更大范围开设等离子体诊断实验的必要性探讨

牛晓娟,吴铁山,赵光欣,谭小平,张立辉

(1.江汉大学,湖北武汉 430056;2.武汉科技学院,湖北武汉 430073)

更大范围开设等离子体诊断实验的必要性探讨

牛晓娟1,吴铁山1,赵光欣2,谭小平1,张立辉1

(1.江汉大学,湖北武汉 430056;2.武汉科技学院,湖北武汉 430073)

等离子体诊断实验作为近代物理实验在各个高校物理实验室中均已开展数年,着重探讨更大范围开设这一近代物理实验的必要性和意义。

等离子体;必要性;意义

众所周知,物质世界中一切宏观物体都是由大量分子(或原子)组成。物质由于温度不同可以处于固态、液态和气态。这三态指物质的聚集态。在固态中,粒子之间的结合最紧密,在液态中次之,在气态中则最松散。当物质达到气体以后,如果继续从外界得到能量,达到一定程度,它的粒子进一步分裂为带负电的电子和带正电的离子,即原子或分子发生电离。这种部分或者全部电离的由大量正、负带电粒子和中性粒子组成,呈现宏观中性的系统通常称为物质的第四态——等离子体态。等离子体的电离方式主要有:热电离,光电离及碰撞电离。电离气体仅仅是等离子体的一种,如电解质溶液可以看成液态等离子体,金属和半导体可以看成固体等离子体。

1 大范围开展此实验的必要性

通常我们按照等离子体的产生可以把等离子体分为自然等离子体和实验室等离子体。自然等离子体广泛存在于宇宙中,在宇宙中几乎有99.9%以上的物质是以等离子体状态存在的。如恒星星系、星云,地球附近的闪电、极光、电离层等。其中电离层犹如地球上空的一面镜子,对人类的生活,比如通讯以及航天器都有重要的意义。所以空间等离子体的研究也是一项科学家非常关注的课题。而实验室等离子体(人工产生的等离子体)在日常生活中经常遇到。如日光灯中的放电,霓虹灯中的放电,高速飞行器的尾迹,射频放电、微波放电产生的等离子体,气体激光器中的放电,受控核聚变时产生的高温等离子体,原子弹和氢弹爆炸时产生的高温等离子体,某些化学反应(燃烧)产生的燃气等离子体等等。在军事上,等离子体隐身系统(在飞行器周围形成—种特殊的等离子体,在不影响飞行器空气动力性能的同时,可使飞行器被雷达发现的概率降低99%以上。)和等离子体武器(利用等离子体云团,在空中设置“陷阱”,这就是常说的等离子体武器。)是电子战的新概念、新技术装备,能够给敌方以电子硬杀伤并使敌方作战人员产生巨大的心理压力。无论是从自然等离子体所占的比重及重要性还是日常生活中、军事上等离子体的应用而言,通过开设辉光放电等离子体诊断实验,让学生了解等离子的基本性质都是非常必要的。

2 开展此实验的意义

本实验室采用南京激光仪器公司研制的DL—Ⅱ型辉光放电等离子实验仪,对物理专业和光电子信息专业的学生作为近代物理实验而开设。几乎每次,学生来做实验之前都很好奇,什么是等离子体?在解释过了等离子体之后,试探性地问学生可知道自然等离子体在宇宙中所占的比重。没有一个学生知道,在告知为99.9%以上时,学生发出了惊叹声。接过这个话题就可以给学生介绍地球上自然等离子体比较少,是由于地球“寒冷”的缘故。但在距离地球表面约60km的电离层以及之外的磁层都是等离子态。在这一系列的发问过程中不仅可以让学生了解自然等离子体这种物质存在的状态,还可以增加电离层及磁层的知识,拓展学生的知识面,让学生了解空间的基本分层情况。同时可以让学生了解目前空间物理以及等离子体物理的发展和研究情况,为学生之后的进一步深造开阔视野。

在介绍完自然等离子体之后,假设一个场景,学生被亲戚朋友邀请去选购电视,面对价格悬殊比较大的液晶和等离子体电视貌似而难以选择时,学生能不能给出液晶电视和等离子体电视发光的基本原理、区别及各自的优势。在生活中做个优秀的电视导购员呢?这一与日常生活非常贴切的场景进一步激发了学生对等离子知识的兴趣。而目前,在科学研究和工程技术中,低温等离子体(包括电弧等离子体、高频等离子体、微波等离子体、磁流体发电、等离子体加速、大气层中的超高速飞行、热离子能量转换、电子束和离子术技术、气体激光技术、等离子体化学等。)及高温等离子体(受控热核聚变)也比较多。等离子体涉及许多学科领域——物理学、流体力学、气体动力学、热物理、化学、电磁学、材料科学等。等离子体物理作为一门学科在空间物理学、现代天体物理学、气体电子学、大规模集成电路加工制造、材料表面改性等领域均有广泛应用。无论从事上述那一方面等离子体科学与技术的研究和应用,都有必要对等离子体本身有一个基本的了解。因此,等离子基本知识的了解对于理工科学生都有必要而且很有意义。

在具体的实验操作中,学生可通过具体的实验理解气体放电的基本原理及过程。气体放电作为产生等离子的一种常见方法,在低温等离子体材料表面改性、刻蚀、化学气象沉积、等离子体发光等方面有广泛应用。了解辉光放电等离子体的基本参数以及实验室研究等离子的几种基本的方法(如探针法、霍尔效应法、光谱法及微波法)及每种方法的优缺点。重点掌握探针法(单探针和双探针)和霍尔效应法的基本原理,等离子体基本参数(如等离子体温度、浓度等)及数据处理方法。不仅起到基本实验能力的锻炼,更多的是对等离子体知识的了解以及知识面的拓展和延伸。同时也可以激发学生对物理知识及应用前沿的兴趣。

3 小 结

在从事大学物理、大学物理实验及近代物理实验的教学中,深刻体会到学生对于应用比较多的知识都非常感兴趣、尤其是日常生活的应用或者科技前沿。等离子诊断实验作为近代物理实验在学生中深受欢迎。其具体实验操作不很复杂,以探针法为基础,实验时长两课时可完成。开设此实验尤其对于拓展学生的知识面及应用能力非常必要。而目前大部分的高校仍然将等离子体诊断实验作为近代物理实验开设,受众面还比较窄。其主要是等离子体诊断实验的仪器设备比较昂贵、数量不足、其中部分仪器(如辉光放电管)易损坏等条件限制,没有作为受众面比较广的大学物理实验(面对大部分理工科本科生)来开设。但随着各个学校实验室的发展以及教学理念的提升,设备投入力度的加大及管理体制的完善,可以也有必要逐步形成较大范围的开设,例如纳入大学物理实验内容中,让更多的学生受益。

[1]赵正予.等离子体物理学(讲义)[Z].武汉大学,2002.

[2]陈远希,刘祖黎.气体放电等离子体参量诊断实验[J].物理实验,13(2),49-52.

[3]克拉尔.等离子体物理学原理[M].北京:原子能出版社,1983:101～121.

[4]赵选科.等离子体隐身技术[J].大学物理,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

国家自然科学基金资助项目(40804038)