至于这些物理现象的机理解释及放电的演化，特别是对等离子体射流机理的形成及关键参数的控制研究，目前仍处于初始阶段。最近几年，随着纳秒量级增强型电荷耦合器件（Intensified Charge Coupled Device，ICCD）及电子倍增电荷耦合器件（Electron-Multiplying CCD，EMCCD）技术的发展，学者们对于射流机理的研究才开始进入到微观层面。2005年，德国伍珀塔尔大学的Teschke M等在毛细管内进行氦气等离子体射流时，通过纳秒量级ICCD拍摄到的等离子体射流实际上是由类似“子弹”的高速小光球组成，且总出现在电压的上升阶段，它们的推进速度约为104～105m/s，远高于气体本身的流速。美国的Laroussi M课题组通过ICCD对等离子体的运动状态进行拍摄，发现以圆环形状存在的等离子体“子弹”运动速度高达106m/s，并认为电压及气体流量是影响“子弹”形成的两个重要因素，其演化过程与正流注相似。日本矢崎（Yazaki）公司Ye R研究员等开展了射流等离子体的动力学研究，认为光致电离是形成“等离子体子弹”的根本原因，同时发现“等离子体子弹”在演化过程中呈现出先加速后减速的趋势，其运动速度与气流方向无关。随后，针对这种“子弹”模式的射流方式，美国的Sand B L等也相继观察到了等离子体“子弹”，并提出了相应的理论模型，但这些理论的提出还有待进一步研究。这些研究很好地揭示了“等离子体子弹”的形成及发展，但事实上，通过模型计算得出的“等离子体子弹”的理论速度与实验观测值仍存在一定的差异，因此，对于射流机理的解释还有待研究。现阶段人们普遍认为，电场是维持等离子体发展的主导因素，且不断促使电离崩头电离前方气体，从而跟随气流至管外低电场区形成射流等离子体。此外，学者们在研究过程中还观测到了丰富的物理现象，如射流模式的演化、短时混沌现象、“电荷溢流”现象、“自组织模式”、等离子体的非准电中性效应等，针对这些有趣现象的研究，目前仍在深入进行中。
4 APPJ面临的问题及展望
等离子体射流经过了半个多世纪的发展，但兴起等离子体射流应用于材料、医学等领域的研究，还不到20年。虽然近年不断涌现出各式各样的射流装置，可在理论研究与实践应用相结合的过程中，仍有许多问题亟待解决。
首先，APPJ应用涉及的知识面较广，几乎涵盖了机械、材料、电气、生物、化学、物理以及动力等学科。人们一般难以从不同学科角度来进行同一问题的研究，在针对不同的应用场合时，很难根据作用对象的特征，对等离子体源的气体放电温度、输出功率进行良好控制。
其次，APPJ在相关的应用领域已经有了很好的实验效果，但放电功率密度相对较小，对放电效率及利用率尚无明确定义。不管是在材料表面改性，还是等离子体医学应用，当前的大多数研究仍停留于实验室阶段，如何实现工业级大面积、高效率应用还需在装置的结构设计上进一步改进。此外，对于放电机理的研究，目前并没有一个较为圆满的解释，学者们无法达成统一的认识。同时，等离子射流很大程度依赖于惰性气体，其应用成本及风险，并没有得到合理评估，对其应用效果应开展长期的后期效果
论证。
再次，虽然近几年已出现氮气甚至是空气APPJ，但发展脚步较为缓慢，特别是它们的射流长度极为有限、气体放电温度相对偏高，在很多实践环节都受到了相当的限制。再者，不论是在国内还是国外，实现大面积非平衡等离子体射流都会在装置的加工工艺及放电稳定性方面面临巨大挑战。
最后，APPJ已经展现出良好的应用前景，俄罗斯女科学家Ermolaeva S A认为非平衡氩气等离子体射流可以替代抗生素，德国科学家Zimmermann J甚至认为APPJ可以用来抑制艾滋病毒在血液中的传播。在国内，华中科技大学卢新培教授制作了世界上唯一一种能放入牙齿根管内对根管进行杀菌的等离子体射流装置，这一切成果让我们倍感欣慰。但我们仍需要不断致力于基础学科的研究，这将有益于更深层次地揭示APPJ的作用机理。APPJ应不断向着阵列式、高功率密度、低成本及专一应用场合的方向发展，其光明的应用前景有望在人类的健康事业、半导体工业及等离子体化学等领域做出重大贡献。
参考文献
[1] Laroussi M. Sterilization of contaminated matter with
an atmospheric pressure plasma[J]. Plasma Science，
IEEE Transactions on，1996，24（3）：1188-1191.
