等离子体的参数测量 (补充材料) 等离子体技术在工业、农业、国防、医药卫生等领域获得了越来越广泛的应 用,其主要原因在于等离子体具有两个突出的优点:同其它的方法(如化学方法) 相比,等离子体具有更高的温度和能量密度;等离子体能够产生更多的活性成分 从而引发用其它方法不能或难以实现的物理变化和化学反应。活性成分包括紫外 和可见光子、电子、离子、自由基,以及高反应性的中性成分,如活性原子,受 激原子,活性分子碎片。比如,工业等离子体工程已经发展成了一种更有效率的 工业加工方法,不但能在减少副产品、废料,以及污染和有毒废物的情况下达到 相关的工业结果,甚至能完成其它方法不能实现的目标 等离子体技术是一个关系国家能源、环境、国防安全的重要技术,但国内关 于等离子体技术的研究和教学还远远落后于等离子体技术在工程中的应用,比 如,现在实用的很多科研和生产上的等离子体设备有很多是进口的,有关等离子 体的教学课程开展得较少,而教学实验则更少。 本实验以直流辉光等离子体为例,希望学生通过实验,能了解等离子体物理 的基本知识和一些重要的应用领域,并掌握等离子体检测的常用方法,为今后的 学习研究打下基础。 等离子体物理基础 随着温度的升高,物质一般会经历从固态、液态到气态的相变过程。如果温 度继续升高到10K甚至更高,将会有越来越多的物质分子/原子被电离;这时, 物质就变成了一团由电子、离子和中性粒子组成的混合物,称为等离子体;也正 因此,等离子体常被称作物质的第四态。 等离子体( Plasma)一词来源于古希腊语“πλaoμα”,意为可塑物质或浆 状物质,作为专业词汇,最早出现在生物学名词原生质{ proto plasma)中。1929 年,朗缪尔( Langmuir)和汤克斯( Tonks)在研究气体放电时首次将“ plasma
1 等离子体的参数测量 （补充材料） 等离子体技术在工业、农业、国防、医药卫生等领域获得了越来越广泛的应 用，其主要原因在于等离子体具有两个突出的优点：同其它的方法（如化学方法） 相比，等离子体具有更高的温度和能量密度；等离子体能够产生更多的活性成分， 从而引发用其它方法不能或难以实现的物理变化和化学反应。活性成分包括紫外 和可见光子、电子、离子、自由基，以及高反应性的中性成分，如活性原子，受 激原子，活性分子碎片。比如，工业等离子体工程已经发展成了一种更有效率的 工业加工方法，不但能在减少副产品、废料，以及污染和有毒废物的情况下达到 相关的工业结果，甚至能完成其它方法不能实现的目标。 等离子体技术是一个关系国家能源、环境、国防安全的重要技术，但国内关 于等离子体技术的研究和教学还远远落后于等离子体技术在工程中的应用，比 如，现在实用的很多科研和生产上的等离子体设备有很多是进口的，有关等离子 体的教学课程开展得较少，而教学实验则更少。 本实验以直流辉光等离子体为例，希望学生通过实验，能了解等离子体物理 的基本知识和一些重要的应用领域，并掌握等离子体检测的常用方法，为今后的 学习研究打下基础。 等离子体物理基础 随着温度的升高，物质一般会经历从固态、液态到气态的相变过程。如果温 度继续升高到10K4甚至更高，将会有越来越多的物质分子/原子被电离；这时， 物质就变成了一团由电子、离子和中性粒子组成的混合物，称为等离子体；也正 因此，等离子体常被称作物质的第四态。 等离子体（Plasma）一词来源于古希腊语“”，意为可塑物质或浆 状物质，作为专业词汇，最早出现在生物学名词原生质{proto plasma）中。1929 年，朗缪尔（Langmuir）和汤克斯（Tonks）在研究气体放电时首次将“plasma
词用于物理学领域,用来表征所观察到的放电物质。我国台湾学者将“ plasma 翻译为“电浆” 由于常温下气体热运动的能量不大,不会自发电离,因而在我们生活的环境 中物质都以固液气三态的形式存在。天体物理学家沙哈(Saha)给出了一个公式, 说明在热平衡的气体中,电离度,即电离部分粒子数占总粒子数的比(常温下可 近似为电离部分粒子数与未电离部分粒子数的比)跟温度的依赖关系为: L≈-m≈24*10>32 (1) 式中的m代表电离的分子数密度,单位是个/cm3。n代表未电离的中性分子数密 度。7为气体温度,单位是K。k是玻尔兹曼常数1.38*102J/K。