等离子体的参数测量

《等离子体的参数测量》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、等离子体的参数测量（补充材料）等离子体技术在工业、农业、国防、医药卫生等领域获得了越来越广泛的应用，其主要原因在于等离子体具有两个突出的优点：同其它的方法（如化学方法）相比，等离子体具有更高的温度和能量密度；等离子体能够产生更多的活性成分，从而引发用其它方法不能或难以实现的物理变化和化学反应。活性成分包括紫外和可见光子、电子、离子、自由基，以及高反应性的中性成分，如活性原子，受激原子，活性分子碎片。比如，工业等离子体工程已经发展成了一种更有效率的工业加工方法，不但能在减少副产品、废料，以及污染和有毒废物的情况下达到相关的工业结果，甚至能完

2、成其它方法不能实现的目标。等离子体技术是一个关系国家能源、环境、国防安全的重要技术，但国内关于等离子体技术的研究和教学还远远落后于等离子体技术在工程中的应用，比如，现在实用的很多科研和生产上的等离子体设备有很多是进口的，有关等离子体的教学课程开展得较少，而教学实验则更少。本实验以直流辉光等离子体为例，希望学生通过实验，能了解等离子体物理的基本知识和一些重要的应用领域，并掌握等离子体检测的常用方法，为今后的学习研究打下基础。等离子体物理基础随着温度的升高，物质一般会经历从固态、液态到气态的相变过程。如果温度继续升高到10K4甚至更高，将会有

3、越来越多的物质分子/原子被电离；这时，物质就变成了一团由电子、离子和中性粒子组成的混合物，称为等离子体；也正因此，等离子体常被称作物质的第四态。等离子体（Plasma）一词来源于古希腊语“plasma”，意为可塑物质或浆状物质，作为专业词汇，最早出现在生物学名词原生质{protoplasma）中。1929年，朗缪尔（Langmuir）和汤克斯（Tonks）在研究气体放电时首次将“plasma”14一词用于物理学领域，用来表征所观察到的放电物质。我国台湾学者将“plasma”翻译为“电浆”。由于常温下气体热运动的能量不大，不会自发电离，因而

4、在我们生活的环境中物质都以固液气三态的形式存在。天体物理学家沙哈（Saha）给出了一个公式，说明在热平衡的气体中，电离度，即电离部分粒子数占总粒子数的比（常温下可近似为电离部分粒子数与未电离部分粒子数的比）跟温度的依赖关系为：，（1）式中的ni代表电离的分子数密度，单位是个/cm3。n0代表未电离的中性分子数密度。T为气体温度，单位是K。k是玻尔兹曼常数1.38*10-23J/K。Ui为气体电离能，单位是eV。我们以室温下普通气体为例，这时n0=3*1019/cm3，T=300K，对于氮气，Ui=14.5eV，将这些数字代入沙哈方程，得到

5、ni/n0@10-122。可见，室温下气体中电离的成份微乎其微。若要使电离成份占千分之一，必须使温度T高于104K。图1：各类等离子体存在的参量空间。14尽管在人类生活的环境中，物质不会自发地以等离子体的形式存在，但根据沙哈的计算，宇宙中99%以上的可见物质都处于等离子态。从炽热的恒星、灿烂的气态星云、浩瀚的星际物质，到多变的电离层和高速的太阳风，它们都是等离子体。地球上，人们最早见到的等离子体是火焰、闪电和极光。随着科学技术的发展，各类人造等离子体在生活、生产和研究中的应用越来越广泛，如荧光灯、霓虹灯、等离子体显示屏中彩色的放电、电焊中

6、的弧光放电和核聚变装置中燃烧的等离子体等等。从物质的状态空间来看，固液气三态仅存在于低温高密度的参数区域，而等离子体存在的参数空间非常宽广。从星际空间的稀薄等离子体到太阳核心的致密等离子体，离子的数密度ni从103m-3到1033m-3，跨越了30个数量级；从火焰等的低温等离子体到核聚变实验的高温等离子体，温度T从10-1eV到106eV跨越了7个数量级。图1给出了各类等离子体存在的参量空间。等离子体物理研究领域广泛，学科交叉众多，应用前景广阔。在有些国家，等离子体物理已经发展成为仅此于凝聚态物理的重要分支学科。从国家重大需求来看，我国等

7、离子体物理学科的发展空间还很大。在受控热核聚变研究方面，我国通过大科学工程和“863”高技术计划已经形成了较大规模的磁约束聚变和惯性约束研究基地，已经参加了国际热核实验反应堆（ITER）计划，并酝酿进行自己的点火工程。在空间资源开发和利用方面，随着“神舟”系列载人飞船的发射、“双星”计划以及绕月工程等项目的实施，我国的空间探索活动日趋频繁。这些计划的进行都需要大量的掌握了丰富的等离子体物理知识的优秀专业人才。等离子体的定义等离子体是有电子、离子和中性粒子组成的，宏观上呈现准中性（quasineutrality），且具有集体效应的混合气体。

8、准中性是指等离子体中正负电荷的总数基本相等，系统在宏观上呈现电中性，但在小尺度上则呈现出电磁性。集体效应突出地反映了等离子体和中性气体的区别。理想气体模型中，中性气体分子之间的相互作用只在碰撞