摘 要：本文分析了扩散和漂移作用对大气等离子体传输的影响，并用实验测量作了比较研究。结果表明，扩散作用使吹出的等离子体气层的边界变得越来越模糊且变宽，维持浓度不变的中心厚度缩小速率为46mm/s。当扩散到气层中心后，中心浓度将随时间按指数迅速衰减。

主题词： 大气等离子体 扩散 电场漂移

“等离子智能避雷技术”已经研究开发了11年。这一避雷技术的创新，引起国内外学者的广泛兴趣，得到了国内外科技界越来越普遍的认同。但也有不少人还有不少疑问，对等离子避雷技术提出质疑。本人真诚欢迎从纯学术的角度探讨争辩，也将陆续发表文章解析质疑，与大家共同讨论与提高。

一些人不理解为何花那么大力气产生大气等离子气层用作避雷？认为雷暴期间的尖端放电所产生的等离子体就已能避雷，甚至足够消雷。事实上，在大气中产生等离子体不难，问题是输送等离子到需要的地方非常难，以致等离子到达被保护物体表面时，浓度远远不够，根本无避雷作用，更不能消雷。七年前，我们在大气等离子输送方面做了一些实验研究，现发表供大家参考。

1. 引言

实验室很容易看到，用风把电离区中的大气等离子体吹离电离区以后，随着距离的增大，带电粒子浓度很快减小。其原因不外乎4种因素的作用，即扩散、气流冲淡、复合和漂移。为了在电离区以外的一定距离上获得预想的带电粒子浓度，必须对大气等离子体输运过程中的衰减因素有个定量的认识，才能找出确保浓度的措施。本文就是一次尝试试验结果的分析，但只探讨了扩散和漂移两种因素。

电离区是产生等离子体的源区。在这个区域内，中性大气分子被电离成正负带电粒子。吹出电离区的大气等离子体气层内的带电粒子浓度也比背景大气中带电粒子浓度高出很多，这种浓度差必然会引起带电粒子向大气的扩散。假设大气等离子体与大气都处在热力学平衡状态，扩散系数为D，扩散引起的浓度变化与浓度梯度成正比^[1]。我们把这一关系用到吹出大气等离子体气层的情况。

由于我们的实验可以排除复合及气流的影响，但很难排除漂移因素。因此本文把扩散和漂移两种因素同时分析，并与实验结果进行比较。

2. 扩散

见图1，带电粒子浓度为n₀在边界上存在梯度T，线性假设下为：

（1）

经过Δt时间后，由于一维扩散，边界成为斜虚线所示，梯度成为T’：

（1'）
由左向右经过中线A的扩散流量ΔN为：

（2）

ΔN等于三角形Ax₁x₂面积，即：

（3）

（4）

由式（1）得：

（5）

把（4），（5）代入（3）：

（6）

代入(2):

（7）

令l=x₁-x₂，代入式(1)得:

代入（7）得：

（8）

因为 （9）

（32）

当厚度为1mm时，τ≈4ms；当厚度1cm时，τ≈0.4s，图中n₁曲线是中心浓度随时间变化速率，是负数，并且负值越来越小，说明中心浓度n₁越来越小，开始小得快，后来慢。

3. 迁移

带电粒子在电场中作迁移运动^[2]，迁移速度与电场强度成正比，比例系数称迁移速率常数，在一般地面大气中离子的迁移速率常数为（1~3）×10^-4（m²/s.V）。

V=ξE

晴天大气中的本底静电场约为100V/m，能造成离子的迁移速度为2cm/s左右。若大气等离子体气层厚度为1cm，则这样的本底大气电场就可使得气层中的离子在半秒钟内全部迁移到气层外面，原1cm厚的气层中离子浓度就变为零。这一影响还是相当严重的。在雷暴活动的天气，地面大气电场可以达到10kV/m，则离子迁移速度可达2m/s。用风速10m/s来吹送大气等离子体气层，若气层厚度为2cm，吹出10cm之外原2cm厚的气层中就没有离子了。

迁移运动往往使得电离区内的离子不易被吹离电离区。因为使大气电离的高电场同时使带电粒子迅速向电极迁移。若电离所需的电场强度为10⁶V/m，离子向电极迁移速度就是200m/s，一般的风速都很难达到这一数值，所以很难把带电粒子吹出电离区。

针孔电晕发生器结构见图4。孔内电场强度分布见图5。当中心针上加直流高压后，针表面附近电场强度最强，可产生电晕放电，而孔壁表面附近的电场强度较弱，那里的带电粒子可指望被吹出来。因此，用气泵高速吹出来的带电粒子只是与针上所加电压同极性的带电粒子，而不是等离子体气层。下一节中介绍的实验就是用这种发生器。由于吹出气层是单极性的，因此避开了正负复合造成离子浓度衰减的因素。

