第1章等离子体基本概念和性质
在很多科学展示馆和大学的物理演示实验室，经常可以看到辉光球演示实验。当开启辉光球的电源时，球内便出现光芒四射的辉光，如图1-1所示。当人们用手指接触球的外表面时，在手指周围处辉光变得更加明亮。随着手指在球外表面移动，明亮的辉光也跟着移动。这就是气体放电产生等离子体的实验现象。
图1-1辉光球实验现象
等离子体是物质存在的一种基本形态，是除固态、液态和气态以外的物质第四种形态。它广泛存在于宇宙中，例如星云和星际空间、太阳日冕、地球上空的电离层、极光等。也存在于人类活动中，例如等离子体发光与显示、微纳电子器件加工、等离子体材料加工、等离子体医学应用、等离子体环境应用、等离子体推进、等离子体隐身、热核聚变研究等。随着人们对等离子体的认识不断深入以及等离子体应用的不断扩展，人类社会的发展和进步与等离子体已密切相关。
1.1等离子体概念
1.1.1等离子体的定义与产生
等离子体是由带电粒子（包括正离子、负离子、电子）和各种中性粒子（包括原子、分子、自由基和活性基团）组成的集合体，它在宏观上呈电中性［1］。我们将这种含有带电粒子的物质称为等离子体，如图1-2所示。
图1-2等离子体组成示意图［2］
从物质的形态变化，可以了解等离子体的产生机理。一切宏观物质都是由大量分子组成的，分子间力的吸引作用使分子聚集在一起，在空间形成某种有规则的分布，而分子的无规则热运动具有破坏这种规则分布的趋势。在一定的温度和压力下，某一物质的存在状态取决于构成物质的分子间力与无规则热运动之间的竞争。在较低温度下，分子无规则热运动较弱，分子在分子间力的作用下被束缚在各自的平衡位置附近作微小振动，分子排列有序，表现为固态。温度升高时，无规则热运动加剧，分子的作用力已不足以将分子束缚在固定的平衡位置附近作微小振动，但还不至于使分子分散远离，这就表现为具有一定体积而无固定形态的液态。温度进一步升高，无规则热运动进一步加剧，分子间力已无法使分子间保持一定的距离，这时分子互相分散远离，表现为气态。当温度继续增加到足够高时，构成分子的原子获得足够大的动能，开始彼此分离，这一过程称为离解。在此基础上进一步提高温度，原子的外层电子将摆脱原子核的束缚而成为自由电子，失去电子的原子变成带正电的离子，这个过程叫电离。这种电离气体就是等离子体，它通常是由光子、电子、基态原子（或分子）、激发态原子（或分子）以及正离子和负离子六种基本粒子构成。
与物质的气态、液态、固态相比，等离子体态无论在组成上还是在性质上均有着本质的差别，主要在于它含有带电粒子，其行为主要表现为：①等离子体从整体上看是一种导电流体；②等离子体中带电粒子会受到电磁场的作用，可发生能量等的输运过程；③带电粒子间存在长程库仑力的作用，由此导致各种集体行为。
1.1.2等离子体的分类
等离子体可以存在于自然界中，也可以由人工产生。图1-3为自然界中存在的和人工产生的部分等离子体的密度温度分布［3］，可以看出，自然界和人工等离子体的密度和温度分布范围非常宽。例如，在自然界存在的等离子体中，星际空间、电离层的等离子体为低温、低密度等离子体；日冕的温度高达几千eV，为高温等离子体。在人工产生的等离子体中，低气压辉光放电等离子体的密度约为1015 m-3，温度约为几个eV，为低温等离子体；磁约束聚变和惯性约束聚变等离子体的温度可达104 eV以上，密度可超过1025 m-3，为高温、高密度等离子体。
图1-3自然界中存在的和人工产生的部分等离子体的密度温度分布［3］
由于自然界和人工等离子体的密度及温度分布范围非常宽，在开展研究工作和实际应用时，可以将等离子体进行适当分类。通常，等离子体有下列几种分类方法［1，3］。
（1）按照等离子体的热力学平衡状态，可以分为：①高温等离子体，等离子体中电子温度（Te）、离子温度（Ti）及气体温度（Tg）完全一致，处于完全热力学平衡状态。例如太阳内部、磁约束核聚变和激光聚变等离子体。②热等离子体，等离子体中各类粒子没有达到严格的完全热力学平衡，但在局部区域电子、离子和气体温度达到了热力学平衡，即Te≈Ti≈Tg=3×103～ 3×104 K时，为局部热力学平衡等离子体。例如空气中电弧放电等离子体。③低温等离子体，等离子体中电子温度很高，可达几千K，而离子及气体温度接近室温，即TeTi≈Tg，形成了热力学的非平衡状态，即非热力学平衡等离子体。例如低气压下的射频辉光放电、微波放电等离子体。
