熊兰的讲座-脉冲功率技术0509.ppt

,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,Click to edit Master title style,脉冲功率技术,熊 兰,电气工程学院,2013.5,概 念,目 录,1,发 展,2,技 术,3,应 用,4,其 他,5,2026/1/29 周四,3,什么是脉冲功率？,将储存的能量以电能的形式，用单脉冲或重复频率的短脉冲方式加到负载上。,技术指标：,1,概 念,电 压：,10,3,-10,7,V,电子能量：,0.3-15M,eV,（电子伏）,束流大小：,10,3,-10,7,A,脉冲宽度：,0.1-100ns,束流功率：,0.1-100TW,总能量：,1kJ-15MJ,2026/1/29 周四,4,常见波形,1,概 念,上升时间：,电压峰值从,10%,上升到,90%,所需要的时间。,下降时间：,同理。,上升时间和下降时间主要依赖于负载阻抗。,脉冲宽度：,定义不明确，有的定义为,半高宽,-,脉冲最大值的,50%,处的时间宽度，也有定义为,底宽,-,在幅值的,90%,处的时间宽度。,电子伏特,(electron volt),，简称为电子伏，缩写为,eV,，是,能量,的单位。,代表一个,电子,（所带电量为,-1.610(-19),库仑,）经过,1,伏特,的,电场,加速后所获得的,动能,。电子伏与,SI,制的能量单位,焦耳,（,J,）的换算关系：,1eV=1.610(-19)J,例如，一个,电子,及一个正子（电子的,反粒子,），都具有质量大小为,511,keV,，能对撞毁灭以产生,1.022 M,eV,的能量。,质子,，一个标准的,重子,具有质量,0.938 G,eV,。,核,爆,中带电粒子的能量范围约在,0.3,至,3 M,eV,，而大气中分子的能量约为,0.03,eV,将粒子的能量从电子伏特转换到开氏温度时，要乘以,11,605,。,1,概 念,什么是脉冲功率技术？,1,概 念,研究产生各种强电（纳秒级高压）脉冲功率输出的发生器系统及其相关技术。,由,初始储能,技术（电容器储能、电感器储能、超导储能、机械储能、化学储能、核能等）产生所需的初级脉冲波形（毫秒到微秒量级），然后再利用,脉冲成形和开关,技术，在时间尺度上通过对能量的脉冲进行,压缩、整形,，实现输出,脉冲峰值功率的放大,，并输出到,负载,，为高科技装置和新概念武器提供强电脉冲功率源。,教材及参考书,选用教材,李正赢，脉冲功率技术，水利电力出版社，,1992,主要参考书,1,）王莹，高功率脉冲电源，原子能出版社，,1991,2,）,Pai,S.T.,Qi,Zhang,，,Introduction to high power pulse technology,，,Singapore:World Scientific,1995,3,）刘锡三，高功率脉冲技术，国防工业出版社，,2005,4,）,H.Bluhm,著，江伟华、张弛译，脉冲功率系统的原理与应用，清华大学出版社，,2008,5,）韩旻，邹晓兵，张贵新，脉冲功率技术基础，清华大学出版社，,2010,1938,年，美国人,Kingdon,和,Tanis,第一次提出用高压脉冲电源放电产生,微秒级脉宽的闪光,X,射线,；,1939,年，苏联人制成真空脉冲,X,射线管，并把闪光,X,射线照相技术用于弹道学和爆轰物理学实验。采用,高压脉冲电容器并联充电、串联放电,方式来获得较高电压脉冲。,第二次世界大战期间，企图用于军事的,电磁炮,和其他研究再度兴起，也促进了脉冲功率科学技术的形成和发展。,2,发 展,2026/1/29 周四,9,2,发 展,1947,年，英国人,A.D.Blumlien,以专利的形式，把传输线波的折反射原理用于脉冲形成线，在,纳秒脉冲放电,方面取得了突破。,1962,年，英国原子能研究中心的,J.C.Martin,领导的研究小组，将,Marx,发生器与,Blumlien,的专利结合起来，建造了世界上第一台,强流相对论电子束加速器,SOMG,（,3MV,，,50kA,，,30ns,），脉冲功率达,TW,（,10,12,W,）量级，开创了高功率脉冲技术的新纪元。,之后，大型脉冲功率装置雨后春笋般地在世界各国建立：,1986,年建成,PBFA-II,装置，其峰值电压为,12MV,、电流,8.4MA,、脉宽,40ns,，其二极管束能为,4.3MJ,，脉冲功率,1014W,，是世界上第一台功率闯过,100TW,大关的脉冲功率装置。