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看似"神秘"的等離子體,其實是宇宙中一種常見的物質(zhì),在太陽、恒星、閃電中都存在等離子體,它占了整個宇宙的99%。21世紀人們已經(jīng)掌握和利用電場和磁場產(chǎn)生來控制等離子體。最常見的等離子體是高溫電離氣體,如電弧、霓虹燈和日光燈中的發(fā)光氣體,又如閃電、極光等。金屬中的電子氣和半導體中的載流子以及電解質(zhì)溶液也可以看作是等離子體。在地球上,等離子體物質(zhì)遠比固體、液體、氣體物質(zhì)少。在宇宙中,等離子體是物質(zhì)存在的主要形式,占宇宙中物質(zhì)總量的99%以上,如恒星(包括太陽)、星際物質(zhì)以及地球周圍的電離層等,都是等離子體。為了研究等離子體的產(chǎn)生和性質(zhì)以闡明自然界等離子體的運動規(guī)律并利用它為人類服務(wù),在天體物理、空間物理、特別是核聚變研究的推動下,近三、四十年來形成了磁流體力學和等離子體動力學。

等離子體由離子、電子以及未電離的中性粒子的集合組成,整體呈中性的物質(zhì)狀態(tài)。等離子體可分為兩種:高溫和低溫等離子體。等離子體溫度分別用電子溫度和離子溫度表示,兩者相等稱為高溫等離子體;不相等則稱低溫等離子體。低溫等離子體廣泛運用于多種生產(chǎn)領(lǐng)域。例如:等離子電視,嬰兒尿布表面防水涂層,增加啤酒瓶阻隔性。更重要的是在電腦芯片中的蝕刻運用,讓網(wǎng)絡(luò)時代成為現(xiàn)實。

高溫等離子體只有在溫度足夠高時發(fā)生的。恒星不斷地發(fā)出這種等離子體,組成了宇宙的99%。低溫等離子體是在常溫下發(fā)生的等離子體(雖然電子的溫度很高)。低溫等離子體可以被用于氧化、變性等表面處理或者在有機物和無機物上進行沉淀涂層處理。

等離子體(Plasma)是一種由自由電子和帶電離子為主要成分的物質(zhì)形態(tài),廣泛存在于宇宙中,常被視為是物質(zhì)的第四態(tài),被稱為等離子態(tài),或者"超氣態(tài)",也稱"電漿體"。等離子體具有很高的電導率,與電磁場存在極強的耦合作用。等離子體是由克魯克斯在1879年發(fā)現(xiàn)的,1928年美國科學家歐文·朗繆爾和湯克斯(Tonks)首次將"等離子體"(plasma)一詞引入物理學,用來描述氣體放電管里的物質(zhì)形態(tài)。嚴格來說,等離子體是具有高位能動能的氣體團,等離子體的總帶電量仍是中性,借由電場或磁場的高動能將外層的電子擊出,結(jié)果電子已不再被束縛于原子核,而成為高位能高動能的自由電子。

等離子體是物質(zhì)的第四態(tài),即電離了的"氣體",它呈現(xiàn)出高度激發(fā)的不穩(wěn)定態(tài),其中包括離子(具有不同符號和電荷)、電子、原子和分子。其實,人們對等離子體現(xiàn)象并不生疏。在自然界里,熾熱爍爍的火焰、光輝奪目的閃電、以及絢爛壯麗的極光等都是等離子體作用的結(jié)果。對于整個宇宙來講,幾乎99.9%以上的物質(zhì)都是以等離子體態(tài)存在的,如恒星和行星際空間等都是由等離子體組成的。用人工方法,如核聚變、核裂變、輝光放電及各種放電都可產(chǎn)生等離子體。分子或原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由電子和原子核組成。在通常情況下,即上述物質(zhì)前三種形態(tài),電子與核之間的關(guān)系比較固定,即電子以不同的能級存在于核場的周圍,其勢能或動能不大。

普通氣體溫度升高時,氣體粒子的熱運動加劇,使粒子之間發(fā)生強烈碰撞,大量原子或分子中的電子被撞掉,當溫度高達百萬開到1億開,所有氣體原子全部電離。電離出的自由電子總的負電量與正離子總的正電量相等。這種高度電離的、宏觀上呈中性的氣體叫等離子體。

