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等離子體發(fā)射光譜儀的結(jié)構(gòu)及工作原理
閱讀：4967 發(fā)布時(shí)間：2015-6-9
等離子體又叫做電漿，是由被剝奪部分電子后的原子及原子被電離后產(chǎn)生的負(fù)電子組成的離子化氣體狀物質(zhì),。等離子體常被視為是除去固、液,、氣外,，物質(zhì)存在的第四態(tài)。
冰升溫至0℃會(huì)變成水，如繼續(xù)使溫度升至100℃,，那么水就會(huì)沸騰成為水蒸氣,。隨著溫度的上升，物質(zhì)的存在狀態(tài)一般會(huì)呈現(xiàn)出固態(tài)→液態(tài)→氣態(tài)三種物態(tài)的轉(zhuǎn)化過(guò)程,，我們把這三種基本形態(tài)稱為物質(zhì)的三態(tài),。那么對(duì)于氣態(tài)物質(zhì)，溫度升至幾千度時(shí),，將會(huì)有什么新變化呢? 由于物質(zhì)分子熱運(yùn)動(dòng)加劇,，相互間的碰撞就會(huì)使氣體分子產(chǎn)生電離，這樣物質(zhì)就變成由自由運(yùn)動(dòng)并相互作用的正離子和電子組成的混合物(蠟燭的火焰就處于這種狀態(tài)),。我們把物質(zhì)的這種存在狀態(tài)稱為物質(zhì)的第四態(tài),，即等離子體(plasma)。因?yàn)殡婋x過(guò)程中正離子和電子總是成對(duì)出現(xiàn),，所以等離子體中正離子和電子的總數(shù)大致相等,，總體來(lái)看為準(zhǔn)電中性。反過(guò)來(lái),，我們可以把等離子體定義為：正離子和電子的密度大致相等的電離氣體,。
從剛才提到的微弱的蠟燭火焰，我們可以看到等離子體的存在,，而夜空中的滿天星斗又都是高溫的*電離等離子體,。據(jù)印度天體物理學(xué)家沙哈(M.Saha，1893-1956)的計(jì)算,，宇宙中的99.9%的物質(zhì)處于等離子體狀態(tài),。此外，太陽(yáng),、電離層,、極光、雷電等都是自然界中的等離子體,。在人工生成等離子體的方法中,，氣體放電法比加熱的辦法更加簡(jiǎn)便，諸如熒光燈,、霓虹燈,、電弧焊、電暈放電等等,。在自然和人工生成的各種主要類型的等離子體的密度和溫度的數(shù)值,，其密度為106(單位：個(gè)/m3)的稀薄星際等離子體到密度為1025的電弧放電等離子體，跨越近20個(gè)數(shù)量級(jí),。其溫度分布范圍則從100K的低溫到超高溫核聚變等離子體的108-109K(1-10億度)。 溫度軸的單位eV(electron volt)是等離子體領(lǐng)域中常用的溫度單位，1eV=11600K,。
通常,，等離子體中存在電子、正離子和中性粒子(包括不帶電荷的粒子如原子或分子以及原子團(tuán))等三種粒子,。設(shè)它們的密度分別為ne,ni,nn,，由于準(zhǔn)電中性，所以電離前氣體分子密度為ne≈nn,。于是,，我們定義電離度β=ne/(ne+nn)，以此來(lái)衡量等離子體的電離程度,。日冕,、核聚變中的高溫等離子體的電離度都是100%，像這樣β=1的等離子體稱為*電離等離子體,。電離度大于1%(β≥10-2)的稱為強(qiáng)電離等離子體,，像火焰中的等離子體大部分是中性粒子(β<10-3 )，稱之為弱電離等離子體,。
若放電是在接近于大氣壓的高氣壓條件下進(jìn)行,，那么電子、離子,、中性粒子會(huì)通過(guò)激烈碰撞而充分交換動(dòng)能,，從而使等離子體達(dá)到熱平衡狀態(tài)。若電子,、離子,、中性粒子的溫度分別為了Te，Ti,，Tn,，我們把這三種粒子的溫度近似相等(Te≈Ti≈Tn)的熱平衡等離子體稱為熱等離子體(thermal plasma)，在實(shí)際的熱等離子體發(fā)生裝置中,，陰極和陽(yáng)極間的電弧放電作用使得流入的工作氣體發(fā)生電離,，輸出的等離子體呈噴射狀，可用作等離子體射流(plasma jet),、等離子體噴焰(plasma torch)等,。 另一方面，數(shù)百帕以下的低氣壓等離子體常常處于非熱平衡狀態(tài),。此時(shí),，電子在與離子或中性粒子的碰撞過(guò)程中幾乎不損失能量，所以有Te>>Ti ,、Te>>Tn,。我們把這樣的等離子體稱為低溫等離子體(cold plasma),。當(dāng)然，即使是在高氣壓下,，低溫等離子體還可以通過(guò)不產(chǎn)生熱效應(yīng)的短脈沖放電模式即電暈放電(corona discharge)或電弧滑動(dòng)噴射式放電來(lái)生成,。大氣壓下的輝光放電技術(shù)目前也已成為世界各國(guó)的研究熱點(diǎn)?？僧a(chǎn)生大氣壓非平衡態(tài)等離子體的機(jī)理尚不清楚,，在高氣壓下等離子體的輸運(yùn)特性的研究也剛剛起步，現(xiàn)已形成新的研究熱點(diǎn),。