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    【實驗室設備定制公司】等離子體狀態分析和基本參量

    2021-03-18 14:57:06

         氣體放電等離子體作為物質的第四態,其物性及規律與固態、氣態、液態各不相同。我們知道,氣體放電等離子體是由電子、各種粒子、原子等組成的,遠比氣體、液體、固體復雜,其中發生著大量各不相同的基本過程。實驗室設備定制公司對于這種基本內部過程復雜的電離氣體的狀態分析是研究放電等離子體的前提。

           理想封閉腔體的等離子體可以認為是處于完全熱力學平衡狀態的。這里等離子體和腔壁具有相同的恒定溫度,這種狀態的等離子體只需要用到較少的的幾個參量就可以完整的描述。這些參量是等離子體的溫度、氣壓、帶電粒子密度以及有關元素的密度等。它們都是熱力學變量,相互之間的關系服從沙哈方程。

           對于上述的等離子體如果把腔壁移走,由于輻射和熱傳導的損耗,要使等離子體達到穩定狀態必須采用加熱辦法去補償這些能量的損耗。這是一個比較現實的等離子體,可是這種等離子體就不能認為是處于熱力學平衡狀態了,即使對于這種稍微偏離熱力學平衡的等離子體,就要用到很多參量才能加以描述。例如粒子運動的每個自由度就要有一個分布函數,該分布函數隨空間位置而變,對于非穩態的等離子體,分布函數還是時間的函數。

           氣體放電等離子體中發生著大量的基本過程,完整地表征它的狀態相當困難。實驗室設備定制公司在處理問題時只能根據具體情況,用簡單的辦法突出主要過程。當然,如果在等離子體中發生的相互作用正逆過程越全,發生的次數越多,那么這個等離子體就越接近熱力學平衡狀態。在粒子運動的各個自由度間交換能量越頻繁,那么相應的分布函數就越接近玻爾茲曼分布,這就存在著一個表征該分布函數的參量——局部溫度,這在統計熱力學中是被證明了的。等離子體越接近熱力學平衡,就越不需要詳細了解它們中發生的基本過程及截面。對于熱力學平衡狀態的等離子體,其參量可以用沙哈方程、玻爾茲曼方程和狀態方程等關系式去計算。在計算中,理想狀況是要求等離子體是均勻的,且它的輻射場是黑體型的。事實上這種熱力學平衡的等離子體在實驗室中幾乎很難獲得,只有在星球內部或者金氏電爐和高氣壓電弧放電中才可能存在。

           一般人造的等離子體(尤其是低氣壓放電等離子體),大部分是遠離熱力學平衡狀態的。根據具體情況,可以把他們分為局部熱力學平衡狀態、部分熱力學平衡狀態以及非局部熱力學平衡狀態等。

           在一般情況下,簡單的單一元素的等離子體是三種粒子的混合物。這三種粒子是電子、離子和中性原子。通常情況下,電子和離子具有相同的密度,這就意味著宏觀上等離子體呈現電中性,這中電中性特征是由等離子體中帶電粒子本身作用的性質所決定的。三種粒子的密度分別為ne、ni、na,電離之前原子的密度為n。

           等離子體平衡狀態可以用三個參量來表征:

           ①.電離度(某種帶電粒子密度與電離前原子密度的比值)

            χ=ne/n=ni/n

           ②.帶電粒子密度(電子或離子的密度)

              ne、ni

           ③.溫度

             T,在熱力學平衡條件下Te=Ti=Ta,在非熱力學平衡條件下有Te>Ti>Ta

           這里各粒子有它們自身的能量數值,即有他們自身的溫度數值。

           在完全熱力學平衡的等離子體中,上述三個參量不是孤立的,他們應該沙哈方程,等離子體的電離度取決于帶電粒子的密度和溫度。

           對于大多數等離子體來說,氣體的電離由外電場決定,該氣體并不處于熱力學平衡狀態,當然這種氣體還是可能達到某一穩定狀態的。對于沒有達到熱力學平衡的,但處于穩定狀態的等離子體來說,就得用下列五個參量來表征,它們是χ、n、Te、Ti、Ta。

           當外電場被擬制時,上述等離子體的三個溫度可通過粒子間頻繁的相互作用而在很短的時間趨于同一數值,即等離子體可以從非熱力學平衡狀態過渡到熱力學平衡狀態。由于帶電粒子在這種狀態過渡中是從電場激勵轉向熱電離的,等離子體的電離度幾乎仍舊維持在原來的數值上。實驗室設備定制公司在實際遇到的等離子體中,χ的變化可以從10-10變化到1.根據電離度數值的大小,通常把天然的或人造的等離子體分為兩大類:一類是弱電離氣體等離子體,它們的χ<10-4;另一類是強電離等離子體,它們的χ>10-4。


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