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讓自然告訴你 神奇的物質第四態有多美

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等離子體


等離子體是帶電粒子和中性離子組成的表現出集體行為的準中性的氣體。等離子體被稱為是固態、液態、氣態以外的物質第四態。在宇宙中99%的可見物質是以等離子體的狀態存在的,在地球上天然的等離子體有閃電、火焰、極光等。更為重要的是,目前人造的等離子體在工業生產、國防軍工、科學研究等諸多方面發揮著越來越重要的作用。

準中性和集體行為是等離子體的重要特征。準中性的空間尺寸和時間尺寸分別由德拜長度和等離子體頻率來描述,等離子體的集體行為起源于帶電粒子間的庫倫相互作用未長程相互作用。


   
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等離子體的分類

按電子溫度來分,通常電子溫度低于10eV的等離子體稱為低溫等離子體,低溫等離子體又可分為冷等離子體和熱等離子體。冷等離子體的離子溫度通常為1eV,小于電子溫度,主要用于刻蝕、材料改性、等離子體醫學等方面。熱等離子體的電子溫度和離子溫度接近,主要用于冶金、焊接、切割等。當電子溫度超過10eV量級時,稱為高溫等離子體,高溫等離子體在產生X射線、聚變科學等領域有重要應用。當電子平均動能遠大于電子平均距離對應的庫倫勢能時,這類等離子體稱為理想等離子體,而當電子的平均動能小于電子平均間距對應的庫倫勢能時,這種等離子體稱為非理想等離子體。

此外,當溫度足夠高時,如電子溫度Te≈10keV,電子熱運動速度到達0.3c,這時相對論效應開始變得顯著,因此把溫度高于10 keV的等離子體稱為相對論等離子體。當等離子體密度足夠高時(如接近固體),粒子間平均距離小于電子

德布洛依波長,要考慮量子效應,因此這類等離子體稱為非經典等離子體。

等離子體中的相互作用

等離子體中粒子的相互作用可以分為兩類:一類是彈性碰撞,碰撞前后總動能守恒,各粒子的電荷數不變,動量在粒子間重新分配。另一類是非彈性碰撞,動能在粒子間重新分配,且一部分能量轉移至相互作用的粒子或者新產生的粒子中。非彈性碰撞包括粒子激發和退激發,電離和復合,電荷交換等。


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等離子體描述方法

等離子體由大量的帶電粒子組成,其動力學過程非常復雜。在德拜長度內,帶電粒子間受到庫侖作用引起的碰撞;在德拜長度外,則主要受到屏蔽庫倫勢引起的集體運動。當存在外部電磁場時,等離子體中的帶電粒子受到電磁力的作用,而帶電粒子的運動又將產生電磁場。因此,要精確描述等離子體的行為極其困難,只能根據不同條件和研究的問題,采用不同的近似方法,對等離子體進行描述。 

等離子體診斷技術

等離子體實驗診斷技術,包括電磁輻射參數的測量、等離子體自輻射圖像和能譜的測量、激光探針診斷方法等。接下來我們針對不同的放電等離子對象進行介紹。

Z箍縮

Z箍縮(Z-Pinch)是利用負載等離子體軸向(Z方向)電流的自生角向磁場來使等離子體被徑向約束或快速內爆的物理過程。Z箍縮的研究源于上世紀五十年代,主要關注平衡箍縮問題(Bennett平衡),目的是實現可控核聚變。然而由于等離子體不穩定性過早地破壞了平衡箍縮狀態,使得等離子體難以達到聚變點火的勞遜條件。這一技術瓶頸極大地阻礙了Z箍縮研究的進展,并使得該研究一度處于低潮。

自上世紀七十年代起,短脈沖、低阻抗、高功率(電流MA、功率TW水平)脈沖功率裝置的成功研制及多臺并聯技術的應用,極大地推動了Z箍縮研究的進展。這時,Z箍縮負載在脈沖電流自磁場的作用下,快速內爆滯止并產生高亮度的脈沖軟X射線(0.1-10keV)輻射,稱為動力學Z箍縮或快Z箍縮??烨把兀▇100ns)電流脈沖驅動可縮短Z箍縮等離子體演化的時間長度,有利于減弱磁瑞利-泰勒(MRT)不穩定性的發展。為了與大電流、低阻抗加速器相匹配,上世紀七十年代末起,人們開始采用多根金屬絲構成的環形陣列替代早期的單絲負載,獲得了更高的輻射轉換效率,并且發現增加絲數、縮小絲間距可改進等離子體的角向均勻性,改善Z箍縮的內爆品質、提高輻射功率。

   上述快脈沖驅動源技術和絲陣負載的結合使Z箍縮研究取得了突破性進展。1998年,美國Sandia國家實驗室在Z裝置(20MA,100ns)上利用雙層鎢絲陣快Z箍縮,得到了創紀錄的X射線功率輸出,X射線功率達到280TW、產額1.8MJ、電能-X射線的轉化效率達到15%。

由于Z箍縮可產生超強的X射線輻射功率,且具有極高的電能-X射線能轉化效率,因而引起了世界范圍內的廣泛關注。人們進一步提出了快Z箍縮X射線驅動的慣性約束聚變的設計,并開展了初步的實驗研究。此外,快Z箍縮在高能量密度物理、輻射效應模擬、實驗室天體物理等方面也發揮著重要的作用。