[2] Isbary G， Morfill G， Schmidt H， et al.A first
prospective randomized controlled trial to decrease
bacterial load using cold atmospheric argon plasma
on chronic wounds in patients[J]. British Journal of
Dermatology，2010，163（1）：78-82.
[3] Daeschlein G，Scholz S，Arnold A，et al.
In Vitro Activity of Atmospheric Pressure Plasma Jet
（APPJ） Plasma Against Clinical Isolates of Demodex
Folliculorum[J]. Plasma Science， IEEE Transactions
on，2010，38（10）：2969-2973.
[4] Gianchandani Y， Wright S， Eun C， et al. Exploring
microdischarges for portable sensing applications
[J]. Analytical and Bioanalytical Chemistry，2009，
395（3）：559-575.
[5] Kolb J， Mohamed a a H， Price R， et al.
Cold atmospheric pressure air plasma jet for medical
applications[J]. Applied Physics Letters，2008，92
（24）：241501.
[6] Mohamed a a H， Kolb J，Schoenbach K.Low
temperature， atmospheric pressure， direct current
microplasma jet operated in air， nitrogen and oxygen
[J].The European Physical Journal D-Atomic，
Molecular， Optical and Plasma Physics，2010，60
（7）：517-522.
[7] Feng H， Sun P， Chai Y， et al. The interaction of
a direct-current cold atmospheric-pressure air plasma
with bacteria[J]. IEEE Transactions on Plasma
Science，2009，37（1）：121-127.
[8] Becker K， Schoenbach K，Eden J. Microplasmas and
applications[J]. Journal of Physics D： Applied
Physics，2006，39（3）：R55-R70.
[9] Hong Y C， Uhm H S. Air plasma jet with hollow
electrodes at atmospheric pressure[J]. Physics of
Plasmas，2007，14（5）：053503.
[10] Hong Y C， Kang W S， Hong Y B， et al.
Atmospheric pressure air-plasma jet evolved from
microdischarges： Eradication of E. coli with the jet
[J].Physics of Plasmas，2009，16（12）：123502.
[11] Kim K， Kim G， Hong Y C， et al. A cold micro
plasma jet device suitable for bio-medical applications
[J].Microelectronic Engineering，2010，87（5-8）：
1177-1180.
[12] Hensel K， Katsura S，Mizuno A.DC microdischarges
inside porous ceramics[J]. IEEE Transactions on
Plasma Science，2005，33（2）：574-575.
[13] Moravej M， Yang X， Nowling G， et al. Physics of
high-pressure helium and argon radio-frequency
plasmas[J].Journal of Applied Physics，2004，96
（12）：7011-7017.
[14] Li S Z， Lim J P， Kang J G， et al. Comparison of
atmospheric-pressure helium and argon plasmas
generated by capacitively coupled radio-frequency
discharge[J]. Physics of Plasmas，2006，13（9）：
093503.
[15] Uhm H S， Hong Y C. Various microplasma jets and
their sterilization of microbes[J].Thin Solid Films，
2011，519（20）：6974-6980.
[16] Tendero C， Tixier C， Tristant P， et al. Atmospheric
pressure plasmas： A review[J]. Spectrochimica Acta
Part B： Atomic Spectroscopy，2006，61（1）：2-30.
[17] Fridman A， Chirokov A，Gutsol A. Non-thermal
atmospheric pressure discharges[J]. Journal of Physics
D： Applied Physics，2005，38（2）：R1-R24.
