等离子体物理及应用领域.docx
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等离子体物理及应用领域
等离子体物理及应用领域
什么是等离子体？
由大批的带电粒子构成的非约束态的宏观系统
非约束性：
异类带电粒子之间互相“自由”，等离子体的基本粒子元是正负荷电的粒子（电子、离子），而不是其联合体。
粒子与电磁场的不行切割性：
等离子体中粒子的运动与电磁场（外场及粒子产生的自洽场）的运动密切耦合，不行切割。
集体效应起主导作用：
等离子体中互相作用的电磁力是长程的。
等离子体是物质第四态
电离气体是一种常有的等离子体
需要有足够的电离度的电离气体才拥有等离子体性质。
“电性”比“中性”更重要（电离度>10-4）
放电是负气体转变为等离子体的一种常有形式
等离子体电离气体
宇宙中90％物质处于等离子体态
人类的生计陪伴着水，水存在的环境是地球文明得以进化、发展的的热力学环境，这类环境远离等离子体物态广泛存在的状态。
因此，天然等离子
体就只好存在于远离人群的地方，以闪电、极光的形式为人们所敬畏、所赞美。
由地球表面向外，等离子体是几乎全部可见物质的存在形式，大气外侧的电离层、日地空间的太阳风、太阳日冕、太阳内部、星际空间、星云及星团，毫无例外的都是等离子体。
地球上，人造的等离子体也愈来愈多地出此刻我们的四周。
平时生活中：
日光灯、电弧、等离子体显示屏、臭氧发生器
典型的工业应用：
等离子体刻蚀、镀膜、表面改性、喷涂、烧结、冶炼、加热、有害物办理
高技术应用：
托卡马克、惯性拘束聚变、氢弹、高功率微波器件、离子源、强流束、飞翔器鞘套与尾迹
等离子体参数空间
温度
（度）
惯性聚变
氢
磁拘束
星聚变
太阳核心
日冕
闪电
太阳风
霓虹灯
星际空间
荧光
北极光火
气体
液体
固体
密度（cm-3）
等离子体的描绘方法
等离子体描绘是一致的，往常是经典、非相对论的系统经典：
h/pn1/3
非相对论：
T
2
电磁场运动
麦克斯韦方程
粒子运动
直接粒子描绘：
每个粒子运动由牛顿方程描绘（对现实系统的粒子数几乎是不行能的，计算机PIC模拟方法以此为基础）
动力论描绘：
相空间粒子概率散布fx,v,t描绘，
df
f
f
f
f
v
a
dt
t
x
v
tc
流体描绘：
将等离子体视为电磁互相作用起主导作用的流体，（电）磁流体（EMHD，MHD）
等离子体分类
冷等离子体（TeTi,Ta）如：
极光、日光灯
低温等离子体
热等离子体（TeTi,Ta）如：
电弧、碘钨灯
高温等离子体如：
聚变、太阳核心
低温等离子体的电子温度小于10000°C，电子能量是1eV，而高温等离子体的电子温度则大于此温度。
等离子体判据
等离子体存在时间尺度：
一定大于响应时间，即
pe
等离子体存在空间尺度：
一定大于德拜长度，即
lD
等离子体参数：
一定远大于
1，即
1
0Te
3/2
3
3/2
1/2
4neD
4nene0e2
T
ne
德拜球的粒子数（
/3）一定拥有统计意义
2/3
4
1/3Te/
e2
1/3
4
0ne
等离子体是弱耦合的近“理想”电离气体。
对弱电离状况：
带电粒子与中性粒子作用远小于带电粒子之间的作用
非磁化等离子体中颠簸
离子声波：
离子运动，低频，与一般声波近似，纵波
/kCs
eTe
iTi/mi
eTe/mi
电子等离子体波：
电子运动，高频，纵波
2
2
3T/mk2
pe
ee
电磁波：
横波，等离子体可视为介质，折射率
n<，小于等离子体频次的
1
波不可以流传
n
2
2
1pe
/
无线电波在电离层的反射
截止层：
ffc9ne1/2
磁化等离子体中颠簸
Alfen波：
低频波，等离子体与磁场冻结在一同，相当于弹性介质：
/kV
B
2/
mn
1/2
A
0
0
i
平行于磁场流传的波：
左旋偏振波、右旋偏振波
垂直于磁场流传的波：
平常波、异样波
等离子体物理学科发展简史
19世纪30年月起
放电管中电离气体，现象认识
成立等离子体物理基本理论框架
20世纪50年月起
受控热核聚变
空间技术
等离子体物理成为独立的分支学科
20世纪80年月起
气体放电和电弧技术发展应用
低温等离子体物剪发展
等离子体物理主要研究领域
低温应用等离子体
冷等离子体
热等离子体
聚变等离子体
磁拘束聚变
惯性拘束聚变
空间和天体等离子体
主要内容
等离子体物理及学科
等离子体观点和基天性质
等离子体物理学科发展史及研究领域
等离子体主要应用领域
低温等离子体应用
冷等离子体应用－热等离子体应用－军事与高技术应用聚变等离子体
磁拘束聚变－惯性拘束聚变
空间与天体等离子体
冷等离子体应用
非热均衡等离子体，背景温度低，电子温度高，存在大批的活性粒子电子能量（eV）远大于分子键能（0.1eV）
等离子体的化学过程
刻蚀
化学气相堆积（成膜）
等离子体资料办理
表面改性
灭菌消毒
表面冶金
光源
冷光源（节能，线光谱）
气体激光器
等离子体显示器
特点类金刚石表面制造
实验室与日来源子力所先进科学研究中心合作，展开了非均衡薄膜表面制造的研究，成功第地制备了纳米尺度的针状表面、涟漪表面，树枝状表面、正弦表面等表面构造，此中涟漪表面，是应用薄膜生长过程的自组织过程中
直接形成的。
（
J.Chem.Phys
.116,10458
，
）
2002
毫米级厚金刚石片制备研究
应用PCVD方法展开金刚石模制备研究展开了多年，对制备过程中物理化学及工艺过
程进行了系统研究。
能够稳固地制备高质量毫米量级厚度的金刚石片，并用金刚石
膜加工成金刚石电子热沉片，热导率高达7.6W/（k·cm），可用于大功率电子器件。
（PhysicsofPlasma,5,1541,1998、J.Phys.D,31,3327,1998、J.Vac.
