螺旋波等离子体及其金属材料表面清洗综述

汤 栋，刘 玉

（成都大学 机械工程学院，四川 成都 610064）

等离子体广泛存在于宇宙中，被视为除固、液、气态外的第四态，是一种带有正负离子的气化物。等离子体学科在许多领域都有应用，如能源、纳米技术、材料、信息、环境、空间和生物。因此，从根本上理解其在各个领域的应用原理，开发适合相应场合的等离子体源至关重要。

螺旋波等离子体（Helicon Wave Plasma，HWP）被发现其密度高达1×1013cm-3，相比于以往等离子体电离度提升几十个百分点后，这种高密度、高电离度的HWP被广泛应用于等离子体工程、核聚变等领域。在过去的几十年中，关于螺旋波等离子体的能量吸收机制、螺旋波的朗道阻尼机制都已在实验中被证实。另外，螺旋波是惠斯勒波的分支，惠斯勒波的另一个分支被称为Trivelpiece-Gould（TG）波，其在柱状等离子体径向边缘区域被等离子体吸收[1]。

基于前人的理论支持，后来人们对等离子体的特性进行了更加深入的探究，等离子体科学的进步也对其他相关领域产生了深刻影响。同时将对螺旋波等离子体的基础特性及其在金属材料表面清洗中的应用展开深入解析。

1 螺旋波等离子体基础理论及材料清洗应用

1.1 螺旋波等离子体色散关系

等离子体中存在带有正负电荷的粒子，因受到外部电场、磁场的影响，粒子剧烈碰撞，进而产生波动，目前使用色散方程来反映这种波的波长与波频率之间的复杂关系[2]。等离子体是导体，因此，其电介质的感应电荷强度会影响外部电场E，使电位移矢量和电场强度满足一定的线性关系：

自由电流密度和电场强度之间的关系满足：

将方程（1）（2）带入微分形式的MAXWELL方程，得：

设定扰动的形式为单色平面波，经过傅里叶变换后，得波动方程：

将其改写为行列式形式，计算可得其存在非零解：

电介质的折射方程：

将（6）带入（5）得到带电介质单色平面波的色散方程[3]：

1.2 螺旋波等离子体产生机制

在RF射频放电中，通过天线激发剧烈震荡的电场加速和加热电子引起电离的方式产生等离子体。在电感耦合等离子体（Inductive Coupled Plasma，ICP）中，激发波被划分为非传播波，又由于此模式下等离子体的电导率σ较高，取消了等离子体外部震荡场，在ICP模式下的等离子体密度较低。此外，螺旋波是传播波，可以传播到具有波吸收特性的等离子体中，有利于形成大规模的螺旋波等离子体，其密度和能量较ICP模式等离子体高。

虽然当前可以很高效地获得密度高达1×1013cm-3的螺旋波等离子体，但关于高密度螺旋波等离子体的产生机制还存在诸多争论。下面将讨论高效产生螺旋波等离子体的相关机制[4]。

随着功率的增加，等离子体密度也逐渐增大。低功率区间的电容耦合等离子体（Capacitively Coupled Plasma，CCP）的密度大约在1×109cm-3。得到HWP的典型方式是ICP模式下的等离子体通过密度跃迁，也可以从CCP模式密度跃迁到ICP再跃迁到HWP[5]。

关于争论了30年之久的HWP产生机制，当今主流猜测主要分为3种：（1）电子、离子和中性粒子间的碰撞阻尼产生HWP；（2）电子受到朗道阻尼影响后加速，以获得更大碰撞能得到HWP；（3）等离子体中的惠斯勒波分散为两种波形，一种是螺旋波，另一种是TG波，而TG波的能量在柱状等离子体边缘处被等离子体吸收得到HWP。

这3种猜想都考虑到了朗道阻尼的动力学效应，快电子和波的相速度非常接近，因此，等离子体波之间相互作用的理论被广泛接受。后来又观察到等离子体中快电子的数量有限，不足以证明快电子能为等离子体提供足够能量达到HWP。当前，主要以等离子体的电离度来判定其放电状态[6]。

