低温等离子体应用中的几个理论问题

从((11)一((4.5)可知，只要知道等离子体参数、碰撞频率就可以求出电磁波在

等离子体传播特性，被反射一的能员，被等离‘J气体!!k, I攻的能rl 1.，以及最后被透射 出去的能量。

4.2.2非均匀等离子体的情形

对于非均匀等离子体，由于存在等离子体密度梯度，而等离子体频率又与 密度有关，

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(4.?)

式，11口为密度梯瓜的标度长度，r为艾数伽‘今函数。透射功率 h=!'e

4.3电磁波在磁化等离子体，!，的传播 4.3.1均匀等离子体的情形

飞价等离子体，}，存在磁场B，、时，电子还将受j对护务仑兹力作J}J， (4.8)

nr会 _ -e E一”。一”

因此等离子体的介电常数变成与等离子体颂率、碰掩频率、 Co,, = eBo l 17t,, ,电磁波转播方向与磁场的火角0有关的最: 运动方程变为 (4.9) ，一匕子回旋频率 (4.10)

4.3.2非均匀等离子体的情形

与非均匀非磁化等离子体一样，电磁波除了在大气与等离子体交界处发生 反射外，在等离子体里面由于存在等离子体密度梯度也将发生反射，等离子体 介电常数、电磁波在等离子体中的衰减系数、传播常数都与位置有关。如果我 们将等离子体分成很多层，则每层交界处的反射系数 /rl、-/了饭l，.、、 S一S C一C r(zi+})= ,6 W (zW) Wr (Zi) Z, (zia,)

-二万双-一sin ￡八Zi) (4.11) 形 、、衬.音/ 只 胜 、17 乓 2 #r (Z1+1) i}r (z) Wr (zi,)

~花丁.一万-sin ￡八Z;)

式中(1i为电磁波的入射角。总的反射系数 r7. -艺r(zi)(q(zi))

(4.12)

式中N为等离子体总层数，q(zi)为与衰减系数有关的权重系数 。(:)一，一。xp{一。(:，).Zi - 1 又sin供) (4.13) 透射功率

P,=P, (H。一，n,‘ d,‘““) (4.14)

式中a，为第I层的衰减系数、试为第I层等离子体厚度。因此电磁波的传播特 性与等离子体密度分布函数、电子与中性气体的碰撞频率及电子的回旋频率有 关。

第五章尘埃等离子休物理研究现状 5.1 }'l!。’i-

· f .. . I等离J’.下卞址指在等离一J气体，1f包含了固态的弥散微颗粒，它可以是各

种材{:帕勺微小I'll!粒。f日在实际的_!一业等离子体中通常是电介质材料的微粒，尺

、J范11- l 6一儿}·Ilill J-1!儿一I 'pli、之f'IIj(常见的是在0.1到LOgm之M )，;宇带有大 _l诊电荷(从儿1，个e到儿千个e，大多数情况下都是带负电)。最早涉及到尘 埃等离一J几体的领域是天休物理阴。f}a为在星际空间和电离层中广泛存在着尘 粒。空问体系的热力学、电磁演变均受尘粒影响，有时甚至是支配性的影响;

尘粒也会影响到空fill的电离层通信中的电磁信一号传输。已通过电测法测量出撞 击到空间’坛船__}二的尘粒。实验室聚变装置中也有微小颗粒的污染问题，当然那 爪最关心的是爪金属杂质。另一方而，较F,I.II寸候也有科学家在等离子体物理实 验1. 1，利用人为添加的微粒来观察及研究等离子体动力学，即离子、电子或者某 些，!，性z毛体的运动。在1985年首次报道了在用等离子体加工的过程中发现有 颗粒形成四，虽然当时己观察到了这些微粒在华片上的沉积及造成的污染，但 只是在最近几年，由于制造新一代高密度集成电路的工业、薄膜沉积技术以及 其他一些高精度、高质量等离子体加工技术的发展，迫切需要解决山于尘粒造 成的对一质员影响的关键问题，才‘促使人们认识到研究在等离子体加工过程中尘 粒形成的机理和行为的重要性以及开展实验研究的重要性。

在尘埃等离子体中，通常尘埃的质量、电荷量都非常大，并且电荷具有 明显的涨落特征。·由于这种尘埃的存在，将改变通常等离子体的电磁性质和输 运过程，导致新的集体运动模式和动力学行为，并将直接影响等离子体的宏观 参数。此外近来的研究还发现，在一定条件下这些带电的尘粒可形成排列有序 的晶体结构网，这为探讨形成新材料途径及研究其中的过程提出了新的课题 [38,39j0

迄今为_!上，发表的有关研究尘埃等离子体的文章内容涉及等离子体加工 过程、空间物理、基本等离子体物理等(36,40-421。研究方法不仅有理论方法，而 且也有大量的实验研究。本章旨在对这一领域的研究进展作一综述，着重于低 气压放电条件下的实验及理论研究。 5.2 '}屯埃灼离广体的从木研究方法

‘ 1, I%.‘，;禹f f州乍为铃离J-.体物J'1，的个前沿分支，,V的拢木{01 }'L方法’少

烤离1.. f 1\加’}’干丫.有理沦分折和实验观;则，以及数值计算与模拟等代种方法。

fnul} Iv'f'.I':协离J吮体，一!r的尘粒其电荷It1}}sJaj }}都三作常大，因此具休处P1〔方法又 ，，之宁离J气f本的(1所小同。 5.2.1理论研究方法

尘埃等离子体的理论研究方法可以分成宏观描述和统计描述两大类。 I)宏观描述:即流体理论，它将尘埃等离子体中的带电粒子，即电子、

离子、尘杭视为不IIA的导电流体分别描述，理想的流体可以用下而的完整的流 体力学力一程红里捅述: 连续性方程 八矛_

一‘+v。t17-u_)=U 口 (5.1)

流体运动方程

_山__‘________

Illalla I-寸+(u,·V)Uaj二认71ju+ua x“)一即。 口 (5.2)

热力学状态方程I或能量方程，见本文的((7.3)式J P\二C(}Za}}) Yo. 和Maxwell方程组，1;1l: 泊松方程VIE二Lr naQa C l号、。‘、机;。了 :。。ri ua若一，N,- (5.3) (5.4)

法拉第方程 v、E二_鱼 d' (5.5)

无磁单极子 D·B二0 (5.b)

安培定律 D·”二}(}Q}Qun)+ o 'Ea (5.?)

其中下标ox分别代表电子e，离子i和尘粒d。利用这组方程可以求出作为流体 的尘埃等离子体的自洽场和一些集体运动，如不稳定性与波。

2)统计描述:它是以尘埃等离子体的各种粒子的速度分布函数几(r, v, t)

的时间演化方程为手段的理论研究途径，包括描述无碰撞等离子体中波和粒子 相互作用的Vlasov波动理论和碰撞等离子体中碰撞过程的动力学理论。 人(r，v，O满足的基本方程是波耳兹曼方程: (5.g) 试日 1了，、