Sci.Tech.A，20,941,2002）
热等离子体应用
热均衡等离子体，电子、离子、原子相同的温度，热量大往常是高气压（1个大气压左右或更高的气压）电弧、等离子体炬
高温加热
冶金、焊接、切割
资料合成、加工
陶瓷烧结、喷涂、三废办理
光源
强光源（近黑体连续辐射）
等离子体军事及高技术应用
军事应用
等离子体天线、等离子体隐身、等离子体减阻、等离子体鞘套、等离子体钓饵
高技术
大功率微波器件、X射线激光、强流束技术、等离子体推动
MAGPIEZ-Pinch实验装置
等离子体离子推动器
VASIMR等离子体推动技术
等离子体光学开关
等离子体天线
主要内容
等离子体物理及学科
等离子体观点和基天性质
等离子体物理学科发展史及研究领域
等离子体主要应用领域
低温等离子体应用
冷等离子体应用－热等离子体应用－军事与高技术应用
聚变等离子体
磁拘束聚变－惯性拘束聚变
空间与天体等离子体
聚变与裂变能
核聚变反响
DTn4He,DTp3He
受控热核聚变
10克氘＋15克氚
＝>人一世所需能源
500升海水含10克氘
无环境污染及长寿命放
射性废料
聚变需要亿度高温
实现聚变的三种门路
ITER：
我们的托卡马克聚变实验堆
主要参数
Pf=500MW
Q>10
T=500s
R=6.2m
A=2.0m
Ip=15MA
B=5.3T
V=837m3
S=678m2
Pin=73MW
法国人的梦想
磁拘束聚变研究进展
磁拘束受控聚变研究进展
30年聚变三乘积提升10万倍
均匀每1.8年翻一番
美国Nova激光聚变装置
1985年建成，10路45000焦耳，1纳秒2倍频/3倍频
美国国家点火（NIF）激光聚变装置
2003年建成,192束
180万焦耳，3纳秒
500TW，近紫外光
激光聚变电站
国内相关装置
神光II、星光II激光聚变装置
主要内容
等离子体物理及学科
等离子体观点和基天性质
等离子体物理学科
发展史及研究领域
等离子体主要应用领域
低温等离子体应用
冷等离子体应用
－热等离子体应
用－军事与高技
术应用
聚变等离子体
磁拘束聚变－惯
性拘束聚变
空间与天体等离子体
空间等离子体形态
太阳大气构造
日冕（~104km）
（EUV像）
色球（~103km）
（H像）
色球（~103km）
（CaIIK）
光球（~102km）
（白光像）
Credit:
TRACEweb-site
迸发磁环及实验室模拟
北极光
星系：
巨大的聚变反响堆
总结
等离子体科学涵盖了受控热核聚变、低温等离子体物理及应用、国防和高技术应用、天体和空间等离子体物理平分支领域。
等离子体科学在能源、资料、信息、环保、国防、微电子、半导体、航空、航天、冶金、生物医学、造纸、化工、纺织、通信等领域有宽泛的应用。
等离子体研究领域对人类面对的能源、资料、信息、环保等很多全局性问题的解决拥有重要意义。
有一位“圣人”曰：
我常常将等离子体人性化，她的很多表现酷似于我们人类，常常不需要勉强的联想，就能够用我们平时的经验，甚至是我们心里的感觉来理解她的行为。
等离子体中的两性：
互相独立又互相扶助，平易时不即不离，逃逸时则联手并肩。
等离子体中的互相作用：
长则绵绵，短则眈眈，远可及周天以外，近可抵唇齿之间。
等离子体的集体行为：
自由与约束兼得，平易与残酷并存。
等离子体的自洽禀性：
能够欺之以娇媚，不行催之以强蛮，若以力，人人奋愤可兵，以弱，则诺诺排队而从。
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