1.3 等离子体密度影响因素

下面从3个方面来阐述影响等离子体密度径向分布的因素[7]：源区磁场的变化、天线径向辐射电场强度和位形的变化、电压偏置引起的等离子体极化。

（1）在空间中，等离子体会遵循磁感线流动方向排布，发散的轴向磁场会使等离子体密度的径向分布稀疏，因此，轴向的尖端磁共振点通常会产生较大密度的等离子体。

（2）通过改变天线的电流馈入点可以改变天线径向场的位形分布，这将导致等离子体的密度变化。天线辐射的电场强度越大，分布越均匀，则越有利于产生高密度的等离子体。

（3）在真空室的一端施加偏置电压，改变电压偏置板的形状，如网状、环状等，腔室内的等离子体空间分布以及密度也会因此改变。

等离子体电压偏置法在实际工程中也具有一定的价值。通过偏压的方式，使等离子体达到高转速，实现等离子体的质量分离，即同位素分离。除此之外，还可应用于核废料再生和燃料二次处理，究其原理，即通过电压偏置的手段，使等离子体存在多个同心电极，在轴向磁场的影响下，产生E×B方位角的旋转等离子体，使被困在隔离区的粒子剧烈碰撞后燃烧，达到处理核废料的目的[1]。

1.4 螺旋波等离子体金属材料表面清洗应用

1.4.1 电子、离子和自由基在清洗过程中的作用

由于等离子体清洗材料表面技术的安全、高效、清洁等优点，现已被广泛应用。螺旋波等离子体具有更高的密度和能量，可用作清洗材料且种类更加多样。其清洗原理是利用电子、离子、原子和自由基发射的能量光束与材料表面的污染物分子剧烈碰撞反应除去污染物[7]。

螺旋波等离子体中的电子在金属表面清洗过程中，剧烈轰击被清洗物表面的污染分子，使分子被解离，产生具有活性的自由基，有利于污染分子参与其他形式的反应。此外，等离子体中电子的运动速度要比离子快得多，这有利于电子提前到达材料表面，使其显负电性，为接下来的活化反应提供良好的环境。

螺旋波等离子体中的离子在表面清洗过程中也具有一定的作用，离子会被带负电的表面吸引而产生加速度，随后与依附在表面的污染物发生物理碰撞，使污染物被分解成更小的体积，有利于一系列活化反应的进行。

等离子体中数量最多的粒子是呈电中性的自由基，其存在时间长、能量高。在清洗过程中，表面污染物极易与这些带有高能量的自由基反应，产生新的自由基，也获得了高能量，变得不稳定后进行下一步反应。随着反应的不断进行，这些自由基的能量越来越低，最后生成易挥发的小分子，达到清洗的效果。因此，自由基为整个清洗过程中的化学反应提供了能量[8]。

1.4.2 辉光放电等离子体与大气压射流等离子体清洗对比

辉光放电是通过对平行金属板施加直流或者交流电的方式产生等离子体。其清洗原理相同，通过电子、离子撞击材料表面污染物以达到清洗效果，但这种清洗方式需要在低压环境下进行，不适用于工程，且打造低压环境需要高端的真空设备，成本较高。

利用介质阻抗放电的方式产生大气压射流等离子体的原理如下：当对电极施加交流信号时，产生急速的气流，使放电过程中产生的等离子体在空间内扩散，充满整个腔室的等离子体与放电区域以外的金属污染物反应生成挥发气体，这种清洗方式较以上两种操作方法简单，且成本较低[8]。

2 结语

关于螺旋波等离子体的能量吸收机制有一个基本的定论，但对于螺旋波等离子体的判定目前都是计算其电离度，这种判定方式并没有在机理上得到广泛认可，且操作起来相对复杂。另外，关于螺旋波等离子体在金属材料表面清洗领域的应用方式较为多样，但因大气压射流等离子体的产生简单、成本低而被广泛应用。为得到更好的清洗效果，还需要精确地控制各物理变量，继续探究其机理，完善其理论。