等離子體
關(guān)注創(chuàng)建者：劉二爺 創(chuàng)建時(shí)間：2016-12-15
等離子體的視頻教程
基于FLUENT的直流等離子體矩?cái)?shù)值模擬
這一期視頻主要講解了基于FLUENT的直流等離子體矩?cái)?shù)值模擬方法。利用自定義標(biāo)量(UDS)和自定義函數(shù)(UDF)技術(shù)對(duì)FLUENT軟件進(jìn)行二次開發(fā),在動(dòng)量和能量守恒方程中添加相應(yīng)電磁源項(xiàng)，對(duì)純氬直流電弧等離子體矩射流進(jìn)行二維和三維數(shù)值模擬并對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。并且對(duì)整個(gè)建模流程和輸入?yún)?shù)的意義進(jìn)行了詳細(xì)的講解。 QQ:2322349611
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COMSOL光學(xué)與RF系列視頻
該系列視頻后續(xù)會(huì)繼續(xù)添加金屬納米顆粒散射、彎曲光纖、光學(xué)共性變換、隱身衣、SPP、表面等離子體、光力等教學(xué)視頻，隨著后期視頻的增加，會(huì)相應(yīng)的合理提高出售價(jià)格。已經(jīng)購買的后續(xù)更新均可免費(fèi)看，滿意好評(píng)后可以私信我贈(zèng)送視頻對(duì)應(yīng)的源文件。，歡迎大家入COMSOL交流群交流學(xué)習(xí)，群號(hào)273071890
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等離子體的實(shí)例教程
業(yè)界正在做出巨大努力，旨在利用表面等離子體的獨(dú)特屬性，將電子器件的尺寸效率與光子學(xué)的數(shù)據(jù)效率相結(jié)合。
表面等離子體光子學(xué)的挑戰(zhàn)
表面等離子體的傳播僅在其移動(dòng)幾毫米之后就會(huì)受到歐姆損耗的抑制，因此業(yè)界正在研發(fā)由石墨烯、金屬氧化物和氮化物等等離子體納米粒子構(gòu)建的等離子體學(xué)納米結(jié)構(gòu)，以應(yīng)對(duì)該挑戰(zhàn)。
熱是另一項(xiàng)挑戰(zhàn)——它會(huì)影響等離子體信號(hào)的傳播長(zhǎng)度和振幅。
具有合適電氣和光學(xué)屬性組合的金屬納米結(jié)構(gòu)和幾何結(jié)構(gòu)可能可以解決這些挑戰(zhàn)。這是因?yàn)殂~、銀、鋁、金等其他材料中的金屬納米結(jié)構(gòu)允許表面等離子體激元（SPP）傳播。
SPP是在金屬-電介質(zhì)界面?zhèn)鞑サ墓舱耠娮诱袷?。其?huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的光-物質(zhì)相互作用，從而增強(qiáng)光電應(yīng)用中的弱光學(xué)效應(yīng)。
表面等離子體光波導(dǎo)
SPP可以被視為特殊類型的光波。因此，金屬互連可支持這些波在金屬-電介質(zhì)界面?zhèn)鞑?，并用作光波?dǎo)或表面等離子體光波導(dǎo)。
SPP可用復(fù)波矢量表示。該矢量的虛部與SPP傳播長(zhǎng)度成反比，而實(shí)部與約束成正比。
表面等離子體與電路設(shè)計(jì)的實(shí)際集成，取決于傳播長(zhǎng)度和約束之間的反比關(guān)系的平衡。理想情況下，表面等離子體光波導(dǎo)可同時(shí)最大限度增加表面等離子體的約束和傳播長(zhǎng)度，以獲得最佳效果。
表面等離子體激元傳播造成的耗散損耗可以通過增益放大或集成光纖等光子元件來抵消，從而產(chǎn)生混合表面等離子體光波導(dǎo)。
表面等離子體光波導(dǎo)呈亞波長(zhǎng)模態(tài)，小于光的衍射極限。在小于光的波長(zhǎng)下的SPP傳播方式是可能的，這一想法讓業(yè)界振奮不已，從而為能夠在光學(xué)頻率下進(jìn)行納米級(jí)信息處理的芯片級(jí)器件開辟了可能性。
展開 業(yè)界正在做出巨大努力，旨在利用表面等離子體的獨(dú)特屬性，將電子器件的尺寸效率與光子學(xué)的數(shù)據(jù)效率相結(jié)合。
表面等離子體光子學(xué)的挑戰(zhàn)