[18] Ye R，Zheng W.Temporal-spatial-resolved
spectroscopic study on the formation of an atmospheric
pressure microplasma jet[J]. Applied Physics Letters，
2008，93（7）：071502.
[19] Xiong Q，Lu X，Ostrikov K，et al.Length control of
He atmospheric plasma jet plumes：Effects of discharge
parameters and ambient air[J]. Physics of Plasmas，
2009，16（4）：043505.
[20] Hong Y C，Cho S C，Kim J H，et al.A long plasma
column in a flexible tube at atmospheric pressure[J].
Physics of Plasmas，2007，14（7）：074502.
[21] Teschke M，Kedzierski J，Finantu-Dinu E，et al.
High-speed photographs of a dielectric barrier
atmospheric pressure plasma jet[J]. IEEE Transactions
on Plasma Science，2005，33（2）：310-311.
[22] Sands B L， Ganguly B N，Tachibana K.A streamer-
like atmospheric pressure plasma jet[J].Applied
Physics Letters，2008，92（15）：151503.
[23] Xu L，Liu P，Zhan R J，et al.Experimental study
and sterilizing application of atmospheric pressure
plasmas[J]. Thin Solid Films，2006：506-507（400-
403.
[24] Weltmann K D，Brandenburg R，Von Woedtke T，et
al.Antimicrobial treatment of heat sensitive products by
miniaturized atmospheric pressure plasma jets
（APPJs）[J].Journal of Physics D：Applied
Physics，2008，41（19）：194008.
[25] Cao Z， Walsh J L，Kong M G. Atmospheric plasma
jet array in parallel electric and gas flow fields for
three-dimensional surface treatment[J].Applied Physics
Letters，2009，94（2）：021501.
[26] Lu X P， Laroussi M. Dynamics of an atmospheric
pressure plasma plume generated by submicrosecond
voltage pulses[J]. Journal of Applied Physics，2006，
100（6）：063302.
[27] 张冠军， 詹江杨， 邵先军， 等. 大气压氩气等离
子体射流长度的影响因素[J]. 高电压技术，2011，
37（6）：1432-1438.
[28] 董丽芳， 毛志国，冉俊霞. 氩气介质阻挡放电不
同放电模式的电学特性研究[J]. 物理学报，2005，
54（7）：3268-3272.
[29] 尹增谦， 柴志方， 董丽芳， 等. 大气压氩气放电
中的斑图形成[J]. 物理学报，2003，52（4）：925-
928.
[30] 罗海云， 冉俊霞，王新新. 大气压不同惰性气体
介质阻挡放电特性的比较[J]. 高电压技术，2012，
38（5）：1070-1077.
[31] Dong L F， He Y F， Yin Z Q， et al. Hexagon and
stripe patterns in dielectric barrier streamer discharge
[J].Plasma Sources Science and Technology，2004，
13（1）：164-165.
[32] Walsh J L， Iza F， Janson N， et al. Three distinct
modes in a cold atmospheric pressure plasma jet
[J].Journal of Physics D： Applied Physics，2010，
43（7）：075201.
[33] Nie Q Y， Ren C S， Wang D Z， et al. A simple
cold Ar plasma jet generated with a floating electrode
at atmospheric pressure[J]. Applied Physics Letters，
2008，93（1）：011503.
[34] Nie Q Y，Ren C S，Wang D Z，et al.Self-organized
pattern formation of an atmospheric pressure plasma jet
in a dielectric barrier discharge configuration[J].
Applied Physics Letters，2007，90（22）：221504.
[35] Mericam-Bourdet N，Laroussi M，Begum A，et al.
Experimental investigations of plasma bullets[J].
Journal of Physics D： Applied Physics，2009，42
（5）：055207.
[36] Ermolaeva S A，Varfolomeev a F，Chernukha M Y，
et al.Bactericidal effects of non-thermal argon plasma
in vitro，in biofilms and in the animal model of infected
wounds[J].Journal of medical microbiology，2011，
60（1）：75-83.
