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(xiàn)出集體行為的準(zhǔn)中性的氣體。等離子體被稱為是固態(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(guó)防軍工、科學(xué)研究等諸多方面發(fā)揮著越來越重要的作用。

準(zhǔn)中性和集體行為是等離子體的重要特征。準(zhǔn)中性的空間尺寸和時(shí)間尺寸分別由德拜長(zhǎng)度和等離子體頻率來描述，等離子體的集體行為起源于帶電粒子間的庫(kù)倫相互作用未長(zhǎng)程相互作用。

   
     

 

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等離子體的分類

按電子溫度來分，通常電子溫度低于10eV的等離子體稱為低溫等離子體，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(yī)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(dāng)電子溫度超過10eV量級(jí)時(shí)，稱為高溫等離子體，高溫等離子體在產(chǎn)生X射線、聚變科學(xué)等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。當(dāng)電子平均動(dòng)能遠(yuǎn)大于電子平均距離對(duì)應(yīng)的庫(kù)倫勢(shì)能時(shí)，這類等離子體稱為理想等離子體，而當(dāng)電子的平均動(dòng)能小于電子平均間距對(duì)應(yīng)的庫(kù)倫勢(shì)能時(shí)，這種等離子體稱為非理想等離子體。

此外，當(dāng)溫度足夠高時(shí)，如電子溫度T_e≈10keV，電子熱運(yùn)動(dòng)速度到達(dá)0.3c，這時(shí)相對(duì)論效應(yīng)開始變得顯著，因此把溫度高于10 keV的等離子體稱為相對(duì)論等離子體。當(dāng)?shù)入x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(zhǎng)，要考慮量子效應(yīng)，因此這類等離子體稱為非經(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：一類是彈性碰撞，碰撞前后總動(dòng)能守恒，各粒子的電荷數(shù)不變，動(dòng)量在粒子間重新分配。另一類是非彈性碰撞，動(dòng)能在粒子間重新分配，且一部分能量轉(zhuǎn)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(fù)合，電荷交換等。

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)過程非常復(fù)雜。在德拜長(zhǎng)度內(nèi)，帶電粒子間受到庫(kù)侖作用引起的碰撞；在德拜長(zhǎng)度外，則主要受到屏蔽庫(kù)倫勢(shì)引起的集體運(yùn)動(dòng)。當(dāng)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(yùn)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(jù)不同條件和研究的問題，采用不同的近似方法，對(duì)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(yàn)診斷技術(shù)，包括電磁輻射參數(shù)的測(cè)量、等離子體自輻射圖像和能譜的測(cè)量、激光探針診斷方法等。接下來我們針對(duì)不同的放電等離子對(duì)象進(jìn)行介紹。

Z箍縮

Z箍縮（Z-Pinch）是利用負(fù)載等離子體軸向（Z方向）電流的自生角向磁場(chǎng)來使等離子體被徑向約束或快速內(nèi)爆的物理過程。Z箍縮的研究源于上世紀(jì)五十年代，主要關(guān)注平衡箍縮問題（Bennett平衡），目的是實(shí)現(xiàn)可控核聚變。然而由于等離子體不穩(wěn)定性過早地破壞了平衡箍縮狀態(tài)，使得等離子體難以達(dá)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(jì)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(tái)并聯(lián)技術(shù)的應(yīng)用，極大地推動(dòng)了Z箍縮研究的進(jìn)展。這時(shí)，Z箍縮負(fù)載在脈沖電流自磁場(chǎng)的作用下，快速內(nèi)爆滯止并產(chǎn)生高亮度的脈沖軟X射線（0.1-10keV）輻射，稱為動(dòng)力學(xué)Z箍縮或快Z箍縮?？烨把兀▇100ns）電流脈沖驅(qū)動(dòng)可縮短Z箍縮等離子體演化的時(shí)間長(zhǎng)度，有利于減弱磁瑞利-泰勒(MRT)不穩(wěn)定性的發(fā)展。為了與大電流、低阻抗加速器相匹配，上世紀(jì)七十年代末起，人們開始采用多根金屬絲構(gòu)成的環(huán)形陣列替代早期的單絲負(fù)載，獲得了更高的輻射轉(zhuǎn)換效率，并且發(fā)現(xiàn)增加絲數(shù)、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(nèi)爆品質(zhì)、提高輻射功率。

   上述快脈沖驅(qū)動(dòng)源技術(shù)和絲陣負(fù)載的結(jié)合使Z箍縮研究取得了突破性進(jìn)展。1998年，美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(jì)錄的X射線功率輸出，X射線功率達(dá)到280TW、產(chǎn)額1.8MJ、電能-X射線的轉(zhuǎn)化效率達(dá)到15%。

由于Z箍縮可產(chǎn)生超強(qiáng)的X射線輻射功率，且具有極高的電能-X射線能轉(zhuǎn)化效率，因而引起了世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注。人們進(jìn)一步提出了快Z箍縮X射線驅(qū)動(dòng)的慣性約束聚變的設(shè)計(jì)，并開展了初步的實(shí)驗(yàn)研究。此外，快Z箍縮在高能量密度物理、輻射效應(yīng)模擬、實(shí)驗(yàn)室天體物理等方面也發(fā)揮著重要的作用。

