等离子体应用

    等离子体是由带正、负电荷的离子和电子，也可能还有一些中性的原子和分子所组成的集合体。在宏观上一般呈电中性。等离子体可以是固态、液态和气态。电离气体就是一种气态等离子体。等离子体中的基本过程是在电场和磁场的作用下,各种带电粒子间相互作用,引起多种效应。利用等离子体的特点可使它获得多种应用，现已构成了电工发展的一个新领域。
等离子体的应用取决于它的性质和状态。等离子体的性质常取决于以下因素：①等离子体的组分，如原子、分子、离子、电子、化学基团等。②粒子所处的状态，如中性态、激发态、电离态、活化的分子及自由基。③各种粒子数密度，即单位体积中的粒子数。④各种粒子的温度。如果电子和离子的温度相等，称为平衡态等离子体；反之，是非平衡态等离子体。⑤等离子体所处的环境，如电场强度、磁场强度、电极结构、气流、放电容器等。⑥各种因素的作用时间。
     人工等离子体的温度大约为10□～10□开，电子数密度约为10□～10□／厘米□，电流为毫安～兆安数量级,气体压力为百帕～百千帕，放电频率从直流到微波，这些参量决定了等离子体的不同应用。主要有高温等离子体应用、热等离子体应用、冷等离子体应用三大类。
高温等离子体应用　高温等离子体的温度为 10□～10□电子伏（1电子伏相当于 1.1×10□开）。它主要用于热核聚变发电。典型的聚变反应为　 ① □
② □①为氘-氘(D-D)反应，②为氘-氚(D-T)反应。由聚变反应产生的粒子具有很高的能量，将这种能量转化为热能可用于发电。核聚变发电具有清洁、价廉的优点。尤为重要的是，其燃料氘来源于海水，全世界氘的贮量可供人类享用百亿年，这是任何其他能源都无法与之相比的。
为了实现热核聚变反应，等离子体必须要有很高的温度，才能使氘核具有足以克服氘核间的库仑排斥力的巨大动能；同时，它还必须有很高的粒子密度和足够长的约束时间。这样，氘核之间才得以发生充分的核反应，放出足够的能量。由于热核聚变反应堆本身有一定的能量损失，因而，要实现聚变反应，需首先求得整个系统不耗电情况下维持运行的条件，即得失相当的条件，通常称为劳孙判据。 　对氘-氘反应 T≥50keV □□≥10□s/cm□
噪?氚反应 T≥10keV □□≥6×10□s/cm□其中T 为等离子体温度,□为等离子体中氘核的密度,□为等离子体约束时间。
      20世纪80年代，热核聚变主要采用磁约束和惯性约束两种方法来达到上述条件。
磁约束　由于热核聚变反应的等离子体温度极高，常规的容器都无法耐受，并将造成很大的热能损失。利用强磁场把高温等离子体约束在一定空间内，使之与容器壁隔开，维持其高温和高密度状态。属于磁约束方法的聚变反应装置有托卡马克（见彩图托卡马克装置示意）、磁镜、仿星器等，其中托卡马克装置上的试验数据最接近劳孙条件。它有一个类似于变压器的铁心，原边为一线圈，副边就是放电室中的等离子体。当原边线圈通过电流时，等离子体中产生很大电流，以加热等离子体。沿环形放电室设置了许多同轴线圈以约束高温等离子体，使之持续稳定地运行一定时间。
      惯性约束　利用强激光束或粒子束轰击毫米量级的氘-氚(DT)靶丸,在纳秒级的短时间内，由于惯性的作用，在靶丸还来不及扩散时就被加热到很高温度、压缩到很高密度从而引起热核聚变反应。研究人员正朝实现劳孙判据的条件努力。
热等离子体应用　热等离子体的温度为0.1～4电子伏，电流为1～100安及以上。这类等离子体处于热平衡态，电弧、等离子体炬属于这一类。主要用于难熔金属冶炼、机加工等
 
    加工方式　热等离子体与工件相互作用的方式有几种。其中的一种如图2a等离子体与工件的作用方式所示。这种加工方式所用的是比较老式的等离子体炉，上面产生的等离子体弧直接作用在下面的工件上，使它熔化，进行化学反应。另外的加工方式如图2b等离子体与工件的作用方式、2c等离子体与工件的作用方式所示。图2b等离子体与工件的作用方式中，气体（Ar或H□等）由喷嘴射出，在二电极间产生高温等离子体。中部输入的固体原料在高温等离子体内熔化，沿落管形成液体膜，并进行反应，产品最后流入下面的容器内。用此法还原氧化铁为铁的反应器，其功率约100千瓦,最大能到 1兆瓦。图2c等离子体与工件的作用方式是扩展的加工等离子体，等离子体炬按圆环旋转，等离子体向下运动时形成锥形,固体原料由上部输入,在等离子体中螺旋运动时进行反应。等离子体的旋转可以用机械的或电磁的方法实现。后者的等离子体轨道速度可达2000～9000转/分，已在使用的功率约为100千瓦。
    主要应用　热等离子体主要用于以下 3方面。①等离子体冶炼：用于冶炼用普通方法难于冶炼的材料，例如高熔点的锆 (Zr)、钛(Ti)、钽(Ta)、铌(Nb)、钒(V)、钨(W)等金属；还用于简化工艺过程，例如直接从ZrCl□、MoS□、Ta□O□和TiCl□中分别获得Zr、Mo、Ta和Ti；用等离子体熔化快速固化法可开发硬的高熔点粉末，如碳化钨-钴、Mo-Co、Mo-Ti-Zr-C等粉末。 等离子体冶炼的优点是产品成分及微结构的一致性好，可免除容器材料的污染。②等离子体喷涂：许多设备的部件应能耐磨、耐腐蚀、抗高温，为此需要在其表面喷涂一层具有特殊性能的材料。用等离子体沉积快速固化法可将特种材料粉末喷入热等离子体中熔化，并喷涂到基体（部件）上，使之迅速冷却、固化，形成接近网状结构的表层，这可大大提高喷涂质量。③等离子体焊接：可用以焊接钢、合金钢；铝、铜、钛等及其合金。特点是焊缝平整，可以再加工,没有氧化物杂质,焊接速度快。用于切割钢、铝及其合金，切割厚度大。
冷等离子体应用　冷等离子体的电子温度比离子温度高，分别为10电子伏及以下和室温，主要用于化学合成、材料表面改性和大规模集成电路的刻蚀。