電漿

電漿

離子體(plasma)又叫做電漿,是由部分電子被剝奪後的原子及原子團被電離後產生的正負離子組成的離子化氣體狀物質,尺度大于德拜長度的巨觀電中性電離氣體,其運動主要受電磁力支配,並表現出顯著的集體行為。它廣泛存在于宇宙中,常被視為是除去固、液、氣外,物質存在的第四態。電漿是一種很好的導電體,利用經過巧妙設計的磁場可以捕捉、移動和加速電漿。電漿物理的發展為材料、能源、信息、環境空間、空間物理、地球物理等科學的進一步發展提供了新的技術和工藝。

電漿是不同于固體、液體和氣體的物質第四態。物質由分子構成,分子由原子構成,原子由帶正電的原子核和圍繞它的、帶負電的電子構成。當被加熱到足夠高的溫度或其他原因,外層電子擺脫原子核的束縛成為自由電子,就像下課後的學生跑到操場上隨意玩耍一樣。電子離開原子核,這個過程就叫做"電離"。這時,物質就變成了由帶正電的原子核和帶負電的電子組成的、一團均勻的"漿糊",因此人們戲稱它為離子漿,這些離子漿中正負電荷總量相等,因此它是近似電中性的,所以就叫電漿。

  • 中文名稱
    電漿
  • 外文名稱
    plasma cvd equipment
  • 類目
    物理學
  • 基本性質
    電離氣體

構成

看似"神秘"的電漿,其實是宇宙中一種常見的物質,在太陽、恆星、閃電中都存在電漿,它佔了整個宇宙的99%。21世紀人們已經掌握和利用電場和磁場產生來控製電漿。最常見的電漿是高溫電離氣體,如電弧、霓虹燈和日光燈中的發光氣體,又如閃電、極光等。金屬中的電子氣和半導體中的載流子以及電解質溶液也可以看作是電漿。在地球上,電漿物質遠比固體、液體、氣體物質少。在宇宙中,電漿是物質存在的主要形式,佔宇宙中物質總量的99%以上,如恆星(包括太陽)、星際物質以及地球周圍的電離層等,都是電漿。為了研究電漿的產生和性質以闡明自然界電漿的運動規律並利用它為人類服務,在天體物理、空間物理、特別是核聚變研究的推動下,近三、四十年來形成了磁流體力學和電漿動力學。

電漿由離子、電子以及未電離的中性粒子的集合組成,整體呈中性的物質狀態。電漿可分為兩種:高溫和低溫電漿。電漿溫度分別用電子溫度和離子溫度表示,兩者相等稱為高溫電漿;不相等則稱低溫電漿。低溫電漿廣泛運用于多種生產領域。例如:等離子電視,嬰兒尿布表面防水塗層,增加啤酒瓶阻隔性。更重要的是在電腦晶片中的時刻運用,讓網路時代成為現實。

電漿發生器電漿發生器

高溫電漿隻有在溫度足夠高時發生的。恆星不斷地發出這種電漿,組成了宇宙的99%。低溫電漿是在常溫下發生的電漿(雖然電子的溫度很高)。低溫電漿可以被用于氧化、變性等表面處理或者在有機物和無機物上進行沉淀塗層處理。

電漿(Plasma)是一種由自由電子和帶電離子為主要成分的物質形態,廣泛存在于宇宙中,常被視為是物質的第四態,被稱為等離子態,或者"超氣態",也稱"電漿體"。電漿具有很高的電導率,與電磁場存在極強的耦合作用。電漿是由克魯克斯在1879年發現的,1928年美國科學家歐文·朗繆爾和湯克斯(Tonks)首次將"電漿"(plasma)一詞引入物理學,用來描述氣體放電管裏的物質形態[1]。嚴格來說,電漿是具有高位能動能的氣體團,電漿的總帶電量仍是中性,借由電場或磁場的高動能將外層的電子擊出,結果電子已不再被束縛于原子核,而成為高位能高動能的自由電子。

電漿是物質的第四態,即電離了的"氣體",它呈現出高度激發的不穩定態,其中包括離子(具有不同符號和電荷)、電子、原子和分子。其實,人們對電漿現象並不生疏。在自然界裏,熾熱爍爍的火焰、光輝奪目的閃電、以及絢爛壯麗的極光等都是電漿作用的結果。對于整個宇宙來講,幾乎99.9%以上的物質都是以電漿態存在的,如恆星和行星際空間等都是由電漿組成的。用人工方法,如核聚變核裂變輝光放電及各種放電都可產生電漿。分子或原子的內部結構主要由電子和原子核組成。在通常情況下,即上述物質前三種形態,電子與核之間的關系比較固定,即電子以不同的能級存在于核場的周圍,其勢能動能不大。

