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等离子体技术有哪些?
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2025-01-08
 

空间等离子体探测技术

在广袤无垠的宇宙空间里,充斥着大量的等离子体,其中绝大部份是能量不足30 KeV的电子、离子和中性粒子等背景态的低能粒子,而这些低能粒子是空间等离子体探测中最基本的探测对象之一。对其展开探测工作,能够为预测和防范空间环境中的灾害性天气事件提供有力的警报支持,同时也有助于更加清晰地认识空间航天器表面的充放电过程,确保航天任务的顺利进行。

中国空间站作为我国长期在轨运行的空间基础设施,其运行轨道处于近地轨道,轨道倾角在42°43°之间,高度范围为340450 km。这一轨道恰好位于电离层F2层峰值高度区域此区域等离子体密度达到最大值,众多电离层物理现象及其效应最为集中地在此处发生因此,中国空间站成为了开展地球电离层等离子体探测与研究工作极为理想的平台。等离子体原位成像探测器采用了多传感器集成化设计,鉴于空间等离子体所具备的独特性质,其探测工作为空间天气的观测开拓了可行的路径。

在空间等离子体探测这一专业领域中,朗缪尔探针与等离子体分析仪是最为有效的探测手段,二者相辅相成,能够共同达成对空间等离子体的全方位探测目标。具体而言,朗缪尔探针能够在特定位置对空间等离子体的电子密度、电子温度等关键特性参数进行精准测量;而等离子体分析仪则可在相应位置对空间等离子体的离子密度、离子温度、离子漂移速度以及离子成分等特性参数实施精确测定。

 

天宫一号空间站

https://www.sohu.com/a/534594837_100167360

高温等离子体

根据电离粒子的温度差异,等离子体通常分为高温等离子体和低温等离子体。高温等离子体是指电子温度等于或者接近于离子温度,气体几乎处于完全电离状态全超导托卡马克装置就是典型的高温等离子体其类似于太阳,是一个热核聚变反应装置,科学家们通过模拟太阳发光发热的原理,在地球上建造以探索清洁能源为目的的核聚变装置,所以被形象地称为“人造太阳”利用磁约束和真空绝热来实现受控核聚变的环形容器,运行原理就是在装置的真空室内加入少量氢的同位素氘或氚,再通过物理方法使其变成高密度和高温条件下的等离子体,进而发生聚变反应产生强大的能量。

 

全超导托卡马克装置

https://cj.sina.com.cn/articles/view/1808670265/6bce1e3902700zht2

低温等离子体

低温等离子体(Low temperature plasma)内的电子和离子处于非热平衡态,产生条件相对简单,在实验室内通过气体放电即可产生,获得和维持较为容易,因此其研究范围和用途非常广泛。根据低温等离子体的粒子温度差异,又可分成热等离子体(Thermal plasma)与非热等离子体(Non-thermal plasma)。其中,对高压气体放电可产生热等离子体,其内部粒子温度相近,一般不超过2×104 K。而非热等离子体也称低温等离子体,其内部离子温度显著低于电子温度,其宏观温度可低至300-103 K,在室温常压或低压下通过激光、微波或射频等条件下对气体放电即可产生。

低温等离子体获取条件简单,可于大气压下电离产生,又称为大气压冷等离子体(Cold atmospheric plasmaCAP)。CAP温度与室温相近,可与人体友好接触,因此成为生物、医学、材料、农学等领域所关注和研究的关键等离子体种类。

 

低温等离子体手术刀

https://newatlas.com/cancer-cold-plasma-clinical-trial/61138/

 

信息来源:

1. 刘超,张爱兵,孙越强,. 空间站问天舱等离子体原位成像探测技术. 物理学报, 2023, 72:361-370.

2. 刘超,关燚炳,张爱兵,. 空间等离子体环境就位探测技术. 中国气象学会第34届中国气象学会年会S17空间天气业务观测、预报和服务保障论文集. 中国科学院国家空间科学中心, 天基空间环境探测北京市重点实验室, 2017:2.

3. 张宣. 可控核聚变为何被称为“终极能源”. 新华日报, 2022-02-09:12.

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