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让自然告诉你 神奇的物质第四态有多美

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等离子体


等离子体是带电粒子和中性离子组成的表现出集体行为的准中性的气体。等离子体被称为是固态、液态、气态以外的物质第四态。在宇宙中99%的可见物质是以等离子体的状态存在的,在地球上天然的等离子体有闪电、火焰、极光等。更为重要的是,目前人造的等离子体在工业生产、国防军工、科学研究等诸多方面发挥着越来越重要的作用。

准中性和集体行为是等离子体的重要特征。准中性的空间尺寸和时间尺寸分别由德拜长度和等离子体频率来描述,等离子体的集体行为起源于带电粒子间的库伦相互作用未长程相互作用。


   
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等离子体的分类

按电子温度来分,通常电子温度低于10eV的等离子体称为低温等离子体,低温等离子体又可分为冷等离子体和热等离子体。冷等离子体的离子温度通常为1eV,小于电子温度,主要用于刻蚀、材料改性、等离子体医学等方面。热等离子体的电子温度和离子温度接近,主要用于冶金、焊接、切割等。当电子温度超过10eV量级时,称为高温等离子体,高温等离子体在产生X射线、聚变科学等领域有重要应用。当电子平均动能远大于电子平均距离对应的库伦势能时,这类等离子体称为理想等离子体,而当电子的平均动能小于电子平均间距对应的库伦势能时,这种等离子体称为非理想等离子体。

此外,当温度足够高时,如电子温度Te≈10keV,电子热运动速度到达0.3c,这时相对论效应开始变得显著,因此把温度高于10 keV的等离子体称为相对论等离子体。当等离子体密度足够高时(如接近固体),粒子间平均距离小于电子

德布洛依波长,要考虑量子效应,因此这类等离子体称为非经典等离子体。

等离子体中的相互作用

等离子体中粒子的相互作用可以分为两类:一类是弹性碰撞,碰撞前后总动能守恒,各粒子的电荷数不变,动量在粒子间重新分配。另一类是非弹性碰撞,动能在粒子间重新分配,且一部分能量转移至相互作用的粒子或者新产生的粒子中。非弹性碰撞包括粒子激发和退激发,电离和复合,电荷交换等。


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等离子体描述方法

等离子体由大量的带电粒子组成,其动力学过程非常复杂。在德拜长度内,带电粒子间受到库仑作用引起的碰撞;在德拜长度外,则主要受到屏蔽库伦势引起的集体运动。当存在外部电磁场时,等离子体中的带电粒子受到电磁力的作用,而带电粒子的运动又将产生电磁场。因此,要精确描述等离子体的行为极其困难,只能根据不同条件和研究的问题,采用不同的近似方法,对等离子体进行描述。 

等离子体诊断技术

等离子体实验诊断技术,包括电磁辐射参数的测量、等离子体自辐射图像和能谱的测量、激光探针诊断方法等。接下来我们针对不同的放电等离子对象进行介绍。

Z箍缩

Z箍缩(Z-Pinch)是利用负载等离子体轴向(Z方向)电流的自生角向磁场来使等离子体被径向约束或快速内爆的物理过程。Z箍缩的研究源于上世纪五十年代,主要关注平衡箍缩问题(Bennett平衡),目的是实现可控核聚变。然而由于等离子体不稳定性过早地破坏了平衡箍缩状态,使得等离子体难以达到聚变点火的劳逊条件。这一技术瓶颈极大地阻碍了Z箍缩研究的进展,并使得该研究一度处于低潮。

自上世纪七十年代起,短脉冲、低阻抗、高功率(电流MA、功率TW水平)脉冲功率装置的成功研制及多台并联技术的应用,极大地推动了Z箍缩研究的进展。这时,Z箍缩负载在脉冲电流自磁场的作用下,快速内爆滞止并产生高亮度的脉冲软X射线(0.1-10keV)辐射,称为动力学Z箍缩或快Z箍缩。快前沿(~100ns)电流脉冲驱动可缩短Z箍缩等离子体演化的时间长度,有利于减弱磁瑞利-泰勒(MRT)不稳定性的发展。为了与大电流、低阻抗加速器相匹配,上世纪七十年代末起,人们开始采用多根金属丝构成的环形阵列替代早期的单丝负载,获得了更高的辐射转换效率,并且发现增加丝数、缩小丝间距可改进等离子体的角向均匀性,改善Z箍缩的内爆品质、提高辐射功率。

   上述快脉冲驱动源技术和丝阵负载的结合使Z箍缩研究取得了突破性进展。1998年,美国Sandia国家实验室在Z装置(20MA,100ns)上利用双层钨丝阵快Z箍缩,得到了创纪录的X射线功率输出,X射线功率达到280TW、产额1.8MJ、电能-X射线的转化效率达到15%。

由于Z箍缩可产生超强的X射线辐射功率,且具有极高的电能-X射线能转化效率,因而引起了世界范围内的广泛关注。人们进一步提出了快Z箍缩X射线驱动的惯性约束聚变的设计,并开展了初步的实验研究。此外,快Z箍缩在高能量密度物理、辐射效应模拟、实验室天体物理等方面也发挥着重要的作用。