普通氣體溫度升高時,氣體粒子的熱運動加劇,使粒子之間發生強烈碰撞,大量原子或分子中的電子被撞掉,當溫度高達百萬開到1億開,所有氣體原子全部電離。電離出的自由電子總的負電量與正離子總的正電量相等。這種高度電離的、巨觀上呈中性的氣體叫電漿。

電漿和普通氣體性質不同,普通氣體由分子構成,分子之間相互作用力是短程力,僅當分子碰撞時,分子之間的相互作用力才有明顯效果,理論上用分子運動論描述。在電漿中,帶電粒子之間的庫侖力是長程力,庫侖力的作用效果遠遠超過帶電粒子可能發生的局部短程碰撞效果,電漿中的帶電粒子運動時,能引起正電荷或負電荷局部集中,產生電場;電荷定向運動引起電流,產生磁場。電場和磁場要影響其他帶電粒子的運動,並伴隨著極強的熱輻射和熱傳導;電漿能被磁場約束作回旋運動等。電漿的這些特徵使它區別于普通氣體被稱為物質的第四態。

在宇宙中,電漿是物質最主要的正常狀態。宇宙研究、宇宙開發、以及衛星、宇航、能源等新技術將隨著電漿的研究而進入新時代。

發展史

19世紀以來對氣體放電的研究;19世紀中葉開始天體物理學及20世紀對空間物理學的研究;1950年前後開始對受控熱核聚變的研究;以及低溫電漿技術套用的研究,從四個方面推動了這門學科的發展。

19世紀30年代英國的M.法拉第以及其後的J.J.湯姆孫、J.S.E.湯森德等人相繼研究氣體放電現象,這實際上是電漿實驗研究的起步時期。1879年英國的W.克魯克斯採用"物質第四態"這個名詞來描述氣體放電管中的電離氣體。美國的I.朗繆爾在1928年首先引入電漿這個名詞,電漿物理學才正式問世。1929年美國的L.湯克斯和朗繆爾指出了電漿中電子密度的疏密波(即朗繆爾波)。

對空間電漿的探索,也在20世紀初開始。1902年英國的O.亥維賽等為了解釋無線電波可以遠距離傳播的現象,推測地球上空存在著能反射電磁波的電離層。這個假說為英國的E.V.阿普頓用實驗證實。英國的D.R.哈特裏(1931)和阿普頓(1932)提出了電離層的折射率公式,並得到磁化電漿的色散方程。1941年英國的S.查普曼和V.C.A.費拉羅認為太陽會發射出高速帶電粒子流,粒子流會把地磁場包圍,並使它受壓縮而變形。

從20世紀30年代起,磁流體力學及電漿動力論逐步形成。電漿的速度分布函式服從福克-普朗克方程。蘇聯的Л.Д.朗道在1936年給出方程中由于電漿中的粒子碰撞而造成的碰撞項的碰撞積分形式。1938年蘇聯的A.A.符拉索夫提出了符拉索夫方程,即棄去碰撞項的無碰撞方程。朗道碰撞積分和符拉索夫方程的提出,標志著動力論的發端。

1942年瑞典的H.阿爾文指出,當理想導電流體處在磁場中,會產生沿磁力線傳播的橫波(即阿爾文波)。印度的S.錢德拉塞卡在1942年提出用試探粒子模型來研究弛豫過程。1946年朗道證明當朗繆爾波傳播時,共振電子會吸收波的能量造成波衰減,這稱為朗道阻尼。朗道的這個理論,開創了電漿中波和粒子相互作用和微觀不穩定性這些新的研究領域。

從1935年延續至1952年,蘇聯的H.H.博戈留博夫、英國的M.玻恩等從劉維定理出發,得到了不封閉的方程組系列,名為BBGKY鏈。由它可導出符拉索夫方程等,這給電漿動力論奠定了理論基礎。

1950年以後,因為英、美、蘇等國開始大力研究受控熱核反應,促使電漿物理蓬勃發展。熱核反應的概念最早出現于1929年,當時英國的阿特金森和奧地利的豪特曼斯提出構想,太陽內部氫元素的核之間的熱核反應所釋放的能量是太陽能的來源,這是天然的自控熱核反應。1957年英國的J.D.勞孫提出受控熱核反應實現能量增益的條件,即勞孫判據。