（2）按照等离子体的存在方式，可以分为：①天然等离子体，自然界自发产生及宇宙中自然存在的等离子体；②人工等离子体，由人工通过外加能量，如电场、磁场、辐射、热和光能，激发电离物质形成的等离子体。
（3）按照气相中被离化粒子的比例，即气体电离度α，可以分为：①完全电离等离子体，α=1；②部分电离等离子体，0.01<α<1；③弱电离等离子体，10-6<α<0.01。
（4）按照等离子体密度，可以分为：①稠密等离子体（或高气压等离子体），等离子体密度n>1015~1018 cm-3，这时粒子间的碰撞起主要作用；②稀薄等离子体（或低气压等离子体），等离子体密度n<1012~1014 cm-3，这时粒子间的碰撞基本不起作用。
1.2等离子体的导电性与准电中性
1.2.1等离子体的导电性
等离子体从整体看，是一种导电流体。对等离子体施加电场，带电粒子（离子、电子）的移动在等离子体中产生了电流，因此等离子体具有导电性能［3］。
将等离子体看作众多微观粒子的集合，其电导率σ可以写为
（1-1）
式中，ne、me、νce分别为电子密度、电子质量、电子与其他粒子之间的碰撞频率。
对于电子只与带电粒子碰撞的情况，等离子体的电导率σs为
（1-2）
式中，z、ε0、k、Te、lnΛ分别为带电粒子电荷数、真空介电常量、玻尔兹曼常量、电子温度、库仑对数。库仑对数为
（1-3）
式（1-2）由物理学家Lyman Spitzer提出［4］，因此σs称为Spitzer电导率。
1.2.2等离子体的准电中性
在等离子体中，正、负带电粒子数目基本相等（ni≈ne），系统在宏观上呈现电中性，但在小尺度上则显示出电磁性，这种情况称为准电中性［3］。
用泊松方程可以估计跨越等离子体（长度为L）的电势差
（1-4）
通常可以认为
（1-5）
其中，λD是等离子体德拜长度（定义见1.4.3节）。联立上述两式有
（1-6）
当λ2DL21时，则有zni=ne，即等离子体中的正、负电荷密度相等，宏观上呈现电中性。
要指出的是，某种扰动会使等离子体中的电子和离子偏离电中性平衡态，但是正、负电荷分离而产生的电场会促使等离子体恢复电中性。通常等离子体偏离电中性的程度约为十万分之几。
1.3等离子体鞘层
等离子体虽然是准电中性的，但是，当它们与器壁相接触时，之间会形成一个薄的正电荷区，不满足电中性的条件，这个区域称为等离子体鞘层［1，5］，如图1-4所示。
图1-4等离子体鞘层［2］
鞘层的形成过程如下：考虑一个宽度为l、初始密度为ni=ne的等离子体，被两个接地（Φ=0）的极板包围，这两个极板都具有吸收带电粒子的功能，由于净电荷密度ρ=e（ni-ne）为零，在各处的电势Φ和电场Ex都为零，如图1-5（a）所示。
图1-5鞘层的形成［5］
由于电子的热运动速度（kTe/me）1/2是离子热运动速度（kTi/mi）1/2的100倍以上，等离子体中的电子可以迅速到达极板而消失。经过很短的时间后，器壁附近的电子损失掉，形成一个很薄的正离子区域，称为鞘层，如图1-5（b）所示。在鞘层中，ni≥ne，因此有净电荷密度ρ存在。该电荷密度产生了一个在等离子体内部为正、在鞘层两侧迅速下降为零的电势分布Φ（x）。因为鞘层里的电场方向指向器壁，这个电势分布是一个约束电子的势阱，对离子而言则是一个势垒。加在电子上的作用力-eEx指向等离子体内部，阻止了等离子体中的电子向器壁的运动，使电子回到等离子体中。而电场对离子的作用是使进入鞘层的离子加速向器壁运动。
跨越等离子体鞘层的电势称为鞘电势Vs，如图1-6所示。只有具有足够高能量的电子可以穿过鞘层而到达器壁表面，使表面相对于等离子体为负电势，从而排斥电子。鞘电势的值随之不断调节，最终使到达表面的离子通量与电子通量相等。
图1-6鞘电势与粒子密度［1］
对于平板表面，鞘电势Vs为［1］
（1-7）
对于球形表面，鞘电势Vs为［1］
（1-8）
展开
