等离子体的基本概念.docx
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等离子体的基本概念
等离子体的基本概念
⏹什么是等离子体?
由大量的带电粒子组成的非束缚态的宏观体系
●非束缚性:
异类带电粒子之间相互“自由”,等离子体的基本粒子元是正负荷电的粒子(电子、离子),而不是其结合体。
●粒子与电磁场的不可分割性:
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)的运动紧密耦合,不可分割。
●集体效应起主导作用:
等离子体中相互作用的电磁力是长程的。
⏹等离子体是物质第四态
⏹电离气体是一种常见的等离子体
放电是使气体转变成等离子体的一种常见形式,等离子体≈电离气体
需要有足够的电离度的电离气体才具有等离子体性质。
“电性”比“中性”更重要(电离度>10-4)
⏹宇宙中90%物质处于等离子体态
●人类的生存伴随着水,水存在的环境是地球文明得以进化、发展的的热力学环境,这种环境远离等离子体物态普遍存在的状态。
因而,天然等离子体就只能存在于远离人群的地方,以闪电、极光的形式为人们所敬畏、所赞叹。
●由地球表面向外,等离子体是几乎所有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,人造的等离子体也越来越多地出现在我们的周围。
–日常生活中:
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、有害物处理
–高技术应用:
托卡马克、惯性约束聚变、氢弹、高功率微波器件、离子源、强流束、飞行器鞘套与尾迹
⏹等离子体参数空间
⏹等离子体物理学科发展简史
●19世纪30年代起
–放电管中电离气体,现象认识
–建立等离子体物理基本理论框架
●20世纪50年代起
–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年代起
–气体放电和电弧技术发展应用
–低温等离子体物理发展
⏹等离子体物理研究领域
●低温应用等离子体
●高温聚变等离子体
●空间和天体等离子体
⏹等离子体分类
⏹等离子体特性
●德拜(Debye)屏蔽
在等离子体中引入电场,经过一定时间,等离子体中的电子、离子将移动,屏蔽电场——德拜屏蔽
●准中性
⏹等离子体基本条件
●空间尺度要求:
等离子体线度远大于德拜长度
λD<●时间尺度要求:
等离子体碰撞时间、存在时间远大于特征响应时间
τ>>τp
●集合体要求:
在德拜球中粒子数足够多,具有统计意义
ND=ne(4πλD3/3)>>1
⏹等离子体波
●离子声波:
离子运动,低频,与普通声波类似,纵波
●电子等离子体波:
电子运动,高频,纵波
●电磁波:
横波,等离子体可视为介质,折射率n<1,小于等离子体频率的波不能传播
⏹无线电波在电离层的反射
⏹磁化等离子体中的波动
●Alfen波:
低频波,等离子体与磁场冻结在一起,相当于弹性介质
●平行于磁场传播的波:
左旋偏振波、右旋偏振波
●垂直于磁场传播的波:
寻常波、异常波
等离子体的作用和应用
⏹低温等离子体应用
●冷等离子体应用
–等离子体的化学过程
刻蚀,化学气相沉积(成膜)
–等离子体材料处理
表面改性,表面冶金
–光源
冷光源(节能)
●热等离子体应用
–高温加热
冶金、焊接、切割
–材料合成、加工
陶瓷烧结、喷涂、三废处理
–光源
强光源
⏹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、等离子体诱饵
●高技术
–大功率微波器件、X射线激光、强流束技术、等离子体推进
⏹空间天体等离子体
●什么保护了我们地球:
等离子体
●北极光
●我们的太阳
●星系:
巨大的聚变反应堆
⏹聚变等离子体
●聚变与裂变能
●核聚变反应
D+T=n+4He
D+T=p+3He
●受控热核聚变
氘、氚是无环境污染及长寿命放射性废料,500升海水含10克氘,10克氘+15克氚产生的能量相当于人一生的所需。
●聚变需要亿度高温
劳逊判据(Q=1):
T>10keV(1亿度)
nτ>3⨯1020m-3s
●实现聚变的三种途径
●托卡马克装置(JET)
●磁约束聚变研究进展
●美国Nova激光聚变装置
●美国国家点火(NIF)激光聚变装置
●激光聚变电站
●其它聚变装置
等离子体基础实验
—《大学物理实验》:
等离子体特性实验
⏹等离子体基础实验装置简图
⏹气体放电实验
●空间电荷效应
–查尔德-朗缪尔定律
●热阴极电子发射特性
–理查德定律
●等离子体产生和维持
–产生与损失的平衡
●放电等离子体特性
–双稳特征、非线性现象
⏹等离子体诊断—静电探针
⏹等离子体基本性质:
集体现象—波—离子声波
●离子声波色散关系
–与普通声波比较
●等离子体波的诊断方法
–干涉法
–飞行时间法
●波动阻尼
–朗道阻尼
–碰撞阻尼
总结
⏹作为迅速发展的新兴学科,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等分支领域。
⏹等离子体科学在能源、材料、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、通讯等领域有广泛的应用。
⏹等离子体研究领域对21世纪我国以及人类面临的能源、材料、信息、环保等许多全局性问题的解决具有重大意义。