,2,发 展,脉冲功率发展里程碑,1962,年，英国,AWRC,J.C.Martin,，,发展了,Marx+Blumlein,，,ns,量级,1967,年，,USA,Sandia,，,高功率粒子束，,10MV,100KA,80ns,1972,年，,USA,Hary,Diamond,实验室，,AURORA,14MV,1.6MA,120ns,1978,年，,USA,Sandia,，,PBFA-I,Fusion,30TV,1MJ,1986,年,USA,PBFA-II,12MV,8.4MA,40ns,10,14,W,1985,年，俄罗斯，,Kalchatov,，,Fusion,，,2MV,40MA,90ns,中国，,1979,西南工程物理研究院，,6MV,100KA,80ns,，,闪光,I,号,1995,，合肥，,30GW,500KA,FUSION,1980,，,中国工程物理研究院，星光,1,，星光,2,，神光,3,西北核技术所，闪光,2,，,1MA,1MV,相对论电子束加速器,华中科技大学,“神光,III,”,美国和俄罗斯目前在脉冲功率技术上处于领先地位。,美国从事脉冲功率技术研究的机构有,Sandia,国家实验室、,Lawrence Livermore,国家实验室、,Maxwell,实验室、,Los Alamos,科学实验室、海军武器研究中心、,Texas,技术大学等。,1967,年在,Sandia,实验室建成的,Hermes2I,为当时最大的脉冲功率装置,;1972,年美国陆军的,Hary,Diamond,实验室建成了,Aurora,装置,这个闻名遐迩的设备由,4,台,Marx,发生器组成,是脉冲功率史上的一个里程碑,;1986,年,Sandia,实验室又建成了,FBFA2II,是世界上第,1,个闯过,100TW,大关的装置。,2,发 展,俄罗斯从事脉冲功率技术研究的机构有库尔恰托夫研究所、新西伯利亚核物理所、托姆斯科大电流电子学研究所、电物理装备所、列别捷夫所等,建造了许多大型的,Marx,成形线型联合装置,1985,年建成的,AHrapa25,就是其中之一。,日本的脉冲功率技术主要应用于强流粒子束加速器，特别重视轻离子的惯性约束聚变。从事脉冲功率技术研究的机构有东京大学、熊本大学、大阪大学、长岗技术大学等,较著名的装 置有大阪大学的,Raiden2IV,和,1986,年长岗技术大学建成,ETIGO 2II,。,2,发 展,我国脉冲功率技术及其应用的研究是从,20,世纪,70,年代末开始的。中科院等离子体物理研究所、中科院高能物理研究所、中科院电工技术研究所、华中科技大学、清华大学等单位的研究水平居于国内领先地位。,国内已有,20,多台的,Marx,装置在运行，居首者是,1979,年西南工程物理研究院建成的“闪光,I,号”装置,;20,世纪,90,年代以后，国内相继又建成的装置有西北核技术研究所的“闪光,II,号”,中国工程物理研究院和上海光机所“神光,II,号”，华中科技大学等联合研制的“神光,III,”。,2,发 展,各国典型脉冲功率装置的性能比较,2,发 展,几次重大突破,首先是,Blumlien,传输线的应用，建成脉冲功率达到,TW,量级的强流相对论电子束加速器。,第二阶段是以“水”代替“油”，发展了低阻抗强流电子束加速器，脉冲功率达到了数十,TW,量级。,第三阶段是激光开关的应用，实现了多台加速器并联运行，脉冲功率达到,100TW,。,2026/1/29 周四,16,2,发 展,第四次突破,-,感应加速腔,（脉冲功率技术结合直线加速器），,第五次突破口,-,发展,重复频率,脉冲技术。,现在世界上脉冲功率正向着更高功率（,5001000TW,）、更高电压（,10,7,V,）、更大电流（,10,7,A,）和高重复频率方向发展。,2026/1/29 周四,17,几次重大突破,2,发 展,初始能源,中间储能,脉冲压缩,和变换,负载,ms,us,ns,输出：,激光、粒子束、等离子体、强磁场、强电场、,EM,枪、微波等,0.1MW,10MW,1TW,高功率脉冲发生器的基本结构,3,设 备,Marx,发生器,脉冲,形成线,馈电,传输线,二极管,电子束,或离子束,电能（电容器，,电感，超导）,机械能,（电动机，惯性储能）,化学能,（火药，蓄电池）,传输线,核能,3.1,储 能,3,设 备,火药：,2,20 kJ/g,核能：,10,4,MJ/g,3.1,储 能,3,设 备,3.1,储 能,储能密度,2026/1/29 周四,22,3.1,储能,-,电容储能,（多为陶瓷介质电容）,3,设 备,电压形式,在同样的电流下，电感储能密度是电容储能密度的,25,倍。