表面等離子體的傳播僅在其移動(dòng)幾毫米之后就會(huì)受到歐姆損耗的抑制，因此業(yè)界正在研發(fā)由石墨烯、金屬氧化物和氮化物等等離子體納米粒子構(gòu)建的等離子體學(xué)納米結(jié)構(gòu)，以應(yīng)對(duì)該挑戰(zhàn)。
熱是另一項(xiàng)挑戰(zhàn)——它會(huì)影響等離子體信號(hào)的傳播長(zhǎng)度和振幅。
具有合適電氣和光學(xué)屬性組合的金屬納米結(jié)構(gòu)和幾何結(jié)構(gòu)可能可以解決這些挑戰(zhàn)。這是因?yàn)殂~、銀、鋁、金等其他材料中的金屬納米結(jié)構(gòu)允許表面等離子體激元（SPP）傳播。
SPP是在金屬-電介質(zhì)界面?zhèn)鞑サ墓舱耠娮诱袷帯Ｆ鋾?huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的光-物質(zhì)相互作用，從而增強(qiáng)光電應(yīng)用中的弱光學(xué)效應(yīng)。
表面等離子體光波導(dǎo)
SPP可以被視為特殊類型的光波。因此，金屬互連可支持這些波在金屬-電介質(zhì)界面?zhèn)鞑ィ⒂米鞴獠▽?dǎo)或表面等離子體光波導(dǎo)。
SPP可用復(fù)波矢量表示。該矢量的虛部與SPP傳播長(zhǎng)度成反比，而實(shí)部與約束成正比。
表面等離子體與電路設(shè)計(jì)的實(shí)際集成，取決于傳播長(zhǎng)度和約束之間的反比關(guān)系的平衡。理想情況下，表面等離子體光波導(dǎo)可同時(shí)最大限度增加表面等離子體的約束和傳播長(zhǎng)度，以獲得最佳效果。
表面等離子體激元傳播造成的耗散損耗可以通過增益放大或集成光纖等光子元件來抵消，從而產(chǎn)生混合表面等離子體光波導(dǎo)。
表面等離子體光波導(dǎo)呈亞波長(zhǎng)模態(tài)，小于光的衍射極限。在小于光的波長(zhǎng)下的SPP傳播方式是可能的，這一想法讓業(yè)界振奮不已，從而為能夠在光學(xué)頻率下進(jìn)行納米級(jí)信息處理的芯片級(jí)器件開辟了可能性。
常見的表面等離子體光波導(dǎo)類型包括金屬-絕緣體-金屬（MIM）、絕緣體-金屬-絕緣體（IMI）、通道等離子體激元（CPP）和間隙等離子體激元（GPP）波導(dǎo)。
什么是表面等離子體光子學(xué)超材料？
展開 重物質(zhì)傳遞系數(shù)
對(duì)于所有重物質(zhì)，等離子體接口中的默認(rèn)設(shè)置是基于動(dòng)力學(xué)理論計(jì)算擴(kuò)散系數(shù)。用于計(jì)算擴(kuò)散系數(shù)的方程使用了每種物質(zhì)的摩爾質(zhì)量、勢(shì)特征長(zhǎng)度、勢(shì)能最小值和偶極矩。（你可以在參考文獻(xiàn)4和等離子體模塊用戶指南文檔的物質(zhì)傳遞屬性部分了解有關(guān)此方程的更多信息。你可以手動(dòng)引入此信息，也可以使用預(yù)設(shè)物質(zhì)，如圖4所示。對(duì)于離子，默認(rèn)情況下，使用擴(kuò)散系數(shù)和愛因斯坦關(guān)系計(jì)算物質(zhì)遷移率。但是，也可以選擇指定遷移率并使用愛因斯坦關(guān)系計(jì)算擴(kuò)散系數(shù)。要了解如何將離子遷移率用作一般意義上的電場(chǎng)函數(shù)，請(qǐng)參閱參考文獻(xiàn)5。
圖4 模型開發(fā)器顯示了用戶定義的氬氣和氧氣混合物的等離子體化學(xué)物質(zhì)的功能。
數(shù)據(jù)來源
如果沒有等離子體化學(xué)和相關(guān)數(shù)據(jù)，也可能很難獲得。需要大量的文獻(xiàn)研究，在許多情況下也需要大量的猜測(cè)工作。在這里，我們重點(diǎn)介紹可用于查找與等離子體化學(xué)相關(guān)的數(shù)據(jù)的參考文獻(xiàn)。例如，參考文獻(xiàn)6介紹了如何開發(fā)等離子體化學(xué)。作者還提供了等離子體化學(xué)數(shù)據(jù)的其他參考資料，并討論了如何估算數(shù)據(jù)。參考文獻(xiàn)2 和參考文獻(xiàn)3是關(guān)于等離子體物理和等離子體化學(xué)的教科書，并提供等離子體化學(xué)數(shù)據(jù)。參考文獻(xiàn)5包含將離子遷移率用作電場(chǎng)函數(shù)的示例。為了獲得電子碰撞反應(yīng)，我們建議使用 LXCat 數(shù)據(jù)庫。
