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間尺寸分別由德拜長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倫相互作用未長程相互作用。

   
     

 

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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量級時，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)電子平均動能遠(yuǎn)大于電子平均距離對應(yīng)的庫倫勢能時，這類等離子體稱為理想等離子體，而當(dāng)電子的平均動能小于電子平均間距對應(yīng)的庫倫勢能時，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，如電子溫度T_e≈10keV，電子熱運(yùn)動速度到達(dá)0.3c，這時相對論效應(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論等離子體。當(dāng)?shù)入x子體密度足夠高時（如接近固體），粒子間平均距離小于電子

德布洛依波長，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，碰撞前后總動能守恒，各粒子的電荷數(shù)不變，動量在粒子間重新分配。另一類是非彈性碰撞，動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，其動力學(xué)過程非常復(fù)雜。在德拜長度內(nèi)，帶電粒子間受到庫侖作用引起的碰撞；在德拜長度外，則主要受到屏蔽庫倫勢引起的集體運(yùn)動。當(dāng)存在外部電磁場時，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)動又將產(chǎn)生電磁場。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(fù)載等離子體軸向（Z方向）電流的自生角向磁場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并聯(lián)技術(shù)的應(yīng)用，極大地推動了Z箍縮研究的進(jìn)展。這時，Z箍縮負(fù)載在脈沖電流自磁場的作用下，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，稱為動力學(xué)Z箍縮或快Z箍縮?？烨把兀▇100ns）電流脈沖驅(qū)動可縮短Z箍縮等離子體演化的時間長度，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Sandia國家實(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)動的慣性約束聚變的設(shè)計，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，可形成一個或數(shù)個高溫高密度的區(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、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)對于激光誘導(dǎo)等離子體的認(rèn)識還相當(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，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，時長百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毛細(xì)管器壁材料的不斷燒蝕來維持。燒蝕作用對外圍等離子體進(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，其長度通常在厘米量級，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，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(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，對系統(tǒng)中的監(jiān)測、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)短路故障時關(guān)合和開斷短路電流。對開關(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，同時可為開關(guān)設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計提供指導(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、起動器、微型斷路器(MCB)、框架斷路器(ACB)和塑殼斷路器(MCCB)等。