【文章內(nèi)容簡介】 ? 2． 德拜屏蔽與德拜長度 ?靜電屏蔽 （ 德拜屏蔽 ） ?若由于某種擾動(dòng)在等離子體內(nèi)某處出現(xiàn)了電量為 ｑ的正電荷積累 ， 則由于該電荷的 靜電勢(shì)場(chǎng) 作用 ， 其周圍一定會(huì)吸引 電子 而排斥 離子 ， 結(jié)果出現(xiàn)一個(gè)帶 凈負(fù)電荷的球狀 “ 電子云 ” ， 從遠(yuǎn)離該正電荷的 “ 云外 ” 來看 ， 電子云 的包圍削弱了積累起來的 有效電荷 ， 也即削弱了它對(duì)遠(yuǎn)處帶電粒子的 庫侖力 ， 這種現(xiàn)象在物理學(xué)中稱之為 靜電屏蔽 ， 也叫 德拜屏蔽 。 經(jīng)過屏蔽后該正電荷的 靜電勢(shì)場(chǎng) 叫做屏蔽庫侖勢(shì) 。 ?德拜長度 ?將 坐標(biāo)原點(diǎn) 取在積累的 正電荷中心 ， 對(duì)于熱力學(xué)平衡態(tài)下的帶電粒子系 ， 可以求解 泊松方程 得出屏蔽庫侖勢(shì) 。 進(jìn)而引出 德拜長度 。 )(1)(02 rr ??? ????設(shè)待求的 電勢(shì)分布 為 Φ(r) ， 則對(duì)空間任意一點(diǎn) Φ(r) 的滿足 泊松方程 ?等離子體中 積累電荷ｑ 的電位分布 Φ(r) 將隨著 ｒ的增加 而 迅速下降 ，下降趨勢(shì)要比在真空中快得多。 Φ(r) 屏蔽庫侖勢(shì) 的有效作用力程大致上可以用來 λD表示，當(dāng) r＜ λD時(shí)（德拜球內(nèi)），庫侖作用被電子云削弱了，但仍 存在 。 r＞ λD時(shí) （德拜球外）， 靜電勢(shì) 便減弱得 可以忽略 了。 ?由此可見， 德拜長度 是描述等離子體 空間特性 的一個(gè)重要參量。 ?德拜長度的物理意義 ?以下從三個(gè)方面介紹其物理意義 ， 提法不同 ，實(shí)際上是完全一致的 。 ?① ． 等離子體對(duì)作用于它的 電勢(shì) 具有 屏蔽能力 ， λD即為靜電相互作用的 屏蔽距離 或叫 屏蔽半徑 。 ?② ．德拜長度是等離子體中 電中性條件 成立的 最小空間尺度 。在距離某個(gè)電荷中心的距離 r＜ λD的范圍內(nèi)，存在著該電荷產(chǎn)生的 靜電勢(shì)場(chǎng) ，因此就這個(gè)范圍來看，等離子體 不是電中性 的。從 r＞ λD的空間尺度上來看， 等離子體才是電中性 的。 ?也可以說， 德拜長度 是等離子體中因熱運(yùn)動(dòng)或其他擾動(dòng)導(dǎo)致 電荷分離 的 最大允許尺寸限度 。 ?③ ． 德拜長度還可以作為等離子體宏觀空間尺度的下限 。 ?德拜屏蔽要想得以實(shí)現(xiàn) ， 等離子體的 空間尺度Ｌ 就必須 遠(yuǎn)大于德拜半徑 。 這就是說 ， 一個(gè)電離氣體若稱得上是物質(zhì) 第四態(tài) 的等離子體 ， 其存在的空間條件應(yīng)為 LλD ， 否則 ， 它就不成其為等離子體 ， 而仍然 屬于氣體 。 ?3． 朗謬爾振蕩與振蕩頻率 ?通過考察等離子體的 振蕩特性 ， 以便引出等離子體存在的 時(shí)間特征尺度 。 ?朗謬爾振蕩 ： ?等離子體中 最普通 、 最快 的集體運(yùn)動(dòng)是由 電子運(yùn)動(dòng) 引起的 。 為簡單起見 ， 假設(shè)只考慮一維方向的運(yùn)動(dòng) 。 設(shè)由于偶然的 熱運(yùn)動(dòng)漲落 ， 某一區(qū)域內(nèi)的電子 忽然間都以 相同 的 速度沿ｘ方向移動(dòng) ， 產(chǎn)生位移 δ ， 假定在電子群移動(dòng)之前 ， 此區(qū)域內(nèi)的 正負(fù)電荷 正好完全 抵消 ， 則電子集體定向移動(dòng)必然引起 空間電場(chǎng)Ｅ ， 該電場(chǎng)的方向是要把 電子拉回平衡位置 ， 以恢復(fù)電子性 。 。 ?然而 ， 由于 運(yùn)動(dòng)的慣性 ， 電子不可能停留在平穩(wěn)位置 ， 而是會(huì) 沖過平衡位置 ， 這樣一來 ，又引起了 相反方向的電荷分離 ， 產(chǎn)生 反向電場(chǎng) E’， 當(dāng)電子達(dá)到另一邊最大位移后 ， 會(huì)再次被 拉回 ， 并又因慣性而沖過平衡位置 ， 如此往復(fù) ， 電子于是在平衡位置附近 來回作集體振蕩 ， 就如同 彈簧振子 的 簡諧振蕩 似的 。 ?而 離子 則由于其 質(zhì)量 遠(yuǎn)大于電子，對(duì)于電場(chǎng)的交替變化來不及響應(yīng)，以致可以認(rèn)為是 近似不動(dòng) 的。 ?這種 電中性被破壞 時(shí)產(chǎn)生的 空間電荷振蕩 現(xiàn)象首先被朗謬爾所發(fā)現(xiàn)，故叫 朗謬爾振蕩 ，通常稱為 等離子體振蕩 ，它是等離子體的固有 特征之一 ，總是要在等離子體各處 互不相關(guān) 地發(fā)生著，其振蕩頻率叫 等離子體振蕩頻率或朗謬爾頻率 。 ?振蕩頻率 ： ?彈簧振子 的 簡諧振蕩頻率 ，ｍ質(zhì)量 ?等離子體振蕩 現(xiàn)象運(yùn)動(dòng)規(guī)律的數(shù)學(xué)描述與上述一致 ， 則等離子體中 電子的振蕩頻率 套用上式有 ， me電子質(zhì)量 mk??pe?eepe men02?? ? ?振蕩周期 τ P的物理意義 ： ?從不同角度說明等離子體的 時(shí)間特征 ?① ． 等離子體對(duì)于因 熱運(yùn)動(dòng) 等引起的漲落有阻止能力 ， τ P可看成是 漲落引起 的 電子 定向運(yùn)動(dòng) 被阻止 ， 并轉(zhuǎn)入 等離子體振蕩 這種固定運(yùn)動(dòng)模式 所需的 最短時(shí)間 。 ?② ． 振蕩周期 τ P可 作等離子體電中性條件成立的 最小時(shí)間尺度 ， 當(dāng)任一個(gè) 時(shí)間間隔 時(shí) τ τ P ， 由于 等離子體振蕩 總是存在著的粒子作 周期性振蕩 的 空間電場(chǎng) 。 當(dāng)時(shí) τ τ P ， 可能產(chǎn)生的 空間電荷和空間電場(chǎng) 在這段大于振蕩周期的時(shí)間間隔內(nèi) ， 平均效應(yīng) 才都會(huì) 歸于零 ， 這時(shí)方可以 時(shí)間尺度 上把等離子體看成是 宏觀電中性的 。 ?③ ．振蕩周期可看作是 等離子體存在的時(shí)間尺度下限 。作為等離子體，其存在時(shí)間必須足夠長，以便使大量帶電粒子間有充分的 相互作用時(shí)間 ，來 消除 偶然發(fā)生的 漲落 所造成的影響。即當(dāng)其存在的 持續(xù)時(shí)間時(shí) ?它才能成為具備自己 特有性質(zhì)和行為 的等離子體； )(1 pp ??? ????反之 ， 當(dāng)一個(gè)帶電粒子系的存在時(shí)間 τ τ P ， 則該體系的 性質(zhì) 將會(huì)依賴于所含 粒子漲落 造成的 偶然狀態(tài) ， 那么便會(huì)是 變化多端的 ， 當(dāng)然也就不可能具有等離子體應(yīng)有的 典型性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律 。 等離子體必須滿足這一時(shí)間特征尺度 ， 可簡單設(shè)為 。 1??p???4．等離子體參量： ?這表明，無論是空間特征還是時(shí)間特征， λ 都與 粒子密度或溫度 有著不可分割的內(nèi)在聯(lián)系，因此，還可以引入一個(gè)藉 粒子密度和溫度 來描述等離子體的新物理量 ―― 等離子體含量 。 ?設(shè)德拜球內(nèi)的粒子數(shù)為 ND，則有 ?由 得 粒子數(shù)， 式中Ｔ為熱平衡溫度，單位Ｋ ?令 λ ＝ 3ND ， λ 為等離子體參量，顯然它只與等離子體的兩個(gè)基本的特征參量 ｎ、Ｔ 有關(guān)，要等離子體為 準(zhǔn)電中性 ，必須 λ ＞＞１。 334DD nN ????nTeD ?? nTND3 ??? 5． 等離子體判據(jù)： ?至此，可以把 等離子體判據(jù)歸納 為以下三條： ?滿足這些條件的電離氣體方可稱為 等離子體 ，否則雖體系中也有一些氣體分子電離，但那只不過是彼此互不相關(guān)的各個(gè)部分的 簡單堆積 ，而不具備作為物質(zhì)第四態(tài)的典型性質(zhì)和特征，因而仍然 屬于氣體 。 11??????DPDNL????五 、 等離子體鞘 ? 1． 等離子體鞘 ： ? 當(dāng) 等離子體 與 容器壁 接觸時(shí) ， 表現(xiàn)出與普通氣體截然不同的性質(zhì) 。 等離子體 不是直接接觸器壁 的 ， 而是在與器壁表面的交界處 ， 形成一個(gè) 電中性被破壞了的薄層 ， 實(shí)驗(yàn)表明 ， 在這種情況下形成的薄層是一個(gè) 負(fù)電位的區(qū)域 ， 它把等離子體 包圍 起來 ， 如在放電管中發(fā)生輝光放電時(shí) ， 即可看到 等離子體輝光被靠近器壁的一層 “ 暗區(qū) ” 包圍的現(xiàn)象 ， 這個(gè) 偏離電中性薄層就叫做等離子體鞘或稱之為鞘層 。 ?形成鞘層位置 ： ? 器壁 處 ? 在 插入 等離子體的 電極 近旁 ?