獲得完整的等離子體化學(xué)的最簡(jiǎn)單方法是找到一篇已經(jīng)完成的論文。參考文獻(xiàn)7和參考文獻(xiàn)8中提供了這方面的一個(gè)例子，作者分別介紹并討論了氬氧混合物和氯等離子體的等離子體化學(xué)成分。作者使用全局模型來研究化學(xué)物質(zhì)，并使用實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。
開發(fā)等離子體化學(xué)的工作流程
等離子體化學(xué)通常用于對(duì)等離子體反應(yīng)器進(jìn)行建模。但是，最好將等離子體化學(xué)的制備與反應(yīng)器模型的創(chuàng)建分開。設(shè)置反應(yīng)器模型時(shí)，建議使用簡(jiǎn)單的等離子體化學(xué)（如下面示例1 部分中的化學(xué)成分）以避免與等離子體化學(xué)相關(guān)的問題。
展開 我們?cè)?em>等離子體理論中，明確定義，一切傳統(tǒng)科學(xué)所定義的宇宙、星系、恒星、行星、原子、質(zhì)子、電子、中子、植物、動(dòng)物、人類、外星人和生命，都被定義為，是具有不同質(zhì)量和磁引力場(chǎng)強(qiáng)度的等離子體。
我們對(duì)“物質(zhì)”的定義為：多個(gè)等離子體相互作用，在環(huán)境中獲得磁引力場(chǎng)的平衡后，組合在一起的分子狀態(tài)。
所有磁引力場(chǎng)強(qiáng)度處于物理世界這個(gè)層面的等離子體，在物理維度中存在著不同的狀態(tài)：
1、甘斯?fàn)顟B(tài)：
在環(huán)境中作為單個(gè)、獨(dú)立、完整的等離子體存在，具有自己的中心旋轉(zhuǎn)內(nèi)核與整體的磁引力場(chǎng)，與環(huán)境的磁引力場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生球形的磁層圈，具有自我意識(shí)，可以自我維持，不斷尋找并維持與環(huán)境的磁引力場(chǎng)平衡，這樣的等離子體，被定義為——等離子體的“甘斯”狀態(tài)。甘斯作為一個(gè)等離子體，在中心有一個(gè)旋轉(zhuǎn)內(nèi)核，這個(gè)內(nèi)核的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)創(chuàng)造了從中心向外釋放、流動(dòng)的磁場(chǎng)——磁力場(chǎng)，和從外向內(nèi)聚集、流動(dòng)的磁場(chǎng)——引力場(chǎng)。
當(dāng)甘斯（等離子體）磁力場(chǎng)向環(huán)境釋放磁引力場(chǎng)能量的時(shí)候，同時(shí)引力場(chǎng)也在從環(huán)境中吸收磁引力場(chǎng)能量，這樣同時(shí)一放一收、一出一進(jìn)，形成良性循環(huán)，維持整體的平衡，在初始質(zhì)量上就不會(huì)有任何減少與消耗，向環(huán)境釋放的磁引力場(chǎng)能量越多，同時(shí)從環(huán)境中吸收的磁引力場(chǎng)能量也越多，作為能量的供給，維持整體的平衡，通過這樣的方式，任何一個(gè)甘斯（等離子體）就具有了無限可用的能量，可以在宇宙維持自身的永恒存在。這種無限與永恒，并不是通過貪婪的從環(huán)境中獲取更多，讓自己的質(zhì)量變得更大，大到可以讓自己永恒存在，這種貪婪的方式是不可能讓自己永恒的，因?yàn)楂@得在多，質(zhì)量在大，也還是有個(gè)具體數(shù)字的，仍然是有限的，而無限是沒有具體數(shù)字的，通過同時(shí)一出一進(jìn)、一放一收的無限循環(huán)，就完美的實(shí)現(xiàn)了永恒，即使是一個(gè)初始質(zhì)量非常非常小的等離子體，仍然可以通過這樣的方式在宇宙中自我維持，獲得永恒存在。
展開 可以看出，無活性劑添加時(shí)，等離子體聲發(fā)射脈沖事件的能量主要分布在10 kHz以下的頻率區(qū)間，而對(duì)于添加TiO2活性劑進(jìn)行的脈沖激光焊接，等離子體聲發(fā)射脈沖事件的能量除了分布在10 kHz以下的頻率區(qū)間，在10～15 kHz以上的較高頻率區(qū)間同樣有顯著的分布. 并且，除了頻域分布的差別外，添加TiO2活性劑焊接所獲得的等離子體聲發(fā)射脈沖事件功率譜能量峰的強(qiáng)度也大大增強(qiáng). 這些功率譜信息較為敏銳地反映了激光焊接等離子體的變化. 可見，添加活性劑的脈沖激光焊接過程獲得了更強(qiáng)的等離子體活動(dòng).
