牛曉娟,吳鐵山,趙光欣,譚小平,張立輝

(1.江漢大學(xué),湖北武漢 430056;2.武漢科技學(xué)院,湖北武漢 430073)

更大范圍開設(shè)等離子體診斷實(shí)驗(yàn)的必要性探討

牛曉娟1,吳鐵山1,趙光欣2,譚小平1,張立輝1

(1.江漢大學(xué),湖北武漢 430056;2.武漢科技學(xué)院,湖北武漢 430073)

等離子體診斷實(shí)驗(yàn)作為近代物理實(shí)驗(yàn)在各個(gè)高校物理實(shí)驗(yàn)室中均已開展數(shù)年,著重探討更大范圍開設(shè)這一近代物理實(shí)驗(yàn)的必要性和意義。

等離子體;必要性;意義

眾所周知,物質(zhì)世界中一切宏觀物體都是由大量分子(或原子)組成。物質(zhì)由于溫度不同可以處于固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。這三態(tài)指物質(zhì)的聚集態(tài)。在固態(tài)中,粒子之間的結(jié)合最緊密,在液態(tài)中次之,在氣態(tài)中則最松散。當(dāng)物質(zhì)達(dá)到氣體以后,如果繼續(xù)從外界得到能量,達(dá)到一定程度,它的粒子進(jìn)一步分裂為帶負(fù)電的電子和帶正電的離子,即原子或分子發(fā)生電離。這種部分或者全部電離的由大量正、負(fù)帶電粒子和中性粒子組成,呈現(xiàn)宏觀中性的系統(tǒng)通常稱為物質(zhì)的第四態(tài)——等離子體態(tài)。等離子體的電離方式主要有:熱電離,光電離及碰撞電離。電離氣體僅僅是等離子體的一種,如電解質(zhì)溶液可以看成液態(tài)等離子體,金屬和半導(dǎo)體可以看成固體等離子體。

1 大范圍開展此實(shí)驗(yàn)的必要性

通常我們按照等離子體的產(chǎn)生可以把等離子體分為自然等離子體和實(shí)驗(yàn)室等離子體。自然等離子體廣泛存在于宇宙中,在宇宙中幾乎有99.9%以上的物質(zhì)是以等離子體狀態(tài)存在的。如恒星星系、星云,地球附近的閃電、極光、電離層等。其中電離層猶如地球上空的一面鏡子,對(duì)人類的生活,比如通訊以及航天器都有重要的意義。所以空間等離子體的研究也是一項(xiàng)科學(xué)家非常關(guān)注的課題。而實(shí)驗(yàn)室等離子體(人工產(chǎn)生的等離子體)在日常生活中經(jīng)常遇到。如日光燈中的放電,霓虹燈中的放電,高速飛行器的尾跡,射頻放電、微波放電產(chǎn)生的等離子體,氣體激光器中的放電,受控核聚變時(shí)產(chǎn)生的高溫等離子體,原子彈和氫彈爆炸時(shí)產(chǎn)生的高溫等離子體,某些化學(xué)反應(yīng)(燃燒)產(chǎn)生的燃?xì)獾入x子體等等。在軍事上,等離子體隱身系統(tǒng)(在飛行器周圍形成—種特殊的等離子體,在不影響飛行器空氣動(dòng)力性能的同時(shí),可使飛行器被雷達(dá)發(fā)現(xiàn)的概率降低99%以上。)和等離子體武器(利用等離子體云團(tuán),在空中設(shè)置“陷阱”,這就是常說的等離子體武器。)是電子戰(zhàn)的新概念、新技術(shù)裝備,能夠給敵方以電子硬殺傷并使敵方作戰(zhàn)人員產(chǎn)生巨大的心理壓力。無論是從自然等離子體所占的比重及重要性還是日常生活中、軍事上等離子體的應(yīng)用而言,通過開設(shè)輝光放電等離子體診斷實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生了解等離子的基本性質(zhì)都是非常必要的。

2 開展此實(shí)驗(yàn)的意義

本實(shí)驗(yàn)室采用南京激光儀器公司研制的DL—Ⅱ型輝光放電等離子實(shí)驗(yàn)儀,對(duì)物理專業(yè)和光電子信息專業(yè)的學(xué)生作為近代物理實(shí)驗(yàn)而開設(shè)。幾乎每次,學(xué)生來做實(shí)驗(yàn)之前都很好奇,什么是等離子體?在解釋過了等離子體之后,試探性地問學(xué)生可知道自然等離子體在宇宙中所占的比重。沒有一個(gè)學(xué)生知道,在告知為99.9%以上時(shí),學(xué)生發(fā)出了驚嘆聲。接過這個(gè)話題就可以給學(xué)生介紹地球上自然等離子體比較少,是由于地球“寒冷”的緣故。但在距離地球表面約60km的電離層以及之外的磁層都是等離子態(tài)。在這一系列的發(fā)問過程中不僅可以讓學(xué)生了解自然等離子體這種物質(zhì)存在的狀態(tài),還可以增加電離層及磁層的知識(shí),拓展學(xué)生的知識(shí)面,讓學(xué)生了解空間的基本分層情況。同時(shí)可以讓學(xué)生了解目前空間物理以及等離子體物理的發(fā)展和研究情況,為學(xué)生之后的進(jìn)一步深造開闊視野。

