等離子體及其應用介紹

文章出處：等離子清洗機廠家 | 深圳納恩科技有限公司| 發(fā)表時間：2022-12-13

固態(tài)、液態(tài)與氣態(tài)是人們所熟知的三種物質(zhì)狀態(tài)，在一定的條件下，物質(zhì)之間的各種狀態(tài)是可以相互轉(zhuǎn)化的。如隨著物質(zhì)溫度的不斷上升，當粒子的平均動能超過粒子在晶格中的結(jié)合能時，晶體將被破壞，物質(zhì)由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，若在此基礎上進一步提高溫度，當粒子的結(jié)合鍵被破壞時，物質(zhì)的狀態(tài)將由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)。繼續(xù)升高溫度，氣態(tài)物質(zhì)則會出現(xiàn)部分電離甚至完全電離的情況，即原子的外層電子會擺脫原子核的束縛而成為自由電子，失去外層電子的原子則會變成帶有正電的離子。雖然此時氣體中會存在電子和離子，但仍然以電中性的氣態(tài)分子為主導。當帶電粒子的濃度高于一定數(shù)值時，電離氣體將表現(xiàn)出明顯的集體行為，并具有發(fā)光、導電、高溫、高化學活性等一系列不同于其它三態(tài)的特殊性質(zhì)，物質(zhì)的這種狀態(tài)稱為等離子體態(tài)，是物質(zhì)的第四態(tài)。

作為一種獨特的物質(zhì)狀態(tài)，自然界中的等離子體主要存在于宇宙空間，根據(jù)Saha的計算，宇宙空間的可見物質(zhì)中99％都屬于等離子體態(tài)。等離子體是宇宙中物質(zhì)存在的主要形式，宇宙中的恒星、日地空間的太陽風、太陽日冕、脈沖星、星云、大氣外側(cè)的電離層、極光、雷電等都是等離子體。地球表面幾乎沒有自然存在的等離子體，只能通過一定的方法人工產(chǎn)生。

等離子體作為一門新興學科，最早是由英國科學家克魯克斯在1879年發(fā)現(xiàn)，“plasma”這個詞是1928年由Langmuir首次引入到物理學，用于描述氣體放電管里的物質(zhì)狀態(tài)。伴隨著氣體放電、天體物理學和空間物理學、受控熱核聚變以及低溫等離子體技術應用（如等離子體發(fā)電，等離子體切割、焊接和噴涂，等離子體化工，等離子體冶煉以及廢氣、廢水處理等）的各種需求，等離子體物理學在實驗和理論計算兩個方面快速發(fā)展，在前人不斷探索的過程中逐漸成為一個獨立的學科。

等離子體的分類方法有很多種，按產(chǎn)生方式可以分為人工等離子體和天然等離子體；按照電離率可以分為完全電離等離子體（電離率a=1）、部分電離等離子體（0.01＜a＜1）和弱電離等離子體（10^-12＜a＜0.01）；按熱力學平衡可以分為完全熱力學平衡等離子體、局部熱力學平衡等離子體以及非熱力學平衡等離子體；按照電子溫度也可分為高溫等離子體（電子溫度高，一般為幾個、幾十keV）和低溫等離子體（電子溫度低，一般為幾個、幾十eV）；由等離子體的磁化程度可分為完全磁化等離子體（電子、離子回旋頻率>電子、離子與中性氣體碰撞頻率）、部分磁化等離子體（電子回旋頻率>電子與中性氣體碰撞頻率，電子被磁化；離子回旋頻率<離子與中性氣體碰撞頻率，離子未被磁化）和非磁化等離子體（電子、離子回旋頻率<電子、離子與中性氣體碰撞頻率）。

隨著人類對等離子體的研究不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)等離子體具有很多優(yōu)良的性質(zhì)，許多過去不能完成的工藝過程可以借助等離子體技術來實現(xiàn)。如機械加工領域，等離子體弧由于高溫、高速和高能量密度等特點被用于陶瓷材料的加工；在微電子工業(yè)，由于等離子體刻蝕具有較好的選擇性、各向異性并且刻蝕精度高的優(yōu)勢（刻蝕線寬在微米量級），等離子體刻蝕技術已經(jīng)能對超大規(guī)模集成電路進行加工；薄膜材料制備中，等離子體沉積已經(jīng)成為人們常用的技術；在冶金方面，利用等離子體技術可以制備超細金屬粉末、納米金屬材料等；在化工領域，等離子體技術在基礎化工原料的制備上，特別是在等離子體裂解煤和天然氣方面有著獨一無二的優(yōu)勢（等離子體裂解煤制甲烷、乙烯和乙炔等，等離子體裂解煤粉可以得到氰化氮，還可以合成醇、酸、醛等含氧有機物，裂解天然氣制備乙烯和乙炔等）；在材料制取方面，等離子體被應用于臭氧的制備、有機物的合成、制備薄膜以及材料表面改性等；在廢水、廢氣、廢物“三廢”的處理，醫(yī)療器械的滅菌消毒等各個方面等離子體也都發(fā)揮著巨大的作用。

目前，能源危機與環(huán)境污染已經(jīng)成為本世紀阻礙社會發(fā)展的重要問題，受控熱核聚變方案的提出則讓人類看到了永久解決此類問題的希望。核聚變所需要的材料在地球上儲量非常豐富（海水中含有大量的氘），發(fā)生聚變后釋放能量大（1L海水所含的氘聚變產(chǎn)生的能量相當于300L汽油燃燒所釋放的能量），聚變產(chǎn)生的廢料主要是地球上常見的氦氣，對環(huán)境的污染小、沒有放射性，核聚變技術的研究受到世界各國的高度重視。受控核聚變核心問題是：如何將高溫高密度的氘（D）、氚（T）等離子體約束在一定的區(qū)域內(nèi)，并且保持充足的時間，使其能夠充分聚變。因此，人們提出了利用磁場對等離子體進行約束，即托克馬克磁約束聚變裝置。在托克馬克磁約束聚變中，燃料注入問題相當關鍵。同軸槍放電等離子體具有高溫度、高電子密度和高速度的特點，同軸槍等離子體加速器可以成為燃料注入的實驗裝置，作為托克馬克燃料注入的一種方式。