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(qū)域快速演化，可形成一個(gè)或數(shù)個(gè)高溫高密度的區(qū)域(熱點(diǎn))，并產(chǎn)生高亮度的脈沖X射線輻射，是一種脈沖X射線點(diǎn)光源的高效實(shí)現(xiàn)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程，電爆炸產(chǎn)物及其基本特征對(duì)后續(xù)的演化過程將發(fā)揮顯著的影響。

激光誘導(dǎo)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(jì)六十年代到目前已經(jīng)受到了半個(gè)多世紀(jì)的關(guān)注。基于激光誘導(dǎo)等離子體的各種技術(shù)也在基礎(chǔ)研究與工業(yè)應(yīng)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型和性質(zhì)，在航天、環(huán)境檢測(cè)、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(yīng)用快速發(fā)展。利用激光誘導(dǎo)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(tǒng)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(jì)八十年代便成功制備出高溫超導(dǎo)薄膜的，之后更是在鐵電材料、復(fù)雜氧化物以及巨磁電阻材料的制備上得到了廣泛的應(yīng)用。

迄今為止，人們研究了多種不同介質(zhì)的激光誘導(dǎo)等離子體現(xiàn)象，并對(duì)其中的擊穿機(jī)制進(jìn)行了不懈的探索。然而隨著上述技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)對(duì)于激光誘導(dǎo)等離子體的認(rèn)識(shí)還相當(dāng)有限，難以滿足迅速發(fā)展的各類應(yīng)用領(lǐng)域的需求。這一方面源于激光誘導(dǎo)等離子體演化過程本身的復(fù)雜性，另一方面又因?yàn)槠湫袨樘匦耘c多種因素密切相關(guān)。目前，誘導(dǎo)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(jí)，其能量和功率密度也各不相同，由此導(dǎo)致的等離子體屬性也各有其特殊性，從而其應(yīng)用領(lǐng)域也各有區(qū)別。相對(duì)而言，納秒激光誘導(dǎo)等離子體的應(yīng)用較為廣泛，這主要是因?yàn)榧{秒激光一方面較易獲得比長(zhǎng)脈寬周期激光更高的功率密度，另一方面，其建設(shè)與維護(hù)成本又遠(yuǎn)低于超短脈寬激光。就等離子體本身而言，納秒激光誘導(dǎo)等離子體兼具長(zhǎng)脈寬和超短脈寬激光誘導(dǎo)等離子體的部分特性，因此其研究更具一般性。不加特殊說明，下文討論的誘導(dǎo)等離子體行為均限于使用納秒激光。

毛細(xì)管放電等離子體

毛細(xì)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(dá)GW/m²級(jí)，時(shí)長(zhǎng)百μs左右)，較高溫度(1-5eV)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電熱化學(xué)炮、材料表面處理、納米材料制備、激光波導(dǎo)、等離子體加速器以及等離子體推進(jìn)器等領(lǐng)域。毛細(xì)管放電等離子體可通過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(xì)絲放電或者電極間的自擊穿，形成的初始電弧通過燒蝕毛細(xì)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(xì)管的放電過程是研究毛細(xì)管放電等離子體特性及其應(yīng)用的關(guān)鍵所在。毛細(xì)管的放電過程屬于燒蝕控制型放電，即放電過程通過等離子體對(duì)毛細(xì)管器壁材料的不斷燒蝕來維持。燒蝕作用對(duì)外圍等離子體進(jìn)行冷卻，以限制毛細(xì)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(bǔ)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(xì)管通常由高分子材料制成，其長(zhǎng)度通常在厘米量級(jí)，而半徑通常為幾毫米。在應(yīng)用中毛細(xì)管的一端封閉，另一端敞開以噴射等離子體射流。典型的放電脈寬在百微妙到毫秒數(shù)量級(jí)，而放電電流則在幾千安至幾十千安。

氣體電弧等離子體

國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展在促進(jìn)電力系統(tǒng)及電力工業(yè)發(fā)展的同時(shí)，對(duì)系統(tǒng)中的監(jiān)測(cè)、控制及配套保護(hù)設(shè)備也提出了更高的需求。斷路器作為系統(tǒng)線路中的重要保護(hù)設(shè)備，是電力系統(tǒng)安全、可靠及穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，它不僅能夠關(guān)合與開斷正常情況下的各種負(fù)載電流，也能在線路中出現(xiàn)短路故障時(shí)關(guān)合和開斷短路電流。對(duì)開關(guān)等離子體的持續(xù)、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)可為開關(guān)設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)與借鑒。

目前以氣體為滅弧介質(zhì)的電力設(shè)備主要應(yīng)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(dāng)前以SF₆為滅弧和絕緣介質(zhì)的高壓電力開關(guān)在110kV以上系統(tǒng)中占絕對(duì)主導(dǎo)地位，全球生產(chǎn)的SF₆氣體約50%用于電力行業(yè)，其中約80%用于高壓開關(guān)設(shè)備。此外，以空氣為滅弧絕緣介質(zhì)的開關(guān)電器在配電系統(tǒng)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。