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讓自然告訴你 神奇的物質(zhì)第四態(tài)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(chēng)為是固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)以外的物質(zhì)第四態(tài)。在宇宙中99%的可見(jiàn)物質(zhì)是以等離子體的狀態(tài)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(yè)生產(chǎn)、國防軍工、科學(xué)研究等諸多方面發(fā)揮著(zhù)越來(lái)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(shí)間尺寸分別由德拜長(cháng)度和等離子體頻率來(lái)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(cháng)程相互作用。


   
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等離子體的分類(lèi)

按電子溫度來(lái)分,通常電子溫度低于10eV的等離子體稱(chēng)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(xué)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(guò)10eV量級時(shí),稱(chēng)為高溫等離子體,高溫等離子體在產(chǎn)生X射線(xiàn)、聚變科學(xué)等領(lǐng)域有重要應用。當電子平均動(dòng)能遠大于電子平均距離對應的庫倫勢能時(shí),這類(lèi)等離子體稱(chēng)為理想等離子體,而當電子的平均動(dòng)能小于電子平均間距對應的庫倫勢能時(shí),這種等離子體稱(chēng)為非理想等離子體。

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

德布洛依波長(cháng),要考慮量子效應,因此這類(lèi)等離子體稱(chēng)為非經(jīng)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(lèi):一類(lèi)是彈性碰撞,碰撞前后總動(dòng)能守恒,各粒子的電荷數不變,動(dòng)量在粒子間重新分配。另一類(lèi)是非彈性碰撞,動(dòng)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(chǎn)生的粒子中。非彈性碰撞包括粒子激發(fā)和退激發(fā),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(dòng)力學(xué)過(guò)程非常復雜。在德拜長(cháng)度內,帶電粒子間受到庫侖作用引起的碰撞;在德拜長(cháng)度外,則主要受到屏蔽庫倫勢引起的集體運動(dòng)。當存在外部電磁場(chǎng)時(shí),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(dòng)又將產(chǎn)生電磁場(chǎng)。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(wèn)題,采用不同的近似方法,對等離子體進(jìn)行描述。 

等離子體診斷技術(shù)

等離子體實(shí)驗診斷技術(shù),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(lái)我們針對不同的放電等離子對象進(jìn)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(chǎng)來(lái)使等離子體被徑向約束或快速內爆的物理過(guò)程。Z箍縮的研究源于上世紀五十年代,主要關(guān)注平衡箍縮問(wèn)題(Bennett平衡),目的是實(shí)現可控核聚變。然而由于等離子體不穩定性過(guò)早地破壞了平衡箍縮狀態(tài),使得等離子體難以達到聚變點(diǎn)火的勞遜條件。這一技術(shù)瓶頸極大地阻礙了Z箍縮研究的進(jìn)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(lián)技術(shù)的應用,極大地推動(dòng)了Z箍縮研究的進(jìn)展。這時(shí),Z箍縮負載在脈沖電流自磁場(chǎng)的作用下,快速內爆滯止并產(chǎn)生高亮度的脈沖軟X射線(xiàn)(0.1-10keV)輻射,稱(chēng)為動(dòng)力學(xué)Z箍縮或快Z箍縮??烨把兀▇100ns)電流脈沖驅動(dòng)可縮短Z箍縮等離子體演化的時(shí)間長(cháng)度,有利于減弱磁瑞利-泰勒(MRT)不穩定性的發(fā)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(kāi)始采用多根金屬絲構成的環(huán)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(fā)現增加絲數、縮小絲間距可改進(jìn)等離子體的角向均勻性,改善Z箍縮的內爆品質(zhì)、提高輻射功率。

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

由于Z箍縮可產(chǎn)生超強的X射線(xiàn)輻射功率,且具有極高的電能-X射線(xiàn)能轉化效率,因而引起了世界范圍內的廣泛關(guān)注。人們進(jìn)一步提出了快Z箍縮X射線(xiàn)驅動(dòng)的慣性約束聚變的設計,并開(kāi)展了初步的實(shí)驗研究。此外,快Z箍縮在高能量密度物理、輻射效應模擬、實(shí)驗室天體物理等方面也發(fā)揮著(zhù)重要的作用。

