中国科学家成功研制出了常温常压下放电的等

最近由中国电子科技大学和工程学院合作,经过两年多的时间,成功研制出新型可手持等离子体射流源,实现了在常温常压下等离子体的稳定放电,让等离子体完全展现于空气中。等离子体是宇宙重子物质最常见的形态,其中大部分存在于稀薄的星系际空间(特别是星系团内介质)和恒星之中。

等离子体光刻

等离子体(又称电浆)是除固态、液态和气态以外存在的第四大物质状态—离子态,其特性与前三者截然不同。气体在高温或强电磁场下会变为等离子体。在年威廉·克鲁克斯在他所研制的克鲁克斯管中首次发现等离子体,他称之为“发光物质”。约瑟夫·汤姆孙在年研究出克鲁克斯管中所含的“阴极射线”物质的真实性质。欧文·朗缪尔在年创造了“plasma”一词,现成为等离子体在欧洲各语言中的名称。

等离子体含有许多载流子,因此它能够导电,对电磁场也有很强的反应。和气体一样,等离子体的形状和体积并非固定,而是会根据容器而改变。但和气体不一样的是,在磁场的作用下,它会形成各种结构,例如丝状物、圆柱状物和双层等。

等离子体的定义有三个重要部分:

等离子体近似:带电粒子之间的距离必须足够接近,使得每颗粒子都能够影响许多邻近的粒子,而不是只影响最接近的粒子,从而产生集体性效应。只有当每颗带电粒子的影响范围内都有平均超过一颗带电粒子,等离子体近似才是有效的。这一影响范围称为德拜球,是一个半径为德拜长度的球体空间。德拜球内的粒子数量称为等离子参数。

体积相互作用:相对等离子体的整体大小来说,德拜长度必须很短。这意味着相互作用主要在等离子体的体积内部,而不是它的边缘上。若符合这个判据,则等离子体可视为准中性。

等离子体频率:电子和电子之间的碰撞频率必须比电子和中性粒子之间的碰撞频率高得多。若满足此条件,则静电效应会比普通气体动力学效应强得多。

我们常见的等离子体包括闪电,荧光灯,太阳耀斑,星际星云,星际间质,恒星核心,极光,中子星等。等离子体可以根据其电子、离子和中性粒子的相对温度归为两类──高温等离子体和低温等离子体。在高温等离子体中,电子、离子和中性粒子处于同一温度,即热平衡,在低温等离子体中,电子有较高的温度,而离子和中性粒子的温度则比电子低很多,有时接近室温。

等离子体根据电离程度又可分为冷、热两种。热等离子体中的粒子几乎完全电离,而冷等离子体中则只有小部分电离粒子(比如1%)。这里所谓的“冷”等离子体中,电子温度也可以达到几千摄氏度。

低温等离子体是未来抗生素的竞争者

获得诺贝尔物理学奖的汉尼斯·阿尔文,就有关等离子体得出这样的结论:如果宇宙充斥着等离子体,这些物质就会产生电流,从而产生星系尺度上的磁场。要了解某个等离子体区域内的各种现象,既要测绘出磁场,又要测绘出电场和电流。太空中布满了纵横交错的电流网络,能够在大尺度乃至非常大尺度上传递能量和动量。这些电流往往会缩成丝状或表面电流,后者很有可能会使太空──星际和星系际空间──形成一种胞状结构。

太阳和其他恒星一样是由等离子体所组成。其最外层的日冕,是由温度约为K的等离子体组成,从太阳表面开始向整个太阳系延伸的空间里都充斥着行星际等离子体介质。连无法直接观测的黑洞也是通过吸入吸积盘中的等离子体而壮大,相对论性喷流也是由发光等离子体所组成的,如延伸5千光年之遥的室女座A星系喷流。

太阳结构外的宇宙等离子风

当电流密度及电离度达到一定的程度,两个电极之间就会形成发光的电弧。这是一种空间上连续的放电现象,类似于闪电。多数人造等离子体是通过对气体增加电磁场产生的。普通实验室所用的能源类型──直流电、射频源、微波源等等。能源的操作压力真空(1Pa)、中等压力(Pa)、大气压力(kPa)才可实现等离子体放电。而中国科学家却实现了在常温常压下等离子体的稳定放电,让等离子体完全展现于空气中,领先于世界的又一个科研成果。(1标准大气压=mm汞柱=1.×10^5Pa)。

对地高压等离子放电

等离子体射流技术可应用于工业及萃取冶金学、等离子体喷涂等表面处理法、微电子学蚀刻法、金属切割和焊接等。日常用途有汽车排气净化和荧光灯等。另外还有航空航天工程中的超音速燃烧冲压发动机。也广泛应用于集成电路产业,作等离子体蚀刻及等离子增强化学气相沉积。

魔幻离子能量球

多级弧等离子体源能制造低温(约1eV)高密度等离子体的仪器。等离子体的作用非常强大,对于以后人类制造星际飞船,速度的提升都要借鉴和利用等离子体的综合特性。宇宙中的物质多种多样,千奇百怪,各有各的神通,还有许多我们至今没有发现的物质比如暗物质,将来他们的发现将会应用于何种领域,带来什么全新的技术,我们拭目以待。




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