近日，我系核燃料团队李和平副教授受邀在著名物理学期刊《Physics Reports》（IF：20.099@2017）上发表综述论文，针对碰撞等离子体（Knudsen数小于0.1的弱电离等离子体）的产生与特性调控机制，在国际上首次提出了分析碰撞等离子体中质量–动量–能量非平衡协同输运机制的“能量树”概念。碰撞等离子体（Collision-Dominated Plasma, CDP）可以在非常宽广的环境压强（10 ~ 106 Pa）、等离子体密度（1016 ~ 1023 m-3）、重粒子温度（0.03 ~ 1 eV）和电子温度（1 ~ 10 eV）范围内产生（典型的碰撞等离子体参数如图1（a）所示）。在过去的几十年里，面向不同类型碰撞等离子体的基础研究取得了长足的发展，而理论研究的突破也极大地催生和推动了碰撞等离子体在先进材料制备与改性、生物医学、农业、节能环保、空间推进以及战地生化洗消等诸多领域的广泛应用。
图1. 典型的碰撞等离子体参数图谱（a）以及不同形式能量在实际应用中的作用（b）
然而，目前的研究工作往往聚焦于等离子体某一方面特性的研究，尚未形成关于碰撞等离子体中非平衡协同输运的完整理论体系，如面向等离子体生物医学和微纳米尺度材料制备等领域的化学活性粒子的产生与调控，面向焊接、切割、喷涂以及飞行器再入烧蚀防护等领域的等离子体动量与能量密度的调控，以及生物质能转化领域的等离子体能量密度与化学活性粒子浓度的综合调控等（如图1（b）所示）。因此，我们不仅需要把碰撞等离子体看作传统意义上的多种活性粒子的集合体，更需要把其看作携带不同形式（如平动、转动、振动、电子激发等）能量的能量载体；而活性粒子的产生与消亡又与上述不同形式能量的转化强烈耦合。正因如此，我们在深入分析碰撞等离子体理论和应用研究进展的基础上，提出了以等离子体中能量的“注入–再分配–损失”为主线的、分析碰撞等离子体中质量–动量–能量非平衡协同输运的“能量树”概念。
图2. 描述碰撞等离子体中质量–动量–能量非平衡协同输运机制的“能量树”概念示意图
如图2所示，“能量树”概念的核心思想是：作为粒子集合体和能量载体的碰撞等离子体，在从气体击穿、等离子体维持直到消亡的整个过程中，能量的注入–再分配–损失始终与体系的动量交换和粒子平衡过程强烈耦合；如果将这一等离子体体系中的质量–动量–能量协同输运过程用自然界中“树”的概念来描述，那么，我们可以看到，这棵“树”同样可以分成树根、树干/树枝和树叶三大部分：
树根：在碰撞等离子体条件下，等离子体主要通过焦耳热效应从外界获得能量，这是“树根”的作用；
树干/树枝：在等离子体体系内部，粒子间频繁的碰撞过程不仅导致不同粒子的产生与消亡，而且必然伴随着处于不同自由度间能量的传递；这类似于水分和营养物质在树干和树枝中的输运。
树叶：等离子体中携能粒子的产生与消亡，不仅与粒子间的碰撞过程，而且与粒子与环境间的相互作用紧密相关；可以说，这些粒子起到了与“树叶”类似的功能。一方面，粒子间的碰撞将导致不同自由度能量在等离子体体系内部的重新分配与储存；而另一方面，这些“树叶”与包围等离子体的环境（如电极、固体壁面、环境气体或液体等）间相互作用，从而导致等离子体体系与外界环境间的能量、动量和质量交换。
从图2还可以进一步看到，碰撞等离子体体系中能量的注入、再分配以及损失将受到等离子体发生器结构参数和运行参数以及环境参数等诸多因素的影响。“能量树”概念的提出，一方面，为分析业已存在的各类碰撞等离子体源中质量–动量–能量非平衡协同输运机制提供了一个强有力的工具；另一方面，更为重要的是，采用“能量树”的分析方法，将完全有可能通过人为调控图2中的关键等离子体结构参数、运行参数和/或环境参数创造新的、满足未来特定应用需求的等离子体源。我们认为，后者对于推动非平衡态等离子体基础和应用研究的发展具有重要的意义。
在本综述论文中，作者以“能量树”为核心概念，着重从能量的注入（树根）与损失（树叶），以及体系内部能量的传递与再分配（树干/树枝）层面深入剖析了各种碰撞等离子体体系（包括热等离子体、冷等离子体以及反应等离子体）中质量–动量–能量非平衡协同输运的时空演化特性。在此基础上，通过具体的研究实例，进一步证实了采用“能量树”概念进行碰撞等离子体体系中非平衡协同输运机制分析的可行性。
