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等离子体

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离子体(plasma)又叫做电浆,是由部分电子被剥夺后的原子及原子团被电离后产生的正负离子组成的离子化气体状物质,尺度大于德拜长度的宏观电中性电离气体,其运动主要受电磁力支配,并表现出显著的集体行为。它广泛存在于宇宙中,常被视为是除去固、液、气外,物质存在的第四态。等离子体是一种很好的导电体,利用经过巧妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。等离子体物理的发展为材料、能源、信息、环境空间、空间物理、地球物理等科学的进一步发展提供了新的技术和工艺。
等离子体是不同于固体、液体和气体的物质第四态。物质由分子构成,分子由原子构成,原子由带正电的原子核和围绕它的、带负电的电子构成。当被加热到足够高的温度或其他原因,外层电子摆脱原子核的束缚成为自由电子,就像下课后的学生跑到操场上随意玩耍一样。电子离开原子核,这个过程就叫做“电离”。这时,物质就变成了由带正电的原子核和带负电的电子组成的、一团均匀的“浆糊”,因此人们戏称它为离子浆,这些离子浆中正负电荷总量相等,因此它是近似电中性的,所以就叫等离子体。
中文名
等离子体
外文名
plasma
类 目
物理学
又 叫
电浆

构成 编辑

看似“神秘”的等离子体,其实是宇宙中一种常见的物质,在太阳恒星闪电中都存在等离子体,它占了整个宇宙的99%。21世纪人们已经掌握和利用电场和磁场产生来控制等离子体。最常见的等离子体是高温电离气体,如电弧、霓虹灯和日光灯中的发光气体,又如闪电、极光等。金属中的电子气和半导体中的载流子以及电解质溶液也可以看作是等离子体。在地球上,等离子体物质远比固体、液体、气体物质少。在宇宙中,等离子体是物质存在的主要形式,占宇宙中物质总量的99%以上,如恒星(包括太阳)、星际物质以及地球周围的电离层等,都是等离子体。为了研究等离子体的产生和性质以阐明自然界等离子体的运动规律并利用它为人类服务,在天体物理、空间物理、特别是核聚变研究的推动下,近三、四十年来形成了磁流体力学和等离子体动力学。
等离子体由离子、电子以及未电离的中性粒子的集合组成,整体呈中性的物质状态。等离子体可分为两种:高温和低温等离子体。等离子体温度分别用电子温度和离子温度表示,两者相等称为高温等离子体;不相等则称低温等离子体。低温等离子体广泛运用于多种
等离子体发生器 等离子体发生邪恶动态图片第十八期器
生产领域。例如:等离子电视,婴儿尿布表面防水涂层,增加啤酒瓶阻隔性。更重要的是在电脑芯片中的时刻运用,让网络时代成为现实。
高温等离子体只有在温度足够高时发生的。恒星不断地发出这种等离子体,组成了宇宙的99%。低温等离子体是在常温下发生的等离子体(虽然电子的温度很高)。低温等离子体可以被用于氧化、变性等表面处理或者在有机物无机物上进行沉淀涂层处理。
等离子体(Plasma)是一种由邪恶动态图片第十八期自由电子和带电离子为主要成分的物质形态,广泛存在于宇宙中,常被视为是物质的第四态,被称为等离子态,或者“超气态”,也称“电浆体”。等离子体具有很高的电导率,与电磁场存在极强的耦合作用。等离子体是由克鲁克斯在1879年发现的,1928年美国科学家欧文·朗缪尔和汤克斯(Tonks)首次将“等离子体”(plasma)一词引入邪恶动态图片第十八期物理学用来描述气体放电管里的物质形态[1]。严格来说,等离子体是具有高位能动能的气体团,等离子体的总带电量仍是中性,借由电场或磁场的高动能将外层的电子击出,结果电子已不再被束缚于原子核,而成为高位能高动能的自由电子。
等离子体是物质的第四态,即电离了的“气体”,它呈现出高度激发的不稳定态,其中包括邪恶动态图片第十八期离子(具有不同符号和电荷)、电子、原子和分子。其实,人们对等离子体现象并不生疏。在自然界里,炽热烁烁的火焰、光辉夺目的闪电、以及绚烂壮丽的极光等都是等离子体作用的结果。对于整个宇宙来讲,几乎99.9%以上的物质都是以等离子体态存在的,如恒星和行星际空间等都是由等离子体组成的。用人工方法,如核聚变邪恶动态图片第十八期核裂变辉光放电及各种放电都可产生等离子体。分子或原子的内部结构主要由电子和原子核组成。在通常情况下,即上述物质前三种形态,电子与核之间的关系比较固定,即电子以不同的能级存在于核场的周围,其势能动能不大。
普通气体温度升高时,气体粒子的热运动加剧,使粒子之间发生强烈碰撞,大量原子或分子中的电子被撞掉,当温度高达百万开到1亿开,所有气体原子全部电离。电离出的自由电子总的负电量与正离子总的正电量相等。这种高度电离的、宏观上呈中性的气体叫等离子体。
等离子体和普通气体性质不同,普通气体由分子构成,分子之间相互作用力是短程力,仅当分子碰撞时,分子之间的相互作用力才有明显效果,理论上用分子运动论描述。在等离子体中,带电粒子之间的库仑力是长程力,库仑力的作用效果远远超过带电粒子可能发生的局部短程碰撞效果,等离子体中的带电粒子运动时,能引起正电荷或负电荷局部集中,产生电场;电荷定向运动引起电流,产生磁场。电场和磁场要影响其他带电粒子的运动,并伴随着极强的热辐射热传导;等离子体能被磁场约束作回旋运动等。等离子体的这些特性使它区别于普通气体被称为物质的第四态。
宇宙中,等离子体是物质最主要的正常状态。宇宙研究、宇宙开发、以及卫星宇航[1] 能源等新技术将随着等离子体的研究而进入新时代。[2]

