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博文

辉光放电及其他

已有 11209 次阅读 2015-1-5 23:05 |个人分类:气固反应|系统分类:科研笔记

关注:

1) 辉光放电的原理及种类(如脉冲辉光放电等)

2) 装置参数

3) 射频放电的原理及装置




问题:

1)

辉光发电清洗可设计成对整个真空腔室清洗吗?


射频与辉光放电有什么区别?射频是用电磁波来击穿形成等离子体,辉光是电压击穿。


托卡马克里面采用的是脉冲式?




1. Matsuyama M.  Dynamic Behavior of Tritium Release from Stainless Steel for LHD


The schematic diagram of a glow discharge device constructed newly in this study was shown in Fig. 1.

Major point of this device is to enable to examine the trapping and release behavior of hydrogen isotopes charged by glow discharge
without exposure to the atmosphere
.

Glow discharge conditions are as follows: atmosphere was hydrogen or deuterium,
pressure was 130 Pa, discharge current was 20 mA, and discharge time was changes from 1 to 4 hours.



摘录学习:

http://www.coronalab.net/coldplasm/coldplasm.htm


低温等离子体介绍

什么是低温等离子体  低温等离子体的产生方法低温等离子体的应用领域

基本概念

  等离子体是物质存在的第四种状态。它由电离的导电气体组成,其中包括六种典型的粒子,即电子、正离子、负离子、激发态的原子或分子、基态的原子或分子以及光子。
   事实上等离子体就是由上述大量正负带电粒子和中性粒子组成的,并表现出集体行为的一种准中性气体,也就是高度电离的气体。无论是部分电离还是完全电离,其中的负电荷总数等于正电荷总数,所以叫等离子体。


等离子体的分类

1、按等离子体焰温度分:
   (1)高温等离子体:温度相当于10
8~109     K完全电离的等离子体,如太阳、受控热核聚变等离子体。
   (2)低温等离子体:
   热等离子体:稠密高压(1大气压以上),温度10
3~105K,如电弧、高频和燃烧等离子体。
   冷等离子体电子温度高(10
3~104K)、气体温度低,如稀薄低压辉光放电等离子体、电晕放电等离子体、DBD介质阻挡放电等离子体、索梯放电等离子体等。


2、按等离子体所处的状态:
   (1)平衡等离子体:气体压力较高,电子温度与气体温度大致相等的等离子体。如常压下的电弧放电等离子体和高频感应等离子体。
   (2)非平衡等离子体:低气压下或常压下,
电子温度远远大于气体温度的等离子体。如低气压下DC辉光放电和高频感应辉光放电,大气压下DBD介质阻挡放电等产生的冷等离子体。


什么是低温(冷)等离子体?

   冰升温至0℃会变成水,如继续使温度升至100℃,那么水就会沸腾成为水蒸气。随着温度的上升,物质的存在状态一般会呈现出固态→液态→气态三种物态的转化过程,我们把这三种基本形态称为物质的三态。

    那么对于气态物质,温度升至几千度时,将会有什么新变化呢?  由于物质分子热运动加剧,相互间的碰撞就会使气体分子产生电离,这样物质就变成由自由运动并相互作用的正离子和电子组成的混合物(蜡烛的火焰就处于这种状态)。我们把物质的这种存在状态称为物质的第四态,即等离子体态(plasma)。因为电离过程中正离子和电子总是成对出现,所以等离子体中正离子和电子的总数大致相等,总体来看为准电中性。反过来,我们可以把等离子体定义为:正离子和电子的密度大致相等的电离气体。  
   从刚才提到的微弱的蜡烛火焰,我们可以看到等离子体的存在,而夜空中的满天星斗又都是高温的完全电离等离子体。

     据印度天体物理学家沙哈(M·Saha,1893-1956)的计算,宇宙中的99.9%的物质处于等离子体状态。而我们居住的地球倒是例外的温度较低的星球。此外,对于自然界中的等离子体,我们还可以列举太阳、电离层、极光、雷电等。在人工生成等离子体的方法中,气体放电法比加热的办法更加简便高效,诸如荧光灯、霓虹灯、电弧焊、电晕放电等等。在自然和人工生成的各种主要类型的等离子体的密度和温度的数值,其密度为106(单位:个/m3的稀薄星际等离子体到密度为1025的电弧放电等离子体,跨越近20个数量级。其温度分布范围则从100K的低温超高温核聚变等离子体的108-109K(1~10亿度)。 温度轴的单位eV(electron volt)是等离子体领域中常用的温度单位,1eV=11600K。
   通常,等离子体中存在电子、正离子和中性粒子(包括不带电荷的粒子如原子或分子以及原子团)等三种粒子。设它们的密度分别为ne,ni,nn,由于准电中性,所以电离前气体分子密度为ne≈nn。于是,我们定义电离度β=ne/(ne+nn),以此来衡量等离子体的电离程度。日冕、核聚变中的高温等离子体的电离度都是100%,像这样β=1的等离子体称为完全电离等离子体。电离度大于1%(β≥10-2)的称为强电离等离子体,像火焰中的等离子体大部分是中性粒子(β<10-3 ),称之为弱电离等离子体。
   若放电是在接近于大气压的高气压条件下进行,那么电子、离子、中性粒子会通过激烈碰撞而充分交换动能,从而使等离子体达到热平衡状态。若电子、离子、中性粒子的温度分别为了Te,Ti,Tn,我们把这三种粒子的温度近似相等(Te≈Ti≈Tn)的热平衡等离子体称为热等离子体(thermal  plasma),在实际的热等离子体发生装置中,阴极和阳极间的电弧放电作用使得流入的工作气体发生电离,输出的等离子体呈喷射状,可称为等离子体炬(plasma  jet)或等离子体喷焰(plasma torch)等。
   另一方面,数百帕以下的低气压等离子体常常处于非热平衡状态。此时,电子在与离子或中性粒子的碰撞过程中几乎不损失能量,所以有Te>>Ti  , Te>>Tn。我们把这样的等离子体称为低温等离子体(cold plasma)。当然,即使是在高气压下,低温等离子体也可以通过不产生热效应的短脉冲放电模式如电晕放电(corona  discharge)、介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge, DBD)
或滑动电弧放电(Glide  Arc Discharge or Plasma Arc)来生成。大气压下的辉光放电技术目前也已成为世界各国的研究热点。可产生大气压非平衡态等离子体的机理尚不清楚,在高气压下等离子体的输运特性的研究也刚刚起步,现已形成新的研究热点。(To  top)


低温等离子体的产生方法

辉光放电 电晕放电 介质阻挡放电 射频放电 滑动电弧放电射流放电  大气压辉光放电次大气压辉光放电

辉光放电(Glow   Discharge)

     辉光放电属于低气压放电(low pressure discharge),工作压力一般都低于10mbar,其构造是在封闭的容器內放置两个平行的电极板,利用电子将中性原子和分子激发,当粒子由激发态(excited   state)降回至基态(ground state)时会以光的形式释放出能量。电源可以为直流电源也可以是交流电源。每种气体都有其典型的辉光放电颜色(如下表所示),荧光灯的发光即为辉光放电。因此,实验时若发现等离子的颜色有误,通常代表气体的纯度有问题,一般为漏气所至。辉光放电是化学等离子体实验的重要工具,但因其受低气压的限制,工业应用难于连续化生产且应用成本高昂,而无法广泛应用于工业制造中。目前的应用范围仅局限于实验室、灯光照明产品和半导体工业等。(To   top)

部分气体辉光放电的颜色

GasCathode LayerNegative GlowPositive Column

He

Ne(neon)

Ar

Kr

Xe

H2

N2

O2

Air

red

yellow

pink

-

-

red-brown

pink

red

pink

pink

orange

dark-blue

green

orange-green

thin-blue

blue

yellow-white

blue

Red-pink

red-brown

dark-red

blue-purple

white-green

pink

red-yellow

red-yellow

red-yellow


部分气体的辉光放电实例

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电晕放电(Corona Discharge)