在介紹完自然等離子體之后,假設(shè)一個(gè)場(chǎng)景,學(xué)生被親戚朋友邀請(qǐng)去選購(gòu)電視,面對(duì)價(jià)格懸殊比較大的液晶和等離子體電視貌似而難以選擇時(shí),學(xué)生能不能給出液晶電視和等離子體電視發(fā)光的基本原理、區(qū)別及各自的優(yōu)勢(shì)。在生活中做個(gè)優(yōu)秀的電視導(dǎo)購(gòu)員呢?這一與日常生活非常貼切的場(chǎng)景進(jìn)一步激發(fā)了學(xué)生對(duì)等離子知識(shí)的興趣。而目前,在科學(xué)研究和工程技術(shù)中,低溫等離子體(包括電弧等離子體、高頻等離子體、微波等離子體、磁流體發(fā)電、等離子體加速、大氣層中的超高速飛行、熱離子能量轉(zhuǎn)換、電子束和離子術(shù)技術(shù)、氣體激光技術(shù)、等離子體化學(xué)等。)及高溫等離子體(受控?zé)岷司圩?也比較多。等離子體涉及許多學(xué)科領(lǐng)域——物理學(xué)、流體力學(xué)、氣體動(dòng)力學(xué)、熱物理、化學(xué)、電磁學(xué)、材料科學(xué)等。等離子體物理作為一門學(xué)科在空間物理學(xué)、現(xiàn)代天體物理學(xué)、氣體電子學(xué)、大規(guī)模集成電路加工制造、材料表面改性等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。無論從事上述那一方面等離子體科學(xué)與技術(shù)的研究和應(yīng)用,都有必要對(duì)等離子體本身有一個(gè)基本的了解。因此,等離子基本知識(shí)的了解對(duì)于理工科學(xué)生都有必要而且很有意義。

在具體的實(shí)驗(yàn)操作中,學(xué)生可通過具體的實(shí)驗(yàn)理解氣體放電的基本原理及過程。氣體放電作為產(chǎn)生等離子的一種常見方法,在低溫等離子體材料表面改性、刻蝕、化學(xué)氣象沉積、等離子體發(fā)光等方面有廣泛應(yīng)用。了解輝光放電等離子體的基本參數(shù)以及實(shí)驗(yàn)室研究等離子的幾種基本的方法(如探針法、霍爾效應(yīng)法、光譜法及微波法)及每種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。重點(diǎn)掌握探針法(單探針和雙探針)和霍爾效應(yīng)法的基本原理,等離子體基本參數(shù)(如等離子體溫度、濃度等)及數(shù)據(jù)處理方法。不僅起到基本實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ腻憻?更多的是對(duì)等離子體知識(shí)的了解以及知識(shí)面的拓展和延伸。同時(shí)也可以激發(fā)學(xué)生對(duì)物理知識(shí)及應(yīng)用前沿的興趣。

3 小 結(jié)

在從事大學(xué)物理、大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)及近代物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中,深刻體會(huì)到學(xué)生對(duì)于應(yīng)用比較多的知識(shí)都非常感興趣、尤其是日常生活的應(yīng)用或者科技前沿。等離子診斷實(shí)驗(yàn)作為近代物理實(shí)驗(yàn)在學(xué)生中深受歡迎。其具體實(shí)驗(yàn)操作不很復(fù)雜,以探針法為基礎(chǔ),實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)兩課時(shí)可完成。開設(shè)此實(shí)驗(yàn)尤其對(duì)于拓展學(xué)生的知識(shí)面及應(yīng)用能力非常必要。而目前大部分的高校仍然將等離子體診斷實(shí)驗(yàn)作為近代物理實(shí)驗(yàn)開設(shè),受眾面還比較窄。其主要是等離子體診斷實(shí)驗(yàn)的儀器設(shè)備比較昂貴、數(shù)量不足、其中部分儀器(如輝光放電管)易損壞等條件限制,沒有作為受眾面比較廣的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)(面對(duì)大部分理工科本科生)來開設(shè)。但隨著各個(gè)學(xué)校實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展以及教學(xué)理念的提升,設(shè)備投入力度的加大及管理體制的完善,可以也有必要逐步形成較大范圍的開設(shè),例如納入大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中,讓更多的學(xué)生受益。

[1]趙正予.等離子體物理學(xué)(講義)[Z].武漢大學(xué),2002.

[2]陳遠(yuǎn)希,劉祖黎.氣體放電等離子體參量診斷實(shí)驗(yàn)[J].物理實(shí)驗(yàn),13(2),49-52.

[3]克拉爾.等離子體物理學(xué)原理[M].北京:原子能出版社,1983:101～121.

[4]趙選科.等離子體隱身技術(shù)[J].大學(xué)物理,2002(5).

Discuss the Necessity of the Wider Opening Plasma Diagnosis Experiment

NIU Xiao-juan1,WU Tie-shan1,ZHAOGuang-xin2,TAN Xiao-ping1,ZHANG Li-hui1
(1.Jianghan University,Wuhan 430056;2.Wuhan University of Science and Engineering,Wuhan 430073)

The experiment of the plasma diagnosis had opened several years in most of universities at physical Laboratory as one of the modern physics experiments.In this paper,we mainly discuss the necessity and meaning of the wider opening this experiment.

plasma;necessity;meaning

G642

A

1007-2934(2010)06-0106-02

2010-06-28

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(40804038)