《等离子体物理实验》课件

等离子体物理实验深入了解物质第四态的奥秘探索等离子体物理实验的基本原理与应用课程介绍课程目标掌握等离子体基本特性课程内容概述十个核心实验考核方式实验报告与项目展示什么是等离子体？定义物质的第四态带电粒子组成的气体固态、液态、气态之后的状态自然界存在太阳、闪电、极光中普遍存在等离子体的基本特性集体行为粒子间相互作用，表现集体特性准中性整体电中性，局部可带电电磁场响应对外加电磁场敏感等离子体的分类按温度分类高温、低温等离子体按密度分类高密度、低密度等离子体按磁化程度分类强磁化、弱磁化等离子体等离子体的应用领域核聚变可控核聚变能源开发材料处理半导体制造与表面改性推进技术航天器推进系统等离子显示大屏幕显示技术实验安全注意事项高压安全确保设备接地，避免带电操作辐射防护佩戴防护镜，避免直视强光个人防护装备实验服、手套和防护面罩实验室设备介绍真空系统电源系统诊断设备真空泵、压力计、气体供应直流电源、射频电源探针、光谱仪、示波器维持实验所需低压环境提供放电和加热能量测量等离子体参数实验一气体放电实验目的观察不同气体放电现象原理介绍气体电离产生等离子体观测重点正负辉光区、暗区分布实验一气体放电（续）记录数据施加电压测量不同条件下放电特性通入工作气体调节电压，观察击穿电压抽真空调节至所需工作压力抽至基压10^-2Pa实验一气体放电（续）伏安特性曲线绘制电压电流关系图-观察放电区域标记并测量各区域长度计算电子温度基于汤森德系数估算注意事项避免过高电压造成设备损坏实验二朗缪尔探针实验目的探针工作原理测量等离子体基本参数基于荷电粒子收集理论电子温度探针电位对荷电粒子收集的影响••等离子体密度电流电压特性曲线••-等离子体电位鞘层形成机制••实验二朗缪尔探针（续）实验二朗缪尔探针（续）半对数处理电子温度计算拐点分析等离子体电位确定离子饱和区粒子密度计算结果分析参数空间分布特性研究实验三电子回旋共振实验目的观察等离子体产生与加热ECR原理ECR电子在磁场中回旋运动共振条件微波频率与回旋频率匹配应用前景材料加工和聚变加热实验三电子回旋共振（续）磁场调节微波输入设置合适的磁场强度微波功率控制

2.45GHz等离子体观测气压控制通过窗口观察放电现象维持最佳工作气压实验三电子回旋共振（续）磁场强度高875900925斯等离子体密度5×10^108×10^107×10^10cm^-3电子温度eV

3.

55.

24.8放电稳定性一般优良实验四等离子体发射光谱实验目的分析等离子体中元素组成光谱分析原理激发态电子跃迁产生特征光谱温度诊断通过相对谱线强度计算温度成分分析依据特征谱线判断元素组成实验四等离子体发射光谱（续）光学系统调整确保等离子体光进入光谱仪波长校准使用标准光源校准光谱仪等离子体产生在不同条件下产生等离子体光谱采集记录不同条件下的发射光谱实验四等离子体发射光谱（续）实验五等离子体刻蚀实验目的刻蚀机理掌握等离子体刻蚀工艺物理与化学刻蚀结合理解反应性离子刻蚀离子溅射作用••观察刻蚀效果自由基化学反应••协同效应提高刻蚀速率•实验五等离子体刻蚀（续）射频刻蚀设备射频电源和匹配网络

13.56MHz刻蚀气体、、气体混合CF4O2Ar样品准备光刻胶图形化硅片实验五等离子体刻蚀（续）实验六磁化等离子体实验目的观察磁场对等离子体的影响磁化等离子体特性2带电粒子沿磁力线螺旋运动约束效应减小粒子向壁面的扩散损失实验六磁化等离子体（续）设置螺线管1调整线圈电流生成均匀磁场产生等离子体射频或直流放电产生等离子体调节磁场强度观察不同磁场下等离子体变化探针测量沿径向测量密度和温度分布实验六磁化等离子体（续）