   气体介质在不均匀电场中的局部自持放电。是最常见的一种气体放电形式。在曲率半径很大的尖端电极附近,由于局部电场强度超过气体的电离场强,使气体发生电离和激励,因而出现电晕放电。发生电晕时在电极周围可以看到光亮,并伴有咝咝声。电晕放电可以是相对稳定的放电形式,也可以是不均匀电场间隙击穿过程中的早期发展阶段。    
   电晕放电的形成机制因尖端电极的极性不同而有区别,这主要是由于电晕放电时空间电荷的积累和分布状况不同所造成的。在直流电压作用下,负极性电晕或正极性电晕均在尖端电极附近聚集起空间电荷。在负极性电晕中,当电子引起碰撞电离后,电子被驱往远离尖端电极的空间,并形成负离子,在靠近电极表面则聚集起正离子。电场继续加强时,正离子被吸进电极,此时出现一脉冲电晕电流,负离子则扩散到间隙空间。此后又重复开始下一个电离及带电粒子运动过程。如此循环,以致出现许多脉冲形式的电晕电流,电晕放电可以在大气压下工作,但需要足够高的电压以增加电晕部位的电场。一般在高压和强电场的工作条件下,不容易获得稳定的电晕放电,亦容易产生局部的电弧放电(arc)。为提高稳定性可将反应器做成非对称(asymmetric)的电极形式(如下图所示)。电晕放电反应器的设计主要参考电源的性质而有所不同,有直流电晕放电(DC   corona)和脉冲式(pulsed corona)电晕放电。利用电晕放电可以进行静电除尘、污水处理、空气净化等。地面上的树木等尖端物体在大地电场作用下的电晕放电是参与大气电平衡的重要环节。海洋表面溅射水滴上出现的电晕放电可促进海洋中有机物的生成,还可能是地球远古大气中生物前合成氨基酸的有效放电形式之一。针对不同应用目的研究,电晕放电是具有重要意义的技术课题。
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电晕放电情形(To           top)

电晕放电实例

 

介质阻挡放电(Dielectric Barrier   Discharge, DBD)

   介质阻挡放电(DBD)是有绝缘介质插入放电空间的一种非平衡态气体放电又称介质阻挡电晕放电或无声放电。介质阻挡放电能够在高气压和很宽的频率范围内工作,通常的工作气压为104~106。电源频率可从50Hz至1MHz。电极结构的设计形式多种多样。在两个放电电极之间充满某种工作气体,并将其中一个或两个电极用绝缘介质覆盖,也可以将介质直接悬挂在放电空间或采用颗粒状的介质填充其中,当两电极间施加足够高的交流电压时,电极间的气体会被击穿而产生放电,即产生了介质阻挡放电。在实际应用中,管线式的电极结构被广泛的应用于各种化学反应器中,而平板式电极结构则被广泛的应用于工业中的高分子和金属薄膜及板材的改性、接枝、表面张力的提高、清洗和亲水改性中。(To   top)

 

介质阻挡放电(DBD)常用结构

   介质阻挡放电通常是由正弦波型(sinusoidal)的交流(alternating   current, AC)高压电源驱动,随着供给电压的升高,系统中反应气体的状态会经历三个阶段的变化,即会由绝缘状态(insulation)逐渐至击穿(breakdown)最后发生放电。当供給的电压比较低时,虽然有些气体会有一些电离和游离扩散,但因含量太少电流太小,不足以使反应区内的气体出现等离子体反应,此时的电流为零。随着供给电压的逐渐提高,反应区域中的电子也随之增加,但未达到反应气体的击穿电压(breakdown   voltage; avalanche voltage)时,两电极间的电场比较低无法提供电子足够的能量使气体分子进行非弹性碰撞,缺乏非弹性碰撞的结果导致电子数不能大量增加,因此,反应气体仍然为绝缘状态,无法产生放电,此时的电流随着电极施加的电压提高而略有增加,但几乎为零。若继续提高供給电压,当两电极间的电场大到足夠使气体分子进行非弹性碰撞时,气体将因为离子化的非弹性碰撞而大量增加,当空间中的电子密度高于一临界值时及帕邢(Paschen)击穿电压时,便产生許多微放电丝(microdischarge)导通在两极之间,同时系統中可明显观察到发光(luminous)的現象此时,电流会随着施加的电压提高而迅速增加。
   在介质阻挡放电中,当击穿电压超过帕邢(Paschen)击穿电压时,大量随机分布的微放电就会出现在间隙中,这种放电的外观特征远看貌似低气压下的辉光放电,发出接近兰色的光。近看,则由大量呈现细丝状的细微快脉冲放电构成。只要电极间的气隙均匀,则放电是均匀、漫散和稳定的。这些微放电是由大量快脉冲电流细丝组成,而每个电流细丝在放电空间和时间上都是无规则分布的,放电通道基本为圆柱状,其半径约为0.1~0.3mm,放电持续时间极短,约为10~100ns,但电流密度却可高达0.1~1kA/cm
2,每个电流细丝就是一个微放电,在介质表面上扩散成表面放电,并呈现为明亮的斑点。这些宏观特征会随着电极间所加的功率、频率和介质的不同而有所改变。如用双介质并施加足够的功率时,电晕放电会表现出“无丝状”、均匀的兰色放电,看上去像辉光放电但却不是辉光放电。这种宏观效应可通过透明电极或电极间的气隙直接在实验中观察到。当然,不同的气体环境其放电的颜色是不同的。
   虽然介质阻挡放电已被开发和广泛的应用,可对它的理论研究还只是近20年来的事,而且仅限于对微放电或对整个放电过程某个局部进行较为详尽的讨论,并没有一种能够适用于各种情况DBD的理论。其原因在于各种DBD的工作条件大不相同,且放电过程中既有物理过程,又有化学过程,相互影响,从最终结果很难断定中间发生的具体过程。
   由于DBD在产生的放电过程中会产生大量的自由基和准分子,如OH、O、NO等,它们的化学性质非常活跃,很容易和其它原子、分子或其它自由基发生反应而形成稳定的原子或分子。因而可利用这些自由基的特性来处理VOCs,在环保方面也有很重要的价值。另外,利用DBD可制成准分子辐射光源,它们能发射窄带辐射,其波长覆盖红外、紫外和可见光等光谱区,且不产生辐射的自吸收,它是一种高效率、高强度的单色光源。在DBD电极结构中,采用管线式的电极结构还可制成臭氧O
3发生器。现在人们已越来越重视对DBD的研究与应用。(To   top)



介质阻挡放电(DBD)实例

 

物 质介电系数绝缘强度(kV/mm)

Vacuum

Air

Amber

Bakelite

Fused Quartz

Neoprene

Nylon

Paper

Polyethylene

Polystyrene

Porcelain

Pyranol Oil

Pyrex Glass

Ruby Mica

Silicone Oil

Strontium Titanate

Teflon

Titanium Dioxide

Water (20)

Water (25)

1.00000

1.00054

2.7

4.8

3.8

6.9

3.4

3.5

2.3

2.6

6.5

4.5

4.5

5.4

2.5

233

2.1

100

80.4

78.5

Infinity

0.8

90

12

8

12

14

14

50

25

4

12

13

160

15

8

60

6

-

-

常见物质的介电系数和绝缘强度(To     top)

射频低温等离子体放电(Radio     Frequency Plasma Discharge)

   射频低温等离子体是利用高频高压使电极周围的空气电离而产生的低温等离子体。由于射频低温等离子的放电能量高、放电的范围大,现在已经被应用于材料的表面处理和有毒废物清除和裂解中。射频等离子可以产生线形放电,也可以产生喷射形放电(To     top)

射频单电极低温等离子放电射频低温等离子喷枪



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滑动电弧放电(Glide Arc     Discharge or Plasma Arc)产生低温等离子体

   滑动电弧放电等离子体通常应用于材料的表面处理和有毒废物清除和裂解。下图中的滑动电弧由一对像图中所示的延伸弧形电极构成。电源在两电极上施加高压引起电极间流动的气体在电极最窄部分电击穿。一旦击穿发生电源就以中等电压提供足以产生强力电弧的大电流,电弧在电极的半椭圆形表面上向右膨胀,不断伸长直到不能维持为止。电弧熄灭后重新起弧,周而复始。其视觉观看滑动电弧放电等离子体就像火焰一般,但其平均温度却比较低即使将餐巾纸放在等离子体焰上也不会燃烧。它又被称为“索梯”(Jacog's     Ladder)。滑动电弧放电产生的低温等离子体为脉冲喷射,但可以得到比较宽的喷射式低温等离子体炬(plasma torch)。

