等离子体

简介

　　含有足够数量的自由带电粒子,有较大的电导率,其运动主要受电磁力支配的 物质状态。等离子体由带正电的离子和带负电的电子，也可能还有一些中性的原 子和分子所组成。等离子体在宏观上一般是电中性的，即它所含有的正电荷和负 电荷几乎处处相等。由于带电粒子之间的作用主要是长程的库仑力，每个粒子都 同时和周围很多粒子发生作用，因此等离子体在运动过程中一般表现出明显的集 体行为。等离子体的性质不同于固体、液体和气体，常称为物质的第四态。

　　闪电、极光等是地球上的天然等离子体的辐射现象。电弧、日光灯中发光的 电离气体，以及实验室中的高温电离气体等是人造的等离子体。 在地球以外，如围绕地球的电离层、太阳及其他恒星、太阳风、很多种星际 物质，都是等离子体。天然的等离子体在地球上虽不多见，但在宇宙间却是物质 存在的主要形式，它占宇宙间物质总量的绝大部分。

获得方式

　　等离子体由自然产生的称为自然等离子体(如北极光和闪电)，由人工产生的称为实验室等离子体。实验室等离子体是在有限容积的等离子体发生器中产生的。如果环境温度较低，等离子体能够通过辐射和热传导等方式向壁面传递能量，因此，要在实验室内保持等离子体状态，发生器供给的能量必须大于等离子体损失的能量。不少人工产生等离子体的方法（如爆炸法、激波法等）产生的等离子体状态只能持续很短时间（10□～10□秒左右），而有工业应用价值的等离子体状态则要维持较长时间（几分钟至几十小时）。能产生后一种等离子体的方法主要有：直流弧光放电法、交流工频放电法、高频感应放电法、低气压放电法（例如辉光放电法）和燃烧法。前四种放电都用电学手段获得，而燃烧则利用化学手段获得。

条件

　　空间尺度要求 ：等离子体线度远大于德拜长度

　　lD << L

　　时间尺度要求：等离子体碰撞时间、存在时间远大于特征响应时间

　　t >> tp

　　集合体要求：在德拜球中粒子数足够多，具有统计意义

　　ND ＝ ne (4 plD3 /3 )  >> 1

分类

　　等离子体按其电子温度10000℃为界，分为高温等离子体和低温等离子体。

　　高温等离子体是高于10000℃的等离子体，如聚变、太阳核心

　　低温等离子体是低于10000℃的等离子体，分为：

　　冷等离子体Te≠Ti, Ta，如极光、日光灯

　　热等离子体Te＝Ti, Ta，如电弧、碘钨灯

应用

　　1 冷等离子体应用

　　等离子体的化学过程：刻蚀、化学气相沉积（成膜）

　　等离子体材料处理：表面改性、表面冶金

　　光源：冷光源（节能）

　　典型应用：

　　特征类金刚石表面制造

　　实验室与日本原子力所先进科学研究中心合作，开展了非平衡薄膜表面制造的研究，成功第地制备了纳米尺度的针状表面、波纹表面，树枝状表面、正弦表面等表面结构，其中波纹表面，是应用薄膜生长过程的自组织过程中直接形成的。

　　毫米级厚金刚石片制备研究

　　应用PCVD方法开展金刚石模制备研究开展了多年，对制备过程中物理化学及工艺过程进行了系统研究。可以稳定地制备高质量毫米量级厚度的金刚石片，并用金刚石膜加工成金刚石电子热沉片，热导率高达7.6W/(k·cm)，可用于大功率电子器件。

　　2 热等离子体应用

　　高温加热：冶金、焊接、切割

　　材料合成、加工

　　陶瓷烧结、喷涂、三废处理

　　光源：强光源

　　3 等离子体军事及高技术应用

　　军事应用：等离子体天线、等离子体隐身、等离子体减阻、等离子体鞘套、等离子体诱饵

　　高技术：大功率微波器件、X射线激光、强流束技术、等离子体推进