0.5T30%磁场强度密度提升最佳约束效果磁场相比非磁化情况

4.5eV电子温度磁化条件下中心区域实验七等离子体波动实验目的观察等离子体中的波动现象波动理论简介朗缪尔波和离子声波色散关系波频率与波矢的关系波动阻尼朗道阻尼和碰撞阻尼实验七等离子体波动（续）波动激发探针定位通过栅极施加扰动电压移动探针测量不同位置信号频率扫描波形采集测量不同频率下的响应示波器记录波动信号实验七等离子体波动（续）实验八双等离子体装置实验目的双等离子体原理研究两个等离子体区域的相互作用通过栅极分隔两个等离子体区域观察等离子体界面现象可控制两侧参数差异••研究等离子体不稳定性研究等离子体动力学过程••模拟空间等离子体现象•实验八双等离子体装置（续）抽真空准备分别点火基础真空度达到调节两侧放电参数10^-4Pa参数调节诊断测量设置不同的电位和密度差探针扫描界面区域参数分布实验八双等离子体装置（续）电势分布密度分布不稳定性界面处形成双电层结构界面处密度陡变观察到离子声波不稳定性实验九等离子体推进实验目的了解等离子体推进原理与性能霍尔推力器垂直电磁场产生推力离子推力器加速离子束产生反作用力脉冲等离子体推力器周期性放电产生推力实验九等离子体推进（续）推力器安装固定在测力臂上气体供应准确控制氙气流量点火启动施加放电电压，观察羽流推力测量记录不同功率下的推力实验九等离子体推进（续）实验十等离子体材料处理实验目的学习等离子体表面改性技术处理机理活性粒子与表面相互作用应用领域聚合物活化、金属表面硬化实验十等离子体材料处理（续）实验十等离子体材料处理（续）°°9535处理前接触角处理后接触角聚合物表面疏水性强表面亲水性显著提高300%附着力提升涂层与基材结合力增强数据处理与误差分析随机误差人为误差不确定因素引起的波动操作不当或读数错误系统误差环境误差仪器精度限制导致温度、湿度等外部因素影响数据处理与误差分析（续）最小二乘法拟合实验数据的最佳曲线线性回归分析确定变量间线性关系残差分析评估拟合结果可靠性实验报告撰写指南实验摘要简明概括实验目的与结果原理介绍相关理论基础简述实验方法详细描述实验装置与步骤结果与讨论数据分析和结论实验报告撰写指南（续）数据图表清晰标注轴、单位和图例数据表格整齐排列，包含误差分析实验照片关键设备与现象的照片记录注意事项避免抄袭，准确引用文献等离子体诊断技术概述电探针诊断直接测量局部参数1光学诊断非接触测量光谱与发射波动诊断3测量等离子体波动特性磁诊断4测量电流与磁场分布等离子体模拟软件介绍模拟流体模拟PIC粒子在元胞模拟将等离子体视为导电流体跟踪个体粒子运动求解流体方程组••求解场分布计算宏观参数分布••适合低密度等离子体适合高密度等离子体••等离子体模拟软件介绍（续）前沿研究热点聚变等离子体大气压等离子体托卡马克与惯性约束聚变等离子体医学与环境应用低温等离子体应用微电子制造与表面工程前沿研究热点（续）等离子体医学应用等离子体催化伤口消毒与癌症治疗温室气体转化与污染物降解等离子体农业应用种子处理与植物生长促进等离子体产业应用半导体制造环境治理刻蚀、沉积和表面处理废气处理与水净化提高集成度废气脱硫脱硝••精确微纳加工有机污染物降解••等离子体产业应用（续）新材料合成等离子体显示等离子体照明纳米材料和薄膜制备大型平板显示技术高效节能照明光源实验室参观指南入口区更换洁净鞋套，穿戴防护装备主实验区2观察等离子体发生装置控制室了解监测系统和数据采集辅助区域气体供应和水冷系统课程项目介绍选题方向设计方案从十大主题中任选一个独立设计实验方案结果展示实验实施撰写报告并进行口头汇报开展实验并收集数据学术论文阅读指导分析论文结构筛选相关文献研究目的、方法、结果和讨论使用学术数据库浏览摘要和结论部分确定关键词等Web ofScience,Scopus聚焦特定研究领域学术论文阅读指导（续）批判性阅读注重细节评估研究方法和结论合理性关注实验设置和参数选择对比分析文献综述比较不同文献中的结论系统整理和归纳现有研究科研伦理与学术规范数据真实性确保实验数据真实可靠引用规范准确引用他人成果合作原则尊重合作者贡献科研伦理与学术规范（续）知识产权保护尊重专利和版权学术不端行为避免抄袭和伪造数据实验安全确保实验过程不危害他人研究影响考虑研究对社会的影响等离子体物理实验发展史年11879克鲁克斯管与辉光放电研究年代21920朗缪尔发现等离子体年代31950托卡马克装置开发年代42000微等离子体和冷等离子体技术等离子体物理学家介绍欧文朗缪尔汉斯阿尔文列夫阿尔措维奇···命名等离子体，奠基等离子体物理学发现磁流体波，诺贝尔奖获得者托卡马克发明者等离子体国际会议与期刊国际会议核心期刊国际等离子体物理大会••Physics ofPlasmas欧洲物理学会等离子体会议••Plasma Physicsand ControlledFusion亚太等离子体物理会议••Journal ofPlasma Physics•Plasma SourcesScience andTechnology复习与总结基本概念实验技能等离子体定义与基本特性装置操作与数据收集应用视野数据分析等离子体技术应用领域实验结果处理与误差分析结语与展望60+10课时学习核心实验掌握等离子体物理基本知识全方位探索等离子体物理∞无限可能等离子体科学前景广阔。