b为气体电离能, 单位是eV。我们以室温下普通气体为例,这时n=3*10/cm,P=300K,对于氮气, U=14.5eV,将这些数字代入沙哈方程,得到n/me10。可见,室温下气体中电 离的成份微乎其微。若要使电离成份占千分之一,必须使温度/于10K Plasmas. The 4 State of Matter 091015102110271033 Number Density( Charged Particles/m) 图1:各类等离子体存在的参量空间。 尽管在人类生活的环境中,物质不会自发地以等离子体的形式存在,但根据 沙哈的计算,宇宙中99%以上的可见物质都处于等离子态。从炽热的恒星、灿烂 的气态星云、浩瀚的星际物质,到多变的电离层和高速的太阳风,它们都是等离 子体。地球上,人们最早见到的等离子体是火焰、闪电和极光。随着科学技术的 发展,各类人造等离子体在生活、生产和研究中的应用越来越广泛,如荧光灯
2 一词用于物理学领域，用来表征所观察到的放电物质。我国台湾学者将“plasma” 翻译为“电浆”。 由于常温下气体热运动的能量不大，不会自发电离，因而在我们生活的环境 中物质都以固液气三态的形式存在。天体物理学家沙哈（Saha）给出了一个公式， 说明在热平衡的气体中，电离度，即电离部分粒子数占总粒子数的比（常温下可 近似为电离部分粒子数与未电离部分粒子数的比）跟温度的依赖关系为： U kT i i i i i e n T n n n n n / 3/ 2 15 0 0 2.4*10 − + ， （1） 式中的ni代表电离的分子数密度，单位是个/cm3。n0代表未电离的中性分子数密 度。T为气体温度，单位是K。k是玻尔兹曼常数1.38*10-23J/K。Ui为气体电离能， 单位是eV。我们以室温下普通气体为例，这时n0=3*1019/cm3，T=300K，对于氮气， Ui=14.5eV，将这些数字代入沙哈方程，得到ni/n010-122。可见，室温下气体中电 离的成份微乎其微。若要使电离成份占千分之一，必须使温度T高于104 K。 图1：各类等离子体存在的参量空间。 尽管在人类生活的环境中，物质不会自发地以等离子体的形式存在，但根据 沙哈的计算，宇宙中99%以上的可见物质都处于等离子态。从炽热的恒星、灿烂 的气态星云、浩瀚的星际物质，到多变的电离层和高速的太阳风，它们都是等离 子体。地球上，人们最早见到的等离子体是火焰、闪电和极光。随着科学技术的 发展，各类人造等离子体在生活、生产和研究中的应用越来越广泛，如荧光灯
霓虹灯、等离子体显示屏中彩色的放电、电焊中的弧光放电和核聚变装置中燃烧 的等离子体等等 从物质的状态空间来看,固液气三态仅存在于低温高密度的参数区域,而等 离子体存在的参数空间非常宽广。从星际空间的稀薄等离子体到太阳核心的致密 等离子体,离子的数密度n从10m3到10m3,跨越了30个数量级;从火焰等的低 温等离子体到核聚变实验的髙温等离子体,温度从10eV到10°eV跨越了7个数量 级。图1给出了各类等离子体存在的参量空间。 等离子体物理硏究领域广泛,学科交叉众多,应用前景广阔。在有些国家 等离子体物理已经发展成为仅此于凝聚态物理的重要分支学科。从国家重大需求 来看,我国等离子体物理学科的发展空间还很大。在受控热核聚变研究方面,我 国通过大科学工程和“863”髙技术计划已经形成了较大规模的磁约束聚变和惯 性约束研究基地,已经参加了国际热核实验反应堆(ITER)计划,并酝酿进行自 己的点火工程。在空间资源开发和利用方面,随着“神舟”系列载人飞船的发射、 双星”计划以及绕月工程等项目的实施,我国的空间探索活动日趋频繁。这些 计划的进行都需要大量的掌握了丰富的等离子体物理知识的优秀专业人才 等离子体的定义 等离子体是有电子、离子和中性粒子组成的,宏观上呈现准中性 ( quasineutrality),且具有集体效应的混合气体。 准中性是指等离子体中正负电荷的总数基本相等,系统在宏观上呈现电中 性,但在小尺度上则呈现出电磁性。 集体效应突出地反映了等离子体和中性气体的区别。理想气体模型中,中性 气体分子之间的相互作用只在碰撞的时候才有。等离子体中带电粒子之间的相互 作用是长程库仑力,任何带电离子的运动均受到其他带电粒子的影响。带电粒子 的运动可以形成局域的电荷集中,从而产生电场,带点离子的运动优惠产生电流, 进而产生磁场,这些电磁场 优惠影响其他带电粒子的运动。因此,等离子体呈现出集体效应。 电离的主要方式 1、热电离
