[科普中國]-等離子體流

簡介

H·Maecker認為等離子體流是由于電弧受其自身電磁力的壓縮而產(chǎn)生的，這同流過電流的導(dǎo)線受到徑向電磁力的壓縮一樣。這個作用稱為引縮效應(yīng)。通常，在電弧中，在弧柱變窄處，都可產(chǎn)生等離子體流。2

等離子體流同氣體、液體一樣，遇到固體障礙物時，將被反射而改變運動方向。2

等離子體和固體、液體、氣體同一層次的物質(zhì)存在狀態(tài)。它是由大量帶正電的離子和帶負電的電子，也還可能有一些未被電離的中性粒子(原子和分子)組成的客觀體系。這些帶電粒子受電磁相互作用力的支配，可以在空間相當(dāng)自由地運動和相互作用。雖然有時電子和離子可以發(fā)生碰撞而復(fù)合組成中性粒子，但同時也存在著中性粒子因碰撞或其它原因而電離成電子、離子的過程。因此，可以在宏觀尺度的時間和空間范圍內(nèi)存在著數(shù)量大體不變的電子和各種離子。等離子體可被分為低溫等離子體和高溫等離子體。前者的溫度約為開。運載火箭通過大氣層時在外殼表面附近形成的等離子體就屬于這一類。后者的溫度高達幾百萬開以至于幾千萬開。這種高溫等離子體會向外輻射出高能粒子和各個頻段的電磁波。太陽和受控?zé)岷司圩兎磻?yīng)室中心處的等離子體就是如此。等離子體有較大的電導(dǎo)率。它在宏觀上一般是電中性的，體內(nèi)各處的正電荷數(shù)與負電荷數(shù)相等。由于帶電粒子之間的相互作用主要是長程的電磁力，每個粒子都同時和周圍很多粒子發(fā)生作用，所以等離子體在運動過程中一般表現(xiàn)出明顯的集體行為。值得注意的是，等離子體的許多性質(zhì)明顯地和固體、液體、氣體不同，有著自己特有的行為和運動規(guī)律。在這個意義上，常稱等離子體是物質(zhì)的第四態(tài)。等離子體內(nèi)部存在著很多種運動形式，這些運動還互相轉(zhuǎn)化。高溫等離子體還有各種不穩(wěn)定性。因此，等離子體是個非常復(fù)雜的問題，但很有意義。 1

核聚變與等離子體的關(guān)系聚變反應(yīng)需要數(shù)億度的高溫條件，這時原子核以極高速度作無規(guī)則運動，連續(xù)相互碰撞，發(fā)生大量聚變。這樣的核反應(yīng)是在原子核的熱運動中發(fā)生的，所以稱為熱核反應(yīng)，如果這種反應(yīng)能夠加以控制，則稱為受控?zé)岷朔磻?yīng)。在極高溫度下所有的物質(zhì)都變成完全電離的氣體一等離子體。在高溫等離子體中，氛核和電子處在幾乎相同的高溫狀態(tài)中。而且，在等離子體中，氖核和電子作無規(guī)熱運動，互相不斷地碰撞著，產(chǎn)生極大的能量。所以多年來研究聚變反應(yīng)都用高溫等離子體的方法。因此可以說高溫等離子體物理學(xué)是核聚變的理論基礎(chǔ)。四十多年來，規(guī)模越來越大的核聚變研究有力地促進了等離子體物理學(xué)這門物理學(xué)中的年輕分支學(xué)科的蓬勃發(fā)展。反之等離子體物理學(xué)的不斷發(fā)展和日臻完善，使得核聚變研究不斷取得重大進展。3

根據(jù)勞遜條件，實現(xiàn)受控?zé)岷朔磻?yīng)必須解決兩個問題。

獲得高溫等離子體即把等離子體加熱到億度以上高溫。3

約束高溫等離子體并達到足夠長的時間宇宙中的太陽和其他許多恒星的熱核反應(yīng)是靠其極其強大的引力場來約束高溫等離子體的，因為這些星球的質(zhì)量很大，其引力足以約束高溫等離子體。地球質(zhì)量比太陽等小很多，其引力十分微弱，不可能約束高溫等離子體。人們很自然地想到，利用強磁場來約束高溫等離子體。要實現(xiàn)高溫等離子體較長時間穩(wěn)定約束，就需要探索和建立合適的磁約束位形裝置，其中托卡馬克，球形托卡馬克，磁鏡，仿星器，箍縮裝置，緊湊環(huán)，內(nèi)環(huán)裝置等是幾種主要的磁約束聚變裝置。下面我們著重介紹一下托卡馬克裝置及其磁場位形。3