在丝阵Z箍缩的技术上,若金属丝交叉相交呈“X”的形状,则演变为X箍缩。由于电流在交叉点处汇聚,将引起该区域快速演化,可形成一个或数个高温高密度的区域(热点),并产生高亮度的脉冲X射线辐射,是一种脉冲X射线点光源的高效实现方式。金属丝阵在脉冲电流早期首先经历金属单丝的电爆炸过程,电爆炸产物及其基本特征对后续的演化过程将发挥显著的影响。

激光诱导等离子体

利用高功率脉冲激光聚焦于致密介质表面产生等离子体,从二十世纪六十年代到目前已经受到了半个多世纪的关注。基于激光诱导等离子体的各种技术也在基础研究与工业应用的多个方面发挥了重要作用。利用激光等离子体发射光谱定性和定量分析样品类型和性质,在航天、环境检测、食品安全等诸多领域引起广泛关注,并正朝向商业化应用快速发展。利用激光诱导等离子体改变介质介电属性,从而触发和控制间隙放电特性,在脉冲功率技术以及电力系统安全方面具有重要价值。利用激光烧蚀的薄膜沉积术,在上世纪八十年代便成功制备出高温超导薄膜的,之后更是在铁电材料、复杂氧化物以及巨磁电阻材料的制备上得到了广泛的应用。

迄今为止,人们研究了多种不同介质的激光诱导等离子体现象,并对其中的击穿机制进行了不懈的探索。然而随着上述技术的发展,人们发现对于激光诱导等离子体的认识还相当有限,难以满足迅速发展的各类应用领域的需求。这一方面源于激光诱导等离子体演化过程本身的复杂性,另一方面又因为其行为特性与多种因素密切相关。目前,诱导等离子体的激光脉冲宽度已覆盖毫秒、微秒、纳秒、皮秒甚至飞秒量级,其能量和功率密度也各不相同,由此导致的等离子体属性也各有其特殊性,从而其应用领域也各有区别。相对而言,纳秒激光诱导等离子体的应用较为广泛,这主要是因为纳秒激光一方面较易获得比长脉宽周期激光更高的功率密度,另一方面,其建设与维护成本又远低于超短脉宽激光。就等离子体本身而言,纳秒激光诱导等离子体兼具长脉宽和超短脉宽激光诱导等离子体的部分特性,因此其研究更具一般性。不加特殊说明,下文讨论的诱导等离子体行为均限于使用纳秒激光。

毛细管放电等离子体

毛细管放电等离子体以其高密度(>1025/m3),高出口速度(>104m/s),高热流通量(可达GW/m2级,时长百μs左右),较高温度(1-5eV)等特点,被广泛应用于电热化学炮、材料表面处理、纳米材料制备、激光波导、等离子体加速器以及等离子体推进器等领域。毛细管放电等离子体可通过大容量高功率脉冲电源向等离子体发生器中的与两电极相连的金属细丝放电或者电极间的自击穿,形成的初始电弧通过烧蚀毛细管中的器壁产气材料(如:聚乙烯PE、聚四氟乙烯PTFE、聚甲醛POM、尼龙NYLON66等)、石墨或氘化锂等而产生。因此,毛细管的放电过程是研究毛细管放电等离子体特性及其应用的关键所在。毛细管的放电过程属于烧蚀控制型放电,即放电过程通过等离子体对毛细管器壁材料的不断烧蚀来维持。烧蚀作用对外围等离子体进行冷却,以限制毛细管中等离子体的形态;而烧蚀产物进入等离子体以补充自喷口处随射流流失的质量。在通常的电热化学炮中,毛细管通常由高分子材料制成,其长度通常在厘米量级,而半径通常为几毫米。在应用中毛细管的一端封闭,另一端敞开以喷射等离子体射流。典型的放电脉宽在百微妙到毫秒数量级,而放电电流则在几千安至几十千安。

气体电弧等离子体

国民经济的快速发展在促进电力系统及电力工业发展的同时,对系统中的监测、控制及配套保护设备也提出了更高的需求。断路器作为系统线路中的重要保护设备,是电力系统安全、可靠及稳定运行的关键,它不仅能够关合与开断正常情况下的各种负载电流,也能在线路中出现短路故障时关合和开断短路电流。对开关等离子体的持续、深入研究,有助于丰富断路器和等离子体相关理论,同时可为开关设备的优化设计提供指导与借鉴。

目前以气体为灭弧介质的电力设备主要应用于高压和低压领域,而中压领域则以真空为主。SF6气体具有优良的绝缘与灭弧性能,当前以SF6为灭弧和绝缘介质的高压电力开关在110kV以上系统中占绝对主导地位,全球生产的SF6气体约50%用于电力行业,其中约80%用于高压开关设备。此外,以空气为灭弧绝缘介质的开关电器在配电系统中广泛使用,主要包括继电器、接触器、起动器、微型断路器(MCB)、框架断路器(ACB)和塑壳断路器(MCCB)等。