 
滑动电弧放电原理滑动电弧放电实例

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射流低温等离子放电(Jet Discharge)

几十年来,等离子体炬(plasma torch)的个工业应用已经众所周知,例如,氩弧焊、空气等离子体切割机和等离子体喷涂等。这些设备中的核心部件通常称为等离子体炬,其等离子体中心温度达数千度,是"热"等离子体。
   近年来,人们为了进行有机材料,例如橡胶表面进行处理,以改善表面附着力,将等离子体炬的技术低温化和小型化,将"热弧"变为"冷弧"研制成射流低温等离子表面处理设备,喷枪出口温度仅数百度,甚至更低,并且已经开始向家用电器和汽车工业推广应用。有些高技术公司,例如中国的CORONA     Lab.将这种技术产品化,可以用于高速在线处理。
1. 大气射流低温等离子表面处理的原理
   流经冷弧等离子体射流枪的空气气流可以产生包括大量的氧原子在内的氧基活性物质,氧基等离子体照射材料表面,可以使附着于材料表面上的有机污染物"C"元素的分子分离,并变成二氧化碳后被清除;同时可以提高接触性能,从而可以提高接合强度和可靠性。
2. 大气射流低温等离子表面处理的工业应用
a) 不锈钢薄板对焊处的焊前处理
   不锈钢薄板对焊在工业中应用很普遍,例如太阳能热水器的内桶就是用0.4mm的不锈钢薄板卷成圆筒对焊制成。为了达到焊接要求,必须对焊接处进行必要的清洗。目前的清洗方法是湿法-人工用化学清洗剂擦洗,清洗成本高,有污染,很难实现自动化。
   大气射流低温等离子清洗技术是干法,运用于薄板对焊的前处理,可代替传统的人工用化学清洗剂擦拭,降低了清洗成本,可提高焊接质量,减少对环境的污染,可实现焊接区清洗的自动化。
b) 塑料板的表面处理
   塑料类,例如木塑是可以代用木材的新型材料,但表面油漆相当不易,这就大大限制了应用范围。如果用化学方法处理,价格高,污染大。为此,用大气射流低温等离子处理则材料表面会发生明显的变化:颜色略有变浅,反光度降低,呈亚光性;用手触摸可以感觉到表面略有粗糙;使喷漆的附着性能大大增强。
   经等离子体处理前后的附着力可以测试。测试方法:用划刀在待测部件表面划出垂直井字结构划痕,用软毛刷轻刷划线表面去掉碎沫。用透明胶带贴于划线上,胶带与样品间应无气泡,保持1~2分钟;以约60度角度恒定速度将胶带撕起。观察划线及正方形的完整度以判断附着力的大小。
c) 橡胶制品的处理
   橡胶在我们日常生活中大量使用,例如汽车的门封条。它的表面须要上漆或织绒。如果不经过低温等离子处理,则不易粘接。如果用化学清洗,既是离线的,又会污染环境。用在线等离子体处理是理想的解决办法。
d) 用于玻璃和金属平板处理
   空气等离子体射流可以处理玻璃和金属表面,不但有效地清除了来自于大气中浮游灰尘产生的有机污染物,而且改变了表面的性能且持续性足够长。因而可以提高产品的接合强度。此外,常压等离子体清洗还可以用于有机材料和金属材料表面。

射流低温等离子放电射流低温等离子放电汽车刹车块的处理橡胶封条的处理

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大气压下辉光放电(APGD)

   经过近20年的发展,低气压低温等离子体已取得了很大进展。但由于其运行需抽真空、设备投资大、操作复杂、不适于工业化连续生产,限制了它的广泛应用。显然,最适合于工业生产的是大气压下放电产生的等离子体。大气压下的电晕放电和介质阻挡放电目前虽然被广泛地应用于各种无机材料、金属材料和高分子材料的表面处理中,但却不能对各种化纤纺织品、毛纺织品、纤维和无纺布等材料进行表面处理。低气压下的辉光放电虽然可以处理这些材料,但存在成本、处理效率等问题,目前无法规模化应用于纺织品的表面处理。长期以来人们一直在努力实现大气压下的辉光放电(APGD)。1933年德国Von     Engel首次报道了研究结果 ,利用冷却的裸电极在大气压氢气和空气中实现了辉光放电,但它很容易过渡到电弧,并且必须在低气压下点燃,即离不开真空系统。1988年,Kanazawa等人报道了在大气压下使用氦气获得了稳定的APGD的研究成果,并通过实验总结出了产生APGD要满足的三个条件:(1)激励源频率需在1kHz以上;(2)需要双介质DBD;(3)必须使用氦气气体。此后,日本的Okazaki、法国的Massines和美国的Roth研究小组分别采用DBD的方法,用不同频率的电源和介质,在一些气体和气体混合物中宣称实现了大气压下“APGD”。1992年,Roth小组在5mm氦气间隙实现了APGD,并声称在几个毫米的空气间隙中也实现了APGD,      主要的实验条件为湿度低于15% 、气体流速50l/min、频率为3kHz的电源并且和负载阻抗匹配。他们认为“离子捕获”是实现APGD的关键。Roth等人用离子捕获原理解释APGD,即当所用工作电压频率高到半个周期内可在极板之间捕获正离子,又不高到使电子也被捕获时,将在气体间隙中留下空间电荷,它们影响下半个周期放电,使所需放电场强明显降低,有利于产生均匀的APGD。他们在实验室的一台气体放电等离子体实验装置中实现了Ar、He和空气的“APGD”。1993年Okazaki小组利用金属丝网(丝直径0.035mm,325目)电极为PET膜(介质)、频率为50Hz的电源,在1.5mm的气体(氩气、氮气、空气)间隙中做了大量的实验,并宣称实现了大气压辉光放电。根据电流脉冲个数及Lisajous图形(X轴为外加电压,Y轴为放电电荷量)的不同,他们提出了区分辉光放电和丝状放电的方法,即若每个外加电压半周期内仅1个电流脉冲,并且Lisajous图形为两条平行斜线,则为辉光放电。若半周期内多个电流脉冲,并且Lisajous图形为斜平行四边形,则为丝状放电。法国的Massines小组、加拿大的Radu小组和俄罗斯的Golubovskii小组对APGD的形成机理也进行了比较深入的研究工作。Massines小组对氦气和氮气的APGD进行了实验研究和数值模拟     ,除了测量外加电压和放电电流之外,他们用曝光时间仅10ns的ICCD相机拍摄了时间分辨的放电图像,用时空分辨的光谱测量记录了放电等离子体的发射光谱,并结合放电过程的一维数值模拟,他们认为,氮气中的均匀放电仍属于汤森放电,而氦气中均匀放电才是真正意义上的辉光放电,或亚辉光放电。他们还认为,得到大气压下均匀放电的关键是在较低电场下缓慢发展大量的电子雪崩。因此,在放电开始前间隙中必须存在大量的种子电子,而长寿命的亚稳态及其彭宁电离可以提供这些种子电子。根据10ns暴光的ICCD拍摄的放电图像,Radu小组发现,在大气压惰性气体He、Ne、Ar、Krypton的DBD间隙中,可以实现辉光放电。除了辉光放电和丝状放电之外,还存在介于前两者之间的第三种放电模式--柱状放电。
   从上个世纪末,国内许多单位如科罗纳实验室、清华大学、大连理工大学、华北电力大学、西安交通大学、华中科技大学、中科院物理所、河北师范大学等先后开始了对APGD的研究。由于APGD在织物、镀膜、环保、薄膜材料等技术里域有着诱人的工业化应用前景,在大气压下和空气中实现辉光放电产生低温等离子体一直是国内外学者探寻的研究重点和热点。2003年,国家自然科学基金委员会将“大气压辉光放电”列为国家重点研究项目。APGD
的研究也取得了一些进展,如He、Ne、Ar、Krypton惰性气体在大气压下基本实现了APGD,空气也已经实现了用眼睛看上去比较均匀的准“APGD”。目前,对APGD的研究结果和认识是仁者见仁,智者见智。APGD的研究方兴未艾,已经受到国内外许多大学和研究机构的广泛重视。由于大气压辉光放电目前还没有一个认可标准,(只要选择一定的介质阻挡装置、频率、功率、气流、湿度等)许多实验所看到的放电现象和辉光放电很相似即出现视觉特征上呈现均匀的“雾状”放电,而看不到丝状放电,但这种放电现象是否属于辉光放电目前还没有共识和定论。


