螺旋波等離子體及其金屬材料表面清洗綜述

湯 棟，劉 玉

（成都大學 機械工程學院，四川 成都 610064）

等離子體廣泛存在于宇宙中，被視為除固、液、氣態外的第四態，是一種帶有正負離子的氣化物。等離子體學科在許多領域都有應用，如能源、納米技術、材料、信息、環境、空間和生物。因此，從根本上理解其在各個領域的應用原理，開發適合相應場合的等離子體源至關重要。

螺旋波等離子體（Helicon Wave Plasma，HWP）被發現其密度高達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被廣泛應用于等離子體工程、核聚變等領域。在過去的幾十年中，關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行了更加深入的探究，等離子體科學的進步也對其他相關領域產生了深刻影響。同時將對螺旋波等離子體的基礎特性及其在金屬材料表面清洗中的應用展開深入解析。

1 螺旋波等離子體基礎理論及材料清洗應用

1.1 螺旋波等離子體色散關系

等離子體中存在帶有正負電荷的粒子，因受到外部電場、磁場的影響，粒子劇烈碰撞，進而產生波動，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雜關系[2]。等離子體是導體，因此，其電介質的感應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系：

自由電流密度和電場強度之間的關系滿足：

將方程（1）（2）帶入微分形式的MAXWELL方程，得：

設定擾動的形式為單色平面波，經過傅里葉變換后，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：

電介質的折射方程：

將（6）帶入（5）得到帶電介質單色平面波的色散方程[3]：

1.2 螺旋波等離子體產生機制

在RF射頻放電中，通過天線激發劇烈震蕩的電場加速和加熱電子引起電離的方式產生等離子體。在電感耦合等離子體（Inductive Coupled Plasma，ICP）中，激發波被劃分為非傳播波，又由于此模式下等離子體的電導率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。

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

關于爭論了30年之久的HWP產生機制，當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效應，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量有限，不足以證明快電子能為等離子體提供足夠能量達到HWP。當前，主要以等離子體的電離度來判定其放電狀態[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，如網狀、環狀等，腔室內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，使等離子體達到高轉速，實現等離子體的質量分離，即同位素分離。除此之外，還可應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，產生E×B方位角的旋轉等離子體，使被困在隔離區的粒子劇烈碰撞后燃燒，達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的安全、高效、清潔等優點，現已被廣泛應用。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、原子和自由基發射的能量光束與材料表面的污染物分子劇烈碰撞反應除去污染物[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。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材料表面，使其顯負電性，為接下來的活化反應提供良好的環境。

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，離子會被帶負電的表面吸引而產生加速度，隨后與依附在表面的污染物發生物理碰撞，使污染物被分解成更小的體積，有利于一系列活化反應的進行。

等離子體中數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，產生新的自由基，也獲得了高能量，變得不穩定后進行下一步反應。隨著反應的不斷進行，這些自由基的能量越來越低，最后生成易揮發的小分子，達到清洗的效果。因此，自由基為整個清洗過程中的化學反應提供了能量[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到清洗效果，但這種清洗方式需要在低壓環境下進行，不適用于工程，且打造低壓環境需要高端的真空設備，成本較高。

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

2 結語

關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可，且操作起來相對復雜。另外，關于螺旋波等離子體在金屬材料表面清洗領域的應用方式較為多樣，但因大氣壓射流等離子體的產生簡單、成本低而被廣泛應用。為得到更好的清洗效果，還需要精確地控制各物理變量，繼續探究其機理，完善其理論。