等離子體和普通氣體性質(zhì)不同,普通氣體由分子構(gòu)成,分子之間相互作用力是短程力,僅當分子碰撞時,分子之間的相互作用力才有明顯效果,理論上用分子運動論描述。在等離子體中,帶電粒子之間的庫侖力是長程力,庫侖力的作用效果遠遠超過帶電粒子可能發(fā)生的局部短程碰撞效果,等離子體中的帶電粒子運動時,能引起正電荷或負電荷局部集中,產(chǎn)生電場;電荷定向運動引起電流,產(chǎn)生磁場。電場和磁場要影響其他帶電粒子的運動,并伴隨著極強的熱輻射和熱傳導;等離子體能被磁場約束作回旋運動等。等離子體的這些特性使它區(qū)別于普通氣體被稱為物質(zhì)的第四態(tài)。

在宇宙中,等離子體是物質(zhì)最主要的正常狀態(tài)。宇宙研究、宇宙開發(fā)、以及衛(wèi)星、宇航、能源等新技術(shù)將隨著等離子體的研究而進入新時代。

19世紀以來對氣體放電的研究;19世紀中葉開始天體物理學及20世紀對空間物理學的研究;1950年前后開始對受控熱核聚變的研究;以及低溫等離子體技術(shù)應(yīng)用的研究,從四個方面推動了這門學科的發(fā)展。

19世紀30年代英國的M.法拉第以及其后的J.J.湯姆孫、J.S.E.湯森德等人相繼研究氣體放電現(xiàn)象,這實際上是等離子體實驗研究的起步時期。1879年英國的W.克魯克斯采用"物質(zhì)第四態(tài)"這個名詞來描述氣體放電管中的電離氣體。美國的I.朗繆爾在1928年首先引入等離子體這個名詞,等離子體物理學才正式問世。1929年美國的L.湯克斯和朗繆爾指出了等離子體中電子密度的疏密波(即朗繆爾波)。

對空間等離子體的探索,也在20世紀初開始。1902年英國的O.亥維賽等為了解釋無線電波可以遠距離傳播的現(xiàn)象,推測地球上空存在著能反射電磁波的電離層。這個假說為英國的E.V.阿普頓用實驗證實。英國的D.R.哈特里(1931)和阿普頓(1932)提出了電離層的折射率公式,并得到磁化等離子體的色散方程。1941年英國的S.查普曼和V.C.A.費拉羅認為太陽會發(fā)射出高速帶電粒子流,粒子流會把地磁場包圍,并使它受壓縮而變形。

從20世紀30年代起,磁流體力學及等離子體動力論逐步形成。等離子體的速度分布函數(shù)服從福克-普朗克方程。蘇聯(lián)的Л.Д.朗道在1936年給出方程中由于等離子體中的粒子碰撞而造成的碰撞項的碰撞積分形式。1938年蘇聯(lián)的A.A.符拉索夫提出了符拉索夫方程,即棄去碰撞項的無碰撞方程。朗道碰撞積分和符拉索夫方程的提出,標志著動力論的發(fā)端。

1942年瑞典的H.阿爾文指出,當理想導電流體處在磁場中,會產(chǎn)生沿磁力線傳播的橫波(即阿爾文波)。印度的S.錢德拉塞卡在1942年提出用試探粒子模型來研究弛豫過程。1946年朗道證明當朗繆爾波傳播時,共振電子會吸收波的能量造成波衰減,這稱為朗道阻尼。朗道的這個理論,開創(chuàng)了等離子體中波和粒子相互作用和微觀不穩(wěn)定性這些新的研究領(lǐng)域。

從1935年延續(xù)至1952年,蘇聯(lián)的H.H.博戈留博夫、英國的M.玻恩等從劉維定理出發(fā),得到了不封閉的方程組系列,名為BBGKY鏈。由它可導出符拉索夫方程等,這給等離子體動力論奠定了理論基礎(chǔ)。