50年代以來已建成了一批受控聚變的實驗裝置,如美國的仿星器和磁鏡以及蘇聯的托卡馬克,這三種是磁約束熱核聚變實驗裝置。60年代後又建立一批慣性約束聚變實驗裝置。

環狀磁約束電漿的平衡問題由蘇聯的V.D.沙弗拉諾夫等解決。美國的M.克魯斯卡和沙弗拉諾夫導出了最重要的一種電漿不穩定性,即扭曲不穩定性的判據。1958年美國的I.B.伯恩斯坦等提出分析巨觀不穩定性的能量原理。處在環狀磁場中的電漿的輸運系數首先由聯邦德國的D.普菲爾施等作了研究(1962),他們給出在密度較大區的擴散系數,蘇聯的A.A.加列耶夫等給出了密度較小區的擴散系散(1967),這一理論適用于托卡馬克這類環狀磁約束電漿中的輸運過程被命名為新經典理論。

自從蘇聯在1957年發射了第一顆人造衛星以後,很多國家陸續發射了科學衛星和空間實驗室,獲得很多觀測和實驗資料,這極大地推動天體和空間電漿物理學的發展。1959年美國的J.A.範艾倫預言地球上空存在著強輻射帶,這一預言為日後的實驗證實,即稱為範艾倫帶。1958年美國的E.N.帕克提出了太陽風模型。1974年美國的D.A.格內特根據衛星資料,識別出地球是一顆輻射星體,為長波輻射和熱紅外輻射。地球輻射的輻射源是地球,其波長範圍約為4~120微米,為長波輻射。輻射能量的99%集中在3微米以上的波長範圍內。地球輻射的最強波長約為9.7微米。

在此期間,一些低溫電漿技術也在以往氣體放電和電弧技術的基礎上,進一步得到套用與推廣,如電漿切割、焊接、噴鍍、磁流體發電,電漿化工,電漿冶金,以及火箭的離子推進等,都推動了對非完全電離的低溫電漿性質的研究。

經過30年的發展,電漿所在高溫電漿物理實驗及核聚變工程技術研究方面中國科學院電漿物理研究所處于國際先進水準,形成了廣泛的國際交流與合作,與歐、美、日、俄、澳等近三十個國家和地區建立了穩定合作交流關系,開展多個國際合作項目,成為"第三世界科學院開放實驗室"和"世界實驗室聚變研究中心",是國際受控熱核聚變計畫ITER中國工作組的重要單位之一。

離子效應

電離層由大氣的球面組成,其中帶有已經被太陽輻射而電離的離子,這就是電漿區,形成不同離子密度的層D、E、F1、F2。在航天器重返大氣時,由于摩擦產生的高溫在器表面形成了很濃密的電漿,這些電子密度足夠高時,會致使電漿頻率非常高(一般為8MHz),因此地面和航天器的通信被阻斷,直到它的速度降下來才恢復通信。

主要套用

當光打在金屬表面時,二維光或是電漿就會被激發。電漿可以被看作是光子和電子的連線。

可以建立一個混合原則,由光轉變成的電漿在金屬表面傳播時(該電漿的波長比原始光波的波長小的多);電漿能被二維光學儀器(鏡子、波導、透鏡等)處理,電漿能再次轉變成光或者電信號

電漿感測器和癌症治療儀:NaomiHalas描述了電漿怎樣激發小金屬層表面的,米粒形狀的粒子能量很大,做光譜學試驗的光是微分子數量級。在米粒狀粒子彎曲頂端處電漿電場比用來激發電漿的電場強很多,並且它在很大程度上改進了光譜的速率和精確性。換一種說法,納米數量級的電漿不僅可以用來鑒定,還可以用來殺死癌細胞

電漿電漿

電漿顯微鏡:IgorSmolyaninov報道稱他和他的同事能夠拍下來空間解析度在60nm的物體(如果是實用材料,解析度能達到30nm),而用雷射激發隻能達到515nm。換句話說,用這種解析度製造的顯微鏡會比平常使用的衍射方法好的多;而且,這更是遠場顯微鏡――光源不用放在少于光波長的範圍內。巨大光極化和光傳輸:GennadyShvets報道當表面的聲子被光激發來製造超棱鏡(用平板材料透鏡化)顯微鏡是紅外線光顯微鏡波長的二十分之一。他和他的同事能拍下樣品表面下的特征,他們稱為"巨大的光傳輸",照射到表面的光比一般光的波長小的多。