[37] Isbary G，Morfill G，Zimmermann J，et al.Cold
Atmospheric Plasma：A Successful Treatment of
Lesions in Hailey-Hailey Disease[J].Archives of
Dermatology，2011，147（4）：388.
[38] Lu X P，Cao Y G，Yang P，et al.An RC Plasma
Device for Sterilization of Root Canal of Teeth[J].
篇8
我国预计会在2020年左右建成空间站，而这个尚未建成的太空家园承载着许多科学家的科研规划。东华大学物理系特聘研究员杜诚然，就是其中的一员。他说：“我国的空间站将成为空间科学和多种新技术研究实验的重要基地，希望有机会能在空间站微重力环境下进行复杂等离子体实验。”
关于复杂等离子体，杜诚然做了一个简单的介绍：物质在固态、液态和气态之外，还有第4种形态，存在于宇宙空间中，那就是等离子体。通俗地说，如果对气体进一步加热，使其发生电离，就能产生等离子体。“我们在等离子体中引入宏观尺度的尘埃颗粒，组成一种更加复杂的混合粒子系统，就形成了复杂等离子体。在微重力环境下，所形成的系统将更加接近自然界中传统物质的性质。可以说，复杂等离子体系统将各个不同的经典物理学科（包括等离子体物理、流体力学、凝聚态物理等）有机地结合在了一起，尤其是对于传统物质的基础研究更有着不可估量的意义。”
两次交换生开启科研之路
杜诚然的科研之路，是从当交换生开始的。
2005年8月，正在上海交通大学读大三的杜诚然被学校选中，去新加坡国立大学进行一个学期的交换学习。在新加坡的一个学期，杜诚然进入了实验室，开始接触实验研究。随后，他又公费去德国的萨尔布吕肯大学交换了一学期，这一次，他学会了德语。在德国交换期间，杜诚然也和在新加坡时一样，在实验室工作过一段时间。这两个学期的交换生生涯让杜诚然见识到了国外的科研氛围，看到了与国内不同的科研与教学方式，他认识到，这个时候国外的科研和教学环境要优于国内。因此，本科毕业后，杜诚然决定去德国慕尼黑工业大学继续深造。
“可能是因为之前在德国做过交换生，德语也还熟练，所以我在学校融入得很快，一个月的时间，我已经能在感兴趣的实验室里做一些简单的工作。”杜诚然说：“我对选择科研方向特别谨慎，先后在3个实验室实践之后，我才最终决定了研究方向――在德国马普学会地外物理研究所研究复杂等离子体。”
研究生期间，杜诚然所做的第一个实验就是关于复杂等离子体中微粒凝结过程的研究。由于微米量级颗粒在等离子体环境中与电子流和离子流相互作用下能够带有极大的电荷，国际上普遍认为在等离子环境中带同种电荷的颗粒凝结是不可能的。而杜诚然通过实验研究尘埃声波与带电微粒的相互作用，在国际上首次提出利用自激发波的方法克服颗粒间的屏蔽排斥相互作用势从而实现大尺寸颗粒的凝结，并开创性地使用长距显微镜直接观测悬浮于等离子体中的凝结体的结构，实验结果发表于PhysPlasmas上，文章被多次引用。
此方法被美国Baylor大学、法国国家科学研究院CNRS等多个科研机构的科研团队所采用，研究结果对理解宇宙中星体的形成过程有着重要的意义。
对于初涉科研之路的杜诚然来说，这是很高的评价了。而这些，当时的他并不知道。“这是我研究生时候做的第一个实验，当时对自己的成果根本没有清醒的认识，真的没想到会有这么大的反响。”杜诚然诚说道。
“微重力”带来“大成果”
这个实验给杜诚然的科研之路上演了一出“开门红”，也给了他更大的信心。随后，杜诚然开始参与第三代际空间站复杂等离子体实验室PK-3Plus的工作，负责后期实验数据的分析工作。