但目前技术不够成熟。,单级冲击电压发生器,3.1,储能,-,电容储能,(,多台电容器并联；,Marx,发生器,),3,设 备,电容储能技术成熟，但储能密度低、体积和重量大，价格高，实现高重复脉冲难，对开关要求高。,2026/1/29 周四,24,3.1,储能,-,电感储能,3,设 备,电流形式,用,电感,储能产生高压脉冲的方法有,4,种：,单级电感储能转换放电（包括电阻性转换和电容性转换）；,多级电感储能脉冲发生器（分组时序并联、多级,MEATGRINDER,和逐级压缩的电感储能）；,用电流过零方法产生连续脉冲（电桥抵消脉冲、反向抵消脉冲和串联抵消脉冲）；,用铁磁元件变换脉冲（铁氧体传输线和非线性电感磁压缩）等。,3.2,脉冲发生装置,图（,a,）装置,图（,b,）等效电路,武汉大学研制的中国首台,400kV,电感储能型闪光,X,射线机,惯性储能是依靠,物体运动,来储存能量的方法。,储存在旋转机械和飞轮中的动能是,旋转机械能,，不仅储能密度高，而且提取方便。,一般使用较小功率的拖动机构，以相对长的时间把一定质量的转子或飞轮慢慢地加速使其转动起来，储存足够的动能，然后,利用转动惯性脉冲地驱动合适的发电设备,，把机械能转变成电磁能,-,法拉第电磁感应定律。,3.1,储能,-,惯性储能（飞轮、电机）,3,设 备,优势：,储能密度高，结构紧凑，体积小，成本低，可移动。,应用：,近代同步加速器，托卡马克聚变装置，等离子体,箍缩，大型风洞装置，大截面金属对头焊接，加热钢坯，泵浦大功率激光，作重复发射的粒子束武器的电源和电磁发射器的电源，烧结金属粉末，电磁喷涂，模拟地震脉冲，脉冲金属成型等。,3.1,储能,-,惯性储能（飞轮、电机）,3,设 备,直流,换向直流脉冲发电机,单极脉冲发电机,交流,同步发电机,补偿脉冲发电机,（优点：具有自开关特性，易快速连续多次运行，无需大功率开关）,3.1,储能,-,惯性储能,美国,Texas,大学研制的作为电磁炮电源的补偿脉冲发电机，,6,极，,4700r/min,，转子直径,0.8m,，外直径,1.2m,，重,11,吨，峰值开路电压,2kV,，电流,844kA,，脉宽,2.54ms,，,38MJ,。三个轨道轮流发射，长,3m,，,80g,弹丸加速到,2-3km/s,，发射率,60Hz,。,类型,能量密度,kJ/kg,功率密度,kW/kg,典型脉宽,s,典型,电压,V,短路,电流,kA,储能时间,s,体比能,密度,MJ/m,3,直流,发电机,0.32,0.3,1,1800,1,100,20,单极,发电机,8.5,70,0.1-0.5,100,2000,415,150,同步,发电机,1.3,0.7,71,6900,6,3000,30,补偿交流发电机,3.8,250,10,-4,-10,-3,6000,71,254,100,惯性储能机械的典型分类和性能,3.1,储能,-,惯性储能,单极发电机：储能密度大，但输出电压低，实现重复脉冲困难，需要大功率开关。,作为初级高压脉冲电源，通常由,电容器,构成以下各种发生器：,蓄电池,-,电容器联合脉冲电源；,电容器并联或串联，多半构成冲击电流发生器；,经典,Marx,发生器（冲击电压发生器），电容并联充电后串联放电输出高电压脉冲；,高效能,Marx,发生器；,电感隔离型,Marx,发生器（包括全电感隔离型和电阻,-,电感并联隔离型）；,L-C,倍压器（反向叠加型和振荡级联型）。,3.2,脉冲发生装置,单级冲击电压发生器,3.2,脉冲发生装置,T1:,调压器；,T2,：升压变压器；,D,硅堆（整理管）；,C1,：储能电容；,G,：大功率开关,经典,Marx,发生器,3.2,脉冲发生装置,重庆大学输变电装备安全与及新技术国家重点实验室,2400kV/260kJ,经典,Marx,发生器,3.2,脉冲发生装置,工作原理：,电容器并联充电、串联放电,试品得到多大电压？,脉冲极性？