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大气冷等离子体
尽管它占据了宇宙空间的 99% 以上，但在地球上也只能看到极光等罕见现象。这种现象发生在两极，是由于来自太阳风的电子受到地球磁力加速并与大气中的原子碰撞而产生的。在这种相互作用中，包括原子的电离和激发在内的一系列事件形成了不同能量状态的物质“沙拉”。这种物质“沙拉”不符合热力学平衡，具有与周围环境重新结合的能量。1928 年，人们提出了这种物质的第四种状态，并称之为等离子体[ 1 ]。然而，直到第二次世界大战之后，研究人员才开始对人造等离子体的形成及其对人类的潜在益处产生兴趣。起初，人们竞相开发用于热核聚变的等离子体，即在极低的压力下产生等离子体，然后利用强磁场进行受控核聚变[ 2 ]。随后，在 20 世纪 70 年代，等离子体技术开始了更加深入的研究，不仅在电子工业，而且在航空航天、汽车、冶金、钢铁、生物医学、纺织、光学和造纸工业也得到了广泛的应用[3-10]。这些技术大部分使用低压冷等离子体，即电子能量远大于等离子体中其他粒子平均能量的等离子体，而炼钢等应用则使用热等离子体，其中系统接近平衡，即电子能量与其他物质的能量大致相同。由于产生等离子体所需的压力较低，这些冷等离子体技术在使用上受到限制。除了尺寸限制之外，还有其他因素，例如需要处理的产品具有低蒸汽压，从而在加工过程中保持其完整性。一种可在大气压下使用并保持等离子体低温的技术，即允许电子与其他物质发生高能碰撞的非平衡特性，使环境保持低温。这种技术在聚合物、液体和活组织等热敏感材料的应用方面具有很大的吸引力[11,12]。过去 20 年的研究正在不断发展，被称为冷大气等离子体（或冷大气压等离子体 PFA）。它们主要应用于健康领域，如伤口愈合、血液凝固、龋齿消毒和改变哺乳动物细胞功能，并有可能用于新的癌症治疗[13-17]。在农业中，它可用于刺激植物生长和减少病原体、种子发芽、水果生物活性表面的净化以及收获后的净化[18-23]。在环境领域，它可用于环境、液体和固体的净化、水处理、染料降解等[24, 25]。在巴西，该技术仍很少得到应用和普及。一些使用它的研究中心以孤立和不系统的方式进行研究。 2020 年 2 月 8 日在 CNPq 研究目录中进行的搜索表明，巴西有 10 个研究小组的名称中带有“等离子体”一词，其中只有 02 个研究小组的名称中包含“大气等离子体”或“冷等离子体”一词。俄罗斯半干旱地区联邦乡村大学（UFERSA）自 2012 年以来一直致力于开展大气冷等离子体在农业、健康和环境领域的应用研究，并取得了有趣且前所未有的成果。考虑到该研究的低成本和相关性，以及其多学科、创新和跨部门集成的性质，该技术的传播可能是其在其他研究机构和国家工业中传播的重要一步。凭借我们过去 8 年积累的经验，我们将能够接近农业、卫生和
飞秒产生射频辐射...
tions（UPPE）求解器[38]。这些结果与等离子体柱的整体尺寸相符，但也表明整个等离子体具有丰富的细尺度结构（正如我们在多丝状区域所预期的那样[39-41]）。在本文中，我们进行了简化，没有包括细尺度等离子体扰动。由于强度钳制，等离子体柱近似为具有恒定密度的中心核，然后沿径向下降 100μm，在外半径 r pl 处密度为零。速度分布由我们的 PIC 代码确定：给定 E（⃗x，t），空气以 W 速率电离[35]，新电子在脉冲的剩余部分中加速[28]（执行这些计算的代码包含在[31]中）。一般而言，速度分布受 γ = 1 附近强场电离细节（例如 [ 42 ]）和成丝过程中激光脉冲变形的影响。在本文中，我们进一步简化并假设电子以零初始速度电离，然后由高斯脉冲的剩余部分加速（具有 ˆ x 极化并在 + z 方向上传播）。整体而言，初始 N e 是高度非麦克斯韦的，在 100 Torr 时具有峰值动能 K tail ≃ 5 eV，平均动能 K avg ≃ 0. 6 eV，而在 1 Torr 时这些值增加到 K tail ≃ 16 eV 和 K avg ≃ 2 eV。对于 3.9 µ m 激光器，动能大约大 25 倍，因为激光强度相当且能量按 λ 2 缩放。接下来我们考虑等离子体柱的演变。给定 N e ，我们构造等离子体的横向薄片，在纵向 ˆ z 使用周期性边界条件（由于电子速度只是 c 的一小部分，因此这对领先阶有效），并使用我们的 PIC 代码模拟径向演变。德拜长度相当小：λ Debye ≃ 10 nm，因此我们使用能量守恒方法 [43] 来计算洛伦兹力。电子-中性弹性碰撞频率 ν eN 取决于 O 2 和 N 2 的截面，对于我们的能量来说大约为 10 ˚ A 2 [44]。反过来，电子-离子动量转移碰撞频率由 ν ei = 7 给出。 7 × 10 − 12 ne ln(Λ C ) /K 3 / 2 eV ，其中 Λ C = 6 πn e λ 3 Debye [45]。然后将得到的径向电流密度 J r 和电子密度 ne 记录为半径和时间的函数（更多详细信息可参见 [31] 的第 3 部分）。这些结果可以很好地分辨，网格分辨率为 ∆ x = ∆ y = 2 µ m，等离子体外缘的大粒子权重为 ∼ 10。图 1 中给出了 100、10 和 1 Torr 下 PW 模拟中λ = 800 nm 的电子数密度。t = 0 时等离子体外缘具有简化的阶跃函数轮廓，在半径 r pl = 0 处 ne = 10 20 m − 3。 5 毫米。因此，除了从等离子体边缘发射出脉冲波外，在内部激发出约 90 GHz 的相干径向等离子体频率振荡 [ 46 ]，在表面激发出约 63 GHz 的 SPP [ 33 , 34 , 47 ]。扩展到中性大气中的 PW（r > r pl）对密度不敏感