什么是等离子体
物质通常分为固体、液体和气体，但把气体继续加热就可以产生等离子体。
因此，等离子体常被称为物质的“第四态”。
等离子体是物质的电离状态。电离是指分子或原子分裂成电子和离子。
当离子、电子、原子等粒子相互碰撞时，会形成等离子体。
等离子体在什么条件下形成？
主要出现在太阳等超高温区域，或在气体上施加高电压时产生。
这次我们将分析一种利用等离子体的工业产品：荧光灯。
荧光灯由玻璃管、少量汞、氩等惰性气体、两端电极，以及涂覆在管内壁的荧光粉组成。
荧光粉吸收放电产生的紫外线并发出可见光。
荧光灯不仅用于“住宅与生活空间”，也用于以下工业场景。
紫外荧光灯（UV灯）
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杀菌消毒（医疗机构、食品加工厂等）
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空气净化器
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水处理设备
黑光灯（Blacklight）
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假币/证件鉴别
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荧光涂料检查
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裂纹检测
荧光灯的发光过程如下。
- 电极加热与电子发射：通电后，两端电极（灯丝）加热，发生热电子发射。
- 紫外线产生：放电电子与管内少量汞原子碰撞，使汞原子被激发并发出不可见的紫外（UV）光。
- 紫外转可见：紫外光被玻璃管内壁的荧光粉吸收后，荧光粉发出可见光。
荧光灯的发光效率主要取决于热电子的发射量，以及与汞原子的碰撞效率。
我们将使用等离子体解析软件 PIC-PLASMA 3D 来计算这一过程。
荧光灯中电子与气体碰撞分析
让我们使用 PIC-PLASMA3D 来模拟荧光灯内部的放电。
分析模型如下。（使用 FreeCAD 创建）
分析模型
我们按上图建立了荧光灯分析模型，并对从阴极发射的热电子（等离子体产生的起点粒子）进行轨道分析。
等离子体的产生机理如下：
图2：等离子体产生过程
这次我们模拟从阴极发射的电子，也就是等离子体产生的起点！
也就是说，在上图里就是最初的那个电子？
没错！PIC-PLASMA3D 也能计算电离后的等离子体（离子和电子）。有时间的话可以试试。
明白了！
分析条件如下。
表1：分析条件
| 解析软件 | PIC-PLASMA 3D |
| 解析类型 | 静电场中等离子体的轨道分析 |
| 新生成粒子 | 电子 |
|---|---|
| 生成电子的初速度 | 1.0×106[m/s] |
| 电子生成数（每 ns） | 1.0×10³ [每 ns] |
| 电压 | 阴极电压：0[V] 阳极电压：1000[V] |
| 时间步长 | 8.0×10-11[s] |
| 总模拟时间 | 1.6×10-7[s] |
注意：这些初始条件可在软件（PIC-PLASMA3D）中设置。
分析结果
图3：荧光灯内部阴极热电子的轨道分析结果
图4：电子与气体的碰撞位置
以上内容为使用 PIC-PLASMA3D 计算得到的实际解析结果。
这模拟了从阴极发射的自由电子轨迹，它是等离子体产生的起点。
视频中的“data”表示电子数密度 [particles/m³]。
可以看到从阴极发射的电子向阳极移动。
这些电子与荧光灯内的气体碰撞，产生紫外线。紫外线照射荧光粉后，荧光粉发出可见光。
这里使用的 CAD 模型较为简化，因此电子数量等条件也做了简化。
此外，PIC-PLASMA3D 还能输出除上述结果以外的多种数据，例如：
- 电位
- 磁场分布
- 电子密度
- 电流密度
- 电荷密度
*以上仅为示例。
我们强烈推荐在等离子体产品开发中使用 PIC-PLASMA 3D。欢迎使用。