1.3 等离子体的基本参量及等离子体判据
等离子体的状态主要取决于它的组成粒子、粒子密度和粒子温度。因此可以说，粒子密度和温度是它的两个基本参量，其他一些参量大多与密度和温度有关。
1.3.1 粒子密度和电离度
组成等离子体的基本成分是电子、离子和中性粒子。通常，以ne表示电子密度；ni为离子密度；ng表示未电离的中性粒子密度。为方便起见，当ne=ni时，可以用n表示二者中任意一个带电粒子的密度，简称为等离子体密度。
如果都是一阶电离，则ne=ni，氢等离子体就是这样。然而，一般等离子体中可能含有不同价态的离子，也可能含有不同种类的中性粒子，因此电子密度和离子密度并不一定总是相等的。不过在大多数情况下，所讨论的主要是一阶电离和含有同一类中性粒子的等离子体，故可认为ne≈ni，这时电离度α可定义为：
α=ne/（ne+ng） （1-1）
热力学平衡条件下，电离度仅与粒子种类、粒子密度和温度有关。
1.3.2 电子温度和粒子温度
在热力学平衡态下，粒子能量服从麦克斯韦分布。单个粒子平均动能KE与热平衡温度的关系为：
KE=mv2/2=3kT/2 （1-2）
式中 m——粒子质量；
v——粒子的根均方速度；
T——粒子的温度；
k——玻尔兹曼常量。
等离子体中不只有一种粒子。虽然当带电粒子的库仑相互作用位能远小于热运动动能时，便可以认为各种粒子在热平衡态也服从麦克斯韦分布。但是，不一定有合适的形成条件和足够的持续时间来使各种粒子都达到统一的热平衡态。因此也就不可能用一个统一的温度来描述。在这种情况下，按弹性碰撞理论，离子-粒子、电子-电子等同类粒子间的碰撞频率远大于粒子-电子间的碰撞频率。同类粒子的质量相同，碰撞时的能量交换最有效。因而，将会是每一种粒子各自先行达到自身的热平衡态，且最先到达热平衡态的应是最轻的带电粒子，即电子。这样，就必须用不同的粒子温度来描述了。
依据等离子体的粒子温度，可以把等离子体分为两大类，即热平衡等离子体和非热平衡等离子体。
1.3.3 德拜长度
德拜（Debye）长度是等离子体的另一个重要参数。等离子体中存在带电粒子，如果在等离子体中施加电场，带电粒子将起到降低电场影响的作用。这种降低局域电场影响的响应，即等离子体对内部电场产生的空间屏蔽效应，称为德拜屏蔽。德拜屏蔽是等离子体保持准电中性的特性。假设在浸入等离子体的两个表面上施加电压，表面将吸引等量的异性带电粒子。两个表面附近积累的带电粒子将屏蔽带电表面，使等离子体保持电中性。这时外加电压将集中在电极表面附近的λD距离中，λD称为德拜长度，定义如下：
（1-3）
式中 ε0——真空介电常数；
k——玻尔兹曼常量；
Te——电子温度；
ne——电子密度；
e——电子电量。
在低温等离子体中，德拜长度为74μm。对于日光灯辉光放电等离子体，德拜长度在0.01nm左右，而宇宙空间等离子体的德拜长度大致为2～30m。
1.3.4 等离子体鞘层
等离子体虽然是准电中性的，但当它们与器壁相接触时，它们与器壁之间会形成一个薄的正电荷区，不满足电中性的条件，这个区域称为等离子体鞘层，如图1-2所示。
图1-2 等离子体鞘层
鞘层的形成过程如下：考虑一个宽度为l、初始密度为ni=ne的等离子体，被2个（ф=0）接地的极板包围，这两个极板都具有吸收带电粒子的功能，由于净电荷密度ρ=e（ni-ne）为零，在各处的电势ф和电场Ex都为零，如图1-3（a）所示。
图1-3 鞘层的形成
由于电子的热运动速度
是离子热运动速度
的100倍以上，等离子体中的电子可以迅速到达极板而消失。经过很短的时间后，器壁附近的电子损失掉，形成一个很薄的正离子鞘层，如图1-3（b）所示。在鞘层和等离子体之间存在一个准中性区域称为预鞘层。跨越等离子体鞘层的电位称为鞘电位Vs，如图1-4所示。只有具有足够高热能的电子可以穿过鞘层而到达表面（器壁、被处理材料等），使表面相对于等离子体为负电位，从而排斥电子。鞘电位的值随之不断调节，最终使到达表面的离子通量与电子通量相等。