发展史 编辑

19世纪以来对气体放电的研究;19世纪中叶开始天体物理学及20世纪对空间物理学的研究;1950年前后开始对受控热核聚变的研究;以及低温等离子体技术应用的研究,从四个方面推动了这门学科的发展。
19世纪30年代英国的M.法拉第以及其后的J.J.汤姆孙、J.S.E.汤森德等人相继研究气体放电现象,这实际上是等离子体实验研究的起步时期。1879年英国的W.克鲁克斯采用“物质第四态”这个名词来描述气体放电管中的电离气体。美国的I.朗缪尔在1928年首先引入等离子体这个名词,等离子体物理学才正式问世。1929年美国的L.汤克斯和朗缪尔指出了等离子体中电子密度的疏密波(即朗缪尔波)。
对空间等离子体的探索,也在20世纪初开始。1902年英国的O.亥维赛等为了解释无线电波可以远距离传播的现象,推测地球上空存在着能反射电磁波的电离层。这个假说为英国的E.V.阿普顿用实验证实。英国的D.R.哈特里(1931)和阿普顿(1932)提出了电离层的折射率公式,并得到磁化等离子体的色散方程。1941年英国的S.查普曼和V.C.A.费拉罗认为太阳会发射出高速带电粒子流,粒子流会把地磁场包围,并使它受压缩而变形。
从20世纪30年代起,磁流体力学及等离子体动力论逐步形成。等离子体的速度分布函数服从福克-普朗克方程。苏联的Л.Д.朗道在1936年给出方程中由于等离子体中的粒子碰撞而造成的碰撞项的碰撞积分形式。1938年苏联的A.A.符拉索夫提出了符拉索夫方程,即弃去碰撞项的无碰撞方程。朗道碰撞积分和符拉索夫方程的提出,标志着动力论的发端。
1942年瑞典的H.阿尔文指出,当理想导电流体处在磁场中,会产生沿磁力线传播的横波(即阿尔文波)。印度的S.钱德拉塞卡在1942年提出用试探粒子模型来研究弛豫过程。1946年朗道证明当朗缪尔波传播时,共振电子会吸收波的能量造成波衰减,这称为朗道阻尼。朗道的这个理论,开创了等离子体中波和粒子相互作用和微观不稳定性这些新的研究领域。
从1935年延续至1952年,苏联的H.H.博戈留博夫、英国的M.玻恩等从刘维定理出发,得到了不封闭的方程组系列,名为BBGKY链。由它可导出符拉索夫方程等,这给等离子体动力论奠定了理论基础。
1950年以后,因为英、美、苏等国开始大力研究受控热核反应,促使等离子体物理蓬勃发展。热核反应的概念最早出现于1929年,当时英国的阿特金森和奥地利的豪特曼斯提出设想,太阳内部氢元素的核之间的热核反应所释放的能量是太阳能的来源,这是天然的自控热核反应。1957年英国的J.D.劳孙提出受控热核反应实现能量增益的条件,即劳孙判据。
50年代以来已建成了一批受控聚变的实验装置,如美国的仿星器和磁镜以及苏联的托卡马克,这三种是磁约束热核聚变实验装置。60年代后又建立一批惯性约束聚变实验装置。
环状磁约束等离子体的平衡问题由苏联的V.D.沙弗拉诺夫等解决。美国的M.克鲁斯卡和沙弗拉诺夫导出了最重要的一种等离子体不稳定性,即扭曲不稳定性的判据。1958年美国的I.B.伯恩斯坦等提出分析宏观不稳定性的能量原理。处在环状磁场中的等离子体的输运系数首先由联邦德国的D.普菲尔施等作了研究(1962),他们给出在密度较大区的扩散系数,苏联的A.A.加列耶夫等给出了密度较小区的扩散系散(1967),这一理论适用于托卡马克这类环状磁约束等离子体中的输运过程被命名为新经典理论。
自从苏联在1957年发射了第一颗人造卫星以后,很多国家陆续发射了科学卫星和空间实验室,获得很多观测和实验数据,这极大地推动天体和空间等离子体物理学的发展。1959年美国的J.A.范艾伦预言地球上空存在着强辐射带,这一预言为日后的实验证实,即称为范艾伦带。1958年美国的E.N.帕克提出了太阳风模型。1974年美国的D.A.格内特根据卫星资料,认证出地球是一颗辐射星体,为长波辐射和热红外辐射[3] 。地球辐射的辐射源是地球,其波长范围约为4~120微米,为长波辐射[3] 。辐射能量的99%集中在3微米以上的波长范围内[3] 。地球辐射的最强波长约为9.7微米[3]
在此期间,一些低温等离子体技术也在以往气体放电和电弧技术的基础上,进一步得到应用与推广,如等离子体切割、焊接、喷镀、磁流体发电,等离子体化工,等离子体冶金,以及火箭的离子推进等,都推动了对非完全电离的低温等离子体性质的研究。
经过30年的发展,等离子体所在高温等离子体物理实验及核聚变工程技术研究方面中国科学院等离子体物理研究所处于国际先进水平,形成了广泛的国际交流与合作,与欧、美、日、俄、澳等近三十个国家和地区建立了稳定合作交流关系,开展多个国际合作项目,成为“第三世界科学院开放实验室”和“世界实验室聚变研究中心”,是国际受控热核聚变计划ITER中国工作组的重要单位之一。

