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等离子体及其应用介绍

文章出处:本站 | 网站编辑:深圳纳恩科技有限公司| 发表时间:2022-12-13
固态、液态与气态是人们所熟知的三种物质状态,在一定的条件下,物质之间的各种状态是可以相互转化的。如随着物质温度的不断上升,当粒子的平均动能超过粒子在晶格中的结合能时,晶体将被破坏,物质由固态变为液态,若在此基础上进一步提高温度,当粒子的结合键被破坏时,物质的状态将由液态变为气态。继续升高温度,气态物质则会出现部分电离甚至完全电离的情况,即原子的外层电子会摆脱原子核的束缚而成为自由电子,失去外层电子的原子则会变成带有正电的离子。虽然此时气体中会存在电子和离子,但仍然以电中性的气态分子为主导。当带电粒子的浓度高于一定数值时,电离气体将表现出明显的集体行为,并具有发光、导电、高温、高化学活性等一系列不同于其它三态的特殊性质,物质的这种状态称为等离子体态,是物质的第四态。
等离子体及其应用

作为一种独特的物质状态,自然界中的等离子体主要存在于宇宙空间,根据Saha的计算,宇宙空间的可见物质中99%都属于等离子体态。等离子体是宇宙中物质存在的主要形式,宇宙中的恒星、日地空间的太阳风、太阳日冕、脉冲星、星云、大气外侧的电离层、极光、雷电等都是等离子体。地球表面几乎没有自然存在的等离子体,只能通过一定的方法人工产生。

等离子体作为一门新兴学科,最早是由英国科学家克鲁克斯在1879年发现,“plasma”这个词是1928年由Langmuir首次引入到物理学,用于描述气体放电管里的物质状态。伴随着气体放电、天体物理学和空间物理学、受控热核聚变以及低温等离子体技术应用(如等离子体发电,等离子体切割、焊接和喷涂,等离子体化工,等离子体冶炼以及废气、废水处理等)的各种需求,等离子体物理学在实验和理论计算两个方面快速发展,在前人不断探索的过程中逐渐成为一个独立的学科。

等离子体的分类方法有很多种,按产生方式可以分为人工等离子体和天然等离子体;按照电离率可以分为完全电离等离子体(电离率a=1)、部分电离等离子体(0.01<a<1)和弱电离等离子体(10-12<a<0.01);按热力学平衡可以分为完全热力学平衡等离子体、局部热力学平衡等离子体以及非热力学平衡等离子体;按照电子温度也可分为高温等离子体(电子温度高,一般为几个、几十keV)和低温等离子体(电子温度低,一般为几个、几十eV);由等离子体的磁化程度可分为完全磁化等离子体(电子、离子回旋频率>电子、离子与中性气体碰撞频率)、部分磁化等离子体(电子回旋频率>电子与中性气体碰撞频率,电子被磁化;离子回旋频率<离子与中性气体碰撞频率,离子未被磁化)和非磁化等离子体(电子、离子回旋频率<电子、离子与中性气体碰撞频率)。

随着人类对等离子体的研究不断深入,人们发现等离子体具有很多优良的性质,许多过去不能完成的工艺过程可以借助等离子体技术来实现。如机械加工领域,等离子体弧由于高温、高速和高能量密度等特点被用于陶瓷材料的加工;在微电子工业,由于等离子体刻蚀具有较好的选择性、各向异性并且刻蚀精度高的优势(刻蚀线宽在微米量级),等离子体刻蚀技术已经能对超大规模集成电路进行加工;薄膜材料制备中,等离子体沉积已经成为人们常用的技术;在冶金方面,利用等离子体技术可以制备超细金属粉末、纳米金属材料等;在化工领域,等离子体技术在基础化工原料的制备上,特别是在等离子体裂解煤和天然气方面有着独一无二的优势(等离子体裂解煤制甲烷、乙烯和乙炔等,等离子体裂解煤粉可以得到氰化氮,还可以合成醇、酸、醛等含氧有机物,裂解天然气制备乙烯和乙炔等);在材料制取方面,等离子体被应用于臭氧的制备、有机物的合成、制备薄膜以及材料表面改性等;在废水、废气、废物“三废”的处理,医疗器械的灭菌消毒等各个方面等离子体也都发挥着巨大的作用。

目前,能源危机与环境污染已经成为本世纪阻碍社会发展的重要问题,受控热核聚变方案的提出则让人类看到了永久解决此类问题的希望。核聚变所需要的材料在地球上储量非常丰富(海水中含有大量的氘),发生聚变后释放能量大(1L海水所含的氘聚变产生的能量相当于300L汽油燃烧所释放的能量),聚变产生的废料主要是地球上常见的氦气,对环境的污染小、没有放射性,核聚变技术的研究受到世界各国的高度重视。受控核聚变核心问题是:如何将高温高密度的氘(D)、氚(T)等离子体约束在一定的区域内,并且保持充足的时间,使其能够充分聚变。因此,人们提出了利用磁场对等离子体进行约束,即托克马克磁约束聚变装置。在托克马克磁约束聚变中,燃料注入问题相当关键。同轴枪放电等离子体具有高温度、高电子密度和高速度的特点,同轴枪等离子体加速器可以成为燃料注入的实验装置,作为托克马克燃料注入的一种方式。
 

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