在絲陣Z箍縮的技術上,若金屬絲交叉相交呈“X”的形狀,則演變為X箍縮。由于電流在交叉點處匯聚,將引起該區域快速演化,可形成一個或數個高溫高密度的區域(熱點),并產生高亮度的脈沖X射線輻射,是一種脈沖X射線點光源的高效實現方式。金屬絲陣在脈沖電流早期首先經歷金屬單絲的電爆炸過程,電爆炸產物及其基本特征對后續的演化過程將發揮顯著的影響。

激光誘導等離子體

利用高功率脈沖激光聚焦于致密介質表面產生等離子體,從二十世紀六十年代到目前已經受到了半個多世紀的關注?;诩す庹T導等離子體的各種技術也在基礎研究與工業應用的多個方面發揮了重要作用。利用激光等離子體發射光譜定性和定量分析樣品類型和性質,在航天、環境檢測、食品安全等諸多領域引起廣泛關注,并正朝向商業化應用快速發展。利用激光誘導等離子體改變介質介電屬性,從而觸發和控制間隙放電特性,在脈沖功率技術以及電力系統安全方面具有重要價值。利用激光燒蝕的薄膜沉積術,在上世紀八十年代便成功制備出高溫超導薄膜的,之后更是在鐵電材料、復雜氧化物以及巨磁電阻材料的制備上得到了廣泛的應用。

迄今為止,人們研究了多種不同介質的激光誘導等離子體現象,并對其中的擊穿機制進行了不懈的探索。然而隨著上述技術的發展,人們發現對于激光誘導等離子體的認識還相當有限,難以滿足迅速發展的各類應用領域的需求。這一方面源于激光誘導等離子體演化過程本身的復雜性,另一方面又因為其行為特性與多種因素密切相關。目前,誘導等離子體的激光脈沖寬度已覆蓋毫秒、微秒、納秒、皮秒甚至飛秒量級,其能量和功率密度也各不相同,由此導致的等離子體屬性也各有其特殊性,從而其應用領域也各有區別。相對而言,納秒激光誘導等離子體的應用較為廣泛,這主要是因為納秒激光一方面較易獲得比長脈寬周期激光更高的功率密度,另一方面,其建設與維護成本又遠低于超短脈寬激光。就等離子體本身而言,納秒激光誘導等離子體兼具長脈寬和超短脈寬激光誘導等離子體的部分特性,因此其研究更具一般性。不加特殊說明,下文討論的誘導等離子體行為均限于使用納秒激光。

毛細管放電等離子體

毛細管放電等離子體以其高密度(>1025/m3),高出口速度(>104m/s),高熱流通量(可達GW/m2級,時長百μs左右),較高溫度(1-5eV)等特點,被廣泛應用于電熱化學炮、材料表面處理、納米材料制備、激光波導、等離子體加速器以及等離子體推進器等領域。毛細管放電等離子體可通過大容量高功率脈沖電源向等離子體發生器中的與兩電極相連的金屬細絲放電或者電極間的自擊穿,形成的初始電弧通過燒蝕毛細管中的器壁產氣材料(如:聚乙烯PE、聚四氟乙烯PTFE、聚甲醛POM、尼龍NYLON66等)、石墨或氘化鋰等而產生。因此,毛細管的放電過程是研究毛細管放電等離子體特性及其應用的關鍵所在。毛細管的放電過程屬于燒蝕控制型放電,即放電過程通過等離子體對毛細管器壁材料的不斷燒蝕來維持。燒蝕作用對外圍等離子體進行冷卻,以限制毛細管中等離子體的形態;而燒蝕產物進入等離子體以補充自噴口處隨射流流失的質量。在通常的電熱化學炮中,毛細管通常由高分子材料制成,其長度通常在厘米量級,而半徑通常為幾毫米。在應用中毛細管的一端封閉,另一端敞開以噴射等離子體射流。典型的放電脈寬在百微妙到毫秒數量級,而放電電流則在幾千安至幾十千安。

氣體電弧等離子體

國民經濟的快速發展在促進電力系統及電力工業發展的同時,對系統中的監測、控制及配套保護設備也提出了更高的需求。斷路器作為系統線路中的重要保護設備,是電力系統安全、可靠及穩定運行的關鍵,它不僅能夠關合與開斷正常情況下的各種負載電流,也能在線路中出現短路故障時關合和開斷短路電流。對開關等離子體的持續、深入研究,有助于豐富斷路器和等離子體相關理論,同時可為開關設備的優化設計提供指導與借鑒。

目前以氣體為滅弧介質的電力設備主要應用于高壓和低壓領域,而中壓領域則以真空為主。SF6氣體具有優良的絕緣與滅弧性能,當前以SF6為滅弧和絕緣介質的高壓電力開關在110kV以上系統中占絕對主導地位,全球生產的SF6氣體約50%用于電力行業,其中約80%用于高壓開關設備。此外,以空氣為滅弧絕緣介質的開關電器在配電系統中廣泛使用,主要包括繼電器、接觸器、起動器、微型斷路器(MCB)、框架斷路器(ACB)和塑殼斷路器(MCCB)等。

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