离子效应 编辑

电离层由大气的球面组成,其中带有已经被太阳辐射而电离的离子,这就是等离子体区,形成不同离子密度的层D、E、F1、F2。在航天器重返大气时,由于摩擦产生的高温在器表面形成了很浓密的等离子体,这些电子密度足够高时,会致使等离子体频率非常高(一般为8MHz),因此地面和航天器的通信被阻断,直到它的速度降下来才恢复通信。

主要应用 编辑

当光打在金属表面时,二维光或是等离子体就会被激发。等离子体可以被看作是光子和电子的连接。
可以建立一个混合原则,由光转变成的等离子体在金属表面传播时(该等离子体的波长比原始光波的波长小的多);等离子体能被二维光学仪器(镜子、波导、透镜等)处理,等离子体能再次转变成光或者电信号
等离子体传感器和癌症治疗仪:NaomiHalas描述了等离子体怎样激发小金属层表面的,米粒形状的粒子能量很大,做光谱学试验的光是微分子数量级。
等离子体 等离子体
在米粒状粒子弯曲顶端处等离子体电场比用来激发等离子体的电场强很多,并且它在很大程度上改进了光谱的速率和精确性。换一种说法,纳米数量级的等离子体不仅可以用来鉴定,还可以用来杀死癌细胞
等离子体显微镜:IgorSmolyaninov报道称他和他的同事能够拍下来空间分辨率在60nm的物体(如果是实用材料,分辨率能达到30nm),而用激光激发只能达到515nm。换句话说,用这种分辨率制造的显微镜会比平常使用的衍射方法好的多;而且,这更是远场显微镜――光源不用放在少于光波长的范围内。巨大光极化和光传输:GennadyShvets报道当表面的声子被光激发来制造超棱镜(用平板材料透镜化)显微镜是红外线光显微镜波长的二十分之一。他和他的同事能拍下样品表面下的特征,他们称为“巨大的光传输”,照射到表面的光比一般光的波长小的多。
光频率的未来等离子体电路:NaderEngheta支持等离子体激发的纳米粒子能够被设计成纳米数量级的电容电阻,和感应器(电路中的各种元素)。
电路能够接收广播(1010Hz)或者是微波(1012Hz)的频率,而该电路却能达到光频率(1015Hz)。这就能实现小型化以及用纳米天线探测光信号的过程,纳米波导,纳米传感器,并且还有可能实现纳米计算机,纳米存储,纳米信号和光分子接口。
等离子体主要用于以下3方面。
①等离子体冶炼:用于冶炼用普通方法难于冶炼的材料,例如高熔点的(Zr)、(Ti)、(Ta)、(Nb)、(V)、(W)等金属;还用于简化工艺过程,例如直接从ZrCl、MoS、TaO和TiCl中分别
等离子体 等离子体
获得Zr、Mo、Ta和Ti;用等离子体熔化快速固化法可开发硬的高熔点粉末,如碳化钨-、Mo-Co、Mo-Ti-Zr-C等粉末等离子体冶炼的优点是产品成分及微结构的一致性好,可免除容器材料的污染。
②等离子体喷涂:许多设备的部件应能耐磨耐腐蚀、抗高温,为此需要在其表面喷涂一层具有特殊性能的材料。用等离子体沉积快速固化法可将特种材料粉末喷入热等离子体中熔化,并喷涂到基体(部件)上,使之迅速冷却、固化,形成接近网状结构的表层,这可大大提高喷涂质量。
③等离子体焊接:可用以焊接钢、合金钢、钛等及其合金。特点是焊缝平整,可以再加工没有氧化物杂质,焊接速度快。用于切割钢、铝及其合金,切割厚度大。

