湯 棟，劉 玉

（成都大學(xué) 機械工程學(xué)院，四川 成都 610064）

等離子體廣泛存在于宇宙中，被視為除固、液、氣態(tài)外的第四態(tài)，是一種帶有正負(fù)離子的氣化物。等離子體學(xué)科在許多領(lǐng)域都有應(yīng)用，如能源、納米技術(shù)、材料、信息、環(huán)境、空間和生物。因此，從根本上理解其在各個領(lǐng)域的應(yīng)用原理，開發(fā)適合相應(yīng)場合的等離子體源至關(guān)重要。

螺旋波等離子體（Helicon Wave Plasma，HWP）被發(fā)現(xiàn)其密度高達(dá)1×1013cm-3，相比于以往等離子體電離度提升幾十個百分點后，這種高密度、高電離度的HWP被廣泛應(yīng)用于等離子體工程、核聚變等領(lǐng)域。在過去的幾十年中，關(guān)于螺旋波等離子體的能量吸收機制、螺旋波的朗道阻尼機制都已在實驗中被證實。另外，螺旋波是惠斯勒波的分支，惠斯勒波的另一個分支被稱為Trivelpiece-Gould（TG）波，其在柱狀等離子體徑向邊緣區(qū)域被等離子體吸收[1]。

基于前人的理論支持，后來人們對等離子體的特性進(jìn)行了更加深入的探究，等離子體科學(xué)的進(jìn)步也對其他相關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)生了深刻影響。同時將對螺旋波等離子體的基礎(chǔ)特性及其在金屬材料表面清洗中的應(yīng)用展開深入解析。

1 螺旋波等離子體基礎(chǔ)理論及材料清洗應(yīng)用

1.1 螺旋波等離子體色散關(guān)系

等離子體中存在帶有正負(fù)電荷的粒子，因受到外部電場、磁場的影響，粒子劇烈碰撞，進(jìn)而產(chǎn)生波動，目前使用色散方程來反映這種波的波長與波頻率之間的復(fù)雜關(guān)系[2]。等離子體是導(dǎo)體，因此，其電介質(zhì)的感應(yīng)電荷強度會影響外部電場E，使電位移矢量和電場強度滿足一定的線性關(guān)系：

自由電流密度和電場強度之間的關(guān)系滿足：

將方程（1）（2）帶入微分形式的MAXWELL方程，得：

設(shè)定擾動的形式為單色平面波，經(jīng)過傅里葉變換后，得波動方程：

將其改寫為行列式形式，計算可得其存在非零解：

電介質(zhì)的折射方程：

將（6）帶入（5）得到帶電介質(zhì)單色平面波的色散方程[3]：

1.2 螺旋波等離子體產(chǎn)生機制

在RF射頻放電中，通過天線激發(fā)劇烈震蕩的電場加速和加熱電子引起電離的方式產(chǎn)生等離子體。在電感耦合等離子體（Inductive Coupled Plasma，ICP）中，激發(fā)波被劃分為非傳播波，又由于此模式下等離子體的電導(dǎo)率σ較高，取消了等離子體外部震蕩場，在ICP模式下的等離子體密度較低。此外，螺旋波是傳播波，可以傳播到具有波吸收特性的等離子體中，有利于形成大規(guī)模的螺旋波等離子體，其密度和能量較ICP模式等離子體高。

雖然當(dāng)前可以很高效地獲得密度高達(dá)1×1013cm-3的螺旋波等離子體，但關(guān)于高密度螺旋波等離子體的產(chǎn)生機制還存在諸多爭論。下面將討論高效產(chǎn)生螺旋波等離子體的相關(guān)機制[4]。

隨著功率的增加，等離子體密度也逐漸增大。低功率區(qū)間的電容耦合等離子體（Capacitively Coupled Plasma，CCP）的密度大約在1×109cm-3。得到HWP的典型方式是ICP模式下的等離子體通過密度躍遷，也可以從CCP模式密度躍遷到ICP再躍遷到HWP[5]。

關(guān)于爭論了30年之久的HWP產(chǎn)生機制，當(dāng)今主流猜測主要分為3種：（1）電子、離子和中性粒子間的碰撞阻尼產(chǎn)生HWP；（2）電子受到朗道阻尼影響后加速，以獲得更大碰撞能得到HWP；（3）等離子體中的惠斯勒波分散為兩種波形，一種是螺旋波，另一種是TG波，而TG波的能量在柱狀等離子體邊緣處被等離子體吸收得到HWP。

這3種猜想都考慮到了朗道阻尼的動力學(xué)效應(yīng)，快電子和波的相速度非常接近，因此，等離子體波之間相互作用的理論被廣泛接受。后來又觀察到等離子體中快電子的數(shù)量有限，不足以證明快電子能為等離子體提供足夠能量達(dá)到HWP。當(dāng)前，主要以等離子體的電離度來判定其放電狀態(tài)[6]。