4. 实验测量

我们为了用实验来测试大气等离子体传输中扩散和漂移的影响，因此需尽量避开复合与气流对传输的影响。为此，我们选用单极性离子气层，并且尽量使气流平稳。我们采用的产生单极性离子气层的发生器是自行设计加工的。其原理是针孔电晕放电。用气泵高压气体吹出离子气柱。图4是发生器的结构原理图。图5是孔内电场强度的空间分布。当针上加了正高压后，针表面空间电场强度最强，当超过起晕电场值（约10⁶V/m）时，针产生电晕放电，产生电子雪崩的电离过程。电子和负离子向针运动，而正离子向接地的孔壁运动，到达孔壁附近后那里的电场强度剧降，使正离子的迁移速度变慢，较容易被高速风吹出孔，因此被风吹出的气柱中主要是带正电的离子。相反，若在针上加负高压，则主要只能吹出负离子。这样就使得在吹出气层中主要为单一极性的离子。满足我们测试扩散效应的需要。

对吹出气层离子的测量我们采用两种方法。一种是用金属接收面板横向挡在气流的路径上。用检流机、微微安表或示波器测量该面板接收到的离子总流量产生的电流。还有一种方法是用大气带电粒子浓度仪测量空间某处的离子浓度。它原本是用来测量静止空气中的离子浓度。仪器内有风扇，把外面的空气吸进测量筒内。测量筒是两同心金属圆柱之间的空间，圆柱间加上一直流电压。进入测量筒内空气中的离子被电场迁移，正负离子分别向两极运动而形成电流，仪器中的微电流放大线路检测到电流大小。该电流正比于测量筒内的离子浓度。因为浓度仪的测量筒固定在仪器内，筒口与仪器面板平，筒口直径大小约55mm，因此测量的空间分辨率不高。为了提高空间分辨率，我们在筒口套装上一个凸出的扁孔。扁孔厚度为2mm。进气孔圆滑地过渡到圆口，套在原测量筒口。这样会使进气速度比设计值低，因此使用时也可正对着气流来测。由于在加扁孔后未作标定，测量结果只具有相对意义。

图6是1999年2月24日和3月15日对气层离子浓度横向分布的测量结果。图7中1~3

曲线是1999年2月24日测量结果，浓度仪的测量筒与气流平行，纵坐标浓度单位为10⁴cm^-3。曲线1是对Ⅰ型发生器针上加正高压后，距孔32cm处测得的正离子浓度；曲线2的对Ⅱ型发生器针上加负高压后，距孔32cm处测得的负离子浓度；曲线3是对Ⅱ型发生器针上加正高压后，距孔32cm处测得的正离子浓度；曲线4、5是1999年3月15日测量结果，浓度仪的测量筒与气流垂直，所以数值曲线比1~3小。图中曲线的纵坐标浓度单位为10³cm^-3。从这些曲线可以看到气层浓度的横向分布在外边缘浓度大致呈线性衰减。曲线4是与曲线3完全一样条件下测量数据，只是浓度仪接收筒改成垂直于气流。可见曲线3和4基本平行。曲线5与曲线4条件完全一样，只是在离孔16cm处的测量结果。可以看到离子集中在更窄的中心部位，外边缘浓度梯度比其他曲线（距发生器32cm）都大。气层传输越远，边缘浓度梯度越小。这些都是扩散效应的结果。还有一点可以看到，在y=0处并不是浓度峰值，这是因为能吹出离子的地方只在孔壁处，中心的针表面离子不能被吹出，故浓度峰值应为锥面状。

当用接收面板测量气层中离子的总流量时，若面板面积较大，可以收集到全部离子，则气流中离子的横向扩散就显不出来。图7是这种测量的结果。这些测量是接收面板与发生器距离不变，改变吹风气压，所测到的离子总流量。