圖7 等離子體聲發(fā)射單一脈沖事件信號(hào)時(shí)頻域特征
Fig.7 Characteristics of single pulsed AE event of plasma plume in time domain
綜合上述分析可以判斷，添加TiO2活性劑的脈沖激光焊接過程，由于活性劑增強(qiáng)了材料對(duì)激光能量的吸收，導(dǎo)致更大量的元素被氣化，從而增強(qiáng)了等離子體的活動(dòng)強(qiáng)度，改變了焊接過程傳熱效應(yīng)，獲得了相對(duì)于未添加活性劑焊接更大的焊縫熔深. 這應(yīng)該是添加TiO2活性劑的脈沖激光焊接熔深增加機(jī)理.
3 結(jié) 論
(1) 添加TiO2活性劑的脈沖激光焊接可以顯著地增加焊縫熔深，通過對(duì)焊接過程中的等離子體聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，可以對(duì)活性脈沖激光焊接過程的等離子體變化行為進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)估.
(2) 由等離子體聲發(fā)射信號(hào)統(tǒng)計(jì)而來的振鈴計(jì)數(shù)特征值，以及計(jì)算而來的RMS波形和相應(yīng)信號(hào)的功率譜分布，均可以在一定程度上反映活性激光焊接過程產(chǎn)生的等離子體在時(shí)頻域上的變化特征，以及等離子體能量的變化特征.
(3) 添加TiO2活性劑的脈沖激光焊接過程，活性劑增強(qiáng)了材料對(duì)激光能量的吸收，增強(qiáng)了等離子體的能量及其對(duì)材料的傳熱，從而影響焊接過程傳熱效應(yīng)，這應(yīng)該是添加TiO2活性劑的脈沖激光焊接熔深增加的主要機(jī)理.
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3、等離子體改性技術(shù)
與等離子清洗原理類似，但更側(cè)重表面分子結(jié)構(gòu)改性：通過氬氣等離子體物理刻蝕形成微粗糙面，或通過氧氣、氨氣等離子體引入極性基團(tuán)。處理時(shí)間短（幾秒到幾分鐘），改性效果均勻，適用于ABS、PC等工程塑料的精密處理，尤其適合要求高附著力的涂層工藝。
由于幾何、光源和材料的特性，等離子體效應(yīng)導(dǎo)致了歸一化透射對(duì)物理參數(shù)的非常關(guān)鍵的依賴。這使得標(biāo)準(zhǔn)化傳輸?shù)臏?zhǔn)確計(jì)算成為具有挑戰(zhàn)性的基準(zhǔn)問題。
狹縫槽設(shè)置（左）和用于歸一化的狹縫設(shè)置（右）的三角形網(wǎng)格；灰色：銀膜，藍(lán)色：基板，紅色：檢測(cè)器區(qū)域，綠色：空氣；請(qǐng)注意金屬角處網(wǎng)格的預(yù)細(xì)化。
3、基材預(yù)處理
◎ 徹底干燥：鍍鋁前將PC基材放入120℃干燥箱中干燥4小時(shí)，確保含水量≤0.015%，避免基材內(nèi)部的水汽在高溫環(huán)境下滲出，破壞鋁層；
◎ 表面活化：鍍鋁前用氧氣等離子體處理PC表面，時(shí)間30-60秒，提升表面活性和粗糙度，讓鋁層與基材結(jié)合更緊密，減少水汽滲透的“通道”。
表面等離子體與電路設(shè)計(jì)的實(shí)際集成，取決于傳播長(zhǎng)度和約束之間的反比關(guān)系的平衡。理想情況下，表面等離子體光波導(dǎo)可同時(shí)最大限度增加表面等離子體的約束和傳播長(zhǎng)度，以獲得最佳效果。
表面等離子體激元傳播造成的耗散損耗可以通過增益放大或集成光纖等光子元件來抵消，從而產(chǎn)生混合表面等離子體光波導(dǎo)。