技术 编辑

所谓等离子体,就电气技术而言,它指的是一种拥有离子、电子和核心粒子的不带电的离子化物质。等离子体包括有,几乎相同数量的自由电子阳极电子。在一个等离子中,其中的粒子已从核心粒子中分离了出来。因此,当一个等离子包括大量的离子和电子,从而是电的最佳导体,而且它会受到磁场的影响,当温度高时,电子便会从核心粒子中分离出来了。
近几年来等离子平面屏幕技术支持下的PDP真可谓是如日中天,它是未来真正平面电视的最佳候选者。其实等离子显示技术并非21世纪才有的新技术,早在1964年美国伊利诺斯大学就成功研制出了等离
等离子体 等离子体
子显示平板,但那时等离子显示器为单色。现在等离子平面屏幕技术为最新技术,而且它是高质图象和大纯平屏幕的最佳选择。大纯平屏幕可以在任何环境下看电视,等离子面板拥有一系列象素,同时这些象素又包含有三种次级象素,它们分别呈红、绿色、蓝色。在等离子状态下的气体能与每个次象素里的磷光体反应,从而能产生红、绿或蓝色。这种磷光体与用在阴极射线管(CRT)装置(如电视机和普通电脑显示器)中的磷光体是一样的,你可以由此而得到你所期望的丰富有动态的颜色,每种由一个先进的电子元件控制的次象素能产生16亿种不同的颜色,所有的这些意味着你能在约不到6英寸厚的显示屏上更容易看到最佳画面。

不稳定性 编辑

等离子体偏离热力学平衡的性质。大体有两类方式。一类是等离子体宏观参量如密度温度压强及其他热力学量的不均匀性,由此产生的不稳定性使等离子体整体的形状改变,称为宏观不稳定性或位形空间不稳定性,可用磁流体力学(见等离子体物理学)分析,故又称磁流体力学不稳定性。另一类是等离子体的速度空间分布函数偏离麦克斯韦分布,由此产生的不稳定性称为微观不稳定性或速度空间不稳定性,可用等离子体动力论分析,故又称动力论不稳定性。
等离子体的不稳定性(无论宏观、微观)也可按引起它的驱动能量分类。如磁能引起的电流不稳定性;等离子体向弱磁场区膨胀时膨胀能引起的交换不稳定性;密度、温度梯度产生的等离子体膨胀能引起的漂移不稳定性;非麦克斯韦分布或压强各向异性对应的自由能引起的速度空间不稳定性等。
等离子体 等离子体
等离子体中种类多样的不稳定性会导致带电粒子的逃逸或输运系数的异常增大,破坏等离子体的约束或限制约束时间。因此,研究等离子体的各种不稳定性,阐明其物理机制,探索稳定化的方法,一直是受控热核聚变研究的一个中心课题,也是等离子体物理学的重要内容。
如果等离子体柱仅由其中纵向电流产生的角向磁场约束,则稍有扰动后,因收缩处向内的磁压增大,更趋收缩,膨胀处向内的磁压减小,更趋膨胀,形如腊肠,故称腊肠不稳定性,它可切断等离子体,附加纵向磁场抵制收缩和膨胀,即可使之稳定。如果载有纵向强电流的等离子体柱受扰动稍有弯曲,则凹部磁场增强,凸部减弱,由此引起的磁压之差使扰动扩大,等离子体柱将很快弯曲甚至形成螺旋线,这是扭曲不稳定性,可用纵向磁场使之稳定。如果水在上、油在下,则稍有扰动便在重力作用下互换,等离子体中与此类似的不稳定性称为互换不稳定性。以上数例均属宏观不稳定性。