等離子體流的一般特性外觀等離子體流的形狀奇異，亮度超過電弧其它部分，易移動，經(jīng)常改變形狀和位置，不均勻，在它的中部可以看到一個稱為核心的最充的區(qū)域。在許多場合，特別是大電流情況下，等離子體流的核心成為分裂的狀態(tài)。2

產(chǎn)生的條件只有電孤電流和電極距離大于某一數(shù)值時，才會產(chǎn)生等離子體流，低于此值就見不到等離子休流。它不是與電弧同時產(chǎn)生，而是滯后1~2微秒再出現(xiàn)。不管在陽極和陰極上，在各種材料的電極上，在各種氣體介質(zhì)中，在高壓和低壓電弧中都能產(chǎn)生等離子體流。2

方向等離子體流的運動方向與產(chǎn)生它的電極表面相垂直，如果沒有外部因素作用，它作直線運動。2

極性電極的極性、材料和形狀都會影響等離子體流的形狀、長度和強度。因此，等離子體流分陽極等離子體流和陰極等離子體流。陽極等離子體流由一個流組成，而陰極等離子體流則可由幾個流并聯(lián)組成。2

速度等離子體流的速度分基部的擴展速度和粒子的運動速度。等離子體流中的粒子運動速度可達米/秒，隨著與電極之間的距離的增大而減小。而基部的擴展速度不超過每秒幾十米。等離子體流同氣體、液體一樣，遇到固體障礙物時，將被反射而改變運動方向。2

溫度等離子體流的溫度比弧柱的溫度高，并具有高的導(dǎo)電系數(shù)。2

人為壓縮弧柱能產(chǎn)生等離子體流等離子體流不僅在電極處產(chǎn)生，在弧柱截面改變處也會產(chǎn)生，圖了是電弧通過隔板的小孔所產(chǎn)生的等離子體流，它與隔板(金屬的或絕緣的)的表面相垂直。當(dāng)電弧碰到放里在其運動路徑上的絕緣板或金屬板，弧柱截面發(fā)生變化時，同樣會產(chǎn)生等離子體流。這些現(xiàn)象經(jīng)?？梢栽陔娀∵M入具有滅弧柵或絕緣狹縫的滅弧室時觀察到。2

磁場的作用橫向磁場可以促使等離子體流離開弧隙。2

穩(wěn)定作用等離子體流中的高速粒子如同液體或氣體中的氣流一樣，能使等離子體流在空間保持一定的方位。這個作用隨著粒子速度的增大而增大。在弧根附近的速度最大，隨著離開弧根而逐漸減小。由于這個原因，用磁場很難移動短弧。等離子體流的穩(wěn)定作用是電弧在觸頭打開時，停留在觸頭間不動的原因之一。當(dāng)觸頭打開到一定距離時，等離子體流被拉長，速度降低，電弧才開始運動。2

等離子體流的大小等離子體流的大小可用快速攝影機確定。其前端和基部的距離為等離子體流的長度，兩側(cè)之間的距離稱為直徑。等離子體流的直徑和截面在開始時與電流成正比增大，然后緩慢，最后停止增長。2

電流的影響直流、交流和短時沖擊電弧都能產(chǎn)生等離子體流。在電流過零后，由于熱慣性和機械慣性，等離子體流不立即消失，而是持續(xù)若干時間再消失。電流的相位角會影響等離子體流的大小和形狀。2

等離子體流的能量等離子體流是能量的集中體。燃弧和熄弧條件在很大程度上與等離子體流的運動方向有關(guān)。如果等離子體流是面對面運動，則所有能量全部聚集在弧隙中，使燃弧容易。相反，如果等離子體流能使能量從弧隙中帶出，則燃弧變?yōu)槔щy。直流時，導(dǎo)致嫩弧電壓升高，交流時，導(dǎo)致弧隙介質(zhì)恢復(fù)強度增高。2

