[科普中国]-等离子体流

简介

H·Maecker认为等离子体流是由于电弧受其自身电磁力的压缩而产生的，这同流过电流的导线受到径向电磁力的压缩一样。这个作用称为引缩效应。通常，在电弧中，在弧柱变窄处，都可产生等离子体流。2

等离子体流同气体、液体一样，遇到固体障碍物时，将被反射而改变运动方向。2

等离子体和固体、液体、气体同一层次的物质存在状态。它是由大量带正电的离子和带负电的电子，也还可能有一些未被电离的中性粒子(原子和分子)组成的客观体系。这些带电粒子受电磁相互作用力的支配，可以在空间相当自由地运动和相互作用。虽然有时电子和离子可以发生碰撞而复合组成中性粒子，但同时也存在着中性粒子因碰撞或其它原因而电离成电子、离子的过程。因此，可以在宏观尺度的时间和空间范围内存在着数量大体不变的电子和各种离子。等离子体可被分为低温等离子体和高温等离子体。前者的温度约为开。运载火箭通过大气层时在外壳表面附近形成的等离子体就属于这一类。后者的温度高达几百万开以至于几千万开。这种高温等离子体会向外辐射出高能粒子和各个频段的电磁波。太阳和受控热核聚变反应室中心处的等离子体就是如此。等离子体有较大的电导率。它在宏观上一般是电中性的，体内各处的正电荷数与负电荷数相等。由于带电粒子之间的相互作用主要是长程的电磁力，每个粒子都同时和周围很多粒子发生作用，所以等离子体在运动过程中一般表现出明显的集体行为。值得注意的是，等离子体的许多性质明显地和固体、液体、气体不同，有着自己特有的行为和运动规律。在这个意义上，常称等离子体是物质的第四态。等离子体内部存在着很多种运动形式，这些运动还互相转化。高温等离子体还有各种不稳定性。因此，等离子体是个非常复杂的问题，但很有意义。 1

核聚变与等离子体的关系聚变反应需要数亿度的高温条件，这时原子核以极高速度作无规则运动，连续相互碰撞，发生大量聚变。这样的核反应是在原子核的热运动中发生的，所以称为热核反应，如果这种反应能够加以控制，则称为受控热核反应。在极高温度下所有的物质都变成完全电离的气体一等离子体。在高温等离子体中，氛核和电子处在几乎相同的高温状态中。而且，在等离子体中，氖核和电子作无规热运动，互相不断地碰撞着，产生极大的能量。所以多年来研究聚变反应都用高温等离子体的方法。因此可以说高温等离子体物理学是核聚变的理论基础。四十多年来，规模越来越大的核聚变研究有力地促进了等离子体物理学这门物理学中的年轻分支学科的蓬勃发展。反之等离子体物理学的不断发展和日臻完善，使得核聚变研究不断取得重大进展。3

根据劳逊条件，实现受控热核反应必须解决两个问题。

获得高温等离子体即把等离子体加热到亿度以上高温。3

约束高温等离子体并达到足够长的时间宇宙中的太阳和其他许多恒星的热核反应是靠其极其强大的引力场来约束高温等离子体的，因为这些星球的质量很大，其引力足以约束高温等离子体。地球质量比太阳等小很多，其引力十分微弱，不可能约束高温等离子体。人们很自然地想到，利用强磁场来约束高温等离子体。要实现高温等离子体较长时间稳定约束，就需要探索和建立合适的磁约束位形装置，其中托卡马克，球形托卡马克，磁镜，仿星器，箍缩装置，紧凑环，内环装置等是几种主要的磁约束聚变装置。下面我们着重介绍一下托卡马克装置及其磁场位形。3

等离子体流的一般特性外观等离子体流的形状奇异，亮度超过电弧其它部分，易移动，经常改变形状和位置，不均匀，在它的中部可以看到一个称为核心的最充的区域。在许多场合，特别是大电流情况下，等离子体流的核心成为分裂的状态。2

产生的条件只有电孤电流和电极距离大于某一数值时，才会产生等离子体流，低于此值就见不到等离子休流。它不是与电弧同时产生，而是滞后1~2微秒再出现。不管在阳极和阴极上，在各种材料的电极上，在各种气体介质中，在高压和低压电弧中都能产生等离子体流。2

方向等离子体流的运动方向与产生它的电极表面相垂直，如果没有外部因素作用，它作直线运动。2

极性电极的极性、材料和形状都会影响等离子体流的形状、长度和强度。因此，等离子体流分阳极等离子体流和阴极等离子体流。阳极等离子体流由一个流组成，而阴极等离子体流则可由几个流并联组成。2

速度等离子体流的速度分基部的扩展速度和粒子的运动速度。等离子体流中的粒子运动速度可达米/秒，随着与电极之间的距离的增大而减小。而基部的扩展速度不超过每秒几十米。等离子体流同气体、液体一样，遇到固体障碍物时，将被反射而改变运动方向。2

