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低溫等離子體介紹2

什么是低溫（冷）等離子體？

    冰升溫至0℃會(huì)變成水，如繼續(xù)使溫度升至100℃，那么水就會(huì)沸騰成為水蒸氣。隨著溫度的上升，物質(zhì)的存在狀態(tài)一般會(huì)呈現(xiàn)出固態(tài)→液態(tài)→氣態(tài)三種物態(tài)的轉(zhuǎn)化過(guò)程，我們把這三種基本形態(tài)稱(chēng)為物質(zhì)的三態(tài)。那么對(duì)于氣態(tài)物質(zhì)，溫度升至幾千度時(shí)，將會(huì)有什么新變化呢? 由于物質(zhì)分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，相互間的碰撞就會(huì)使氣體分子產(chǎn)生電離，這樣物質(zhì)就變成由自由運(yùn)動(dòng)并相互作用的正離子和電子組成的混合物（蠟燭的火焰就處于這種狀態(tài)）。我們把物質(zhì)的這種存在狀態(tài)稱(chēng)為物質(zhì)的第四態(tài)，即等離子體態(tài)(plasma)。因?yàn)殡婋x過(guò)程中正離子和電子總是成對(duì)出現(xiàn)，所以等離子體中正離子和電子的總數(shù)大致相等，總體來(lái)看為準(zhǔn)電中性。反過(guò)來(lái)，我們可以把等離子體定義為：正離子和電子的密度大致相等的電離氣體。
    從剛才提到的微弱的蠟燭火焰，我們可以看到等離子體的存在，而夜空中的滿(mǎn)天星斗又都是高溫的完全電離等離子體。據(jù)印度天體物理學(xué)家沙哈(M·Saha，1893-1956)的計(jì)算，宇宙中的99.9%的物質(zhì)處于等離子體狀態(tài)。而我們居住的地球倒是例外的溫度較低的星球。此外，對(duì)于自然界中的等離子體，我們還可以列舉太陽(yáng)、電離層、極光、雷電等。在人工生成等離子體的方法中，氣體放電法比加熱的辦法更加簡(jiǎn)便高效，諸如熒光燈、霓虹燈、電弧焊、電暈放電等等。在自然和人工生成的各種主要類(lèi)型的等離子體的密度和溫度的數(shù)值，其密度為10⁶（單位：個(gè)／m³）的稀薄星際等離子體到密度為10²⁵的電弧放電等離子體，跨越近20個(gè)數(shù)量級(jí)。其溫度分布范圍則從100K的低溫到超高溫核聚變等離子體的10⁸-10⁹K（1~10億度）。溫度軸的單位eV(electron volt)是等離子體領(lǐng)域中常用的溫度單位，1eV=11600K。
    通常，等離子體中存在電子、正離子和中性粒子(包括不帶電荷的粒子如原子或分子以及原子團(tuán))等三種粒子。設(shè)它們的密度分別為ne,ni,nn，由于準(zhǔn)電中性，所以電離前氣體分子密度為ne≈nn。于是，我們定義電離度β=ne/(ne+nn)，以此來(lái)衡量等離子體的電離程度。日冕、核聚變中的高溫等離子體的電離度都是100%，像這樣β=1的等離子體稱(chēng)為完全電離等離子體。電離度大于1%(β≥10^-2)的稱(chēng)為強(qiáng)電離等離子體，像火焰中的等離子體大部分是中性粒子(β<10^-3 )，稱(chēng)之為弱電離等離子體。
    若放電是在接近于大氣壓的高氣壓條件下進(jìn)行，那么電子、離子、中性粒子會(huì)通過(guò)激烈碰撞而充分交換動(dòng)能，從而使等離子體達(dá)到熱平衡狀態(tài)。若電子、離子、中性粒子的溫度分別為了Te，Ti，Tn，我們把這三種粒子的溫度近似相等(Te≈Ti≈Tn)的熱平衡等離子體稱(chēng)為熱等離子體(thermal plasma)，在實(shí)際的熱等離子體發(fā)生裝置中，陰極和陽(yáng)極間的電弧放電作用使得流入的工作氣體發(fā)生電離，輸出的等離子體呈噴射狀，可稱(chēng)為等離子體炬(plasma jet)或等離子體噴焰(plasma torch)等。
    另一方面，數(shù)百帕以下的低氣壓等離子體常常處于非熱平衡狀態(tài)。此時(shí)，電子在與離子或中性粒子的碰撞過(guò)程中幾乎不損失能量，所以有Te>>Ti , Te>>Tn。我們把這樣的等離子體稱(chēng)為低溫等離子體(cold plasma)。當(dāng)然，即使是在高氣壓下，低溫等離子體也可以通過(guò)不產(chǎn)生熱效應(yīng)的短脈沖放電模式如電暈放電（corona discharge)、介質(zhì)阻擋放電(Dielectric Barrier Discharge, DBD)或滑動(dòng)電弧放電(Glide Arc Discharge or Plasma Arc)來(lái)生成。大氣壓下的輝光放電技術(shù)目前也已成為世界各國(guó)的研究熱點(diǎn)?？僧a(chǎn)生大氣壓非平衡態(tài)等離子體的機(jī)理尚不清楚，在高氣壓下等離子體的輸運(yùn)特性的研究也剛剛起步，現(xiàn)已形成新的研究熱點(diǎn)。(To top)