3 霓虹灯、等离子体显示屏中彩色的放电、电焊中的弧光放电和核聚变装置中燃烧 的等离子体等等。 从物质的状态空间来看，固液气三态仅存在于低温高密度的参数区域，而等 离子体存在的参数空间非常宽广。从星际空间的稀薄等离子体到太阳核心的致密 等离子体，离子的数密度ni从103 m -3到10 33 m -3，跨越了30个数量级；从火焰等的低 温等离子体到核聚变实验的高温等离子体，温度T从10-1 eV到106 eV跨越了7个数量 级。图1给出了各类等离子体存在的参量空间。 等离子体物理研究领域广泛，学科交叉众多，应用前景广阔。在有些国家， 等离子体物理已经发展成为仅此于凝聚态物理的重要分支学科。从国家重大需求 来看，我国等离子体物理学科的发展空间还很大。在受控热核聚变研究方面，我 国通过大科学工程和“863”高技术计划已经形成了较大规模的磁约束聚变和惯 性约束研究基地，已经参加了国际热核实验反应堆（ITER）计划，并酝酿进行自 己的点火工程。在空间资源开发和利用方面，随着“神舟”系列载人飞船的发射、 “双星”计划以及绕月工程等项目的实施，我国的空间探索活动日趋频繁。这些 计划的进行都需要大量的掌握了丰富的等离子体物理知识的优秀专业人才。 等离子体的定义 等离子体是有电子、离子和中性粒子组成的，宏观上呈现准中性 （quasineutrality），且具有集体效应的混合气体。 准中性是指等离子体中正负电荷的总数基本相等，系统在宏观上呈现电中 性，但在小尺度上则呈现出电磁性。 集体效应突出地反映了等离子体和中性气体的区别。理想气体模型中，中性 气体分子之间的相互作用只在碰撞的时候才有。等离子体中带电粒子之间的相互 作用是长程库仑力，任何带电离子的运动均受到其他带电粒子的影响。带电粒子 的运动可以形成局域的电荷集中，从而产生电场，带点离子的运动优惠产生电流， 进而产生磁场，这些电磁场 优惠影响其他带电粒子的运动。因此，等离子体呈现出集体效应。 电离的主要方式 1、热电离
在高温下,气体质点的热运动速度很大,具有很大的动能,相互之间的碰撞 会使原子中的电子获得足够大的能量,一旦超过电离能就会产生电离。 2、光电离 当气体受到光的照射时,原子也会吸收光子的能量,如果光子的能量足够大 也会引起电离。光电离主要发生在气体稀薄的情况下。 3、碰撞电离 气体中的带电粒子在电场中加速获得等量,这些能量大的带电粒子跟气体原 子碰撞进行能量交换,从而使气体电离。碰撞电离中主要是电子的贡献。 各种粒子间的相互作用 等离子体中的电子、离子以及中性粒子之间发生着各种类型的相互作用。由 于静电作用力的存在,使得问题比理想气体中粒子间的相互作用要复杂得多。总 的来说,等离子体中粒子间的相互作用可分为两大类:一类是弹性碰撞,另一类 是非弹性碰撞。 (一)、弹性碰撞 碰撞过程中粒子的总动能保持不变,碰撞粒子的内能不发生变化,也没有新 的粒子或光子产生,碰撞只改变粒子的速度。 (二)非弹性碰撞 在碰撞过程中引起粒子内能的改变,或者伴随着新的粒子、光子的产生。非弹性碰撞可 以导致激发、电离、复合、电荷交换、电子吸附,甚至核聚变 等离子体的密度和温度 1、等离子体密度 单位体积内(一般以cm为单位)某带电粒子的数目。n表示离子浓度,n表 示电子密度。 2、等离子体温度 对于平衡态等离子体(高温等离子体)温度是各种粒子热运动的平均量度 对于非平衡态等离子体(低温等离子体),由于电子、离子可以达到各自的平衡 态,故要用双温模型予以描述。一般用T表示离子温度,T表示电子温度,经常 用eV作单位