科罗纳实验室实现的APGD

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次大气压下辉光放电(HAPGD)产生低温等离子体

   由于大气压辉光放电技术目前虽有报道但技术还不成熟,没有见到可用于工业生产的设备。而次大气压辉光放电技术则已经成熟并被应用于工业化的生产中。次大气压辉光放电可以处理各种材料,成本低、处理的时间短、加入各种气体的气氛含量高、功率密度大、处理效率高。可应用于表面聚合、表面接枝、金属渗氮、冶金、表面催化、化学合成及各种粉、粒、片材料的表面改性和纺织品的表面处理。次大气压下辉光放电的视觉特征呈现均匀的雾状放电;放电时电极两端的电压低而功率密度大;处理纺织品和碳纤维等材料时不会出现击穿和燃烧并且处理温度接近室温。次大气压辉光放电技术目前可用于低温材料、生物材料、异型材料的表面亲水处理和表面接枝、表面聚合、金属渗氮、冶金、表面催化、化学合成等工艺。由于是在次大气压条件下的辉光放电,处理环境的气氛浓度高,电子和离子的能量可达10eV以上。材料批处理的效率要高于低气压辉光放电10倍以上。     可处理金属、非金属、(碳)纤维、金属纤维、微粒、粉末等。

次大气压下辉光放电效果实例

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低温等离子体的应用领域

   低温等离子体物理与技术经历了一个由60年代初的空间等离子体研究向80年代和90年代以材料为导向研究领域的大转变,高速发展的微电子科学、环境科学、能源与材料科学等,为低温等离子体科学发展带来了新的机遇和挑战。
   现在,低温等离子体物理与应用已经是一个具有全球影响的重要的科学与工程,对高科技经济的发展及传统工业的改造有着巨大的影响。例如,1995年全球微电子工业的销售额达1400亿美元,而三分之一微电子器件设备采用等离子体技术。塑料包装材料百分之九十都要经过低温等离子体的表面处理和改性。科学家预测:二十一世纪低温等离子体科学与技术将会产生突破。据估计,低温等离子体技术在半导体工业、聚合物薄膜、材料防腐蚀、等离子体电子学、等离子体合成、等离子体冶金、等离子体煤化工、等离子体三废处理等领域的潜在市场每年将达一千几百亿美元。        
   等离子体辅助加工被用来制造特种优良性能的新材料、研制新的化学物质和化学过程,加工、改造和精制材料及其表面,具有极其广泛的工业应用--从薄膜沉积、等离子体聚合、微电路制造到焊接、工具硬化、超微粉的合成、等离子体喷涂、等离子体冶金、等离子体化工、微波源。等离子体辅助加工已开辟的和潜在的应用领域包括:
●半导体集成电路及其它微电子设备的制造
●工具、模具及工程金属的硬化
●药品的生物相溶性包装材料的制备
●表面防蚀及其它薄层的沉积
●特殊陶瓷(包括超导材料)
●新的化学物质及材料的制造
●金属的提炼
●聚合物薄膜的印刷和制备
●有害废物的处理
●焊接
●磁记录材料和光学波导材料
●精细加工
●照明及显示
●电子电路及等离子体二极管开关
●等离子体化工(氢等离子体裂解煤制乙炔、等离子体煤气化、等离子体裂解重烃、等离子体制炭黑、等离子体制电石等)
对上述某些部分领域的目前潜在市场估计:
●半导体工业约为260亿美元
●等离子体电子学约为400亿美元
●工具及模具硬化约为20亿美元
●作记录和医用聚合物薄膜领域约为几十亿美元的市场
     对一些新的有活力的市场估计:
●金属腐蚀防护约为500亿美元
●优质陶瓷约为50亿美元
● 在废物处理、金属提练、包装材料及制药业中的应用约为几十亿美元市场。
   低温等离子体物理与应用是一个具有全球性影响的重要的科学与工程,对全世界的高科技工业发展及许多传统工业的改造都有着直接的影响,二十一世纪初等离子体辅助加工会产生重要的突破,而这些突破对高科技产业的保护及提高其在市场中的地位将是极为重要的,例如近十年来,低温等离子体的物理研究和技术应用在很多方面有了突破性的进展,最有代表性的是微电子工业等离子体的应用。1995年的微电子工业的全球销售额已达1400亿美元,其中三分之一的微电子器件的设备是采取等离子体技术。以"奔腾"芯片为代表的半导体微处理器的复杂生产过程中,三分之一是与等离子体有关的。现代塑料包装产品中的印刷、复合、涂布等工艺百分之九十都依赖低温等离子体的处理。

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辉光放电


辉光放电(glow discharge)是指低压气体中显示辉光气体放电现象,即是稀薄气体中的自持放电(自激导电)现象。由法拉第第一个发现。它包括亚正常辉光和反常辉光两个过渡阶段。辉光放电主要应用于氖稳压管、氦氖激光器等器件的制造。
中文名
辉光放电
外文名
glow discharge
定    义
稀薄气体中的自持放电现象
应用于
氖稳压管、氦氖激光器等器件制造
1物理原理编辑
低压气体中显示辉光气体放电(空气中的电子大概在1000对/cm,由于高压放电现象在低气压状态下会产生辉光现象)现象,即是稀薄气体中的自持放电(自激导电)现象。自持放电所属现代词,指的是不依赖外界电离条件,仅由外施电压作用即可维持的一种气体放电。在置有板状电极玻璃管内充入低压(约几毫米汞柱)气体蒸气,当两极间电压较高(约1000伏)时,稀薄气体中的残余正离子电场中加速,有足够的动能轰击阴极,产生二次电子,经簇射过程产生更多的带电粒子,使气体导电辉光放电的特征是电流强度较小(约几毫安),温度不高,故电管内有特殊的亮区和暗区,呈现瑰丽的发光现象。
2放电阶段编辑
辉光放电有亚正常辉光和反常辉光两个过渡阶段,放电的整个通道由不同亮度区间组成,即由阴极表面开始,依次为:①阿斯通暗区;②阴极光层;③阴极暗区(克鲁克斯暗区);④负辉光区;⑤法拉第暗区;⑥正柱区;⑦阳极暗区;⑧阳极光层。其中以负辉光区、法拉第暗区和正柱区为主体。这些光区是空间电离过程及电荷分布所造成的结果,与气体类别、气体压力、电极材料等因素有关,这些都可以从放电理论上作出解释。辉光放电时,在两个电极附近聚集了较多的异号空间电荷,因而形成明显的电位降落,分别称为阴极压降和阳极压降。阴极压降又是电极间电位降落的主要成分,在正常辉光放电时,两极间的电压不随电流变化,即具有稳压的特性。
辉光放电时,在放电管两极电场的作用下,电子正离子分别向阳极阴极运动,并堆积在两极附近形成空间电荷区[1] 。因正离子漂移速度远小于电子,故正离子空间电荷区电荷密度比电子空间电荷区大得多,使得整个极间电压几乎全部集中在阴极附近的狭窄区域内。这是辉光放电的显著特征,而且在正常辉光放电时,两极间电压不随电流变化。
阴极附近,二次电子发射产生的电子在较短距离内尚未得到足够的能使气体分子电离激发的动能,所以紧接阴极的区域不发光。而在阴极辉区,电子已获得足够的能量碰撞气体分子,使之电离或激发发光。其余暗区和辉区的形成也主要取决于电子到达该区的动能以及气体的压强(电子与气体分子的非弹性碰撞会失去动能)。
3发展历史编辑
1831~1835年,M.法拉第在研究低气压放电时发现辉光放电现象和法拉第暗区。1858年,J.普吕克尔在1/100托下研究辉光放电时发现了阴极射线,成为19世纪末粒子辐射和原子物理研究的先驱。
4应用领域编辑
辉光放电的主要应用是利用其发光效应(如霓虹灯日光灯)以及正常辉光放电的稳压效应(如氖稳压管)。 利用辉光放电的正柱区产生激光的特性,制做氦氖激光器。
低压气体放电的一种类型,在发射光谱分析中用作气体分析和难激发元素分析的激发光源。在玻璃管两端各接一平板电极,充入惰性气体,加数百伏直流电压,管内便产生辉光放电,其电流为10-4~10-2A。放电形式与气体性质、压力、放电管尺寸、电极材料、形状和距离有关。


