等离子体

定义

等离子体是电离程度足够高的气体，其中包含带正电的离子、自由电子，通常还有未电离的中性原子和分子；这些粒子的正负电荷总量在宏观上几乎相等，因此整体呈准电中性^[1]。它与固态、液态、气态并列，从聚集态的次序上排在第四位，所以被称为物质第四态^[2]。

在气体中，只要电离成分超过千分之一，粒子的行为便主要由离子与电子之间的库仑作用力支配，中性粒子之间的相互作用退居次要地位，这种导电流体因而表现出与普通气体不同的性质^[3]。更严格的判据还要求体系的尺度远大于德拜屏蔽长度、德拜球内粒子数足够多，且等离子体振荡周期短于粒子碰撞时间，这样才能把这类电离气体当作等离子体处理^[4]。

常温下气体热运动能量不足，不会自发电离，因此人类生活环境中的物质以固、液、气三态存在，自然出现的等离子体很少^[2]。相比之下，生物圈以外的宇宙物质绝大部分处于等离子体状态，太阳、恒星、星系以及星际空间中的物质都是等离子体^[5]。

原理

等离子体的产生本质上是电离过程：当气体被加热到数千至数万开尔文以上，分子和原子的热运动足以使电子摆脱原子核束缚，形成自由电子与正离子^[5]。除热电离外，高能粒子碰撞、强电场与强电磁场加速电子、以及强辐射都能造成电离，实验室中的气体放电、激光打靶和聚变装置加热都属此类途径^[6]。

由于含有大量自由电荷，等离子体导电率很高，其运动明显受外加电磁场影响，反过来带电粒子的运动也会自行产生电磁场，形成电流与磁流体动力学波等集体现象^[1]。当局部出现电荷集中时，周围异号电荷会迅速重新分布，使扰动电场在约一个德拜长度的距离内衰减，这一效应称为德拜屏蔽，是等离子体能够保持准电中性的原因^[7]。

德拜长度与等离子体振荡频率是描述等离子体的两个基本尺度，可近似写作 $\lambda_D=\sqrt{\varepsilon_0 k T_e/(n_e e^2)}$ 与 $\omega_{pe}=\sqrt{n_e e^2/(\varepsilon_0 m_e)}$，其中 $n_e$、$T_e$ 分别为电子密度与电子温度^[8]。按电子与离子温度是否接近，等离子体又分为电子与离子温度相近的热等离子体、以及电子温度远高于重粒子温度的冷等离子体（非平衡等离子体）两类^[6]。

发展历程

19 世纪的研究者已在放电管中接触到这种状态：1835 年法拉第观察到低压放电管中的辉光放电现象，1879 年克鲁克斯研究管中电离气体后提出物质还存在第四态^[9]。1912 年德拜与休克尔在研究电解液时导出带电粒子电场受周围异号电荷影响的有效作用距离，即后来所称的德拜屏蔽长度，为定量描述这类体系提供了工具^[4]。

1928 年，美国物理学家欧文·朗缪尔(Irving Langmuir)与阿金森在研究气体放电时，把放电管中远离边界的电离气体命名为 plasma，这一名称此后成为该物态的通用术语^[4]。有资料把命名时间记为 1927 年，也有文献将其归于朗缪尔与汤克斯 1929 年的论文，具体年份在不同来源中略有出入^[7]。

20 世纪 50 年代起，受控核聚变研究推动等离子体物理迅速发展，理论体系逐步成熟，托卡马克等磁约束装置成为主要技术路线^[6]。中国全超导托卡马克实验装置 EAST 于 2006 年建成并实现首次等离子体放电，此后多次刷新运行纪录：2021 年 5 月实现 1.2 亿摄氏度 101 秒运行，2023 年 4 月实现 403 秒高约束模式运行，2025 年 1 月 20 日实现 1 亿摄氏度 1066 秒高约束模式等离子体运行^[10]。

应用

在能源领域，高温等离子体是受控核聚变的工作介质。托卡马克用强磁场把上亿摄氏度的氘氚等离子体约束在环形真空室中，避免其接触器壁，并通过射频波加热、中性束注入等方式提升温度与维持电流^[11]。除磁约束外，惯性约束则用激光等驱动方式瞬间压缩靶丸，在极短时间内创造聚变条件^[12]。

在工业加工方面，等离子体喷枪产生的高温高速射流可用于焊接、堆焊、喷涂与切割，等离子弧焊接的速度明显高于钨极氩弧焊，等离子切割则依靠电弧熔化金属并用高速气流吹除熔融物形成窄切口^[13]。冷等离子体还可用于材料表面改性，例如改善织物浸润性、在光学元件表面沉积薄膜，以及清洗和刻蚀固体表面^[13]。

在电子制造中，等离子体刻蚀与等离子体增强化学气相沉积是集成电路生产的关键工艺，前者按被蚀刻材料不同分为多晶硅、氧化膜和金属膜等设备类别，后者因反应温度较低而在薄膜沉积设备中占有较大份额^[14]。日常生活中，日光灯、霓虹灯和等离子体显示屏也利用气体放电产生的等离子体发光^[13]。

此外，等离子体技术还用于磁流体发电、同位素分离、无线电通信、材料合成与废物处理等方向，人工等离子体的温度大致覆盖 10³ 至 10⁸ 开尔文、电子密度跨越多个数量级，不同参数区间对应不同的用途^[12]。

局限

等离子体判据本身有适用范围。常被引用的“带电粒子加中性粒子、宏观准中性”定义，难以覆盖只含单一电荷的非中性等离子体以及粒子间库仑作用很强的强耦合体系，研究者因此提出过更一般的定义^[4]。而铝块、半导体中的电子气等体系在部分定义下也可算作等离子体，说明边界并非绝对清晰^[15]。

在受控核聚变中，等离子体的稳定性是最主要的障碍之一。磁约束等离子体会出现大破裂、锯齿振荡、边缘局域模等宏观磁流体不稳定性，湍流引起的异常输运又会持续带走热量，限制装置性能，尽管实验已找到多种抑制湍流的方法^[16]。加热与电流驱动系统的效率也不高，所需电功率常为耦合到等离子体的两到三倍，从而抬高电站的自用电比例^[17]。

工程上，聚变装置必须同时满足极低温与上亿摄氏度、高真空与强磁场等彼此冲突的条件，EAST 内部超导线圈工作于 -269 摄氏度的液氦环境，而所约束的等离子体温度达上亿摄氏度，装置包含 22 个大系统、上百万个零件，任何一环的短板都可能使实验前功尽弃^[11]。此外，目前公开报道的长脉冲高参数运行时间仍在千秒量级，距离聚变发电所需的连续稳态运行尚有距离^[18]。

参见

• 受控核聚变 —— 利用等离子体中的轻核聚变反应释放能量，是等离子体物理最重要的应用方向。

• 托卡马克 —— 用环形磁场约束高温等离子体的磁约束聚变装置。

• 德拜屏蔽 —— 等离子体内部电荷扰动被周围异号电荷屏蔽的现象，是等离子体判据的核心概念。

• 气体放电 —— 人工产生等离子体的常见方式，霓虹灯、日光灯与电弧均属此类。

• 物质状态 —— 固态、液态、气态与等离子态等物质聚集状态的总称。

• 等离子体刻蚀 —— 将等离子体用于半导体图形转移的微加工工艺。