等離子體發(fā)生器等離子體發(fā)生器由電極、電弧和電源組成。4

電極等離子體發(fā)生器的電極有兩種基本類型，一種是難熔金屬制成，是為熱陰極，例如鎢制品，加入少量的釷或鈰的氧化物以提高其電子發(fā)射能力；另一種是水冷銅電極(冷陰極)，它常和管弧結(jié)合。由于去離子的冷卻水在高壓下高速流過狹窄通道，冷卻效果良好。設(shè)計良好的水冷銅電極的壽命?？蛇_數(shù)百小時。4

電弧為了延長等離子體發(fā)生器的壽命和穩(wěn)定電弧，等離子體弧柱要求能被壓縮，弧根要旋轉(zhuǎn)。壓縮電弧并使之旋轉(zhuǎn)的方式有(1)冷壁壓縮。這也是電弧被壓縮的自然手段，近器壁的電弧被壁冷卻而不導(dǎo)電，于是弧柱變細，由于輸入功率不變，熱量就更為集中，電弧更穩(wěn)定而又不因附壁而燒毀電極。(2)流體壓縮。這是工業(yè)裝置最有效的辦法，等離子氣體由切線方向供入，它不但造成電弧旋轉(zhuǎn)、壓縮，冷的附壁氣流又是一種包容電弧的有效方法。(3)磁壓縮。等離子體電弧可看成一束載流的平行導(dǎo)線，因此它自然和四周的磁場相互作用而轉(zhuǎn)動，即使只有自身的磁場，也會使這束“平行導(dǎo)線”本身受力而愈箍愈緊，形成對電弧的壓縮。4

電源電弧等離子體發(fā)生器一般用直流電源，要求有陡降的伏安特性，因發(fā)生器一旦導(dǎo)通，其電阻值常降達1Ω以下，因而要求電源電壓也急劇下降，從而使電流維持近乎一個定值。另外大功率的發(fā)生器應(yīng)具有防止產(chǎn)生諧波的措施。一般地說等離子體電源結(jié)構(gòu)和直流電弧爐的相似，只是參數(shù)不同，但等離子體發(fā)生器電源電壓較高。4

等離子體物理物理學(xué)的新興分支學(xué)科。是研究物質(zhì)的第四態(tài)——等離子體態(tài)的形成及其微觀與宏觀基本性質(zhì)和規(guī)律的科學(xué)。主要內(nèi)容包括單個帶電粒子在外磁場中的運動，等離子體中的波，位形平衡問題，等離子體不穩(wěn)定性，非熱平衡等離子體的弛豫和輸運過程，等離子體輻射等。由于等離子體種類繁多，內(nèi)部粒子間作用復(fù)雜、而且對外界因素的影響敏感，故使其實驗研究的難度很大，對這一物質(zhì)狀態(tài)的研究，一般采用實驗、理論和數(shù)值計算三結(jié)合的方法。等離子體物理的發(fā)展與受控核聚變反應(yīng)、天體物理、空間物理、化學(xué)及材料科學(xué)的研究密切相關(guān)。19世紀(jì)以來人類對氣體放電的研究，19世紀(jì)中葉開始的天體物理學(xué)和20世紀(jì)對高空電離層的研究都推動了這一學(xué)科的研究工作，20世紀(jì)50年代前后開始的受控?zé)岷司圩兊难芯恳约暗蜏氐入x子體技術(shù)的應(yīng)用又使等離子體物理學(xué)發(fā)展成為物理學(xué)中一個活躍的領(lǐng)域。目前，在實驗方面，該學(xué)科已經(jīng)建成了包括一批聚變實驗裝置在內(nèi)的很多裝置，發(fā)射了不少科學(xué)衛(wèi)星和空間實驗室，從而取得大量的實驗數(shù)據(jù)和觀測資料。在理論方面，利用粒子軌道理論、磁流體力學(xué)和動力論已闡明等離子體的很多性質(zhì)和運動規(guī)律，還發(fā)展了數(shù)值實驗的方法。半個多世紀(jì)的研究工作大大深化了人們對等離子體的認識，今后一個相當(dāng)長的時間內(nèi)，等離子體物理學(xué)將有廣泛的應(yīng)用前景。 5