 

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球状闪电4


球状闪电(物理现象)编辑
球状闪电,俗称滚地雷。通常在雷暴时发生,为圆球形状闪电。这是一种真实的物理现象。它十分亮,近圆球形,直径约15至40厘米不等。通常仅维持数秒,但也有维持了1至2分钟的记录。颜色除常见的橙色和红色外,还有黄色、紫色、蓝色、亮白色,幽绿色的光环,呈多种多样的色彩。
球状闪电的危害较大,它可以随气流起伏在近地空中自在飘飞或逆风而行。它可以通过开着的门窗进入室内,常见的是穿过烟囱后进入建筑物。它甚至可以在导线上滑动,有时会悬停,有时会无声消失,有时又会因为碰到障碍物爆炸,发出巨响而消失。
中文名
外文名
Ball lightning
别    称
电光火球、滚地雷
发生时机
雷暴
1现象编辑
对于球状闪电的相关信息少、而且多有争论,能归纳的现象仅如下几点,多与降雨有关:
1. 球状闪电呈球形,也有部分接近球形。
2. 球状闪电于空中漂浮,直径从15到40厘米不等。
3. 球状闪电的高温能把周围树木烤焦。
4. 球状闪电的闪光常为红色或黄色。
5. 球状闪电存在时间短,一般为几秒,个别的可达几分钟。
6. 球状闪电可以进入室内。
2成因编辑
球状闪电形成之谜
球状闪电形成之谜(3张)
球状闪电通常都在雷暴之下发生。通常它只会维持数秒,但也有维持了1-2分钟的记录。更神奇的是它可以在空气中独立而缓慢地移动。
由于球状闪电出现的频率很低,科学家难以做系统的观测。2012年,中国科学家首次拍摄到球状闪电,于2014年1月28日发表。理论方面,有人认为它是灼热的空气团或汽化了的元素,例如。虽然这个理论可以解释球状闪电的部分特性,却不能说明为什么它可以在飞机舱内形成。此外还有许多不同的说法,如等离子体离子、带电尘埃、有外层电子壳的等,但没有一个理论可以完满地解释这个科学悬案。
球状闪电之所以神秘,是因为它并不常见,它行踪不定、色彩外形多变,还具有巨大的瞬间破坏力。所以,早在古希腊,人们就开始留意这种奇特的自然现象了。
很多认为球形闪电是一团密度不大的常温等离子体,由于“太阳风”和宇宙射线的轰击,包围地球的空气被电离成正、负离子自由电子形成的离子层。当离子层部分离子和电子集聚,便可能形成球状闪电。
气象专家介绍,突发雷雨天气时,带电云层离地面很近,地面又有一些突出物体产生感应电荷,两者之间形成放电,因此形成了滚地雷。滚地雷容易对地面上的人员和物品造成电击伤害。
球状闪电至今仍是人们不能解释的奇怪自然现象。一个共同的特点是,球状闪电基本上发生在[1] 雷暴天气中。[2] 
2013年8月,科罗拉多美国空军军官学校的团队从一种专门的溶液中制造出了类似的球形闪电。但同时团队坦言:“我需要保持诚实:我们并不确定我们在实验中所产生的就一定是人们所说的球状闪电现象。”
3特点编辑大小
球状闪电直径从15~40厘米不等,但也有人称曾见过直径1~2厘米和5~10米大小的球状闪电。其能以固定的频率改变其直径大小,可逐渐衰弱变小,爆炸可使其体积增加并使其终结。能靠分解或重组改变大小。
形状
球状闪电球状闪电
大部分报道为球形或卵形,还有扁长方形、立方体、圆环状、哑铃形、云雾形、圆柱形、子弹形、雪茄形、锥形、透镜形、盾形和螺旋形等。
颜色
两种最常见的颜色是白色和橘黄色,其他较常见的是红、蓝、黄、绿和紫色,银色和黑色很少见。有些球状闪电会变色。
速度
可从静止到难以想像的高速(每小时2万多公里,但这种情况不是在雷暴中),一般速度约为每秒5米,即每小时18公里。
结构
似乎是某种等离子体或云雾状物质,有的球状闪电中心是透明的,有的是中空的,或根本没有明显的固定结构,有些球状闪电似乎处在动态变化之中。
运动性
有时是静止的。大部分为直线运动,有些是在一静止位置旋转,有些是不停地转动,有些是按明显的复杂路径来运行的。
电子集聚电子集聚
寿命
球状闪电一般会持续几秒钟,有些可长达1分钟及以上。
行为
有些会模仿周围的物体运动,有些直冲大地。有些球状闪电似乎在“调查”其他物体。大部分被引向金属性或磁性物体,会发生强烈碰撞,有时会造成很大损伤。闪电球会跳动、分解重组衰减、爆炸或同时发生这些变化。
声音
极少情况会形成噼哩啪啦或嘶嘶的声音。消失时会产生爆炸。
温度
球状闪电一触即死。它可以煮开锅、熔电线和加热金属。
亮度
球状闪电一般都像路灯一样亮。它们有时白天即可见到。
发生
它们通常发生在雷暴之时,但极少也会发生在之前或之后。大多数的球状闪电都伴随着普通闪电——盘旋着待机而发,但有时它们也像普通闪电一样从云端直击大地。
4区别编辑
球形闪电与闪电
球形闪电又称电光火球。球形闪电并不是闪电,它与闪电几乎没有相同之处,所以把这种现象命名为“球形闪电”是不准确的,应当命名球形闪电为“电光火球”,即与电磁场有关的等离子态发光球。天然闪电又叫雷电。最常见的雷电形式是线状闪电,其形状犹如倒悬于空中的纵横枝叉,又象是地图上一条支流众多的河流。另外,雷电中还有较少见到的串珠状闪电。电光火球的寿命一般为几秒,个别的可长达几分钟。而普通枝状闪电的寿命不到1秒。
电光火球是定域于适当的磁场位形空间和速度空间的等离子体,它从周围获得能量,等离子区的直径取决于外部场的频率,因此产生谐振。
5利用编辑
实现受控热核聚变反应最关键的问题在于保持高温等离子体的相干性,将其约束在一定的磁场位形空间和速度空间内,使它具有一定的稳定性。由于电光火球被认为可以有效地约束不稳定质体,以至于在实现受控核聚变的国际竞争中具有举足轻重的地位,揭开电光火球之谜有助于找到人体自燃等现象的真实原因。而更多的科学家认为,研究球形闪电最直接的作用是有助于找到高效、清洁的新能源。所以现代有许多等离子体物理学家醉心于研究电光火球。
6探索编辑早期理论
圣艾尔摩之火常被误会为球状闪电同类型事物,但实际成因不同:虽然二者都常在大雨(尤其是雷雨)中发生的,但是圣艾尔摩之火是低温的冷光现象,不会破坏周遭事物。
在研究的早期,科学界都认为球状闪电是子虚乌有的现象,直到几十年后才承认它的真实性。
球状闪电球状闪电
早在1955年,苏联物理学家便提出球状闪电是雷暴中所产生的电磁干扰效应所引起的。1991年,日本科学家报道了他们在实验中观察到微波干扰所产生的一系列类似球状闪电的现象,他们的人造等离子球也显示出球状闪电的一些特性,如它可沿与主气流相反的方向运动,并可穿越固体物质。
1998年,一位西班牙物理学家认为,所谓的神秘球状闪电其成因并不神秘,这一现象很可能是闪电产生过程中,磁场约束发光等离子体所形成。他建立了闪电磁场模型,认为关键是闪电过程中形成的水平磁场和垂直磁场磁力线圈相互交织而成的磁力线网。在某些特殊情况下,这一磁力线网有可能会呈现出球形,而发光等离子体会被这一网所“俘获”而形成球状闪电。这一火球效应会一直持续到等离子体开始冷却。研究人员指出,根据他们的预算,火球持续时间最多可达10至15秒。当等离子体冷却后,电子开始被原子所束缚,等离子体内部电阻变大、电流趋弱,周围的磁场也将随之瓦解,最终火球不复存在。