1950年以后,因為英、美、蘇等國開始大力研究受控熱核反應(yīng),促使等離子體物理蓬勃發(fā)展。熱核反應(yīng)的概念最早出現(xiàn)于1929年,當時英國的阿特金森和奧地利的豪特曼斯提出設(shè)想,太陽內(nèi)部氫元素的核之間的熱核反應(yīng)所釋放的能量是太陽能的來源,這是天然的自控熱核反應(yīng)。1957年英國的J.D.勞孫提出受控熱核反應(yīng)實現(xiàn)能量增益的條件,即勞孫判據(jù)。

50年代以來已建成了一批受控聚變的實驗裝置,如美國的仿星器和磁鏡以及蘇聯(lián)的托卡馬克,這三種是磁約束熱核聚變實驗裝置。60年代后又建立一批慣性約束聚變實驗裝置。

環(huán)狀磁約束等離子體的平衡問題由蘇聯(lián)的V.D.沙弗拉諾夫等解決。美國的M.克魯斯卡和沙弗拉諾夫?qū)С隽俗钪匾�的一種等離子體不穩(wěn)定性,即扭曲不穩(wěn)定性的判據(jù)。1958年美國的I.B.伯恩斯坦等提出分析宏觀不穩(wěn)定性的能量原理。處在環(huán)狀磁場中的等離子體的輸運系數(shù)首先由聯(lián)邦德國的D.普菲爾施等作了研究(1962),他們給出在密度較大區(qū)的擴散系數(shù),蘇聯(lián)的A.A.加列耶夫等給出了密度較小區(qū)的擴散系散(1967),這一理論適用于托卡馬克這類環(huán)狀磁約束等離子體中的輸運過程被命名為新經(jīng)典理論。

自從蘇聯(lián)在1957年發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星以后,很多國家陸續(xù)發(fā)射了科學衛(wèi)星和空間實驗室,獲得很多觀測和實驗數(shù)據(jù),這極大地推動天體和空間等離子體物理學的發(fā)展。1959年美國的J.A.范艾倫預(yù)言地球上空存在著強輻射帶,這一預(yù)言為日后的實驗證實,即稱為范艾倫帶。1958年美國的E.N.帕克提出了太陽風模型。1974年美國的D.A.格內(nèi)特根據(jù)衛(wèi)星資料,認證出地球是一顆輻射星體,為長波輻射和熱紅外輻射。地球輻射的輻射源是地球,其波長范圍約為4~120微米,為長波輻射。輻射能量的99%集中在3微米以上的波長范圍內(nèi)。地球輻射的最強波長約為9.7微米。

在此期間,一些低溫等離子體技術(shù)也在以往氣體放電和電弧技術(shù)的基礎(chǔ)上,進一步得到應(yīng)用與推廣,如等離子體切割、焊接、噴鍍、磁流體發(fā)電,等離子體化工,等離子體冶金,以及火箭的離子推進等,都推動了對非完全電離的低溫等離子體性質(zhì)的研究。

經(jīng)過30年的發(fā)展,等離子體所在高溫等離子體物理實驗及核聚變工程技術(shù)研究方面中國科學院等離子體物理研究所處于國際先進水平,形成了廣泛的國際交流與合作,與歐、美、日、俄、澳等近三十個國家和地區(qū)建立了穩(wěn)定合作交流關(guān)系,開展多個國際合作項目,成為"第三世界科學院開放實驗室"和"世界實驗室聚變研究中心",是國際受控熱核聚變計劃ITER中國工作組的重要單位之一。

電離層由大氣的球面組成,其中帶有已經(jīng)被太陽輻射而電離的離子,這就是等離子體區(qū),形成不同離子密度的層D、E、F1、F2。在航天器重返大氣時,由于摩擦產(chǎn)生的高溫在器表面形成了很濃密的等離子體,這些電子密度足夠高時,會致使等離子體頻率非常高(一般為8MHz),因此地面和航天器的通信被阻斷,直到它的速度降下來才恢復(fù)通信。

當光打在金屬表面時,二維光或是等離子體就會被激發(fā)。等離子體可以被看作是光子和電子的連接。

可以建立一個混合原則,由光轉(zhuǎn)變成的等離子體在金屬表面?zhèn)鞑�時(該等離子體的波長比原始光波的波長小的多);等離子體能被二維光學儀器(鏡子、波導、透鏡等)處理,等離子體能再次轉(zhuǎn)變成光或者電信號。