以纳秒脉冲放电等离子体辅助燃烧为例，有效控制等离子体中处于激发态的化学活性基团较单纯提高体系温度水平显得更为重要，这是因为尽管热效应也具有强化燃烧过程的作用，但相对于化学活性基团，其对化学反应过程的选择性要差得多。随着气压的升高，粒子间碰撞频率提高，碰撞能量交换的时间尺度显著缩短。因此，采用纳秒脉冲放电等离子体将有利于在高的约化电场条件下将能量在纳秒时间尺度内快速注入等离子体体系，而同时不致引起体系不稳定性的发展。这恰恰代表了“能量树”中“树根”的部分，也就是能量的注入过程。而从图2可以看到，在“树根”部分，能量注入等离子体体系、产生携能化学活性基团（如激发态氧原子）的路径会受到约化场强（E/N）的影响。文献[N. A. Popov, Plasma Sources Science and Technology 25 (2016) 043002; S. M. Starikovskaia, et al., High Energy Chemistry 43 (2009) 213; I. N. Kosarev, et al., Combustion and Flame 154 (2008) 569]的研究发现，在保持较低的等离子体气体温度（即平动能量密度）的同时，产生高浓度化学活性基团的最优E/N值依赖于等离子体工作气体的化学成分，如CH4/O2/Ar混合气体放电和CH4/O2/N2混合气体放电对应的最优E/N值分别约为80 和250 Td。图3给出了在最优E/N值80 Td时CH4/O2/Ar混合气体放电的“能量树”分析图。我们可以看到，通过调节E/N的值，的确能够实现对等离子体中能量输运和粒子平衡的调控，从而获得高的活性粒子浓度，最终达到强化燃烧的目的。未来通过进一步分析等离子体中复杂的化学反应动力学过程，将可以实现对等离子体辅助燃烧过程的进一步优化设计与控制。
图3. 在最优E/N值80 Td时，CH4/O2/Ar混合气体放电的“能量树”分析图（a），图中线型的粗细在一定程度上表征了各种粒子碰撞能量传递的相对份额（b）的大小。所涉及的粒子碰撞过程包括：（1）弹性碰撞；（2）CH4与O2的振动激发；（3）Ar的电子激发：（4）CH4的离解；（5）O2 (a1Dg)和O2 (b1Sg+)的激发；（6）O2*的激发；（6）O2*的激发；（7）O2的离解：（8）粒子电离。图（b）中的数据来源于文献[I. N. Kosarev, et al., Combustion and Flame 154 (2008) 569]中的图25。
面对碰撞等离子体产生和性能调控的巨大挑战及其广阔的应用前景，建立多学科深度交叉融合的协同创新网络变得十分迫切，这需要来自物理学、化学、生物医学、材料科学与工程、大数据与机器学习、机械工程、自动控制以及工程热力学与流体力学等诸多领域科研人员的深入合作。在未来碰撞等离子体的研究中，我们需要建立完备的碰撞等离子体理论研究数据库；需要在大量的数值模拟和实验研究结果的基础上基于大数据分析和机器学习，设计面向特定应用的、具有优化的质量–动量–能量协同输运特性的“能量树”；需要发展标准化的、针对模式碰撞等离子体体系的实验测量系统，对上述研究结果进行实验验证；在此基础上，发展面向实际应用的、具有实用化的新型等离子体源，并通过对等离子体自身特性及其实际应用效果的反馈，进一步优化等离子体源的性能，实现基于上述反馈的三维、甚至更高维“能量树”的设计，进而推动以需求驱动的碰撞等离子体的科学研究和应用发展。
《Physics Reports》创刊于1971年，是物理科学最具影响力的国际期刊之一，最新SCI影响因子为20.099。该刊每期只发表一篇论文，且不接受自由投稿，而是由杂志编委邀约在各研究方向做出突出贡献的专家学者撰稿，对相关领域的发展具有重要的引领和指导作用。本文第一作者和通讯作者为我系长聘副教授、IET Fellow李和平博士，第二作者为澳大利亚昆士兰理工大学教授、欧洲科学院外籍院士（Foreign Member of Academia Europaea）K. Ostrikov博士，第三作者为我系系友、2007年度清华大学优秀硕士论文和优秀硕士毕业生获得者、现任美国佐治亚理工大学助理教授孙文廷博士。本研究得到了中国国家自然科学基金（Nos. 11475103、11775128, 21627812）、国家重点基础研究发展计划（Nos. 2014CB744100、2016YFD0102106），以及清华大学自主科研计划（No. 20161080108）等项目资助。
论文信息：He-Ping Li, Kostya (Ken) Ostrikov, and Wenting Sun, The energy tree: Non-equilibrium energy transfer in collision-dominated plasmas, Physics Reports, 2018, 770-772: 1-45
全文链接：
https://authors.elsevier.com/a/1Y5Le1KAVtT~c4
https://www.sciencedirect.com/journal/physics-reports/vol/770/suppl/C