按照这一理论,球状闪电绝大部分较冷,但在沿磁力线方向局部温度则极高。研究人员指出,据此就可很好的解释为什么火球并不发热而触到物体后往往容易着火。
新理论
2000年,两位新西兰科学家提出了他们的新理论。当一般的枝状闪电击到土壤中,土壤中的矿物质会转换成纳米纯硅和硅化合物颗粒。这些尺寸不足十分之一微米的微型颗粒,会在闪电的能量作用下由土壤蒸发进入大气。这一过程,就像抽烟者从嘴中吐出烟圈。进入大气的含硅颗粒会首先连接成链,然后组成能随气流运动的球状细丝网。该球状细丝网中的颗粒具有很高活性,会在特定条件下缓慢燃烧,并释放出光和热而形成所谓球状闪电。
弦理论对球状闪电的解释
根据弦理论,球状闪电是弦间隙微震阶段,能量集中在一点时的产物。就这一理论来说,球状闪电的产生,与地球当前的地质环境无关。
根据弦理论,这是因为球状闪电在作无规则运动时,弦的能量(不是球状闪电的能量)由于压差而在某一物体(该物体可以是冰箱也可以是生鸭、生
特斯拉拿着两个电光火球正在玩杂技特斯拉拿着两个电光火球正在玩杂技
肉)上散发的结果,前提是该物体正好处于压差地带。由于该物体结构联系的连续性而使得整个该物体成为弦能量散发的集中点。
2002年1月15日英国皇家学会在其学术杂志[1] 《哲学学报》的专刊上发表了一组有关球状闪电理论的文章。这些理论分别由物理化学家、物理学家和化学工程师提出。他们提出了3个解释球状闪电缘由的新理论。其主要内容分别是:
1.球状闪电是由含有水合离子的小水滴组成的,它通过离子反应来释放能量。在这个理论中,球状闪电是一个包含等离子体的电化学结构,这一结构是由温度、压力电磁场和重力场的微妙平衡来维持的。
2.球状闪电是由聚合体细丝缠绕而成,通过表面放电来释放能量。在该理论中,灰尘中的自然微粒,像来源于纤维素、煤烟或硅土中的微粒都能形成细丝状结构,这些细丝聚合起来就变成了一个高度充电的球体,当它表面放电时,就发出了光和热。
3.球状闪电是由金属纳米粒子链构成,其能量释放是通过金属纳米粒子的表面氧化来进行的。在这个理论中,普通的闪电能引起像土壤或木材这样的物质释放金属蒸气,这种带电的金属蒸气浓缩成一个网状的金属纳米粒子球。
这些理论都有些说服力,特别是第三个理论,可以解释为什么球状闪电能够穿过墙壁和关着的窗子,似乎更有说服力。[3] 
研究进展
科学家称揭开球状闪电之谜
澳大利亚广播公司(ABC)2012年10月15日报道,澳大利亚的一个科研组认为,他们已经揭开大自然最奇怪的一种现象——球状闪电的形成原因。
通常像柚子那么大的球状闪电是一种十分罕见的现象,持续时间仅为20秒。澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)的科学家、这项研究的第一论文作者约翰·洛克说:“传闻有数百人看到过球状闪电,但是数百年来它始终是一个难解之谜。”该研究成果发表在《地球物理学研究》杂志上。以前的理论认为,微波辐射、氧化浮质、核能暗物质反物质黑洞都有可能引起球状闪电。一种理论认为,它是由通过雷击蒸发的硅燃烧形成的。
为了解开这个谜底,洛克和澳大利亚联邦科学与工业研究组织及澳大利亚国立大学的同事将注意力转移到有关在窗户附近形成的球状闪电的报告上。洛克说:“有很多关于在住宅或者飞机驾驶舱的玻璃窗附近看到球状闪电的观测报告。”击中地面,并照亮天空后,闪电袭击会留下一条由带电粒子或离子形成的长长的尾巴。洛克称,在大部分情况下,这些带正电或者带负电的离子会在瞬间结合在一起。剩余离子会迅速移向地面。洛克的理论认为,其中一些离子会聚集在玻璃窗等没有传导性的物体外表。“这种离子越积越多,并产生能够穿透玻璃的电场。”
他表示,电场产生的自由电子足以让玻璃窗内的空气分子失去一些电子,并释放出光子,产生发光的球状结构。“这是第一篇为球状闪电的诞生提供数学解答的论文。”他称,他们下一步将是利用该理论在实验室里再现这一现象。要想证明这一理论可能仍会非常困难,因为它需要一个能够产生高达1亿伏电压的设备。然而前美国空军飞行员看到的球状闪电却暗示,这种现象的形成另有其因。空军中尉唐·史密斯20世纪60年代中期驾驶一架C-133A 货机从加利福尼亚州飞往夏威夷时,看到圣艾尔摩之火(Saint Elmo's fire)的两个角出现在飞机的雷达罩上,接着在驾驶舱内看到一个球状闪电。
洛克说:“看起来像是那架飞机长了公牛的角,电流发出蓝光。这是浓雾期间操作功率达到最大的飞机雷达产生的离子导致的。”该研究未能解决的有关球状闪电的一个问题,是闪电过后为什么会出现一声巨响。洛克说:“大约三分之一的球状闪电结束后会听到一声巨响。(这可能是因为)电场一般会加热空气,使它变得越来越热,最终气体发生爆炸,产生巨大的声响。”不过他称,这只是一种猜测,还需要进行更多研究,才能确定它是真是假。[4] 
巴西科学家在实验室制成神奇球状闪电
巴西的科学家在实验室里制造了一个真正的大火球——球形闪电。不仅让它发光,甚至还让它跳了几分钟。事实上,球形闪电是一团密度不大的常温等离子体
由巴西佩尔纳巴库(Pernambuco)联合大学的安东尼奥·帕奥和格森·徘维领导的小组,将350微米厚的硅晶片放在两个电极之间,通上高达140安倍的电流,二秒钟后,他们将电极稍微拉开一些,结果产生了蒸汽硅形成的电弧。
此电弧不时弹出火光般的硅碎末,并继续扩张,突然成了一个球,一直持续了8秒。至今为止,这是在实验室里制造出的寿命最长的火球。先前有人曾使用微波制造了发光球,但在微波关掉后,它们仅持续了毫秒便消失了。
视频记录
2012年,兰州西北师范大学的研究人员在青海省一个雷暴天气中绘制辐射地图时,意外记录下了一个难以捉摸的发光球。光球从地面升起,变成一道闪电,在地上穿行15米,然后消失。研究人员说,它的直径约5米,只出现了不到2秒钟。这场发生在2012年的风暴的视频和光谱,被认为是迄今为止自然界球状闪电的首次科学记录。[5] 
这项研究详细内容发表在2014年出版的《物理学评论快报》上,证实了球状闪电的真实存在性,并提供了球状闪电如何存在的重要线索。很早就有人目击球状闪电,但是由于其罕见性,没有人拍摄记录到这一现象。
此次兰州西北师范大学研究人员使用光谱设备记录了球状闪电,从而能够识别构成球状闪电的主要元素。他们发现球状闪电中包含,这与土壤的主要成分相同。
2000年,詹姆斯·迪尼斯等人曾发表研究报告指出,球状闪电很可能是击在地面上的普通闪电,它具有巨大的热量,完全可以将土壤中的二氧化硅蒸发。[5] 
2014年,我国科学家公布了在2012年首次拍到在雷暴天气出现的球状闪电的视频。
相关论文为
  