,3.2,脉冲发生装置,全电感隔离型,Marx,发生器,采用集中式限流电感的全固态单极性,Marx,发生器,3.2,脉冲发生装置,采用半导体充电开关的单极性,Marx,发生器,电容器,火花开关,电阻,连接导体,触发方式,变压器油,绝缘,3.2,脉冲发生装置,Marx,发生器的零部件,3.2,脉冲发生装置,英飞凌,eupec,IGBT,大功率波纹线绕电阻,大功率铝合金线绕电阻,电容器,合成油浸渍,聚丙烯薄膜绝缘型电容器，具有较好的耐冲击电流性能，其储能密度达,0.15J/cm3,，单只电容器（,KJ,量级）的总电感可低达,10-30nH,。,“自愈式”电容器，采用镀有金属薄膜（,0.1um,量级）的有机薄膜或电容器纸在超净条件下紧密卷绕制成，,无需油浸,，储能密度达到,1J/cm,3,量级。,Marx,发生器的零部件,3.2,脉冲发生装置,高压电容器,火花开关,两电极开关：简单的气体火花开关是一种两电极放电部件，利用绝缘容器在电极之间充压缩气体（空气、氮气、六氟化硫等）以提高工作电压，甚至直接暴露于大气中，开关先承受一定的高电压而呈现绝缘（高阻抗）状态，然后气体击穿形成等离子体传导通道而接通电路。,三电极开关：在两电极开关的基础上，增加触发极，可以接收指令触发击穿，获得较好的同步或关联工作性能。,Marx,发生器的零部件,3.2,脉冲发生装置,Marx,发生器的零部件,3.2,脉冲发生装置,火花开关,气体火花开关还可以利用激光、,X,光、电子束等进行触发，,Marx,发生器的气体火花开关通常都是电触发的。,气体火花开关可以说是,Marx,发生器中最为关键的部件。基本要求是电感小、性能稳定、寿命长。,性能稳定分静态稳定和动态稳定。,静态性能稳定是指开关在耐受直流高压期间不易发生自放电，并且击穿特性（击穿电压和工作气体压强及间隙长度的关系）不易随放电次数的增加而发生明显变化。,动态性能稳定指开关在触发脉冲或瞬态过电压（高于直流击穿电压的瞬态）作用下击穿时具有足够小的击穿延迟时间分散性。,Marx,发生器的零部件,电阻器,水电阻,：功率容量大，阻值范围大，柔韧性好，适应性强。,缺点：液体包容部件的塑料软管容易老化，受气温影响较大，安装使用过程中易残存和析出气体等。,在功率不大的情况下，总储能很小，开关数量很少时，可以使用绕线式电阻器。,Marx,发生器的零部件,电阻器,充电电阻，接地电阻，触发电阻,选取电阻器除了要考虑功率问题以外，还要保证其与相应电容器的时间常数要远远大于发生器对其负载的放电时间。,触发电阻除要考虑自身功率和相应电容器常数外，还要限制触发电流以保护触发器。,脉冲发电机利用,机械能,转换电脉冲的发电装置，多半是先用透平机或电动机把大质量飞轮驱动起来，旋转到高速度，使飞轮惯性地储存动能。然后，突然转接到脉冲发电机的转子轴上，产生电脉冲输出，飞轮因释能而被减速或停转。,其中，补偿式脉冲交流（,C P A,）发电机是利用电磁感应和磁通压缩两种原理，实现对旋转线圈电感补偿，把惯性储能、机电能量转换和脉冲成形三者融为一体，能直接以几百赫兹的频率输出几千伏、几百千安的电脉冲，性能较优秀。,3.2,脉冲发生装置,美国研发的脉冲交流发电机,产生短时高电压、大,电流,或大功率脉冲的发电机。,包括,冲击电压发生器、冲击电流发生器和高功率脉冲发生器,。,由于,化学燃料,，尤其是含能材料，具有很高的储能密度（例如高能炸药为,46 MJ/kg,），又能快速脉冲地释放和转换成电脉冲，所以现代脉冲功率技术常采用化学能的脉冲发电装置，例如高储能密度的电化学电源（含太阳能光伏电池对蓄电池充电）。,3.2,脉冲发生装置,3.3,脉冲成形系统,电容器（脉冲陡化）,电感（磁压缩开关）,变压器（升压，脉冲变换）,传输线,(,或者脉冲形成线，分为平行板或者同轴线,),PFN,（,Pulse Forming Network,）,脉冲成形网络,开关,闭合开关，断路开关,气体开关，固体开关，等离子体开关，机械开关,单次放电，重复脉冲,自击穿，外击穿,3,设 备,3.3,脉冲成形系统,通过能量或时间压缩方法，对储能或发生系统输出的功率脉冲进行整形和变窄，以达到需要的脉冲功率值和脉冲形状以及脉宽的要求。,分 类：,脉冲传输,-,成形线及其倍压器,脉冲功率变压器,大功率开关技术,一种串级脉冲变压器,3.3,脉冲成形系统,开关元件的参数和特性对脉冲的上升时间、幅值等产生最直接、最敏感的影响,因此开关元件在脉冲功率系统中占有特殊的地位。另外，开关元件在高电压、强电流条件下工作,环境十分恶劣。因此，开关元件的击穿现象和开关电极上的放电物理过程均十分复杂。,要解决好这些问题，需研究开关击穿过程、电极损耗过程及开关电压的恢复过程等物理现象,而所有研究工作的基础是等离子物理、材料学、流体动力学等方面的知识。