等離子體傳感器和癌癥治療儀:NaomiHalas描述了等離子體怎樣激發(fā)小金屬層表面的,米粒形狀的粒子能量很大,做光譜學試驗的光是微分子數(shù)量級。
在米粒狀粒子彎曲頂端處等離子體電場比用來激發(fā)等離子體的電場強很多,并且它在很大程度上改進了光譜的速率和精確性。換一種說法,納米數(shù)量級的等離子體不僅可以用來鑒定,還可以用來殺死癌細胞。

等離子體顯微鏡:IgorSmolyaninov報道稱他和他的同事能夠拍下來空間分辨率在60nm的物體(如果是實用材料,分辨率能達到30nm),而用激光激發(fā)只能達到515nm。換句話說,用這種分辨率制造的顯微鏡會比平常使用的衍射方法好的多;而且,這更是遠場顯微鏡――光源不用放在少于光波長的范圍內(nèi)。巨大光極化和光傳輸:GennadyShvets報道當表面的聲子被光激發(fā)來制造超棱鏡(用平板材料透鏡化)顯微鏡是紅外線光顯微鏡波長的二十分之一。他和他的同事能拍下樣品表面下的特征,他們稱為"巨大的光傳輸",照射到表面的光比一般光的波長小的多。

光頻率的未來等離子體電路:NaderEngheta支持等離子體激發(fā)的納米粒子能夠被設(shè)計成納米數(shù)量級的電容,電阻,和感應(yīng)器(電路中的各種元素)。

電路能夠接收廣播(1010Hz)或者是微波(1012Hz)的頻率,而該電路卻能達到光頻率(1015Hz)。這就能實現(xiàn)小型化以及用納米天線探測光信號的過程,納米波導,納米傳感器,并且還有可能實現(xiàn)納米計算機,納米存儲,納米信號和光分子接口。

等離子體主要用于以下3方面。

1、等離子體冶煉:用于冶煉用普通方法難于冶煉的材料,例如高熔點的鋯(Zr)、鈦(Ti)、鉭(Ta)、鈮(Nb)、釩(V)、鎢(W)等金屬;還用于簡化工藝過程,例如直接從ZrCl、MoS、TaO和TiCl中分別獲得Zr、Mo、Ta和Ti;用等離子體熔化快速固化法可開發(fā)硬的高熔點粉末,如碳化鎢-鈷、Mo-Co、Mo-Ti-Zr-C等粉末等離子體冶煉的優(yōu)點是產(chǎn)品成分及微結(jié)構(gòu)的一致性好,可免除容器材料的污染。

2、等離子體噴涂:許多設(shè)備的部件應(yīng)能耐磨耐腐蝕、抗高溫,為此需要在其表面噴涂一層具有特殊性能的材料。用等離子體沉積快速固化法可將特種材料粉末噴入熱等離子體中熔化,并噴涂到基體(部件)上,使之迅速冷卻、固化,形成接近網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的表層,這可大大提高噴涂質(zhì)量。

3、等離子體焊接:可用以焊接鋼、合金鋼;鋁、銅、鈦等及其合金。特點是焊縫平整,可以再加工沒有氧化物雜質(zhì),焊接速度快。用于切割鋼、鋁及其合金,切割厚度大。

所謂等離子體,就電氣技術(shù)而言,它指的是一種擁有離子、電子和核心粒子的不帶電的離子化物質(zhì)。等離子體包括有,幾乎相同數(shù)量的自由電子和陽極電子。在一個等離子中,其中的粒子已從核心粒子中分離了出來。因此,當一個等離子包括大量的離子和電子,從而是電的最佳導體,而且它會受到磁場的影響,當溫度高時,電子便會從核心粒子中分離出來了。