图7中曲线1，2和4都是用金属面板接收的流量，曲线1是1998年4月14日用Ⅰ型发生器测得的，针上加-10kV高压，纵坐标流量用10μA为单位；曲线2是1998年4月15日测得的，用Ⅰ型发生器并带有放射源，针上加-10kV高压，纵坐标单位也为10μA；曲线3是1998年4月16日测得，用带放射源的Ⅰ型发生器，针上加 10kV 高压，浓度仪接收筒与气流垂直，纵坐标单位是10⁵cm^-3；曲线4是1998年4月16日用带放射源的Ⅰ型发生器测得，针上加 10kV高压，接收面板离发生器孔10cm，纵坐标单位是10μA；曲线5是1998年4月16日用带放射源的Ⅰ型发生器测得，针上加 10kV高压，浓度仪接收筒与气流平行，距发生器孔44cm，纵坐标单位为10⁶cm^-3，所有曲线大致都是线性关系。说明风速大，单位时间内送出的带电粒子就多。由于风速大送出的中性气体分子也多，也成正比，因此离子浓度不随风速而变。尤其是这些测量离发生器都较近，扩散作用尚不能把较多的离子移出气流。但这些曲线在气泵气压低，即风速较小时离子流量比线性曲线所预言的值偏小，说明在风速小时，明显地有少部分离子扩散出了气流区到静止大气区，不再能到达接收面板。这一情况在曲线4最明显。曲线3和5是在气流中心处测的浓度值。在离开发生器44cm远处，浓度曲线是随气压线性变化。这是因为把浓度仪的接受筒与气流平行放置，浓度仪实际上测量到的是流量了。只有当接收筒与气流垂直时，如曲线3，测到的才是浓度，当气压为4~8时，浓度基本不变。说明扩散尚未影响到中心区，是图1所示的状况。但当气压即风速变小时，浓度突然降到接近于0。说明扩散作用经过88cm路程的时间已影响到中心区了，成为图2所示的状况。

另外，我们曾经观测过带离子的气流通过管道的传输。曾经用过软塑料管、黑色橡胶管、半透明塑料硬管、红色呼啦套管、白色电工拉线硬管、灰色电工拉线管及镀锌自来水管等。结果是，只要气流平稳，通过管里的传输比没有管差不多，即管道的吸收作用不明显。距离在1m以上时，通过管道以后的离子浓度比没有管道的还高。这符合扩散理论。若没有扩散。则只有贴紧管壁吸附而损失掉。而附面层内侧流线上离子浓度仍旧不变。当扩散作用存在时，附面层内侧一层离子向附面层扩散，最后也被管壁吸附，沿管壁出现浓度梯度，这一情况与无管壁时扩散现象相似。

5. 结束语

大气等离子体气层被吹离电离区以后，在输运途中浓度急剧下降，原因有四个，即扩散、气流、复合和漂移。本文对扩散和漂移因素作了理论分析及实验验证，可以得出如下结论：

（1）对于大气等离子体的输运中扩散因素的研究认识到，扩散作用使被吹出等离子体气层的边界越来越模糊，即边界的浓度梯度越来越小。边界厚度越来越宽。而维持浓度不变的气层中心厚度的尺度不断缩小。缩小的速率约为46mm/s，与原浓度无关。

（2）当扩散作用影响到气层中心后，中心离子浓度随时间按指数降低，衰减时间常数与气层总厚度的平方成正比。1cm厚的气层，衰减时间常数约半秒钟。

（3）由于大气中离子在电场中的漂移速率系数为每秒每伏2×10^-4m²，而晴天大气电场为100V/m左右。该电场能造成离子漂移速度达20mm/s。在雷暴云存在时地面背景电场可达10kV/m，离子漂移速度可达2m/s。数量是相当可观的。在实验室中应注意不让高电场影响浓度的测量。

参考文献

1．Nasser E 1971 Fundanmentals of gaseous ionization plasma electionics , Wiley-Interscience, New York.

2． Zhuang H C 1995 Science Press， Beijing （in Chinese）[ 庄洪春，空间电学，科学出版社，北京，1995 ]

表1 n₁ = 1 x 10⁹ cm^-3， d₁=5mm的扩散效果算例

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

t （ms）： 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

d ’ （m/s）： 5.3 4.8 4.4 4.1 3.9 3. 7 3.5

d ₁ （mm）： 5 5.5 6.0 6. 5 6.9 7.3 7.6

n₁ ’（/cm³/ms）：-1.1x10⁹ -7.8x10⁸ -6.1x10⁸ -4.9x10⁸ -4.0x10⁸ -3.4x10⁸ -2.9x10⁸

n₁ （cm^-3）： 1x10⁹ 9x10⁸ 8.2x10⁸ 7.6x10⁸ 7.1x10⁸ 6.7x10⁸ 6.4x10⁸

t （ms）： 0.7 0.8， 0.9, 1.0, 1.1, 1.2, 1.3

d ’ （m/s）： 3.3 3.2 3.1 3.0 2.9 2.8 2.7

d ₁ （mm）： 8.0 8.3 8.6 8.9 9.2 9.5 9.8

n₁ ’（/cm³/ms）-2.8x10⁸ -2.2x10⁸ -2.0x10⁸ -1.8x10⁸ -1.6x10⁸ -1.5x10⁸ -1.4x10⁸

n₁ （cm^-3）： 6.1x10⁸ 5.8x10⁸ 5.6x10⁸ 5.4x10⁸ 5.2x10⁸ 5.1x10⁸ 4.9x10⁸