,3.3,脉冲成形系统,几种常见开关的主要参数比较,3.3,脉冲成形系统,真空二极管：是高电压、低电感的传输线负载,3.4,二极管,必须考虑脉冲传输,-,成形线与二极管之间的匹配问题,在外加强电场作用下，金属晶须爆炸形成阴极等离子体，并且高密度强电子束经阴极等离子体发射而产生。,两种形式的电子流：,1,）基本上平行于电力线的电子流；,2,）聚焦流或箍缩流（由于强流束的自身磁场作用），几乎平行于电力线。,辐照二极管：,提供强,射线辐射源，模拟核爆效应。,3.4,二极管,应用实例,聚焦（箍缩）二极管：,在小面积上（焦斑）产生高照射量。,等离子体辐射源二极管：,模拟核爆效应的,射线效应,离子二极管,：惯性约束聚变。利用自磁场和阳极的曲率效应进行联合聚焦，离子汇聚到中心靶区。,微波二极管：,用于高功率微波和自由电子激光，产生空心薄层环形电子束，顺着外磁场的磁力线，由二极管进入真空漂移管。,低阻抗电子束二极管：,利用强流电子束在漂移区打靶产生韧致辐射。,感应直线加速二极管：,天鹅绒布做的冷阴极反射体，发射理论：,1,）爆炸等离子体发射；,2,）基于真空,-,绝缘体,-,金属电极三结界点的预击穿电子发射。,是提供能量高，流强大，品质好的电子束流的关键设备，并且通过电子束打靶可转化成,X,辐射源。,电子能量一般都较高（大于,5MeV,），输出功率几,-,几十,kW,。在辐射加工安全许可范围内，高能（大于,5MeV,）电子对被照射物具有最深的有效穿透。,3.5,电子直线加速器,3.5,脉冲功率特点,慢充电储能，快放电；,在许多情况下，脉冲的幅值更高；,输出脉冲功率大；,脉冲上升时间更短，脉宽更小；,在许多情况下，需要输出重复脉冲；,回路元件多，加工工艺要求高，总体结构复杂,负载多样性，复杂性,3,设 备,冲击电压测量系统的特点,瞬变响应特性好,不确定度：,幅值,3%,时间,10%,测量方法,球隙测量、分压器,+,示波器,(,峰值表,),3.6,脉冲检测方法,3,设 备,球隙测量,50%,放电电压,球隙放电电压表,正极性冲击放电表,保护电阻,R500,，,L 30H,3.6,脉冲检测方法,3,设 备,三组件系统,二组件系统,理想分压比,各部件误差,分压器,+,示波器,(,峰值表,),3.6,脉冲检测方法,3,设 备,电阻分压器,阻值低，分布电容影响测量误差，,吸收功率大，测量电压低,电容分压器,有幅值误差，无波形误差,3.6,脉冲检测方法,3,设 备,电容分压器,3.6,脉冲检测方法,3,设 备,脉冲功率技术是当前国际上很活跃的前沿高科技之一，关键是高压纳秒脉冲技术、高功率离子束的产生和应用技术。,产生强流粒子束，包括电子束、离子束和中子源。,产生强脉冲电磁幅射，包括射线（或伽马射线）、高功率微波（,HPM,）、超宽带辐射（,UWB,）、电磁脉冲（,EMP,）、相干光源（从红外到紫外）等。,产生强电脉冲效应，包括强磁场、强电场、电磁炮、内爆等离子体、等离子体焦点、脉冲电晕放电（非热等离子体）和声击波等。,4,应 用,脉冲功率,装置,粒子束,电磁辐射,强电脉冲,电子束,离子束,中子源,X,射线,/,伽马射线,激光器,、,电磁脉冲（）,强磁场,/,强电场,电磁炮,Z,箍缩,脉冲电晕,声击波,4,应 用,粒子束,核爆模拟器,高能闪光,X,射线照相,惯性约束聚变,4,应 用,电磁脉冲,高功率微波,高功率激光器的激励,强脉冲中子源,内爆等离子体,领 域：,工业领域,军事、国防,科学技术研究,4,应 用,工业应用,Plasma physics,等离子体物理（脱硫脱氮、净化,废气、水处理）,Pulsed x-ray,脉冲,X,射线,Flue gas cleanup,烟气清理（除烟尘）,Water and organics treatment,水处理、有机物处理,Metal forming,金属加工成型,Discharging in water for kidney stone removal,水中放电排肾结石,Food disinfection,食品消毒灭菌,Material process,材料加工处理,4,应 用,军事、国防应用,High power Laser for fusion,高功率激光,High power microwave,高功率微波,High power Laser Weapon,高功率激光武器,High Power