近幾年來等離子平面屏幕技術(shù)支持下的PDP真可謂是如日中天,它是未來真正平面電視的最佳候選者。其實等離子顯示技術(shù)并非21世紀才有的新技術(shù),早在1964年美國伊利諾斯大學就成功研制出了等離子顯示平板,但那時等離子顯示器為單色�，F(xiàn)在等離子平面屏幕技術(shù)為最新技術(shù),而且它是高質(zhì)圖象和大純平屏幕的最佳選擇。大純平屏幕可以在任何環(huán)境下看電視,等離子面板擁有一系列象素,同時這些象素又包含有三種次級象素,它們分別呈紅、綠色、藍色。在等離子狀態(tài)下的氣體能與每個次象素里的磷光體反應(yīng),從而能產(chǎn)生紅、綠或藍色。這種磷光體與用在陰極射線管(CRT)裝置(如電視機和普通電腦顯示器)中的磷光體是一樣的,你可以由此而得到你所期望的豐富有動態(tài)的顏色,每種由一個先進的電子元件控制的次象素能產(chǎn)生16億種不同的顏色,所有的這些意味著你能在約不到6英寸厚的顯示屏上更容易看到最佳畫面。

等離子體偏離熱力學平衡的性質(zhì)。大體有兩類方式。一類是等離子體宏觀參量如密度、溫度、壓強及其他熱力學量的不均勻性,由此產(chǎn)生的不穩(wěn)定性使等離子體整體的形狀改變,稱為宏觀不穩(wěn)定性或位形空間不穩(wěn)定性,可用磁流體力學(見等離子體物理學)分析,故又稱磁流體力學不穩(wěn)定性。另一類是等離子體的速度空間分布函數(shù)偏離麥克斯韋分布,由此產(chǎn)生的不穩(wěn)定性稱為微觀不穩(wěn)定性或速度空間不穩(wěn)定性,可用等離子體動力論分析,故又稱動力論不穩(wěn)定性。

等離子體的不穩(wěn)定性(無論宏觀、微觀)也可按引起它的驅(qū)動能量分類。如磁能引起的電流不穩(wěn)定性;等離子體向弱磁場區(qū)膨脹時膨脹能引起的交換不穩(wěn)定性;密度、溫度梯度產(chǎn)生的等離子體膨脹能引起的漂移不穩(wěn)定性;非麥克斯韋分布或壓強各向異性對應(yīng)的自由能引起的速度空間不穩(wěn)定性等。

等離子體中種類多樣的不穩(wěn)定性會導致帶電粒子的逃逸或輸運系數(shù)的異常增大,破壞等離子體的約束或限制約束時間。因此,研究等離子體的各種不穩(wěn)定性,闡明其物理機制,探索穩(wěn)定化的方法,一直是受控熱核聚變研究的一個中心課題,也是等離子體物理學的重要內(nèi)容。

如果等離子體柱僅由其中縱向電流產(chǎn)生的角向磁場約束,則稍有擾動后,因收縮處向內(nèi)的磁壓增大,更趨收縮,膨脹處向內(nèi)的磁壓減小,更趨膨脹,形如臘腸,故稱臘腸不穩(wěn)定性,它可切斷等離子體,附加縱向磁場抵制收縮和膨脹,即可使之穩(wěn)定。如果載有縱向強電流的等離子體柱受擾動稍有彎曲,則凹部磁場增強,凸部減弱,由此引起的磁壓之差使擾動擴大,等離子體柱將很快彎曲甚至形成螺旋線,這是扭曲不穩(wěn)定性,可用縱向磁場使之穩(wěn)定。如果水在上、油在下,則稍有擾動便在重力作用下互換,等離子體中與此類似的不穩(wěn)定性稱為互換不穩(wěn)定性。以上數(shù)例均屬宏觀不穩(wěn)定性。

核聚變是解決未來能源的主要選擇。高溫等離子體研究以實現(xiàn)核聚變?yōu)槟康摹Ｍ锌�馬克類型核聚變研究是當今世界上主要聚變研究途徑之一,也是本所主要學科方向。本所先后建成了HT-6B、HT-6M、HT-7和EAST等多套托卡馬克核聚變實驗裝置及其研究系統(tǒng),參與了國際熱核聚變試驗堆(ITER)計劃與研究。計劃未來在中國建造穩(wěn)態(tài)燃燒托卡馬克實驗堆和中國磁約束聚變示范堆,進而實現(xiàn)純聚變能源的商用化。