在分析这些数据的时候，他发现了一种尘埃颗粒团簇穿越另一尘埃颗粒团簇而导致的“行”形成过程的记忆效应，这在国际上尚属首次。他说：“在分析这种在空间或时间上具有某种规律性的非均匀宏观结构时，我通过将空间站中的微重力实验与地面实验室中的高分辨率实验数据以及使用GPU并行计算技术获得的模拟计算结果进行比较，发现了非相加性对于‘行’结构的形成过程有着重要的影响。”关于这一实验的相关研究结果最后发表于EurophysLett.等国际期刊上，其中，在New JPhys上发表的综述论文被英国物理协会IOP选为“Hightlight of 2012”。
杜诚然介绍，在国际空间站上复杂等离子体实验室PK-3 Plus上进行的实验是德国和俄罗斯两国的合作实验项目，每次任务前都由两国科学家讨论决定具体的实验方案并上传到国际空间站。实验期间，两国科学家在莫斯科近郊科罗廖夫的国际空间站控制中心，直接与在轨宇航员一起操作和监控实验。任务结束后，所储存的实验数据被宇航员带回地面并送往马普学会和俄罗斯高温联合研究所进行分析。杜诚然说：“整个流程是非常复杂的，牵涉到多个方面，而在多年的前期工作之下，才最终产生了大量的实验数据。而我只是在分析这些数据的时候发现了这一成果，严格意义上来说不敢居功。”
虽然杜诚然不以该成果为傲，但自然有人慧眼识英才。2012年，在PK-3 Plus行将退役之时，杜诚然开始参与由欧洲宇航局主导的第四代在轨国际空间站复杂等离子体实验室PK-4科学装置的测试开发，在波尔多参与德国宇航中心（DLR）第20次抛物线实验任务。
2014年，在马普学会地外物理研究所工作的杜诚然决定回国。“这不仅是因为家人在国内，也是因为我国空间站微重力环境下的自然科学实验研究刚刚起步。我希望自己在这方面的经验可以提供一些思路和想法，做一点绵薄的贡献。”
在2014年成功发射的PK-4的开发研究中，杜诚然作为科学专家组成员参与实验规划及数据分析，并参与下一代国际空间站复杂等离子体实验室PlasmaLab的硬件开发和测试（包括抛物线飞行微重力测试）。在我国空间站行将建成之时，杜诚然的经历弥足珍贵，将为我国建造复杂等离子体实验室乃至为我国复杂等离子的发展提供宝贵的经验。
在国外的这些年，杜诚然的学习、工作方式或多或少的被“同化”。他说：“本科的时候我经常一个人学习到晚上十一二点。刚去德国的时候，我觉得那里的人很‘不务正业’，经常聚在一起闲聊。”杜诚然笑笑，继续说道：“后来发现很多科研思路就是在这种讨论中展开的，比一个人窝在屋里做研究更有效率。因此回国之后我也不像以前一样喜欢一个人加班加点，反而更喜欢出去跑步、做做运动，花更多的时间与同事及学生讨论问题。”
作为一个上海人，杜诚然在回国之后首选家乡，作为特聘研究员加入了东华大学。他说：“东华大学有一个非常好的特点，就是它可以包容在短期内难以取得结果的研究，鼓励需要大量时间积累的基础性研究。我觉得这个真的很好，对我来说很重要。”
在东华大学，杜诚然带着5个研究生。对待学生，杜诚然鼓励他们独立思考。“当我们出现分歧的时候，他们经常提出不同的观点，这样很好。不过他们需要在思考的深度上下功夫，我要的不仅是不同的观点，而更应该是有深度的思考。”杜诚然说，在带学生上面他还是新手，还在摸索最适合的方法。
篇9
关键词：航空发动机；等离子体；电场；磁场
中图分类号：V439 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）05-0055-02
1 方案背景
1.1 燃气涡轮发动机面临的问题
燃气涡轮是燃气涡轮发动机三大核心部件之首，其性能很大程度上决定了发动机的整体性能。而涡轮进口温度对涡轮做功能力和效率有直接影响，所以各国不遗余力地致力于提高涡轮进口温度。但是，受到材料自身特性的影响，即使考虑到冷却技术的进步，提高涡轮进口温度也将遇到瓶颈。
1.2 人工等离子体技术的发展