《Observation of the Optical and Spectral Characteristics of Ball Lightning》[5] 
作者:Jianyong Cen, Ping Yuan, and Simin Xue
7危害预防编辑危害
球状闪电是一种危害较大的闪电。
球状闪电是闪电形态的一种,亦称之为球闪,民间则常称之为滚地雷。球状闪电的平均直径为25厘米,大多数在10~100厘米之间,小的只有0.5厘米,最大的直径达数米。球状闪电偶尔也有环状或中心向外延伸的蓝色光晕,发出火花或射线。颜色常见的为橙红色或红色,当它以特别明亮并使人目眩的强光出现时,也可看到黄、蓝、绿和紫色。其寿命通常只有1~5秒,最长的可达数分钟。
球状闪电具有破坏力。它既可以破坏玻璃窗,也能使墙壁的外层剥落。它也曾造成人和动物的伤亡,但由于资料不足,未能了解致死的真正原因。没有证据显示球状闪电会破坏树木。球状闪电几乎无法被破坏,有人曾用步枪射中过球状闪电,但是无效。
球状闪电的行走路线,一般是从高空直接下降,接近地面时突然改向作水平移动;有的突然在地面出现,弯曲前进;也有沿着地表滚动并迅速旋转的;运动速度常为每秒1~2米。它可以穿过门窗,常见的是穿过烟囱后进入建筑物,它甚至可以在导线上滑动,有时还发出“嗡嗡”响声。多数火球无声消失,有的在消失时有爆炸声,可以造成破坏,甚至使建筑物倒塌,使人和家畜死亡。遇人遇物后即发生惊人的爆炸,产生刺鼻的气味,造成伤亡、火灾等事故。
科学家推测,球状闪电是一种气体的漩涡产生于闪电通路的急转弯处,是一团带有高电荷的气体混合物,主要由氧、氮、氢以及少量的氧化氢组成。通常发生在枝状闪电之后,似乎枝状闪电是产生球状闪电的必要条件。球状闪电较为罕见,因而研究它十分困难,至今仍然是自然界中的一个谜团。
预防
雷雨天气常常会产生强烈的放电现象,如果放电击中人员、建筑物或各种设备,常会造成人员伤亡和经济损失。
应急要点:
注意关闭门窗,室内人员应远离门窗、水管、煤气管等金属物体。
关闭家用电器,拔掉电源插头,防止雷电从电源线入侵。
在室外时,要及时躲避,不要在空旷的野外停留。在空旷的野外无处躲避时,应尽量寻找低洼之处(如土坑)藏身,或者立即下蹲,降低身体的高度。
远离孤立的大树、高塔、电线杆、广告牌。
立即停止室外游泳、划船、钓鱼等水上活动。
如多人共处室外,相互之间不要挤靠,以防被雷击中后电流互相传导。
如果遇到飘浮的“火球”,轻轻避开它,并避免引起空气流动,千万不要去碰触。
专家提示:
高大建筑物上必须安装避雷装置,防御雷击灾害。
在户外不要使用手机。
对被雷击中人员,应立即采取心肺复苏术抢救。
雷雨天尽量少洗澡,太阳能热水器用户切忌洗澡。
8目击记录编辑
1773年,两名神职人员在听到一声巨大雷响后,看到壁炉里闪耀着一颗足球大小的发光球体,这颗球随即爆炸并发出一声巨响。
上世纪40年代,在法国的小城镇里,有3个士兵在一棵菩提树下躲雨时被雷击死。但他们死后仍然站着,像没事一样。雷雨之后,行人跟他们说话,却不见回应,当行人去接触他们时,3具尸体顿时倒地,化成了一堆灰烬
1956年夏的一个正午,在苏联某个集体农庄,两个孩子在牛棚里躲雨。突然,房前的白杨树下滚落一个橙黄色的火球直向他们逼来,一个孩子踢了它一脚,轰隆一声,火球爆炸了,牛棚里的12头牛炸死了11头,孩子们被震倒在地,但并没有受伤。事后,人们才知道那个火球是罕见的球状闪电
在美国的一个小城里曾发生了一件怪事:一位主妇从市场回到家里,打开电冰箱一看,她放进去的生鸭、生肉全都变成了熟食品。后经科学家的研究才明白,是球状闪电把冰箱变成了电炉,奇怪的是冰箱没有损坏!
1981年1月的一天,苏联一架客机在黑海附近遭遇球状闪电。一个大火球闯入驾驶舱,发出爆炸声。几秒钟后又穿过密封的金属舱壁,出现在乘客的座舱里,戏剧性的表演一番后,发出不大的声音离开飞机。事后检查,机头机尾的金属壁各出现一个窟窿,内壁却完好无损。
美国俄勒冈州,一个球状闪电来去如风,先在纱门上留下了一个篮球大的洞,然后直奔地下室,毫不留情的毁坏了一个旧轧干机;俄罗斯一位教师的经历更可怕,一个80厘米直径的球状闪电在他头上来回跳动不下20次,然后悄然消失了;此外,前苏联也有报道说,一个球状闪电飞进了一个盛水的大锅里,水立刻沸腾起来,球状闪电在锅里翻滚了10分钟才熄灭;另有一次,一个足球大小的球状闪电沿街滚动、跳跃,接触到地面时,竟炸出了一些深半米、直径1米的坑,最后,随着一声轰响,火球钻进地下。
1962年夏,我国山东省济南市解放军106医院。刚刚下过大雨,手术室护士柴树娣打开窗户准备透透气,窗外忽然出现一个火球,飞入屋内,打灭了屋顶的吊灯,又飞入走廊,在电闸前爆炸,造成停电,无人员伤亡。
1972年夏,发生地点:南京华东工程学院(原哈军工炮兵工程系,现南京理工大学)东村(家属住宅区当时名称)平房。在大雨倾盆,雷电交加之际,我和我父亲同时通过窗户看见一个巨大的橘黄偏红颜色的球形闪电,直径在60cm至70cm左右。此球形闪电从我们对面滚动而来,顺着屋顶从我们头上屋顶滚过,并发出极为震撼的隆隆声,就在它滚过我们头顶的屋顶的同时,屋顶同等位置的白炽灯化作一团火球落进水泥地中,在水泥地上留下一个烧焦的圆形黑印,从中间向周围发散状,由深变浅。从我们看到它到它消失,时间持续有近四分钟左右。它的滚动速度和一个人步行的速度相当。当时,我父亲就坐在电灯下面垂直点边上的50cm附近的椅子上,我站在他的后面。所以,都惊出一身冷汗。我父亲当时就说,要是坐在灯下,命就没了。
1997年7月14日下午,我国江苏省北部沛县,一个小孩在路上走着,天上突然一个球型闪电从天而降,垂直向小孩掉下,旁边的邻居让小孩逃跑。跑了几步之后,火球落地爆炸,所幸并无伤亡。
1999年3月16日下午,我国湖北省北部的枣阳市忽然间闪电频发,雷声惊天,当场造成9人死亡、20余人受伤的罕见灾害。据目击者称,雷击现场有一片红光,这正是球状闪电的特征。
2007年8月21日傍晚,我国广东广州市海珠区赤岗路一带雷电交加,“一团闪电”从天而降,把目击者惊得发呆。据目击者回忆,那道闪电像一个很大的火球,发出很强的蓝绿色的光,还震坏了不少居民家的电器。
2008年的一个夏天傍晚左右,一个橙色的足球大小的光球落入北京市顺义区一户农家院内,目击者还未反应过来,此球已在距地面两米左右处爆炸,顿时发出一声巨响,光球瞬间爆炸,向四外放出弧状光,光亮无比,几秒钟后,光球消失不见,目击者查看爆炸位置的地面,没有一丝痕迹就像没有发生过一样。
2009年6月的一个下午,我国山东省中部的邹城市下雷雨时,在第四中学一个球状闪电随着一声巨响和一片红光爆炸了。
村民称如“红球”状不明物体在屋檐上爆炸
村民称如“红球”状不明物体在屋檐上爆炸(2张)
2009年8月4日上午,位于石家庄市西兆通镇南石家庄村的村民自建一临街房屋遭雷击突然倒塌。据现场三名目击者称,9时15分左右,突然听到一声雷响,只见一直径约一米多的耀眼火球击中房屋西北角,瞬间房屋自北向南依次倒塌,将避雨的人员埋在废墟中。而那个火球正是球状闪电的特征。
巨响惊魂
