科学简单点：什么是等离子体？

科学简单点：什么是等离子体？在等离子体中，一些电子从中性原子（质子和电子数目相等，因此带中性电荷的原子）中分离出来，成为自由电子。由此产生的自由电子使等离子体不同于其他物质状态，在其他物质状态下，电子仍然紧紧地与原子核结合在一起。当等离子体中的原子与带负电荷的电子分离时，它们就不再带有中性电荷。相反，原子变成了离子--带正电的粒子。因此，等离子体是一种由带正电荷的离子和带负电荷的电子组成的电离状态。极光是由地球大气等离子体中的粒子碰撞形成的。资料来源：弗兰克-奥尔森原子中的电子能够分离并形成等离子体有几个原因。在实验室实验中，科学家可以用高压电、激光或电磁场轰击原子，从而形成等离子体。在太空中，高能光子（包括伽马射线）撞击原子也会形成等离子体。在太空中，当重力使压力剧增，从而使气体过热时，也会形成等离子体。高温使原子相互碰撞，导致电子从原子中分离，形成等离子体和恒星的雏形。气体过热产生等离子体的过程表明，气体和等离子体之间的关系类似于液体是固体的加热形式。这种类比并不总是正确的。首先，与气体不同，等离子体可以导电。此外，在气体中，所有粒子的行为方式都相似。然而，在等离子体中，电子和离子的行为和相互作用方式非常复杂，从而产生了波和不稳定性。等离子体有多种类型。宇宙中的大多数等离子体被研究人员称为高温等离子体。在这些高温等离子体中，温度可以超过华氏1万度，所有原子都可以完全电离。低温等离子体则不同。原子只是部分电离，温度低得惊人，甚至只有室温。另一种不寻常的等离子体是高能量密度等离子体，科学家在实验室中制造这种等离子体来研究它们的不寻常特性。总结：有一种闪电--球状闪电--是等离子体。从马克斯-普朗克研究所了解更多信息。极光也是由等离子体造成的。在本科学集锦中了解更多信息。封闭等离子体是设计聚变托卡马克和恒星器设备的重要步骤，这些设备最终可能为我们提供聚变动力。高能量密度等离子体科学实现了实验室条件下的聚变点火。研究等离子体有助于科学家了解物质。这也有助于他们向聚变能源的目标迈进。能源部（DOE）科学办公室通过聚变能源科学和核物理计划支持等离子体研究。能源部资助的等离子体研究还改进了从手机、电脑到汽车等各种产品中的半导体制造。等离子体方面的专业知识帮助能源部国家实验室的研究人员开发出了逐原子控制半导体制造的方法。编译来源：ScitechDaily相关文章:科学简单点：什么是超级计算？科学简单点：什么是人工智能？科学简单点：什么是量子力学？科学简单点：什么是水力发电？科学简单点：什么是核能？科学简单点：什么是气候复原力？科学简单点：什么是纳米科学？科学简单点：什么是暗物质和暗能量？科学简单点：什么是X射线光源？科学简单点：什么是自主发现？科学简单点：什么是氢能源？科学简单点：什么是“关键材料”美国政府定义了多少种？...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1432055.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1432055.htm

核聚变实验已经克服了两个关键障碍 达到“最佳点”

核聚变实验已经克服了两个关键障碍达到“最佳点” DIII-D托卡马克反应堆内部。图片来源：Rswilcox(CCBY-SA4.0)目前，人们正在探索的实现核聚变发电的主要途径之一是使用托卡马克反应堆。这是一种“甜甜圈”形状的真空装置，外面环绕着磁线圈。它借助强大的磁场，将等离子体加热到数亿摄氏度的极高温度，甚至比太阳还热，以达到核聚变的目的。人们一直认为存在一个临界点，即格林沃尔德极限。如果试图提高燃料密度，超过这个临界点时，等离子体就会脱离磁场的约束，四散逃逸，从而可能损坏反应堆。而提高密度对提高产量至关重要，因为实验表明，托卡马克反应堆的产量与燃料密度的平方成正比。现在，美国通用原子能公司的SiyeDing和同事证明，有一种方法可以提高等离子体密度，且能够实现高约束稳态运行。利用这种方法，他们成功使DIII-D国家聚变设施托卡马克反应堆在平均密度比格林沃尔德极限高出20%的情况下，运行了2.2秒。虽然之前已经打破了这一“关卡”，但稳定性较差、持续时间较短，而且这次的关键指标是，能量约束增强因子H98(y,2)>1。英国贝尔法斯特女王大学的GianlucaSarri解释说，H98(y,2)显示了磁场对等离子体的约束程度，数值为1或以上意味着等离子体被成功固定在适当的位置。“如果现在开始表现出某种稳态运行，就可以一直处于最佳状态。”Sarri说，“这次实验是在一台小型设备上完成的，如果把结果推广到更大的设备上，就可以在很长一段时间内提高功率、实现增益。”这次DIII-D实验依赖于多方法融合，这些方法本身并不新鲜，但融合起来似乎很有前景。DIII-D等离子体室的外半径只有1.6米，目前还不知道同样的方法是否适用于国际热核聚变实验反应堆（ITER）。这是法国正在建设的下一代托卡马克，半径将达到6.2米。“这次实验对未来的核聚变发电来说是个好兆头。”Ding说，“许多反应堆设计要求同时具有高约束和高密度。从实验上讲，这是第一次实现这一点。”Ding表示：“下一步耗资巨大，目前研究正在朝着许多不同的方向发展，我希望这篇论文有助于集中全球的努力。”相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07313-3...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1428660.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1428660.htm

乌克兰研究人员参与取得聚变发电成果 微波加热等离子体迎来突破性进展

乌克兰研究人员参与取得聚变发电成果微波加热等离子体迎来突破性进展HeliotronJ装置的结构。资料来源：京都大学/HeliotronJ小组质体必须保持在正确的密度、温度和时间，才能发生核聚变。包括马克斯-普朗克等离子体物理研究所在内的研究团队已经确定了等离子体生产的三个关键步骤，并利用HeliotronJ设备研究核聚变等离子体放电。他们发现，在不对准磁场的情况下施加2.45GHz微波会产生密集的等离子体，这有可能简化未来的聚变研究。主要作者YuriiVictorovichKovtun，尽管在目前的俄乌战争中被迫撤离哈尔科夫物理技术研究所，但仍继续与京都大学合作，利用微波创造稳定的等离子体。让等离子体恰到好处是利用核聚变所承诺的大量能量的障碍之一。等离子体--离子和电子的汤--必须保持适当的密度、温度和时间，使原子核融合在一起，以达到预期的能量释放。一种配方涉及使用大型的、带有强大磁铁的甜甜圈形状的装置，这些磁铁包含等离子体，同时仔细排列的微波发生器加热原子混合物。物理学聚变能量波的概念聚变能源是一个迷人的、有前途的研究领域，它试图利用为太阳提供动力的相同过程来生产清洁、丰富和几乎无限的能源。现在，京都大学先进能源研究所与哈尔科夫研究所和马克斯-普朗克等离子体物理研究所合作，利用低频率的微波功率，创造出具有聚变适宜密度的等离子体。研究小组已经确定了等离子体生产的三个重要步骤：闪电般的气体分解、初步等离子体生产和稳态等离子体。这项研究正在使用HeliotronJ进行，这是位于京都大学南部宇治校区的先进能源研究所的实验性聚变等离子体设备的最新迭代。小组负责人长崎和信解释说："最初，我们没有想到在HeliotronJ中会出现这些现象，但惊讶地发现等离子体的形成没有回旋共振。"在几十年的经验基础上，长崎的团队正在探索HeliotronJ中的聚变等离子体放电现象。该小组将2.45GHz的微波功率的强烈爆发注入进料气体。家庭中的微波炉在这个相同的频率下工作，但HeliotronJ的功率大约是10倍，而且集中在几个气体原子上。"出乎意料的是，我们发现在没有对准HeliotronJ的磁场的情况下爆破微波会产生一种放电，将电子从其原子上撕下来，并产生一种特别密集的等离子体，"长崎惊叹道。"我们非常感谢我们的同事能够继续支持这项研究，关于这种利用微波放电产生等离子体的方法的发现可能会简化未来的聚变研究。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1352969.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1352969.htm

哈工大空间环境地面模拟装置进入试运行阶段 - 地球上也有了“空间站”

哈工大空间环境地面模拟装置进入试运行阶段-地球上也有了“空间站”空间环境地面模拟装置效果图作为我国航天领域首个大科学装置，“地面空间站”是国际上首个综合环境因素最多、可实现多尺度和跨尺度环境效应研究的综合性研究装置，将为我国航天事业发展及人类太空探索贡献智慧和力量。空间环境地面模拟装置月尘舱“地面空间站”位于黑龙江省哈尔滨新区科技创新城，由哈尔滨工业大学联合中国航天科技集团承建。在建设园区，分布着“一大三小”四栋实验楼，其中“一大”是空间综合环境实验楼，“三小”是空间等离子体科学实验楼、空间磁环境科学实验楼、动物培养室。空间环境地面模拟装置空间等离子体环境模拟与研究系统按照设计规划，“地面空间站”可以模拟真空、高低温、带电粒子、电磁辐射、空间粉尘、等离子体、弱磁场、中性气体、微重力等九大类空间环境因素，能够阐释空间环境对材料、器件、系统及生命体的影响规律和作用机制。空间环境地面模拟装置火星尘舱相较于把实验仪器设备搬到太空，“地面空间站”既能节省成本、减少安全隐患，又可以根据科学问题和工程需要，设置特定的环境因素，不受时空限制进行多次重复验证，从而打造更加安全便捷的实验条件和科研手段。未来，许多需要抵达太空才能进行的实验，在地面上就能完成。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1368763.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1368763.htm

美国空军"冷冻射线"技术背后的科学原理

美国空军"冷冻射线"技术背后的科学原理霍普金斯说："这是目前的主要问题。"飞船上的很多电子设备都会发热，但它们却没有办法冷却下来。"美国空军非常看好冷冻射线的前景，因此在三年内向霍普金斯教授的ExSiTE实验室（热工程实验与模拟）拨款75万美元，用于研究如何最大限度地利用这项技术。此后，该实验室将与霍普金斯大学的衍生公司激光热能公司合作，制造原型设备。这位教授解释说，在地球上--或者在更接近地球的空中--军用飞行器中的电子设备通常可以通过自然冷却。例如，海军使用海水作为液体冷却系统的一部分。而在离地面较近的地方，空气密度足以帮助保持飞机部件的冷却。博士生萨拉-马卡里姆-霍塞尼和丹尼尔-赫特在观察等离子射线装置。虽然赫特戴着针织帽，穿着蓬松的外套，但冷却是局部的，对周围的室温影响不大。图片来源：汤姆-科吉尔太空挑战然而，"对于空军和太空部队来说，你在太空中，那里是真空的，或者你在高层大气中，那里只有很少的空气可以降温，"他说："因此，电子设备的温度会越来越高。而你又不能携带有效载荷的冷却剂，因为这会增加重量，降低效率。"霍普金斯相信，他正朝着轻量级解决方案的方向前进。他和合作者最近在《ACSNano》杂志上发表了一篇综述文章，介绍了这一技术和其他技术的前景。等离子体：物质的第四种状态我们日常接触的物质有三种状态：固态、液态和气态。但还有第四种状态：等离子体。虽然对地球上的我们来说，等离子体似乎相对罕见，但它却是宇宙中最常见的物质形式。事实上，恒星就是由它构成的。霍普金斯说，当气体通电时就会产生等离子体。气体的类型和其他条件不同，等离子体的特性也不同。但所有等离子体的共同点是最初的化学反应，这种反应会使电子脱离核轨道，并释放出光子、离子和电子等高能物质流。例如，我们可以从闪电的突然闪现或霓虹灯的温暖光芒中看到令人瞠目结舌的结果。虽然等离子屏幕电视曾经风靡一时，后来又被淘汰，但不要被它所迷惑。等离子在科技领域的应用越来越广泛。许多空军最快速的喷气式飞机的发动机就已经使用了等离子体。等离子体可以帮助燃烧，提高速度和效率。本例中的等离子体喷流由氦气制成，能产生紫色光晕。实验室还将对其他气体进行实验，以确定哪种气体最适合用于冷却。资料来源：汤姆-科吉尔等离子体在飞船内部的潜力不过，霍普金斯描绘了等离子体在飞船内部的应用。空气和太空电子设备的典型解决方案是使用"冷板"，将电子设备的热量传导给散热器，再由散热器释放出来。然而，对于先进的电子设备来说，这可能并不总是足够的。霍普金斯认为，修改后的设置可能类似于一个机械臂，它可以根据温度变化进行移动，并配有一个短小的近距离电极，可以对热点进行电击。这种等离子体射流就像激光束，就像闪电。它可以非常局部化。事实：等离子体的温度可以达到太阳表面的温度。但它似乎也有一个奇怪的特性--似乎违反了热力学第二定律。当等离子体撞击表面时，它实际上是先冷却后加热。霍普金斯和他的合作者、美国海军研究实验室的斯科特-沃尔顿在几年前，也就是大流行病肆虐之前，发现了这一意想不到的现象，他定制的微型仪器可以记录细微的热量变化。在实验中，他们将氦气产生的紫色等离子体射流穿过一根用陶瓷包裹的空心针。目标是一个镀金表面。研究人员选择金是因为它是惰性的，而且他们希望尽可能避免聚焦光束对表面的蚀刻，因为这可能会影响实验结果。霍普金斯说："因此，当我们开启等离子体时，我们可以立即测量等离子体照射到的地方的温度，然后观察表面的变化。我们看到表面先冷却，然后再升温。我们可以立即测量等离子体撞击到的地方的温度，然后我们可以看到表面如何变化，我们看到表面先冷却，然后又升温。我们没有任何信息可以利用，因为之前没有任何文献能够像我们这样精确地测量温度变化。没有人能够如此迅速地做到这一点。"通过与当时的弗吉尼亚大学博士研究员约翰-托姆科（JohnTomko）的合作，以及与海军实验室的持续测试，他们最终确定，表面冷却一定是由于爆破了由碳和水分子组成的超薄、难以察觉的表层。当我们游泳后皮肤上的凉水蒸发时，也会发生类似的过程。教授说："身体上的水分子蒸发需要能量；它从身体中获取能量，这就是为什么你会感觉冷。在这种情况下，等离子体撕开被吸收的物种，能量被释放出来，这就是冷却的原因"。霍普金斯大学的显微镜通过一种叫做"时间分辨光学测温"的过程工作，测量一种叫做"热反射"的概念。基本上，当表面材料较热时，它对光线的反射与较冷时不同。之所以需要专门的瞄准镜，是因为等离子体会遮住任何直接接触的温度计。那么冷到底有多冷？他们确定，他们能够将温度降低几度，而且时间只有几微秒。虽然这看起来并不夸张，但足以对某些电子设备产生影响。大流行延迟后，霍普金斯及其合作者在去年的《自然-通讯》上发表了他们的初步研究成果。然后问题就来了：他们能否让反应更冷、持续时间更长？改进冷冻射线之前，弗吉尼亚大学实验室使用的是海军借来的设备--它非常轻便安全，经常用于学校的演示--现在，由于空军的资助，弗吉尼亚大学实验室拥有了自己的设备。研究小组正在研究如何对原始设计进行改进。博士候选人萨拉-马卡里姆-霍西尼（SaraMakaremHoseini）和丹尼尔-赫特（DanielHirt）正在考虑等离子体可以针对的气体、金属和表面涂层。赫特提供了实验室的最新情况。他说："我们还没有真正探索过不同气体的使用，因为我们仍在使用氦气。到目前为止，我们已经用不同的金属（如金、铜）和半导体进行了实验，每种材料都有自己的用途，可以研究等离子体如何与它们的不同特性相互作用。由于等离子体是由各种不同的粒子组成的，改变所使用的气体类型将使我们能够看到这些粒子中的每一种粒子是如何影响材料特性的"。赫特说，与霍普金斯大学合作开展具有如此重大影响的项目，重新唤起了他对研究的兴趣，这在很大程度上要归功于教授营造的支持性实验室环境。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1374695.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1374695.htm

中国“人造太阳”运行时间突破千秒 创新纪录

中国“人造太阳”运行时间突破千秒创新纪录2021年的最后一天，中科院合肥物质科学研究院传来消息：该院等离子体物理研究所有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）实现1056秒的长脉冲高参数等离子体运行，这是目前世界上托卡马克装置高温等离子体运行的最长时间。据新华社报道，EAST是中国国家发改委批准立项的国家重大科技基础设施，拥有类似太阳的核聚变反应机制，用来探索核聚变能源应用。核聚变能源的原材料在地球上几乎取之不竭，排放无污染，被视为“终极能源”。实现核聚变发电的两大难点是实现上亿摄氏度点火和稳定长时间约束控制。近年来，在合肥综合性国家科学中心等相关部门支持下，EAST进行一系列性能升级，本轮实验于2021年12月初开始。EAST装置实验运行总负责人龚先祖告诉记者：“2021年上半年，我们把电子温度1.2亿摄氏度等离子体维持了101秒，这次我们是把电子温度近7000万摄氏度的长脉冲高参数等离子体维持了1056秒，注入能量达到1.73吉焦。这是两个不同阶段的目标，千秒等离子体运行的实现，为未来建造稳态的聚变工程堆奠定坚实的科学和实验基础。”实验装置、实验堆、工程堆是瞄准聚变能商用不可逾越的步骤，经过国际社会70余年的共同努力，核聚变研究已从实验装置进入实验堆和工程堆“篇章”。目前，1兆安的等离子体电流、电子温度1亿摄氏度的等离子体、1000秒的连续运行时间，上述三个条件在EAST上已分别实现。中科院合肥物质科学研究院副院长、等离子体物理研究所所长宋云涛说：“千秒量级等离子体运行再次挑战了世界托卡马克纪录，我们全面验证了未来聚变发电的等离子体控制技术，推动其从基础研究向工程应用迈进了一大步。”据科研人员介绍，本轮实验至少持续到2022年6月，EAST科研团队将在未来聚变堆类似条件下，向更高参数稳态高约束等离子体运行等科学目标发起冲击。发布：2021年12月31日3:42PM