beams,高功率光束,Electromagnetic Launchers,Rail Gun,轨道枪,Coil gun,线圈枪,Electrothermal,Chemical Gun,电热化学枪,4,应 用,科学研究,High magnetic field,强磁场,Inertial confinement fusion(ICF),惯性约束聚变,Synchrotron radiation,同步加速器辐射,High velocity launch and collision,高速度发射和碰撞,4,应 用,4,应 用,-,工业生产,核聚变电站,强流脉冲离子束辐照,-,涡轮叶片表面的清洗加工；,YSZ,热障涂层表面改性；钛合金表面改性的机理研究；高温金属材料,；,表面再制造技术原理与应用,水处理,-,灭菌消毒,脉冲电晕放电,减排,SO,2,和,NO,x,有机物处理,-,废弃有毒物,脉冲或者静电除尘,核聚变的能量,是通过两个原子合并为一个原子而产生的。,在核聚变反应堆中，氢原子发生聚变，进而形成氦原子、中子，并释放巨大的能量。氢弹和太阳的能量就是靠这种反应提供的。与核裂变相比，核聚变所产生的能量更加清洁、安全、高效，其能量来源也更为丰富。核聚变反应大多数都涉及氢的同位素氘和氚。,核聚变电站,4,应 用,-,工业生产,人工太阳,-,核聚变电站,4,应 用,-,工业生产,4,应 用,-,工业生产,核聚变电站,核聚变点火过程,water disinfection,等离子体进行水的消毒灭菌,4,应 用,*,定义,1:“,包含足够多的正负电荷数目近于相等,的带电粒子的物质聚集状态,。”,（金佑民，樊友三，“,低温等离子体物理基础,”，,清华大学出版社，,1983,年）过分广义。,固态等离子体：晶格中正离子与自由电子组合,;,半导体中电子与空穴的组合等。,液态等离子体：如电解质溶液中正负离子的组合。,*定义,2:“,等离子体是由大量带电粒子组成的非凝聚系统,。”,（国家自然科学基金委，“,等离子体物理学发展,战略调研报告,”，,1994,年）,强调了非凝聚系统，即排除了单纯的固态和液,态，但包含了电子束和离子束。,什么是等离子体,?,定义,3:,“,等离子体是包含足够多的正负电荷,数目近于相等的带电粒子的非凝聚系统,。”,（,YXF,）,单纯气态：完全或部分电离了的气体,(,微放电区电离度下限,10,-6,大气压下,放电空间平均电离度可低至,10,-12,),非单纯气态：尘埃等离子体,(,伊林，王友年，王晓刚，王德真）,雾滴等离子体,（,YXF,）,什么是等离子体,?,气体放电 等离子体,（电场作用加速荷电粒子导致电离）,1,）低气压放电：直流 辉光放电,高频放电（微波、射频）,2,）高气压放电：直流 弧光放电,(LTE),电晕放电,(NTE),介质阻挡放电,(NTE),2.,热致电离等离子体,(,高平动能原子、分子碰撞导致电离,),高温燃烧、爆炸、击波,3.,辐射电离等离子体,（光电离）,X-,射线、紫外光等,低温等离子体的产生方式,电晕层外区,（暗区）,电晕放电,形成条件,:,二电极曲率半径相差,悬殊,(,线筒、线板、针板）,特点：,1.,高气压,(10,5,-10,6,Pa),高电压降,(10,3,-10,5,V),低电流密度,(10,-3,-10,-6,A/cm,2,),4.,T,e,T,i,T,g,10,2,K,电晕层,筒状电极,线电极,低温等离子体的产生方式,介质阻挡放电,形成条件,:,二电极间有绝缘介质存在,交变电场,特点：,1.,高气压,(10,5,-10,6,Pa),高电压降,(10,3,-10,5,V),低电流密度,(10,-2,-10,-3,A/cm,2,),T,e,T,i,T,g,10,2,K,HV,（,a.c.),低温等离子体的产生方式,大气压辉光放电,(APGD),Masuhoro,Kogoma,et al.,1987,年世界上首次获得,APGD (2004,年,12,月,Kogoma,来,大工访问,),早期三条件,:1)He,2),交流频率,1 kHz,3)DBD,亚稳态寿命长，扩散系数大,其能量与电离势接近,高分子膜及纺织品改性处理,;,大气压下均匀,CVD,等,F.,Massines,:,(8,th,APCPST,Australia,July,2006),N,2,:APTD;He:APGD (,双介质层,;,紧密接触,),清华 王新新,大工 