光頻率的未來電漿電路:NaderEngheta支持電漿激發的納米粒子能夠被設計成納米數量級的電容,電阻,和感應器(電路中的各種元素)。

電路能夠接收廣播(1010Hz)或者是微波(1012Hz)的頻率,而該電路卻能達到光頻率(1015Hz)。這就能實現小型化以及用納米天線探測光信號的過程,納米波導,納米感測器,並且還有可能實現納米電腦,納米存儲,納米信號和光分子接口。

電漿主要用于以下3方面。

①電漿冶煉:用于冶煉用普通方法難于冶煉的材料,例如高熔點的(Zr)、鈦(Ti)、鉭(Ta)、鈮(Nb)、(V)、鎢(W)等金屬;還用于簡化工藝過程,例如直接從ZrCl、MoS、TaO和TiCl中分別獲得Zr、Mo、Ta和Ti;用電漿熔化快速固化法可開發硬的高熔點粉末,如碳化鎢-鈷、Mo-Co、Mo-Ti-Zr-C等粉末電漿冶煉的優點是產品成分及微結構的一致性好,可免除容器材料的污染。

電漿電漿

②電漿噴塗:許多設備的部件應能耐磨耐腐蝕、抗高溫,為此需要在其表面噴塗一層具有特殊性能的材料。用電漿沉積快速固化法可將特種材料粉末噴入熱電漿中熔化,並噴塗到基體(部件)上,使之迅速冷卻、固化,形成接近網狀結構的表層,這可大大提高噴塗質量。

③電漿焊接:可用以焊接鋼、合金鋼;、鈦等及其合金。特點是焊縫平整,可以再加工沒有氧化物雜質,焊接速度快。用于切割鋼、鋁及其合金,切割厚度大。

技術

所謂電漿,就電氣技術而言,它指的是一種擁有離子、電子和核心粒子的不帶電的離子化物質。電漿包括有,幾乎相同數量的自由電子陽極電子。在一個等離子中,其中的粒子已從核心粒子中分離了出來。因此,當一個等離子包括大量的離子和電子,從而是電的最佳導體,而且它會受到磁場的影響,當溫度高時,電子便會從核心粒子中分離出來了。

近幾年來等離子平面螢幕技術支持下的PDP真可謂是如日中天,它是未來真正平面電視的最佳候選者。其實等離子顯示技術並非21世紀才有的新技術,早在1964年美國伊利諾斯大學就成功研製出了等離子顯示平板,但那時等離子顯示器為單色。現在等離子平面螢幕技術為最新技術,而且它是高質圖象和大純平螢幕的最佳選擇。大純平螢幕可以在任何環境下看電視,等離子面板擁有一系列象素,同時這些象素又包含有三種次級象素,它們分別呈紅、綠色、藍色。在等離子狀態下的氣體能與每個次象素裏的磷光體反應,從而能產生紅、綠或藍色。這種磷光體與用在陰極射線管(CRT)裝置(如電視機和普通電腦顯示器)中的磷光體是一樣的,你可以由此而得到你所期望的豐富有動態的顏色,每種由一個先進的電子元件控製的次象素能產生16億種不同的顏色,所有的這些意味著你能在約不到6英寸厚的顯示屏上更容易看到最佳畫面。

不穩定性

電漿偏離熱力學平衡的性質。大體有兩類方式。一類是電漿巨觀參量如密度溫度壓強及其他熱力學量的不均勻性,由此產生的不穩定性使電漿整體的形狀改變,稱為巨觀不穩定性或位形空間不穩定性,可用磁流體力學(見電漿物理學)分析,故又稱磁流體力學不穩定性。另一類是電漿的速度空間分布函式偏離麥克斯韋分布,由此產生的不穩定性稱為微觀不穩定性或速度空間不穩定性,可用電漿動力論分析,故又稱動力論不穩定性。

電漿的不穩定性(無論巨觀、微觀)也可按引起它的驅動能量分類。如磁能引起的電流不穩定性;電漿向弱磁場區膨脹時膨脹能引起的交換不穩定性;密度、溫度梯度產生的電漿膨脹能引起的漂移不穩定性;非麥克斯韋分布或壓強各向異性對應的自由能引起的速度空間不穩定性等。電漿中種類多樣的不穩定性會導致帶電粒子的逃逸或輸運系數的異常增大,破壞電漿的約束或限製約束時間。因此,研究電漿的各種不穩定性,闡明其物理機製,探索穩定化的方法,一直是受控熱核聚變研究的一個中心課題,也是電漿物理學的重要內容。