1.2.1 等离子体简介
等离子体又叫电浆或超气态，即电离了的“气体”。等离子体广泛存在于宇宙中，是物质的主要存在形式。自然界中的火焰、闪电等都是等离子体。当原子被加热到足够高的温度或受其它作用时，电子摆脱原子核的束缚成为自由电子。等离子体即由原子核、电子组成，宏观上等离子体呈现电中性，是一种很好的导电体，经过巧妙的设计，可以被磁场捕捉、移动和加速[1]。
1.2.2 等离子体的应用
等离子电视、磁流体发电机是等离子体应用实例。在航天领域，已经进入到实用阶段的的离子发动机（日本的“隼鸟”、欧洲的“智能1号”、美国的“黎明号”）是以人工制造的等离子体作为工作介质，通过精准控制的磁场和电磁场来获得推力。随着科技的进步，将来对人工制造等离子体及对其应用上将取得长足的进步。
1.2.3 磁流体发电机
值得一提的是利用等离子体作为工作介质的磁流体发电机，其结构示意图见图1。
磁流体发电技术是利用等离子体高速流过磁场，正负离子受相反方向的洛伦兹力而分别聚集到两极，从而产生持续电流。我国早在60年代初就开始研究，并列入“863”计划，在北京、上海、南京建立了试验基地。磁流体发电中，利用高温燃烧的气体中添加1%的钾、铯等碱金属化合物（也叫种子）的方法，使得气体在3000K左右甚至2200K左右就能转化为满足要求的等离子体[2][3][4]。
2 等离子体工质发动机的基本结构
等离子体工质发动机的基本机构（见图2）与目前发动机结构（见图3）类似，在燃烧室中增加两个电场结构和电子收集板，第一个电场用以使燃气电离，电子收集板用以收集电离后的电子，第二个电场用以调节带正电的离子的方向回归轴线方向；在导向叶片位置，可设置一个磁场结构，用以调节燃气以合适的方向进入到下一环节――“燃气涡轮”；“燃气涡轮”是一个用磁场代替涡轮叶片从燃气中提取功率的结构；在“燃气涡轮”之后有一个放电网，电子收集板收集的电子在放电网与正离子重新结合形成常规燃气，使得可以继续用涡轮提从中提取功率。
3 工作原理
气体进入燃烧室之前，工作原理与常规发动机无异，即气流经过压气机压缩压力增大，以合适的压力和速度进入燃烧室燃烧产生燃气。在燃气达到燃气涡轮之前被电场电离，变成电子和正离子。电子和正离子都受到电场力的作用，电子所受力与电场方向相反，而正离子所受力与电场线方向相同。由于电子的质量相对于正离子的质量近乎可以忽略，所以电子获得的加速度比正离子所获得的加速度大得多，那么，电子的运动轨迹可以在正离子运动轨迹偏转很少的情况发生很大的偏转。收集板（相当于磁流体发电机的一极）用于收集偏转的电子。正离子将通过电场和磁场所形成的“导向叶片”，将燃气方向调整至需要的方向，之后流经安装在发动机轴上的磁场盘（如图4所示）。在磁场盘中，离子受到洛伦兹力，速度的大小不变但方向改变，而且在每一点，速度方向改变的趋势都一致。磁场将会受到反作用力，该反作用力通过磁场盘传递到发动机轴。流经磁场盘后，燃气的能量降低（速度不变，压力和温度降低）。这时磁场盘相当于冲击式涡轮。如图5和图6。
磁场盘的级数可视情况而定。当燃气的温度降低到常规涡轮叶片可以承受的温度后，通过放电网将正负离子重新掺混，一方面产生持续的电流，作为电源使用；另一方面燃气变为常规的中性燃气，从而可以用普通涡轮提取燃气中的动能。用涡轮提取燃气动能的原理与普通发动机无异，不再赘述。
4 优点和难点
优点：涡轮前温度得到解放，发动机性能得到极大提高。
难点：燃气的电离、磁场的建立和调节、抗电磁干扰能力。
5 结语
目前，该方案所涉及到的等离子体的产生、电磁场的产生和精确调控、相互间的电池干扰、等离子体对金属的腐蚀等诸多技术问题，仍需一一攻克。但相信随着技术的进步，该方案不失为未来的一个选择。
参考文献
[1]国家自然科学基金委员会.等离子体物理学[M].科学出版社，1994.