在建設(shè)托卡馬克和開展等離子體物理實驗研究過程中,本所發(fā)展了保障托卡馬克運行的診斷、電源、微波、低溫、超導、真空、數(shù)據(jù)采集處理、材料、安全與環(huán)保、電物理及精密儀器加工等一系列高新技術(shù),開展了反應(yīng)堆新概念設(shè)計和相關(guān)技術(shù)研究。在高功率電源、大型低溫制冷、超導儲能、高溫超導、電物理裝備研制等方面的技術(shù)已應(yīng)用于國民經(jīng)濟,其中部分技術(shù)已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

建國以來,等離子體所承擔著國家發(fā)改委、科技部、國家基金委和中國科學院等多項重大科研項目,獲得科研成果200多項,其中重要成果105項。等離子體所依靠自己的力量先后建設(shè)了常規(guī)磁體托卡馬克裝置HT-6B和HT-6M及中國第一個圓截面超導托卡馬克裝置HT-7;2006年,世界上第一個非圓截面全超導托卡馬克EAST裝置又在等離子體所自主建成,EAST成功建設(shè)被國際聚變界評價為:"是全世界聚變工程的非凡業(yè)績,是全世界聚變能開發(fā)的杰出成就和重要里程碑",該重大成果榮獲2008年度國家科學技術(shù)進步獎一等獎,入選為2006"中國十大科技進展"和"中國基礎(chǔ)研究十大新聞"。

等離子體所在與高溫熱核聚變等離子體物理及工程研究密切相關(guān)的等離子體理論與實驗、反應(yīng)堆技術(shù)、大功率電源技術(shù)、計算機自動控制與數(shù)據(jù)采集處理技術(shù)、高真空技術(shù)、低溫制冷技術(shù)、低溫超導和高溫超導技術(shù)、特種材料技術(shù)、大型微波加熱及電流驅(qū)動等學科的研究成績斐然,積聚了學科不一的綜合人才隊伍。已建成的多套等離子體物理診斷系統(tǒng)、2兆瓦波加熱系統(tǒng)、2兆瓦波驅(qū)動電流系統(tǒng)、總功率達20萬千瓦的交直流脈沖電源系統(tǒng)、110千伏變電站、中國最大的2千瓦液氦制冷系統(tǒng)、超高真空系統(tǒng)、20萬高斯穩(wěn)態(tài)混合磁體、先進的計算機控制和數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)、大型超導磁體生產(chǎn)和測試系統(tǒng)等先進設(shè)施,構(gòu)建成全面系統(tǒng)的從事等離子體物理和聚變工程及技術(shù)研發(fā)的先進平臺。

離子束生物學工程是等離子體所科研人員開創(chuàng)的物理學與生物學交叉的新的研究領(lǐng)域,現(xiàn)已形成一門新興的交叉學科分支——離子束生物工程學。該學科主要研究自然界低能離子輻射對進化和健康的影響,基于離子束和單離子束細胞精確定位照射平臺,研究離子束、射線束與生物體相互作用機理。離子束生物工程技術(shù)己在工業(yè)生物技術(shù)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境健康等領(lǐng)域推廣應(yīng)用,獲得了顯著的社會效益和經(jīng)濟效益,多次獲得國家級重要獎項,并成為這一領(lǐng)域的"leading team"。

太陽能材料與工程研究先后承擔了國家重點基礎(chǔ)研究973計劃、中科院知識創(chuàng)新工程等多個項目,染料敏化太陽電池及光電功能材料和高分子結(jié)晶領(lǐng)域的研究,取得了多項具有國際先進的科研成果,為發(fā)展具有中國特色的太陽能事業(yè)做出積極的貢獻。

結(jié)合建設(shè)創(chuàng)新型國家的發(fā)展綱要要求,等離子體所確立了低溫等離子體技術(shù)在環(huán)境、新能源、化工、新材料等領(lǐng)域的應(yīng)用研究,取得了一系列具有自主知識產(chǎn)權(quán)、可對國民經(jīng)濟產(chǎn)生重要作用的高新技術(shù)成果。

等離子體所編輯出版的《Plasma Science and Technology》是國內(nèi)等離子體專業(yè)唯一的英文版學術(shù)期刊,已被SCI、SA等國際重要數(shù)據(jù)庫收錄。

等離子體在催化中的應(yīng)用主要集中在: