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

夸克-胶子等离子体研究取得突破 有助于了解早期宇宙物质的原始形式

夸克-胶子等离子体研究取得突破有助于了解早期宇宙物质的原始形式重现QGP存在时的极端条件的一个方法是通过相对论重离子碰撞。在这方面，像大型强子对撞机（LHC）和相对论重离子对撞机（RHIC）这样的粒子加速器设施已经通过与此类对撞有关的实验数据进一步加深了我们对QGP的理解。同时，理论物理学家采用多级相对论流体力学模型来解释这些数据，因为QGP的行为非常像一个完美的流体。然而，在低横向动量区域，这些模型和数据之间一直存在着严重的分歧，传统模型和混合模型都无法解释实验中观察到的粒子产量。在此背景下，由上智大学理论物理学家TetsufumiHirano教授领导的一个日本研究小组进行了一项调查，以解释相对论流体力学模型中缺失的粒子产量。在他们最近的工作中，他们提出了一个新的"动态核心-冠层初始化框架"来全面描述高能核碰撞。他们的研究结果发表在2022年11月18日的《物理评论C》杂志上，并涉及上智大学博士生YuukaKanakubo博士（目前所属单位：芬兰于韦斯屈莱大学的博士后研究员）和日本秋田国际大学助理教授YasukiTachibana的贡献。"为了找到能够解释理论建模和实验数据之间差异的机制，我们使用了动态核心-日冕初始化（DCCI2）框架，其中高能核碰撞期间产生的粒子用两个部分来描述：核心，或平衡的物质，以及日冕，或非平衡的物质，"平野教授解释。"这种情况使我们能够检查核心和日冕部分对低横向动量区域的强子生产的贡献。"与此同时，研究人员在PYTHIA（一种计算机模拟程序）上进行了能量为2.76TeV的重离子Pb-Pb碰撞模拟，以测试其DCCI2框架。QGP流体的动态初始化允许分离核心和日冕部分，它们分别通过"切换超表面"和"弦碎裂"来进行强子化。然后这些强子被置于共振衰变中，以获得横向动量（pT）光谱。"我们关闭了强子散射，只进行共振衰变，以看到总产量分解为核心和日冕部分，因为强子散射在反应的后期阶段将这两个部分混合起来，"Kanakubo博士解释说。研究人员随后调查了2.76TeV下带电离子、带电高子、质子和反质子碰撞的pT光谱中核心和日冕成分的比例。接下来，他们将这些光谱与实验数据（来自LHC的ALICE探测器，用于2.76TeV下的Pb-Pb对撞）进行了比较，以量化来自电晕成分的贡献。最后，他们研究了来自电晕成分的贡献对流动变量的影响。他们发现，对于0-5%和40-60%的中心性等级来说，在光谱区域的电晕贡献相对增加了约1GeV。虽然这对所有的强子都是如此，但他们发现在极低的pT（≈0GeV）区域，质子和反质子的光谱中几乎有50%的电晕对粒子产生的贡献。此外，与只比较具有强子散射的核心成分（忽略了电晕成分）相比，DCCI2的完整模拟结果显示与ALICE的实验数据有更好的一致性。发现电晕贡献负责稀释纯粹从核心贡献获得的四粒子累积量（一种流动观测），表明有电晕贡献的粒子的排列组合更多。平野教授强调说："这些发现意味着非平衡电晕成分对极低横向光谱区域的粒子产生有贡献。这解释了流体力学模型中缺失的产量，这些模型只从实验数据中提取平衡的核心成分。这清楚地表明，为了更精确地理解QGP的特性，也有必要提取非平衡成分。"虽然这些发现肯定有助于扩大我们对宇宙的认识，但它们随后在应用研究中的应用预计也会使我们未来的生活受益。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1346821.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1346821.htm

科学家3D打印适用人造卫星的高精度等离子体传感器

科学家3D打印适用人造卫星的高精度等离子体传感器据报道，目前，美国麻省理工学院最新研制3D打印精准等离子体传感器，该设备成本较低，且易于制造，这些数字化设备可以帮助科学家预测天气或者研究气候变化。该等离子体传感器也被称为“延迟电位分析仪(RPAs)”,被人造卫星等轨道航天器用于确定大气化学成分和离子能量分布。3D打印、激光切割流程制造的半导体等离子体传感器，由于该过程需要无尘环境，导致半导体等离子体传感器成本昂贵，且需要几个星期的复杂制造过程。相比之下，麻省理工学院最新研制的等离子体传感器仅需几天时间制造，成本几十美元。由于成本较低、生产速度快，这种新型传感器是立方体卫星的理想选择，立方体卫星成本低廉、低功率且重量轻，经常用于地球上层大气的通信和环境监测。该研究团队使用比硅和薄膜涂层等传统传感器材料更有弹性的玻璃陶瓷材料研制了新型等离子体传感器，通过在塑料3D打印过程中使用玻璃陶瓷，能够制造出形状复杂的传感器，它们能够承受航天器在近地轨道可能遇到的巨大温度波动。研究报告资深作者、麻省理工学院微系统技术实验室(MTL)首席科学家路易斯·费尔南多·委拉斯奎兹-加西亚(LuisFernandoVelasquez-Garcia)说：“增材制造会在未来太空硬件领域产生重大影响，一些人认为，当3D打印一些物体时，必须认可其性能较低，但我们现已证明，情况并非总是这样。”目前这项最新研究报告发表在近期出版的《增材制造杂志》上。多功能传感器等离子体传感器首次用于太空任务是1959年，它能探测到漂浮在等离子体中的离子或者带电粒子的能量，等离子体是存在于地球上层大气中的过热分子混合物。在立方体卫星这样的轨道航天器上，等离子体传感器可以测量能量变化，并进行化学分析，从而有助于科学家预测天气或者监测气候变化。该传感器包含一系列布满小孔的带电网格，当等离子体通过小孔时，电子和其他粒子将被剥离，直到仅剩下离子，当这些离子产生电流，传感器将对其进行测量和分析。等离子体传感器应用成功的关键是对齐网格的孔状结构，它必须具有电绝缘性，同时能够承受温度的剧烈波动，研究人员使用一种可3D打印的玻璃陶瓷材料——Vitrolite，它满足以上特性。据悉，Vitrolite材料最早出现于20世纪初，常应用于彩色瓷砖设计中，成为装饰艺术建筑中最常见的材料。持续耐用的Vitrolite材料可承受高达800摄氏度的高温而不分解，而集成电路结构的等离子体传感器中的高分子材料会在400摄氏度时开始熔化。加西亚说：“当工作人员在无尘室中制造这种传感器时，他们不会有相同的自由度来定义材料和结构，以及它们是如何相互作用，但这可能促成增材制造的最新发展。”重新认识等离子体传感器的3D打印过程陶瓷材料3D打印过程通常涉及到激光轰击陶瓷粉末，使其融合成为各种形状结构，然而，由于激光释放的高热量，该制造过程往往会使材料变得粗糙，并产生瑕疵点。然而，麻省理工学院的科学家在该制造进程中使...PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1307479.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1307479.htm

科学家设计基于等离子体的新方法 为未来火星探索者生产氧气

科学家设计基于等离子体的新方法为未来火星探索者生产氧气一个国际研究小组已经设计出一种基于等离子体的方法来生产和分离火星环境中的氧气。这是美国宇航局的“火星氧原位资源利用实验”（MOXIE）的一个补充方法，它可能提供每公斤送往太空的仪器的高分子生产率。这样一个系统可以在开发火星上的生命支持系统中发挥重要作用。它还可以生产加工燃料、建筑材料和肥料所需的原料和基础化学品。在AIP出版的《应用物理学杂志》上，研究人员提出了一种利用和加工当地资源在火星上生成产品的方法。因为火星大气层主要是由二氧化碳形成的，可以通过分解产生氧气，而且其压力有利于等离子体的点燃，所以红色星球上的自然条件几乎是等离子体就地利用资源的理想条件。该团队包括来自里斯本大学、麻省理工学院、索邦大学、埃因霍芬理工大学和荷兰基础能源研究所的科学家们。研究人员指出，在火星上生产氧气的有两大障碍。“首先，分解二氧化碳分子以提取氧气。这是一个非常难以分解的分子，”研究作者、里斯本大学的VascoGuerra说。“其次，将产生的氧气从还包含例如二氧化碳和一氧化碳的气体混合物中分离出来。我们正在以一种整体的方式研究这两个步骤，以同时解决这两个挑战。这就是等离子体可以提供帮助的地方。”等离子体是物质的第四种自然状态，包含自由带电粒子，如电子和离子。电子很轻，很容易被电场加速到非常高的能量。Guerra说：“当子弹般的电子与二氧化碳分子碰撞时，它们可以直接分解它，或者转移能量使其振动。这种能量在很大程度上可以被引导到二氧化碳的分解中。与我们在法国和荷兰的同事一起，我们通过实验证明了这些理论的正确性。此外，等离子体中产生的热量也有利于氧气的分离。”氧气是创造一个可呼吸环境的关键，它也是为未来火星农业生产燃料和肥料的起点。就地生产燃料将是未来任务的需要。所有这些对于未来人类在火星上的定居都是至关重要的。通过分解二氧化碳分子来生产绿色燃料和回收化学品，等离子体技术也可能有助于解决地球上的气候变化。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1305539.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1305539.htm

科学家提高等离子体推进器的性能 离更深的太空探索更近一步

科学家提高等离子体推进器的性能离更深的太空探索更近一步电力推进是一种利用电磁场来加速推进剂并产生推力以推动航天器的技术。空间机构已将电力推进技术作为空间探索的未来的先驱。已经有几个空间任务使用电推进装置成功完成，如网格化离子推进器和霍尔推进器。当推进剂变成电离体，即等离子体，并被电磁场加速时，太阳能被转化为推力能量。然而，这些设备所需的电极限制了它们的寿命，因为它们会暴露在等离子体中并被损坏，特别是在高功率水平下。为了规避这一问题，科学家们已经转向了无电等离子体推进器。其中一项技术是利用无线电频率（RF）来产生等离子体。一个天线将无线电波发射到一个圆柱形的腔体中以产生等离子体，在那里由一个磁性喷嘴引导和加速等离子体以产生推力。MN射频等离子体推进器，或有时被称为直升机推进器，具有简单性、操作灵活性和潜在的高推力-功率比。但是MN型射频等离子体推进器的发展受到了射频功率到推力能量的转换效率的阻碍，早期的实验只能产生个位数的转换率，但最近的研究已经达到了20%的可接受的结果。在最近的一项研究中，来自东北大学电气工程系的髙桥和贵教授据称已经实现了30%的转换效率。虽然成熟的电力推进装置通常使用氙气，但氙气价格昂贵，而且难以充分供应，目前30%的效率是用氩气推进剂获得的。这表明MNrf等离子体推进器将减少成本和地球的资源负荷。"应用尖峰型磁场抑制了通常发生在等离子体源壁上的能量损失，"髙桥说。"这一突破为高功率空间运输技术的进步打开了大门"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1338715.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1338715.htm

研究人员在聚变燃烧的等离子体中发现奇怪的高能量行为

研究人员在聚变燃烧的等离子体中发现奇怪的高能量行为自2009年以来，国家点火设施（NIF）的科学家们一直在追求核聚变，使用192个激光器阵列向一个约为球形轴承大小的燃料囊发射高能脉冲。这粒燃料是由氘和氚组成的，用突如其来的强热将其湮灭，使独立的原子融合成氦，在此过程中释放出巨大的能量。在一个理想的世界里，核聚变研究人员将让这些核聚变反应作为热源，摒弃激光，让他们相遇为自己提供能量，成为一个自我维持的能源。今年1月，NIF的科学家们发表了研究报告，其中他们详细介绍了实现这一梦想的重要步骤，调整了他们的技术以创造一个自我持续的"燃烧等离子体"。尽管燃烧的等离子体只存在了几纳秒，但这项研究是该领域的首创，也是核聚变研究这一分支--即惯性约束核聚变（ICF）的重要进展。对这种燃烧的等离子体的新分析现在显示出它以一种意想不到的方式表现出来，其中的离子显示出比模型预测的能量更高。新论文的主要作者阿拉斯泰尔-摩尔说："这意味着经历核聚变的离子在最高性能的轰击中带来了比预期更多的能量，这是用于模拟ICF内爆的正常辐射流体力学代码所不能预测的。"科学家们将离子出乎意料的高能行为比作多普勒效应，就像你可能听到警笛在汽车接近、经过，然后驶向远方时的变化一样。该团队说，需要更先进的模拟来正确地充实起作用的过程，但这样做可以为今后的聚变设施设计提供关键的见解。该团队写道："了解这种偏离流体力学行为的原因可能对实现稳健和可重复的点火很重要。"这项研究发表在《自然-物理》杂志上。了解更多：https://www.nature.com/articles/s41567-022-01809-3...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1332839.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1332839.htm