如何用人工方法制得等離子體

除了在自己已存在的等離子體以外,用人工方法在一定范圍內(nèi)也可以制得等離子體。最早是在1927年,當(dāng)水銀蒸氣在高壓電場中的放電時(shí)由科研人員發(fā)現(xiàn)等離子體。后面的發(fā)現(xiàn)是通過多種形式,如電弧放電、輝光放電、激光、火焰或者沖擊波等,都可以使處于低氣壓狀態(tài)的氣體物質(zhì)轉(zhuǎn)變成等離子體狀態(tài)。

如在高頻電場中處于低氣壓狀態(tài)的氧氣、氮?dú)?、甲烷、水蒸氣等氣體分子在輝光放電的情況下,可以分解出加速運(yùn)動(dòng)的原子和分子,這樣產(chǎn)生的電子和解離成點(diǎn)有正、負(fù)電荷的原子和分子。這樣產(chǎn)生的電子在電場中加速時(shí)會(huì)獲得高能量,并與周圍的分子或原子發(fā)生碰撞,結(jié)果使分子和原子中又激發(fā)出電子,而本身又處于激發(fā)狀態(tài)或離子狀態(tài),這時(shí)物質(zhì)存在的狀態(tài)即為等離子體狀態(tài)。等離子體發(fā)生器(plasma generator)用人工方法獲得等離子體的裝置。等離子體由自然產(chǎn)生的稱為自然等離子體(如北極光和閃電),由人工產(chǎn)生的稱為實(shí)驗(yàn)室等離子體。實(shí)驗(yàn)室等離子體是在有限容積的等離子體發(fā)生器中產(chǎn)生的。 等離子體發(fā)生器的放電原理:利用外加電場或高頻感應(yīng)電場使氣體導(dǎo)電,稱為氣體放電。氣體放電是產(chǎn)生等離子體的重要手段之一。被外加電場加速的部分電離氣體中的電子與中性分子碰撞,把從電場得到的能量傳給氣體。電子與中性分子的彈性碰撞導(dǎo)致分子動(dòng)能增加,表現(xiàn)為溫度升高;而非彈性碰撞則導(dǎo)致激發(fā)(分子或原子中的電子由低能級(jí)躍遷到高能級(jí))、離解(分子分解為原子)或電離(分子或原子的外層電子由束縛態(tài)變?yōu)樽杂呻娮樱8邷貧怏w通過傳導(dǎo)、對流和輻射把能量傳給周圍環(huán)境,在定常條件下,給定容積中的輸入能量和損失能量相等。電子和重粒子(離子、分子和原子)間能量傳遞的速率與碰撞頻率(單位時(shí)間內(nèi)碰撞的次數(shù))成正比。在稠密氣體中,碰撞頻繁,兩類粒子的平均動(dòng)能(即溫度)很容易達(dá)到平衡,因此電子溫度和氣體溫度大致相等,這是氣壓在一個(gè)大氣壓以上時(shí)的通常情況,一般稱為熱等離子體或平衡等離子體。在低氣壓條件下,碰撞很少,電子從電場得到的能量不容易傳給重粒子,此時(shí)電子溫度高于氣體溫度,通常稱為冷等離子體或非平衡等離子體。兩類等離子體各有特點(diǎn)和用途(見等離子體的工業(yè)應(yīng)用)。氣體放電分為直流放電和交流放電