1.3 等離子體密度影響因素

下面從3個方面來闡述影響等離子體密度徑向分布的因素[7]：源區(qū)磁場的變化、天線徑向輻射電場強度和位形的變化、電壓偏置引起的等離子體極化。

（1）在空間中，等離子體會遵循磁感線流動方向排布，發(fā)散的軸向磁場會使等離子體密度的徑向分布稀疏，因此，軸向的尖端磁共振點通常會產(chǎn)生較大密度的等離子體。

（2）通過改變天線的電流饋入點可以改變天線徑向場的位形分布，這將導(dǎo)致等離子體的密度變化。天線輻射的電場強度越大，分布越均勻，則越有利于產(chǎn)生高密度的等離子體。

（3）在真空室的一端施加偏置電壓，改變電壓偏置板的形狀，如網(wǎng)狀、環(huán)狀等，腔室內(nèi)的等離子體空間分布以及密度也會因此改變。

等離子體電壓偏置法在實際工程中也具有一定的價值。通過偏壓的方式，使等離子體達(dá)到高轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)等離子體的質(zhì)量分離，即同位素分離。除此之外，還可應(yīng)用于核廢料再生和燃料二次處理，究其原理，即通過電壓偏置的手段，使等離子體存在多個同心電極，在軸向磁場的影響下，產(chǎn)生E×B方位角的旋轉(zhuǎn)等離子體，使被困在隔離區(qū)的粒子劇烈碰撞后燃燒，達(dá)到處理核廢料的目的[1]。

1.4 螺旋波等離子體金屬材料表面清洗應(yīng)用

1.4.1 電子、離子和自由基在清洗過程中的作用

由于等離子體清洗材料表面技術(shù)的安全、高效、清潔等優(yōu)點，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用。螺旋波等離子體具有更高的密度和能量，可用作清洗材料且種類更加多樣。其清洗原理是利用電子、離子、原子和自由基發(fā)射的能量光束與材料表面的污染物分子劇烈碰撞反應(yīng)除去污染物[7]。

螺旋波等離子體中的電子在金屬表面清洗過程中，劇烈轟擊被清洗物表面的污染分子，使分子被解離，產(chǎn)生具有活性的自由基，有利于污染分子參與其他形式的反應(yīng)。此外，等離子體中電子的運動速度要比離子快得多，這有利于電子提前到達(dá)材料表面，使其顯負(fù)電性，為接下來的活化反應(yīng)提供良好的環(huán)境。

螺旋波等離子體中的離子在表面清洗過程中也具有一定的作用，離子會被帶負(fù)電的表面吸引而產(chǎn)生加速度，隨后與依附在表面的污染物發(fā)生物理碰撞，使污染物被分解成更小的體積，有利于一系列活化反應(yīng)的進(jìn)行。

等離子體中數(shù)量最多的粒子是呈電中性的自由基，其存在時間長、能量高。在清洗過程中，表面污染物極易與這些帶有高能量的自由基反應(yīng)，產(chǎn)生新的自由基，也獲得了高能量，變得不穩(wěn)定后進(jìn)行下一步反應(yīng)。隨著反應(yīng)的不斷進(jìn)行，這些自由基的能量越來越低，最后生成易揮發(fā)的小分子，達(dá)到清洗的效果。因此，自由基為整個清洗過程中的化學(xué)反應(yīng)提供了能量[8]。

1.4.2 輝光放電等離子體與大氣壓射流等離子體清洗對比

輝光放電是通過對平行金屬板施加直流或者交流電的方式產(chǎn)生等離子體。其清洗原理相同，通過電子、離子撞擊材料表面污染物以達(dá)到清洗效果，但這種清洗方式需要在低壓環(huán)境下進(jìn)行，不適用于工程，且打造低壓環(huán)境需要高端的真空設(shè)備，成本較高。

利用介質(zhì)阻抗放電的方式產(chǎn)生大氣壓射流等離子體的原理如下：當(dāng)對電極施加交流信號時，產(chǎn)生急速的氣流，使放電過程中產(chǎn)生的等離子體在空間內(nèi)擴散，充滿整個腔室的等離子體與放電區(qū)域以外的金屬污染物反應(yīng)生成揮發(fā)氣體，這種清洗方式較以上兩種操作方法簡單，且成本較低[8]。

2 結(jié)語

關(guān)于螺旋波等離子體的能量吸收機制有一個基本的定論，但對于螺旋波等離子體的判定目前都是計算其電離度，這種判定方式并沒有在機理上得到廣泛認(rèn)可，且操作起來相對復(fù)雜。另外，關(guān)于螺旋波等離子體在金屬材料表面清洗領(lǐng)域的應(yīng)用方式較為多樣，但因大氣壓射流等離子體的產(chǎn)生簡單、成本低而被廣泛應(yīng)用。為得到更好的清洗效果，還需要精確地控制各物理變量，繼續(xù)探究其機理，完善其理論。