尘埃等离子体研究综述(3)
等离子体是物质存在的第四种状态，称物质第四态。等离子体广泛存在于宇宙空间（从电离层到宇宙深处几乎都是电离状态，宇宙空间99%是等离子体。地球表面几乎没有自然存在的等离子体。只有闪电、气体放电等实验室中出现的电离气体，是等离子体。
等离子体是由大量带电粒子组成的多粒子体系。两个带电粒子之间本来是简单的库伦作用，由于周围大量带电粒子的存在，会出现电荷屏蔽现象，这是等离子体的重要特征之一。
等离子体另一个重要特征---德拜屏蔽效应：对任何在等离子体中建立电场的企图都会受到等离子体中自由带电粒子的阻止，这就是等离子体的德拜屏蔽效应。
等离子体中的粒子碰撞与中性气体中的粒子碰撞有显著不同。中性粒子间的作用是短程力，力程约为粒子线度大小，在两个粒子间是自由的，仅当接近到粒子半径距离附近才有明显作用，因此他们间的弹性碰撞是近距离的二体碰撞，碰撞引起的偏转角是显著的、多半是大角度的。
等离子体中的带电粒子之间相互作用是长程库伦力，一个带电粒子同时与许多带电粒子发生作用，就是多体相互作用，因此等离子体中的带电粒子碰撞是极其复杂的。
2.2 尘埃等离子体的基本概念和特征参数
尘埃等离子体是一种复杂的物质形态，由普通的等离子体和悬浮其中的固体颗粒组成。普通等离子体由带负电的电子和带正电的离子组成，再加入固体颗粒形成三组分的物质，如下图。
图2.1 尘埃等离子体的粒子组成
尘埃等离子体的最基本性质就是颗粒的带电性，颗粒上的电荷不是与生俱来的，而是被等离子体中的电子和离子所充电的。颗粒所带的电荷由充电方程dqt/ dt =Ie +Ii 决定, 其中Ie 和Ii 分别为电子和离子的充电电流。带电机制有很多种, 最基本的机制是轨道运动受限的静电探针模型。电子、离子由于无规则热运动而不断地与尘埃颗粒碰撞，他们在颗粒周围的静电场中做轨道运动，如果碰到颗粒表面，就使之带上一个电荷。通常电子的无规则热运动速度远大于离子的无规则热运动，因而最先使颗粒带上负电，在颗粒周围建立的静电场是排斥电子而吸收离子的，最终打到颗粒表面的电子电流与离子电流大小相等，颗粒电荷不再增加，达到平衡：Ie +Ii = 0, 这说明通常情况下颗粒带负电。
充电电流一般与等离子体密度、温度、流速等参数有关,同时也与尘埃颗粒的大小、形状、质地、密度有关。如果颗粒尺寸远小于德拜长度,则可近似看作球形点电荷, 假如密度比较小, 以至于相邻颗粒的间距远大于德拜长度, 则可视为孤立的点电荷。在这种情况下,充电电流有解析表达式,对于半径为r的金属颗粒, 其颗粒表面电位Vs与颗粒所带电荷qd的关系为qd= 40r( Vs- Vp), 其中Vp为等离子体电位。对于等离子体, 假定电子与离子温度相等,则平衡态(Vs -Vp) =-2.51T/e,如果等离子体温度为1eV, 则1m大小的尘埃颗粒带的电荷量为-1744e。在尘埃粒子数密度比较高的情况下, 每个德拜球内就不止一个尘埃颗粒,这样颗粒间就会有相互作用,等离子体充电电流也被几个颗粒分享,则颗粒上所带的电荷比孤立情况下的电荷小。
还有二次发射电子机制,当存在高能电子或离子时，这些粒子在轰击尘埃颗粒的同时，会使颗粒释放出二次电子，其结果使颗粒带正电。只有能量超过几十甚至上百eV的粒子打到尘埃上才会发射二次电子。通常在有高能粒子情况下，如在实验室等离子体的高压鞘层中或空间等离子体的宇宙射线中，这种带电机制显得比较重要。
尘埃颗粒的另一个重要性质就是电荷涨落。与普通等离子体中离子电荷是固定的情况不同, 尘埃颗粒的电荷不是固定的, 是可以变化的动力学参量。其电位、温度等参量的改变都会使颗粒电荷发生变化。最常见的是等离子体中的波动, 其密度、电位都有扰动, 于是产生相应的颗粒电荷涨落, 这会大大影响波动性质。在通常的实验室低温等离子体中, 尘埃颗粒的充电以及电荷涨落时间尺度与离子的振荡频率具有相同数量级, 而且颗粒越大, 时间尺度越短。因此电荷涨落是相当快的, 即使颗粒本身来不及运动, 电荷涨落也会对等离子体性质产生很大影响。由颗粒电荷变化引发的研究工作一直是这个领域的热点问题。
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