[2]郭铁梁.等离子体及磁流体发电技术[J].煤矿机械，2004（05）.
篇10
关键词： 硅刻蚀； 容性耦合等离子体； 射频电压； 腔室压强； Kriging模型； 优化
中图分类号： TN405.98； TB115.1文献标志码： 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
技术的不断进步对微电子机械系统工艺和器件的设计提出更高的要求[1]，如元器件本身的尺寸减小：其表面特征尺寸已由原来的微米级上升到现在的纳米级.传统的湿法刻蚀由于各向异性差、均匀性差、不容易控制等缺点，逐渐被各向异性好、均匀性好、容易控制的干法刻蚀所取代.
在干法刻蚀中等离子体刻蚀应用最广泛，也是微纳米加工能力最强的技术，但是其目前主要依赖于刻蚀经验.由于试验周期长、成本高[2]，等离子体刻蚀的工艺仿真技术显得尤为重要.工艺仿真技术可通过建立适当的模型，得到目标结构的仿真效果，因此可以根据刻蚀机腔室的工艺相关参数预测刻蚀形貌，还能够对工艺参数进行优化，进而得到理想的刻蚀形貌.仿真模拟不仅降低微电子机械系统加工工艺的试验成本，提高生产效率，更为等离子体刻蚀的研究提供一定的参考.
1刻蚀形貌分析
1.1腔室模型分析
建立二维轴对称腔室模型，见图1，模拟最简单的容性耦合等离子体放电：Cl2从入口进入腔室内部，被射频电压电离成总体呈电中性的等离子体.电场对离子加速，带有一定能量和角度分布的等离子体轰击刻蚀材料，既发生物理反应又发生化学反应，在刻蚀材料表面形成所需的图案.
2基于Kriging模型的优化设计
通常，评价刻蚀结果质量的参数有剖面的垂直度、刻蚀速率、刻蚀均匀性和刻蚀的选择比等.如果刻蚀的形貌与理想形貌差别较大，即刻蚀垂直度不够好，将直接影响由晶片组成的元器件的质量，甚至不能使用.腔室压强和射频电压是影响刻蚀形貌的重要参数.以这2个参数作为变量，分析不同参数组合下的刻蚀形貌，并以刻蚀垂直度作为目标函数进行初步优化.
2.1试验点选取和优化模型选择
腔室压强和射频电压是影响等离子体密度、能量和角度分布等特性的2个重要参数，而等离子体的特性决定等离子体刻蚀的结果.以腔室压强和射频电压作为变量，分析其对刻蚀垂直度的影响.
采用2个变量3水平的全因子设计方法，通过对不同参数组合下的数值模拟，得到9组参数组合下的刻蚀形貌（垂直度）.射频电压的取值范围为0～200 V，腔室压强的范围为0～5 Pa.通过调节不同宏观参数得到微观的理想刻蚀形貌，是具有大难度的多尺度优化问题，所以采用模型的方法实现优化目的.同时，该问题属于非线性问题，可采用Kriging模型.Kriging模型是一种估计方差最小的无偏估计模型[811]，该模型既可以用来解决各向同性问题，又可以用来解决各向异性问题，而且在解决非线性程度较高的问题时容易取得理想的拟合效果.
以图5所示的刻蚀形貌与理想形貌的垂直度差作为目标函数，计算不同条件下得到的离子流量和目标函数，见表1.随着射频电压的升高，离子的流量增大；在低射频电压时，离子流量随腔室压强的升高而减小，高射频电压下趋势相反.
3结论
（1）等离子体刻蚀中Cl2刻蚀硅是比较简单的一类，腔室压强和射频电压不同程度地影响等离子体的流量和能量分布等特性.随着射频电压的升高，离子的流量增大；在低射频电压时，离子流量随腔室压强的升高而减小，高射频电压下趋势相反.