温度等离子体流的温度比弧柱的温度高，并具有高的导电系数。2

人为压缩弧柱能产生等离子体流等离子体流不仅在电极处产生，在弧柱截面改变处也会产生，图了是电弧通过隔板的小孔所产生的等离子体流，它与隔板(金属的或绝缘的)的表面相垂直。当电弧碰到放里在其运动路径上的绝缘板或金属板，弧柱截面发生变化时，同样会产生等离子体流。这些现象经常可以在电弧进入具有灭弧栅或绝缘狭缝的灭弧室时观察到。2

磁场的作用横向磁场可以促使等离子体流离开弧隙。2

稳定作用等离子体流中的高速粒子如同液体或气体中的气流一样，能使等离子体流在空间保持一定的方位。这个作用随着粒子速度的增大而增大。在弧根附近的速度最大，随着离开弧根而逐渐减小。由于这个原因，用磁场很难移动短弧。等离子体流的稳定作用是电弧在触头打开时，停留在触头间不动的原因之一。当触头打开到一定距离时，等离子体流被拉长，速度降低，电弧才开始运动。2

等离子体流的大小等离子体流的大小可用快速摄影机确定。其前端和基部的距离为等离子体流的长度，两侧之间的距离称为直径。等离子体流的直径和截面在开始时与电流成正比增大，然后缓慢，最后停止增长。2

电流的影响直流、交流和短时冲击电弧都能产生等离子体流。在电流过零后，由于热惯性和机械惯性，等离子体流不立即消失，而是持续若干时间再消失。电流的相位角会影响等离子体流的大小和形状。2

等离子体流的能量等离子体流是能量的集中体。燃弧和熄弧条件在很大程度上与等离子体流的运动方向有关。如果等离子体流是面对面运动，则所有能量全部聚集在弧隙中，使燃弧容易。相反，如果等离子体流能使能量从弧隙中带出，则燃弧变为困难。直流时，导致嫩弧电压升高，交流时，导致弧隙介质恢复强度增高。2

等离子体发生器等离子体发生器由电极、电弧和电源组成。4

电极等离子体发生器的电极有两种基本类型，一种是难熔金属制成，是为热阴极，例如钨制品，加入少量的钍或铈的氧化物以提高其电子发射能力；另一种是水冷铜电极(冷阴极)，它常和管弧结合。由于去离子的冷却水在高压下高速流过狭窄通道，冷却效果良好。设计良好的水冷铜电极的寿命常可达数百小时。4

电弧为了延长等离子体发生器的寿命和稳定电弧，等离子体弧柱要求能被压缩，弧根要旋转。压缩电弧并使之旋转的方式有(1)冷壁压缩。这也是电弧被压缩的自然手段，近器壁的电弧被壁冷却而不导电，于是弧柱变细，由于输入功率不变，热量就更为集中，电弧更稳定而又不因附壁而烧毁电极。(2)流体压缩。这是工业装置最有效的办法，等离子气体由切线方向供入，它不但造成电弧旋转、压缩，冷的附壁气流又是一种包容电弧的有效方法。(3)磁压缩。等离子体电弧可看成一束载流的平行导线，因此它自然和四周的磁场相互作用而转动，即使只有自身的磁场，也会使这束“平行导线”本身受力而愈箍愈紧，形成对电弧的压缩。4

电源电弧等离子体发生器一般用直流电源，要求有陡降的伏安特性，因发生器一旦导通，其电阻值常降达1Ω以下，因而要求电源电压也急剧下降，从而使电流维持近乎一个定值。另外大功率的发生器应具有防止产生谐波的措施。一般地说等离子体电源结构和直流电弧炉的相似，只是参数不同，但等离子体发生器电源电压较高。4

等离子体物理物理学的新兴分支学科。是研究物质的第四态——等离子体态的形成及其微观与宏观基本性质和规律的科学。主要内容包括单个带电粒子在外磁场中的运动，等离子体中的波，位形平衡问题，等离子体不稳定性，非热平衡等离子体的弛豫和输运过程，等离子体辐射等。由于等离子体种类繁多，内部粒子间作用复杂、而且对外界因素的影响敏感，故使其实验研究的难度很大，对这一物质状态的研究，一般采用实验、理论和数值计算三结合的方法。等离子体物理的发展与受控核聚变反应、天体物理、空间物理、化学及材料科学的研究密切相关。19世纪以来人类对气体放电的研究，19世纪中叶开始的天体物理学和20世纪对高空电离层的研究都推动了这一学科的研究工作，20世纪50年代前后开始的受控热核聚变的研究以及低温等离子体技术的应用又使等离子体物理学发展成为物理学中一个活跃的领域。目前，在实验方面，该学科已经建成了包括一批聚变实验装置在内的很多装置，发射了不少科学卫星和空间实验室，从而取得大量的实验数据和观测资料。在理论方面，利用粒子轨道理论、磁流体力学和动力论已阐明等离子体的很多性质和运动规律，还发展了数值实验的方法。半个多世纪的研究工作大大深化了人们对等离子体的认识，今后一个相当长的时间内，等离子体物理学将有广泛的应用前景。 5