等離子體及其應(yīng)用介紹

文章出處：等離子清洗機(jī)廠家 | 深圳納恩科技有限公司| 發(fā)表時(shí)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(dāng)粒子的平均動(dòng)能超過粒子在晶格中的結(jié)合能時(shí)，晶體將被破壞，物質(zhì)由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，若在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高溫度，當(dāng)粒子的結(jié)合鍵被破壞時(shí)，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(huì)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(huì)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(huì)變成帶有正電的離子。雖然此時(shí)氣體中會(huì)存在電子和離子，但仍然以電中性的氣態(tài)分子為主導(dǎo)。當(dāng)帶電粒子的濃度高于一定數(shù)值時(shí)，電離氣體將表現(xiàn)出明顯的集體行為，并具有發(fā)光、導(dǎo)電、高溫、高化學(xué)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(dú)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(jì)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(fēng)、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(xué)科，最早是由英國(guó)科學(xué)家克魯克斯在1879年發(fā)現(xiàn)，“plasma”這個(gè)詞是1928年由Langmuir首次引入到物理學(xué)，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(xué)和空間物理學(xué)、受控?zé)岷司圩円约?b>低溫等離子體技術(shù)應(yīng)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(xué)在實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算兩個(gè)方面快速發(fā)展，在前人不斷探索的過程中逐漸成為一個(gè)獨(dú)立的學(xué)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(xué)平衡可以分為完全熱力學(xué)平衡等離子體、局部熱力學(xué)平衡等離子體以及非熱力學(xué)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(gè)、幾十keV）和低溫等離子體（電子溫度低，一般為幾個(gè)、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(duì)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(shù)來實(shí)現(xiàn)。如機(jī)械加工領(lǐng)域，等離子體弧由于高溫、高速和高能量密度等特點(diǎn)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(shì)（刻蝕線寬在微米量級(jí)），等離子體刻蝕技術(shù)已經(jīng)能對(duì)超大規(guī)模集成電路進(jìn)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(shù)；在冶金方面，利用等離子體技術(shù)可以制備超細(xì)金屬粉末、納米金屬材料等；在化工領(lǐng)域，等離子體技術(shù)在基礎(chǔ)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(dú)一無二的優(yōu)勢(shì)（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(jī)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(yīng)用于臭氧的制備、有機(jī)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(gè)方面等離子體也都發(fā)揮著巨大的作用。

目前，能源危機(jī)與環(huán)境污染已經(jīng)成為本世紀(jì)阻礙社會(huì)發(fā)展的重要問題，受控?zé)岷司圩兎桨傅奶岢鰟t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(chǔ)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(dāng)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(duì)環(huán)境的污染小、沒有放射性，核聚變技術(shù)的研究受到世界各國(guó)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(shí)間，使其能夠充分聚變。因此，人們提出了利用磁場(chǎng)對(duì)等離子體進(jìn)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(dāng)關(guān)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(diǎn)，同軸槍等離子體加速器可以成為燃料注入的實(shí)驗(yàn)裝置，作為托克馬克燃料注入的一種方式。