電漿電漿

如果電漿柱僅由其中縱向電流產生的角向磁場約束,則稍有擾動後,因收縮處向內的磁壓增大,更趨收縮,膨脹處向內的磁壓減小,更趨膨脹,形如臘腸,故稱臘腸不穩定性,它可切斷電漿,附加縱向磁場抵製收縮和膨脹,即可使之穩定。如果載有縱向強電流的電漿柱受擾動稍有彎曲,則凹部磁場增強,凸部減弱,由此引起的磁壓之差使擾動擴大,電漿柱將很快彎曲甚至形成螺旋線,這是扭曲不穩定性,可用縱向磁場使之穩定。如果水在上、油在下,則稍有擾動便在重力作用下互換,電漿中與此類似的不穩定性稱為互換不穩定性。以上數例均屬巨觀不穩定性。

核聚變

核聚變是解決未來能源的主要選擇。高溫電漿研究以實現核聚變為目的。托卡馬克類型核聚變研究是當今世界上主要聚變研究途徑之一,也是本所主要學科方向。本所先後建成了HT-6B、HT-6M、HT-7和EAST等多套托卡馬克核聚變實驗裝置及其研究系統,參與了國際熱核聚變試驗堆(ITER)計畫與研究。計畫未來在中國建造穩態燃燒托卡馬克實驗堆和中國磁約束聚變示範堆,進而實現純聚變能源的商用化。

在建設托卡馬克和開展電漿物理實驗研究過程中,本所發展了保障托卡馬克運行的診斷、電源、微波、低溫、超導、真空、資料採集處理、材料、安全與環保、電物理及精密儀器加工等一系列高新技術,開展了反應堆新概念設計和相關技術研究。在高功率電源、大型低溫製冷、超導儲能、高溫超導、電物理裝備研製等方面的技術已套用于國民經濟,其中部分技術已實現產業化。

科研貢獻

建國以來,電漿所承擔著國家發改委、科技部、國家基金委和中國科學院等多項重大科研項目,獲得科研成果200多項,其中重要成果105項。電漿所依靠自己的力量先後建設了常規磁體托卡馬克裝置HT-6B和HT-6M及中國第一個圓截面超導托卡馬克裝置HT-7;2006年,世界上第一個非圓截面全超導托卡馬克EAST裝置又在電漿所自主建成,EAST成功建設被國際聚變界評價為:"是全世界聚變工程的非凡業績,是全世界聚變能開發的傑出成就和重要裏程碑",該重大成果榮獲2008年度國家科學技術進步獎一等獎,入選為2006"中國十大科技進展"和"中國基礎研究十大新聞"。

電漿所在與高溫熱核聚變電漿物理及工程研究密切相關的電漿理論與實驗、反應堆技術、大功率電源技術、電腦自動控製與資料採集處理技術、高真空技術、低溫製冷技術、低溫超導和高溫超導技術、特種材料技術、大型微波加熱及電流驅動等學科的研究成績斐然,積聚了學科不一的綜合人才隊伍。已建成的多套電漿物理診斷系統、2兆瓦波加熱系統、2兆瓦波驅動電流系統、總功率達20萬千瓦的交直流脈沖電源系統、110千伏變電站、中國最大的2千瓦液氦製冷系統、超高真空系統、20萬高斯穩態混合磁體、先進的電腦控製和資料採集及處理系統、大型超導磁體生產和測試系統等先進設施,構建成全面系統的從事電漿物理和聚變工程及技術研發的先進平台。

離子束生物學工程是電漿所科研人員開創的物理學與生物學交叉的新的研究領域,現已形成一門新興的交叉學科分支--離子束生物工程學。該學科主要研究自然界低能離子輻射對進化和健康的影響,基于離子束和單離子束細胞精確定位照射平台,研究離子束、射線束與生物體相互作用機理。離子束生物工程技術己在工業生物技術、農業、環境健康等領域推廣套用,獲得了顯著的社會效益和經濟效益,多次獲得國家級重要獎項,並成為這一領域的"leading team"。

太陽能材料與工程研究先後承擔了國家重點基礎研究973計畫、中科院知識創新工程等多個項目,染料敏化太陽電池及光電功能材料和高分子結晶領域的研究,取得了多項具有國際先進的科研成果,為發展具有中國特色的太陽能事業做出積極的貢獻。

結合建設創新型國家的發展綱要要求,電漿所確立了低溫電漿技術在環境、新能源、化工、新材料等領域的套用研究,取得了一系列具有自主智慧產權、可對國民經濟產生重要作用的高新技術成果。

離子體所編輯出版的《Plasma Science and Technology》是國內電漿專業唯一的英文版學術期刊,已被SCI、SA等國際重要資料庫收錄。

電漿在催化中的套用主要集中在:

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