在絲陣Z箍縮的技術(shù)上,若金屬絲交叉相交呈“X”的形狀,則演變?yōu)閄箍縮。由于電流在交叉點(diǎn)處匯聚,將引起該區域快速演化,可形成一個(gè)或數個(gè)高溫高密度的區域(熱點(diǎn)),并產(chǎn)生高亮度的脈沖X射線(xiàn)輻射,是一種脈沖X射線(xiàn)點(diǎn)光源的高效實(shí)現方式。金屬絲陣在脈沖電流早期首先經(jīng)歷金屬單絲的電爆炸過(guò)程,電爆炸產(chǎn)物及其基本特征對后續的演化過(guò)程將發(fā)揮顯著(zhù)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(zhì)表面產(chǎn)生等離子體,從二十世紀六十年代到目前已經(jīng)受到了半個(gè)多世紀的關(guān)注?;诩す庹T導等離子體的各種技術(shù)也在基礎研究與工業(yè)應用的多個(gè)方面發(fā)揮了重要作用。利用激光等離子體發(fā)射光譜定性和定量分析樣品類(lèi)型和性質(zhì),在航天、環(huán)境檢測、食品安全等諸多領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注,并正朝向商業(yè)化應用快速發(fā)展。利用激光誘導等離子體改變介質(zhì)介電屬性,從而觸發(fā)和控制間隙放電特性,在脈沖功率技術(shù)以及電力系統安全方面具有重要價(jià)值。利用激光燒蝕的薄膜沉積術(shù),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(zhì)的激光誘導等離子體現象,并對其中的擊穿機制進(jìn)行了不懈的探索。然而隨著(zhù)上述技術(shù)的發(fā)展,人們發(fā)現對于激光誘導等離子體的認識還相當有限,難以滿(mǎn)足迅速發(fā)展的各類(lèi)應用領(lǐng)域的需求。這一方面源于激光誘導等離子體演化過(guò)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(guān)。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(lǐng)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(cháng)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(cháng)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(shuō)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(shí)長(cháng)百μs左右),較高溫度(1-5eV)等特點(diǎn),被廣泛應用于電熱化學(xué)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(jìn)器等領(lǐng)域。毛細管放電等離子體可通過(guò)大容量高功率脈沖電源向等離子體發(fā)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(guò)燒蝕毛細管中的器壁產(chǎn)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(chǎn)生。因此,毛細管的放電過(guò)程是研究毛細管放電等離子體特性及其應用的關(guān)鍵所在。毛細管的放電過(guò)程屬于燒蝕控制型放電,即放電過(guò)程通過(guò)等離子體對毛細管器壁材料的不斷燒蝕來(lái)維持。燒蝕作用對外圍等離子體進(jìn)行冷卻,以限制毛細管中等離子體的形態(tài);而燒蝕產(chǎn)物進(jìn)入等離子體以補充自噴口處隨射流流失的質(zhì)量。在通常的電熱化學(xué)炮中,毛細管通常由高分子材料制成,其長(cháng)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(kāi)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(jīng)濟的快速發(fā)展在促進(jìn)電力系統及電力工業(yè)發(fā)展的同時(shí),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(xiàn)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(guān)鍵,它不僅能夠關(guān)合與開(kāi)斷正常情況下的各種負載電流,也能在線(xiàn)路中出現短路故障時(shí)關(guān)合和開(kāi)斷短路電流。對開(kāi)關(guān)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(guān)理論,同時(shí)可為開(kāi)關(guān)設備的優(yōu)化設計提供指導與借鑒。

目前以氣體為滅弧介質(zhì)的電力設備主要應用于高壓和低壓領(lǐng)域,而中壓領(lǐng)域則以真空為主。SF6氣體具有優(yōu)良的絕緣與滅弧性能,當前以SF6為滅弧和絕緣介質(zhì)的高壓電力開(kāi)關(guān)在110kV以上系統中占絕對主導地位,全球生產(chǎn)的SF6氣體約50%用于電力行業(yè),其中約80%用于高壓開(kāi)關(guān)設備。此外,以空氣為滅弧絕緣介質(zhì)的開(kāi)關(guān)電器在配電系統中廣泛使用,主要包括繼電器、接觸器、起動(dòng)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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