核聚变 编辑

核聚变是解决未来能源的主要选择。高温等离子体研究以实现核聚变为目的。托卡马克类型核聚变研究是当今世界上主要聚变研究途径之一,也是本所主要学科方向。本所先后建成了HT-6B、HT-6M、HT-7和EAST等多套托卡马克核聚变实验装置及其研究系统,参与了国际热核聚变试验堆(ITER)计划与研究。计划未来在中国建造稳态燃烧托卡马克实验堆和中国磁约束聚变示范堆,进而实现纯聚变能源的商用化。
在建设托卡马克和开展等离子体物理实验研究过程中,本所发展了保障托卡马克运行的诊断、电源、微波、低温、超导、真空、数据采集处理、材料、安全与环保、电物理及精密仪器加工等一系列高新技术,开展了反应堆新概念设计和相关技术研究。在高功率电源、大型低温制冷、超导储能、高温超导、电物理装备研制等方面的技术已应用于国民经济,其中部分技术已实现产业化。

科研贡献 编辑

建国以来,等离子体所承担着国家发改委、科技部、国家基金委和中国科学院等多项重大科研项目,获得科研成果200多项,其中重要成果105项。等离子体所依靠自己的力量先后建设了常规磁体托卡马克装置HT-6B和HT-6M及中国第一个圆截面超导托卡马克装置HT-7;2006年,世界上第一个非圆截面全超导托卡马克EAST装置又在等离子体所自主建成,EAST成功建设被国际聚变界评价为:“是全世界聚变工程的非凡业绩,是全世界聚变能开发的杰出成就和重要里程碑”,该重大成果荣获2008年度国家科学技术进步奖一等奖,入选为2006“中国十大科技进展”和“中国基础研究十大新闻”。
等离子体所在与高温热核聚变等离子体物理及工程研究密切相关的等离子体理论与实验、反应堆技术、大功率电源技术、计算机自动控制与数据采集处理技术、高真空技术、低温制冷技术、低温超导和高温超导技术、特种材料技术、大型微波加热及电流驱动等学科的研究成绩斐然,积聚了学科不一的综合人才队伍。已建成的多套等离子体物理诊断系统、2兆瓦波加热系统、2兆瓦波驱动电流系统、总功率达20万千瓦的交直流脉冲电源系统、110千伏变电站、中国最大的2千瓦液氦制冷系统、超高真空系统、20万高斯稳态混合磁体、先进的计算机控制和数据采集及处理系统、大型超导磁体生产和测试系统等先进设施,构建成全面系统的从事等离子体物理和聚变工程及技术研发的先进平台。
离子束生物学工程是等离子体所科研人员开创的物理学与生物学交叉的新的研究领域,现已形成一门新兴的交叉学科分支——离子束生物工程学。该学科主要研究自然界低能离子辐射对进化和健康的影响,基于离子束和单离子束细胞精确定位照射平台,研究离子束、射线束与生物体相互作用机理。离子束生物工程技术己在工业生物技术、农业、环境健康等领域推广应用,获得了显著的社会效益和经济效益,多次获得国家级重要奖项,并成为这一领域的“leading team”。
太阳能材料与工程研究先后承担了国家重点基础研究973计划、中科院知识创新工程等多个项目,染料敏化太阳电池及光电功能材料和高分子结晶领域的研究,取得了多项具有国际先进的科研成果,为发展具有中国特色的太阳能事业做出积极的贡献。
结合建设创新型国家的发展纲要要求,等离子体所确立了低温等离子体技术在环境、新能源、化工、新材料等领域的应用研究,取得了一系列具有自主知识产权、可对国民经济产生重要作用的高新技术成果。
离子体所编辑出版的《Plasma Science and Technology》是国内等离子体专业唯一的英文版学术期刊,已被SCI、SA等国际重要数据库收录。[4]
等离子体在催化中的应用主要集中在[5]
  • 低温等离子体催化甲烷转化
  • 等离子体催化共同作用下CO2氧化低碳烷烃反应
  • 低温等离子体催化处理废气,如VOCs
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参考资料
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中国力学学会 自然学科 理学 物理学 物理化学 化学