图1-4 鞘电位与粒子密度
由于等离子体鞘层是一个正电荷区，几乎不存在电子，因此，可以将电子密度忽略且将鞘电位下降区域的厚度定义为等离子体鞘层厚度ds。等离子体鞘层厚度与德拜长度有关，也取决于等离子体中的碰撞平均自由程和器壁表面上施加的偏压。
1.3.5 等离子体频率
从宏观看虽然等离子体是准中性的，但是可能出现某种破坏电中性的局部扰动。由于电子质量小，电子对这种扰动产生的电场力的响应比离子快，会立即响应，向着使空间电荷中和的方向移动。由于惯性作用，会越过平衡位置，进而再次向平衡方向返回。这是一种振荡过程，称为等离子体振荡，如图1-5所示。电子的振荡频率称为等离子体频率或朗缪尔频率ωp，由下式给出：
（1-4）
图1-5 等离子体振荡
式中 ne——电子密度；
e——电子电荷；
me——电子质量；
ε0——真空中的电介质常数。
等离子体频率反映了等离子体对其内部发生电场而产生屏蔽作用的时间响应尺度。对于典型的等离子体密度1010个/cm3，等离子体频率为9×108Hz，远高于常用的产生并维持等离子体射频放电的电源频率13.56Hz。
1.3.6 沙哈方程
等离子体中，在产生电离的同时还存在着电子和离子重新复合成中性离子的过程。实际应用中，通常等离子体中的带电离子与中性气体分子、固体分子，有时甚至与液体发生强烈的相互作用。当热能施加于气体，它会越来越高度电离。在许多低压气体中，离子、电子和中性气体处于各自不同的动力学温度上，其混合体距热平衡甚远，必要条件是所有粒子在共同温度上，在这样的等离子体中，必须从微观动力学来计算电离组分。
一些等离子体，包括工作在一个大气压的直流弧和射频等离子体，是处于或近于热平衡的，在此状态下，电子、离子和中性气体的温度是相同的。在这些条件下，由中性气体完全电离成等离子体状态的转变可由沙哈方程来描述，这是由印度天体物理学家Meghnadsaha所推导的，此方程表明电子、离子和中性密度（n0）之间的关系：
（1-5）
式中 h——普朗克（Planck）常量；
T——三种粒子的共同热动力学温度；
gi——原子的电离电位；
g0——离子基态的统计权重；
gi/g0——中性原子基态的统计权重，碱性金属等离子体的比值约为0.5，其他气体约为1的量级；
——粒子电离电位。
1.3.7 等离子体的时空特征限量
等离子体的电中性有其特定的空间和时间尺度。德拜长度是等离子体具有电中性的空间尺度下限。也就是说等离子的电中性是在等离子体的容积比德拜长度λD充分大时才成立，在小于德拜长度的空间范围，处处存在着电荷的分离，此时，等离子体不具有电中性，这是有别于普通气体的。
电子走完一个振幅（等于德拜长度）所需的时间τp可看作是等离子体存在的时间尺度下限。在任何一个小于τp的时间间隔内，由于存在等离子体振荡，因而体系中任何一处的正负电荷总是分离的，只有在以大于τp的时间间隔的平均效果来看，等离子体才是宏观中性的。
τp是描述等离子体时间特征的一个重要参量。如果由于无规则热运动等扰动因素引起等离子体中局部电中性被破坏，那么等离子体就会在量级为τp的时间内去消除它。换言之，τp可作为等离子体电中性成立的最小时间尺度。
1.3.8 等离子体判据
等离子体作为物质的一种聚集状态必须要求其空间尺度远大于德拜长度，时间尺度远大于等离子体响应时间，在此情况下，等离子体的集体相互作用才起主要作用。在较大的尺度上正负电荷数量大致相等，满足所谓的准中性条件。此时对于德拜长度λD的导出要使用体积分布规律。这只有在德拜球内存在大量带电粒子时才允许。
带电粒子与中性粒子之间的相互作用形式只有近距离碰撞这一种形式，可以用碰撞频率νen表示其相互作用的强弱。带电粒子之间的相互作用可以用库仑碰撞频率νee和等离子体频率ωp来表示。