王德真等,国自重点基金,(2004-2007),低温等离子体的产生方式,大规模集成电路制备中的等离子体化学刻蚀与沉积,(,已大规模工业应用）,等离子体平面显示器,(PDP),(,已进入规模生产阶段）,等离子体化工合成及转化,（,O,3,发生器，已工业化半世纪，,CH,4,转化，煤转化，等离子体引发聚合，,),等离子体环境工程,（燃煤电厂烟气中氮、硫氧化物脱除，,VOC,脱除，汽车尾气中氮氧化物脱除，固体废料处理，,),纺织品等材料表面的等离子体改性,(,已产业化）,等离子体增强化学气相沉积（,PECVD),制备各种新型材料,（金刚石，类金刚石，碳纳米管，,),等离子体化学的主要应用及若干最新进展,大规模集成电路制备中的等离子体化学刻蚀与沉积,*全世界与大规模集成电路相关工业总产值已达万亿美元以上。等离子体化学刻蚀与沉积是大规模集成电路工业生产中的核心环节之一。,*,1998,年,7,月，参观了设在台新竹交通大学内的“国科会毫微米元件实验室”。其设备总值约,1,亿美元，包含一套从美进口的,90,年代中期水平的大规模集成电路工业生产流水线（超净厂房，,10,级，,10,尘埃,/m,3,),。,已完成,250 nm,元件技术开发，正在开发,130 nm,元件制备技术。每年来此实验室工作的台研究生有约,400,人。,等离子体化学的主要应用及若干最新进展,大规模集成电路制备中的等离子体化学刻蚀与沉积,以,Si,刻蚀为例：,Mask,制备：,UV,VUV lasers:,X-ray 100 nm,(,同步辐射）,Electron-beam,F,Mask,Si,等离子体化学刻蚀：,属干法刻蚀，刻蚀形状规则，应可胜任,100 nm,之刻蚀。刻蚀中要求保持尽可能低的气体压力和尽可能高的电子密度,(,等离子体密度）。如,90,年代初工业上开始采用的新型,“,Helicon”,射频源,（,70,年代中期实验室研究成功）气体压力从数百,mtorr,降至数,mtorr,，,等离子体密度从,10,9,cm,-3,上升至,10,10-12,cm,-3,(,相当于电离度从,10,-6,上升至,10,-3,-,10,-1,),。,等离子体化学的主要应用及若干最新进展,大规模集成电路制备中的等离子体化学刻蚀与沉积,Si,刻蚀用气体以,CF,4,+O,2,最为常用。与刻蚀,相关主要反应：,）,CF,4,+e,CF,3,(CF,2,CF,F,),+e,O,2,+e,O+O,+e,2,）,CF,2,+O,COF,+,F,CF,2,+,O,CO,+,F,+,F,COF+O,CO,2,+,F,3,）,Si,+,4,F,SiF,4,*,王友年等，新一代等离子体源刻蚀机理研究,:,(,国自重点基金,:2007-2010),等离子体化学的主要应用及若干最新进展,Front,Back,Glass,Glass,PbO,Dielectric layer(transp.),ITO (,In+Tin,Oxide,transparent sustained electrode),Phosphor(RGB:red,green,blue),h=0.13mm,d=0.1 mm,1 Pixel=R+G+B,1.08 mm,Ag electrode,Address electrode,(Not in scale),MgO,(500 nm),2.,等离子体平面显示器,(PDP),3,等离子体化工合成及转化,(,示例,),O,3,制备,DBD,放电，已工业化（瑞士等发达国家饮用水净化）半个世纪，不断有新的应用（小家电消毒、灭菌）。,*初始过程,D,H(,eV,),O,2,+,e,O,2,*,(,1,D,g,),+,e,0.997,O,2,+,e,O+O +,e,5.115,O,2,+,e,O+O,-,+,e,3.654,O,2,+,e,O+O(,1,D)+,e,7.082,*O,3,生成,O,2,+O +M,O,3,+M,O,-,+O,2,*,O,3,+,e,大连凌水有,O,3,发生器工厂，从数百瓦到数十千瓦）,4.,等离子体环境工程,(,示例,),人类新世纪面临的三大环境问题,CO,2,等温室气体排放带来的全球气候变暖及海平面升高等灾害,2.,NO,x,SO,x,等排放带来的酸雨等灾害,3.,臭氧层破坏带来的紫外辐射穿透到大气层问题,等离子体化学的主要应用及若干最新进展,4.,等离子体环境工程,(,示例,),最重要的空气污染物,:,氮氧化物,(,NO,x,=NO,NO,2,N,2,O),硫氧化物,(,SO,x,=SO,2,SO,3,),(,酸雨！）