表面等離子體光波導(dǎo)呈亞波長(zhǎng)模態(tài)，小于光的衍射極限。
Charge Plus是目前市面上唯一一款能夠全三維計(jì)算此類空間充放電問題的商用軟件，其優(yōu)勢(shì)在于能夠?qū)?fù)雜多材料系統(tǒng)中，等離子體相互作用、表面充電、電荷傳輸及ESD的耦合物理過程進(jìn)行建模分析。
這些仿真工作，與EMA在馬薩諸塞州皮茲菲爾德的空間環(huán)境與輻射效應(yīng)（SERE）實(shí)驗(yàn)室開展的測(cè)試和驗(yàn)證工作結(jié)合；該實(shí)驗(yàn)室是少數(shù)能夠在地面復(fù)現(xiàn)空間等離子體環(huán)境關(guān)鍵特征的設(shè)施之一。
無論是超導(dǎo)磁體勵(lì)磁、中性束注入高壓供電，還是等離子體診斷、弧流驅(qū)動(dòng)等環(huán)節(jié)，都需要電源具備極低紋波、高穩(wěn)定度、快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下長(zhǎng)期可靠工作的能力。尤其是在脈沖工況下，電源需在毫秒級(jí)時(shí)間內(nèi)完成能量精確輸出，任何波動(dòng)都可能影響等離子體約束狀態(tài)。
在國內(nèi)新一代聚變裝置建設(shè)中，電源系統(tǒng)的自主化程度不斷提升。
其中電源系統(tǒng)雖不直接參與等離子體物理機(jī)制研究，卻為所有子系統(tǒng)提供能量輸入與精確控制，是決定裝置能否穩(wěn)定運(yùn)行、能否達(dá)到設(shè)計(jì)參數(shù)的關(guān)鍵基礎(chǔ)部件。
聚變電源與常規(guī)工業(yè)電源差異顯著：它強(qiáng)調(diào)高穩(wěn)定度、低噪聲、快速瞬態(tài)響應(yīng)、強(qiáng)抗干擾能力以及復(fù)雜工況下的高可靠性，往往需要根據(jù)裝置拓?fù)洹⒕€圈參數(shù)、脈沖時(shí)序進(jìn)行深度定制開發(fā)。
當(dāng)前，國內(nèi)托卡馬克裝置正朝著高參數(shù)、長(zhǎng)脈沖、工程化方向快速迭代，從現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置到下一代工程化樣機(jī)，裝置的等離子體電流、約束時(shí)間、加熱功率等核心參數(shù)持續(xù)提升，對(duì)配套聚變電源的適配性、可靠性與可擴(kuò)展性提出了全新挑戰(zhàn)。
表面等離子體與電路設(shè)計(jì)的實(shí)際集成，取決于傳播長(zhǎng)度和約束之間的反比關(guān)系的平衡。理想情況下，表面等離子體光波導(dǎo)可同時(shí)最大限度增加表面等離子體的約束和傳播長(zhǎng)度，以獲得最佳效果。
表面等離子體激元傳播造成的耗散損耗可以通過增益放大或集成光纖等光子元件來抵消，從而產(chǎn)生混合表面等離子體光波導(dǎo)。
表面等離子體光波導(dǎo)呈亞波長(zhǎng)模態(tài)，小于光的衍射極限。
什么是波導(dǎo)？2個(gè)月前
與其他光學(xué)波導(dǎo)不同，ZMW不支持傳播光學(xué)模式，而是用于等離子體、量子光學(xué)以及單分子或熒光成像。
介電波導(dǎo)
介電波導(dǎo)是用于構(gòu)建光纖和片上波導(dǎo)的圓柱形波導(dǎo)。介電波導(dǎo)具有高折射率纖芯和低折射率包層。光波利用全內(nèi)反射原理傳播：當(dāng)光試圖從光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)時(shí)，它會(huì)在材料界面被反射回光密介質(zhì)。因此，導(dǎo)波會(huì)被限制在光纖芯中，從而實(shí)現(xiàn)損耗盡可能低的遠(yuǎn)程傳輸。