（2）总体来说，虽然优化后的刻蚀形貌不是完全理想的直上直下的刻蚀形貌，但呈现各向异性很强、剖面光滑的形貌.将优化后的参数组合再进行刻蚀模拟，得到的目标函数为65.5，并不是71.3，可能是由2个原因造成的：一是优化模型选取不当，二是试验点太少（个变量可以分为4个水平或更多）.
通过对Cl2等离子体刻蚀硅的数值模拟与优化，从科研应用的角度提出一种等离子刻蚀机的优化方法，可以为工艺条件相近的刻蚀机设备的研究和设计提供参考.参考文献：
[1]徐栋梁， 张鉴， 许晓琳. 微机械加工工艺的三维仿真模型及算法[J]. 电子科技， 2010， 23（8）： 14.
XU Dongliang， ZHANG Jian， XU Xiaolin. Threedimensional models and algorithms for micromanufacture simulations[J]. Electronic Sci & Technol， 2010， 23（8）： 14.
[2]王晓光， 朱晓明， 尹延昭. 等离子体刻蚀工艺的优化研究[J]. 中国新技术新产品， 2010（14）： 2224.
WANG Xiaoguang， ZHU Xiaoming， YIN Yanzhao. Optimization research of plasma etching process[J]. China New Technol and Products， 2010（14）： 2224.
[3]朱炳金， 张国栋， 张向锋. 电感耦合等离子体刻蚀InSb芯片工艺的研究[J]. 红外技术， 2009， 31（8）： 467470.
ZHU Bingjin， ZHANG Guodong， ZHANG Xiangfeng. Inductive couple plasma etching processing of InSb wafer[J]. Infrared Technol， 2009， 31（8）： 467470.
[4]陈晓南， 杨培林， 庞宣明， 等. 等离子体刻蚀工艺中工艺参数对刻蚀速率影响的研究[J]. 西安交通大学学报， 2004， 38（5）： 546547.
CHEN Xiaonan， YANG Peilin， PANG Xuanming， et al. Influence of process parameters on the etching rate in inductively coupled plasma etcher[J]. J Xi’an Jiaotong Univ， 2004， 38（5）： 546547.
[5]程嘉， 朱煜. ICP刻蚀机反应腔室气流仿真研究[J]. 半导体技术， 2007， 32（1）： 4346.
CHENG Jia， ZHU Yu. Gas flow simulation research on reaction chamber of ICP etcher[J]. Semiconductor Technol， 2007， 32（1）： 4346.
[6]程嘉， 朱煜， 段广洪， 等. 基于回归正交设计的ICP刻蚀机工艺腔室流场特性分析[J]. 半导体学报， 2008， 29（4）： 780784.
CHENG Jia， ZHU Yu， DUAN Guanghong， et al. Analysis of processing chamber flow field characteristics for an ICP etcher based on regression orthogonal design[J]. J Semiconductors， 2008， 29（4）： 780784.
[7]SEO Seung T， LEE Yong H， LEE Kwang S， et al. Runtorun control of inductively coupled C2F6 plasma etching of SiO2： construction of a number process with a computational fluid dynamics code[EB/OL]. （20050705）[20130610]. http：///submission/paper/upload/ 12ICP_simulation.pdf.
[8]王凌， 吉利军， 郑大钟. 基于模型和遗传算法的仿真优化研究[J]. 控制与决策， 2004， 19（6）： 626630.
WANG Ling， JI Lijun， ZHENG Dazhong. Simulation optimization based on surrogate model and genetic algorithm[J]. Contr & Decision， 2004， 19（6）： 626630.
[9]高月华， 王希诚. 基于Kriging模型的稳健优化设计[J]. 化工学报， 2010， 61（3）： 676681.
GAO Yuehua， WANG Xicheng. Robust optimization based on Kriging surrogate model[J]. CIESC J， 2010， 61（3）： 676681.
[10]谢延敏， 于沪平， 陈军， 等. 基于Kriging模型的可靠度计算[J]. 上海交通大学学报， 2007， 41（2）： 177193.