4 在高温下，气体质点的热运动速度很大，具有很大的动能，相互之间的碰撞 会使原子中的电子获得足够大的能量，一旦超过电离能就会产生电离。 2、光电离 当气体受到光的照射时，原子也会吸收光子的能量，如果光子的能量足够大， 也会引起电离。光电离主要发生在气体稀薄的情况下。 3、碰撞电离 气体中的带电粒子在电场中加速获得等量，这些能量大的带电粒子跟气体原 子碰撞进行能量交换，从而使气体电离。碰撞电离中主要是电子的贡献。 各种粒子间的相互作用 等离子体中的电子、离子以及中性粒子之间发生着各种类型的相互作用。由 于静电作用力的存在，使得问题比理想气体中粒子间的相互作用要复杂得多。总 的来说，等离子体中粒子间的相互作用可分为两大类：一类是弹性碰撞，另一类 是非弹性碰撞。 （一）、弹性碰撞 碰撞过程中粒子的总动能保持不变，碰撞粒子的内能不发生变化，也没有新 的粒子或光子产生，碰撞只改变粒子的速度。 （二）非弹性碰撞 在碰撞过程中引起粒子内能的改变，或者伴随着新的粒子、光子的产生。非弹性碰撞可 以导致激发、电离、复合、电荷交换、电子吸附，甚至核聚变。 等离子体的密度和温度 1、等离子体密度 单位体积内（一般以cm 3为单位）某带电粒子的数目。ni表示离子浓度，ne表 示电子密度。 2、等离子体温度 对于平衡态等离子体（高温等离子体）温度是各种粒子热运动的平均量度； 对于非平衡态等离子体（低温等离子体），由于电子、离子可以达到各自的平衡 态，故要用双温模型予以描述。一般用Ti表示离子温度，Te表示电子温度，经常 用eV作单位
德拜长度 等离子体内电荷被屏蔽的半径,表示等离子体能保持的最小尺度。当电荷正 负电荷置于等离子体内部时就会在其周围形成一个异号电的“鞘层”,其厚度可 用德拜长度λ来描述, 4 等离子体振荡 等离子体中,发生了轻微的电荷分离形成电场。由于电子和离子间的静电吸 引力,使得等离子体有强烈的回复宏观电中性的趋势。因为离子的质量远大于电 子的质量,我们可以近似认为离子不动。当电子相对于离子往回运动时,在电场 作用下不断加速。由于惯性的原因它会越过平衡位置,又造成相反方向的点和分 离,从而又产生相反方向的电场,使电子再次向平衡位置运动。这个过程不断重 复就形成了等离子体内部电子的集体振荡,也叫做朗谬尔振荡。可以得到振荡的 频率是 等离子体辐射 等离子体中存在大量的以各种形式运动的带电粒子,因而由此引起的辐射过 程也是多种多样的。等离子体除了会产生极光、闪电、霓虹灯等其一多彩的可见 光辐射,还会发出肉眼看不见的紫外线,甚至X射线。根据光谱的不同,等离子 体辐射可以分为连续光谱和线光谱(不连续的特征谱)两类。根据辐射过程的微 观特性,等离子体辐射可以分为轫致辐射、复合辐射、回旋辐射、激发辐射以及 契仑柯夫辐射等。 研究等离子体的方法 (1)单粒子轨道理论 这种理论的出发点是把等离子体看作由大量独立的带电粒子所组成的一个 系统。当然,实际上等离子体中的带电粒子之间存在着相互作用,本质上它是 种集体效应,因而,单粒子轨道理论是一种近似理论,只适用于非常稀薄的等离 子体。但是它有明显的优点:处理问题简单明了,形象直观,有助于解释等离子
5 德拜长度 等离子体内电荷被屏蔽的半径，表示等离子体能保持的最小尺度。当电荷正 负电荷置于等离子体内部时就会在其周围形成一个异号电的“鞘层”，其厚度可 用德拜长度D来描述， 2 4me kTe D = 。 等离子体振荡 等离子体中，发生了轻微的电荷分离形成电场。由于电子和离子间的静电吸 引力，使得等离子体有强烈的回复宏观电中性的趋势。因为离子的质量远大于电 子的质量，我们可以近似认为离子不动。当电子相对于离子往回运动时，在电场 作用下不断加速。由于惯性的原因它会越过平衡位置，又造成相反方向的点和分 离，从而又产生相反方向的电场，使电子再次向平衡位置运动。这个过程不断重 复就形成了等离子体内部电子的集体振荡，也叫做朗谬尔振荡。可以得到振荡的 频率是 me ne 0 2 = (2) 等离子体辐射 等离子体中存在大量的以各种形式运动的带电粒子，因而由此引起的辐射过 程也是多种多样的。等离子体除了会产生极光、闪电、霓虹灯等其一多彩的可见 光辐射，还会发出肉眼看不见的紫外线，甚至X射线。根据光谱的不同，等离子 体辐射可以分为连续光谱和线光谱（不连续的特征谱）两类。根据辐射过程的微 观特性，等离子体辐射可以分为轫致辐射、复合辐射、回旋辐射、激发辐射以及 契仑柯夫辐射等。 研究等离子体的方法 （1）单粒子轨道理论 这种理论的出发点是把等离子体看作由大量独立的带电粒子所组成的一个 系统。当然，实际上等离子体中的带电粒子之间存在着相互作用，本质上它是一 种集体效应，因而，单粒子轨道理论是一种近似理论，只适用于非常稀薄的等离 子体。但是它有明显的优点：处理问题简单明了，形象直观，有助于解释等离子