据张虎庄村村民王利果介绍,2013年8月7日15时多的暴雨结束后,大约在17时许,她和两个邻居一同坐在自家的屋檐下闲聊,突然听到头顶“轰”的一声巨响,震耳欲聋。“当时眼前一白,耳朵就什么都听不见了,随后是黑烟滚滚。”王利果说,她们三人出于本能沿着过道向南跑去,她跑了几步突然想起10岁的女儿还睡在家中,便不顾内心的恐惧,扭头跑向家中。拼命推开大门,看到女儿正站在院中,脸色苍白,她一把拉起女儿又跑了出去。一鼓气跑到远处邻居家门口,王利果说,她回头向家屋檐看去,却并未发现有任何物体。
多处烧伤
2013年8月10日,记者在王利果家中屋檐下看到,屋檐旁的树叶有小面积燃烧痕迹,屋檐角落出现黑色痕迹,屋檐上的瓷砖部分崩裂掉落,地上落满了碎砖瓦。
同在事发现场的村民李小丽(化名)告诉记者,巨响过后,她突然感觉背部一阵剧痛。出于本能,她忍痛拼命向南跑去。跑至自认为安全地方后,她向脖颈下的背部摸去,发现手上竟然有血迹,便连忙去找村医查看。医生查看后,告知她背部为烧伤。但在随后几天,她却耳鸣不止,到医院检查显示身体无异常。[2] 
记者查看李小丽背部的受伤结痂大大小小有四五处。其中,有两处较大,一处为椭圆形,一处由许多小伤痕排列组成,形似“爪”痕。
2013年
2013年8月7日15时许,邯郸忽然白昼如夜,狂风大作骤降暴雨一个来小时。而在暴风雨结束后约一个小时后,永年县讲武乡的一个小村庄里,一声震耳欲聋的巨响打破了原本的宁静。不少目击村民称,巨响前曾看到不明物体坠落,形似“红球”,事后发现,不明物体坠落处多户村民家中电器均遭到不同程度毁坏。专家得知称,该“红球”应为出现频率极低的球形雷。[6] 
2013年8月12日,风雨交加夜。河北省吴桥县吴来义村张老汉家突遭“球形闪电”袭击,三间土坯房被烧毁,张老汉夫妇不幸身亡。8月23日,沧州市气象局专家来到吴桥县,为当地的乡亲们宣讲防雷知识。[7] 
2013年8月10日,记者走访该村多户村民。有目击村民说,当时只见一个如“灯笼”红色球体,像“糖葫芦”一样坠落,随后一声巨响,震耳欲聋。
响声过后,有数百村民前去现场观看,一时间村里议论纷纷,有村民猜测如“灯笼”红色球体为外星生命所驾驶的不明飞行物(UFO),也有村民猜测受伤者背部伤痕是传说中的“龙”抓伤,也有村民从响声如雷声猜测为雷击导致。
王利果说,事故中她家的玻璃大部分破碎,家用电器线路全部被毁,包括空调、电视、电脑以及用于方便使用饮用水的水泵均已坏掉,附近多户村民的家电也有不同程度损坏。
罕见球形雷
邯郸市气象局防雷中心专家杨美方介绍说,张虎庄村村民看到的应为强雷暴时出现的一种奇异闪电现象,外观呈球状,被称为球形雷,俗称“滚地雷”,出现的频率极低。
据介绍,球形雷直径一般为10厘米到20厘米,通常只维持数秒,也有长达1分钟到2分钟的现象,神奇的是它可以在空气中独立而缓慢地移动,颜色除常见的橙色和红色外,还会出现蓝色、亮白色,有的还会出现镶嵌着幽绿色的光环。
至于在本事件中球形雷为何在雨停后出现,杨美方解释说,虽然当时雨已经停止,但阴云雷鸣现象仍在持续,因此不排除出现球形雷现象。相关资料显示,球状闪电至今仍是人们不能解释的奇怪自然现象。科学界曾认为球状闪电是子虚乌有的现象,直到上世纪末才承认它的真实性。
因球状闪电较为罕见,研究十分困难,至今仍然是自然界中的一个谜团。但可以肯定的是,这是一个真实的物理现象,绝非科幻小说或卡通片里说的能量炮。
2014年
2014年8月5日9时左右,山西运城新绛县水利水保局一座4层楼高的办公室里上班的闫勤学,听到窗外有雨声,就准备走出办公室将楼道里的窗户关上。站在3层的窗户旁边,闫勤学看到天空中有闪电,并伴有雷声,外面的雨越下越大。刹那间,一道亮光闪进楼道,闫勤学回忆,“一个巨大的火球,带着夕阳红的色彩,从没有防护栏、打开着的塑钢窗户里闯进来,速度特别快,瞬间发生爆炸,然后就消失了。”这一个“火球”直径约40cm,瞬间发生爆炸,响声很大,造成5台计算机损坏[8] 。新绛县气象局气象防雷工程师杨英分析,这个火球即是并不常见的“球状闪电”。当天,受副热带高压东退影响,新绛普降雷阵雨,电闪雷鸣中,降水持续了1个小时左右。[9] 
9各种说法编辑
有人认为,更有说服力的解释应是接近冷聚反应领域,与等离子体现象相关的理论。更有人提出球状闪电和龙卷风一样都是等离子团的现象。还有人设想,最佳的理论可能是把电磁学电学和等离子及纳米理论综合起来的想法。
球状闪电与人体自焚
1966年12月5日,在美国宾夕法尼亚州波特城,一位煤气工人上午9时来到班特莱医生家查表。他以为老医生尚未起床,就径直走向地下室去查表。一进地下室发现地上有一堆灰烬。他抬头一看,看到灰烬上方的天花板有一个烧穿了的大窟窿。他大吃一惊,赶忙奔上去找那位老医生,却在卫生间看到烧穿窟窿的地板上,只剩下半条人腿,老人的身体已化为灰烬。整个现场没有丝毫发生火灾的迹象。
有些科学家称这种现象为“人体自焚”,并给它下了个定义:所谓“人体自焚”,是指人体没有同外部火源接触,内部发生燃烧化为灰烬,而灰烬周围一切可燃物体保持原样的一种现象。
根据现有的200多案例,发生“自焚”的人男女比例大约相等;年龄从4个月到114岁都有;身体有胖有瘦,有的案例甚至发生在走路、开车、划船跳舞的过程之中。
那么,“人体自焚”起于何因?众说纷纭,莫衷一是。在西方,有人认为是人体内有过量的脂肪引起的。这种解释显然站不住脚,因为发生自焚的人有胖有瘦。有些人认为,人体自焚是由于某种天然的“电流体”造成体内可燃物质燃烧。所谓天然“电流体”究竟何所指?还有人认为是由于体内磷质过多,发生自燃,此说没有根据。更有趣的是有人认为这是由于喝了过量的酒,酒精发生自燃的现象。此人还做了个可笑的试验:把酒精注射到一块新鲜的肉里,然而却不见发生“自焚”现象。
有人指出:“人体自焚”是自然界中的球状闪电引起的,所以不是自燃,而是他燃。持这种观点的人解释道:球状闪电像一个大火球,在空中飘飘忽忽,忽高忽低的移动,常使夜间行路的人大惊失色。球状闪电能穿过门、窗的缝隙、升堂入室、钻进人家,它有时发生爆炸,毁坏建筑物,造成人畜伤亡。它在行经的沿途,遇到任何障碍物时无坚不摧,却又不烧坏周围的可燃之物。通常,一个球状闪电爆炸时释放出的能量,约相当于10公斤TNT炸药爆炸时放出的能量。而且当球状闪电消失后,一般会留下烧焦、硫磺或臭氧的气味。
UFO与球状闪电
由于球状闪电行为的诡秘奇特,有人提出大部分UFO可能就是球状闪电。其理由是:
1.在颜色方面。球状闪电的颜色绚丽多彩,有白色、粉红色、桔红色、蓝色等。UFO也有类似的色彩。闪电颜色多样可能与大气环境有关,缺氧时显粉红色,缺少负氧离子时显天蓝色,缺乏水蒸气和尘埃时显黄色。
2.在声响方面。球状闪电在运动时会发出轻微的吱吱声、噼啪声,最后静静地消失。UFO由于距离较远,多数听不到声音,但也有少数UFO飞行时会发出呼呼的声音或隆隆的响声。部分UFO还发出热量,这与球状闪电很一致。
3.UFO和球状闪电都能漂浮空中,行踪不定。
4.球形闪电运动过程中周边空气部分被电离,进而形成薄厚不均匀的发光屏蔽层,使目击者看到碟形、环形、雪茄形等形象。这也是许多人将它报为UFO的原因之一。
迄今为止汇集的各类UFO目击报告表明,其中99%以上的属于自然现象或人为所致,其中球形闪电约占总数的50%~60%。
但是,持不同观点者则认为球状闪电多产生于雷雨的天气中,而多数UFO目击是发生在晴朗的天气里。


 

 




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