,可挥发性有机化合物,(VOCs),如甲醛、苯、甲苯等,VOC=,Volatile Organic Compounds,等离子体化学的主要应用及若干最新进展,4.,等离子体环境工程,(,示例,),NO,x,脱除,1).,还原法,NO,x,+NH,3,(HR,CO,H,2,),N,2,+H,2,O(+CO,2,),*,火力发电厂燃烧,尾气,:,NH,3,-selective catalytic reduction(over oxides of V,Ti,W).,已产业化,*,汽车尾气,(oxygen-free,）,三效催化剂（,Three-Way Catalysts),同时脱除,NO,x,HR&CO,已产业化,*,富氧燃烧,(lean-burn),内燃机尾气,选择还原催化剂开发中,等离子体化学的主要应用及若干最新进展,2).,氧化法,NO+O (O,3,HO,2,)NO,2,NO,2,+OH HNO,3,H NO,3,+NH,3,NH,4,NO,3,3).,分解法,NO,x,N,2,+O,2,*,热力学可行,*,最理想也最困难,等离子体化学的主要应用及若干最新进展,等离子体,(,氧化,),法脱除氮、硫氧化物（一）,电子束法：,日,Ebara,公司，,1970,年提出，,80,年代初中试，,90,年代中期工业化。我国成都电厂（,200MW,机组，,30,万,Nm,3,/h,烟气），,1998,年建成使用,(,日方赠送,),。,*,O,OH,HO,2,产生,O,2,+e,O+O+e,or,O+O(,1,D,),+e,H,2,O+e,H,2,+,O,or,O H+O,H+O,2,+M,HO,2,+,M,H,2,O,+O(,1,D,),O H+O H,等离子体化学的主要应用及若干最新进展,等离子体法脱除氮、硫氧化物（二）,*,NH,4,NO,3,及,NH,4,SO,4,生成,NO+O+M,NO,2,+,M,NO+,HO,2,NO,2,+OH,NO,2,+OH,+M,H,NO,3,+,M,NH,3,+,H,NO,3,NH,4,NO,3,SO,2,S,O,3,H,2,S,O,4,NH,4,SO,4,脉冲电晕法：,吴彦等（国家“八五”，“九五”攻关，“十五”“,863”,）,等离子体化学的主要应用及若干最新进展,等离子体法脱除,VOC,（,挥发性有机物,）,2005,年,5,月,加拿大,Mc Master,大学等离子体环境工程专家,Jen-Shih Chang(,张仁世,),教授访 问大工,(,华裔,日出生至获硕士,会日、英、汉语）,*等离子体脱除室内,VOC,（,全世界,50,万台空调器,/,年，,dc or Pulsed dc,）,步骤,1,：静电除尘,步骤,2,：,TiO,2,脱,VOC dir.or,indir,.plasma(lamp),步骤,3,：活性碳（,MnO,2,),脱,O,3,及,NO,x,*,固体垃圾处理,（,全世界,仅日本，数十个工厂）,步骤,1,：焚烧发电,步骤,2,：等离子体炬处理燃烧灰烬,步骤,3,：残渣金属回收,张教授：东莞垃圾综合处理方案（,2005,年春，全国首个）,等离子体化学的主要应用及若干最新进展,5.,纺织品等材料表面的等离子体改性,以纺织品为例,目的,:,材料 改进 提高 提高 提高 提高 提高,染色性 防水性 亲水性 防燃性 防缩性 抗静电性,羊毛,棉花 ,聚酯纤维 ,手段：,刻蚀，交联或分子链切断，官能团导入,等离子体化学的主要应用及若干最新进展,静电除尘,主电路主要由交流电抗器、三相整流桥、滤波电容、,IGBT,全桥逆变电路、高频升压变压器、高压整流硅堆组成。,高频升压变压器：,80kV,，,1200,mA,电除尘器是利用高压电场使含尘粒荷电,，用静电力使粒子与气流分离的除尘设备。由于粒子在高压电场中受到静电力较大，亚微米颗粒也能有效脱除，除尘效率高。,u1,具体的电源输出参数和电场强度,4,应 用,-,工业生产,电磁脉冲武器,核电磁脉冲弹,一种以增强电磁脉冲效应为主要特征的新型,核武器,。,非核电磁脉冲弹,是利用炸药爆炸压缩磁通量的方法产生高功率电磁脉冲的电磁脉冲武器，目前已有国家装备了这种武器。,4,应 用,-,军事、武器,电磁脉冲武器,：,利用能量转换产生强电子束流，激励高功率微波源产生极高脉冲功率辐射电磁能的一种武器。,电磁脉冲武器分为,核电磁脉冲武器和非核电磁脉冲武器,。,核电磁脉冲武器：,