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
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)
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
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
等离子体的描述方法
⏹等离子体描述是一致的,通常是经典、非相对论的体系
经典:
非相对论:
▪电磁场运动麦克斯韦方程
▪粒子运动
▪直接粒子描述:
每个粒子运动由牛顿方程描述(对现实体系的粒子数几乎是不可能的,计算机PIC模拟方法以此为基础)
▪动力论描述:
相空间粒子概率分布
描述,
流体描述:
将等离子体视为电磁相互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(
)如:
极光、日光灯
低温等离子体
热等离子体(
)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:
必须大于响应时间,即
等离子体存在空间尺度:
必须大于德拜长度,即
等离子体参数:
必须远大于1,即
德拜球的粒子数(
)必须具有统计意义
等离子体是弱耦合的近“理想”电离气体。
对弱电离情况:
带电粒子与中性粒子作用远小于带电粒子之间的作用
非磁化等离子体中波动
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
截止层:
磁化等离子体中波动
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
磁约束聚变
惯性约束聚变
空间和天体等离子体
主要内容
等离子体物理及学科
等离子体概念和基本性质
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
磁约束聚变-惯性约束聚变
空间与天体等离子体
冷等离子体应用
非热平衡等离子体,背景温度低,电子温度高,存在大量的活性粒子
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
化学气相沉积(成膜)
等离子体材料处理
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
特征类金刚石表面制造
实验室与日本原子力所先进科学研究中心合作,开展了非平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、波纹表面,树枝状表面、正弦表面等表面结构,其中波纹表面,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方法开展金刚石模制备研究开展了多年,对制备过程中物理化学及工艺过程进行了系统研究。
可以稳定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
热平衡等离子体,电子、离子、原子同样的温度,热量大
通常是高气压(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
材料合成、加工
陶瓷烧结、喷涂、三废处理
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
MAGPIEZ-Pinch实验装置
等离子体离子推进器
VASIMR等离子体推进技术
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
等离子体概念和基本性质
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
磁约束聚变-惯性约束聚变
空间与天体等离子体
聚变与裂变能
核聚变反应
受控热核聚变
10克氘+15克氚
=>人一生所需能源
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
实现聚变的三种途径
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
磁约束聚变研究进展
磁约束受控聚变研究进展
30年聚变三乘积提高10万倍
平均每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
国内有关装置
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
等离子体概念和基本性质
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
磁约束聚变-惯性约束聚变
空间与天体等离子体
空间等离子体形态
太阳大气结构
日冕(
)
(EUV像)
色球(
)
(H像)
色球(
)
(CaIIK)
光球(
)
(白光像)
Credit:
TRACEweb-site
爆发磁环及实验室模拟
北极光
星系:
巨大的聚变反应堆
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。
有一位“哲人”曰:
我经常将等离子体人性化,她的许多表现酷似于我们人类,常常不需要牵强的联想,就可以用我们日常的经验,甚至是我们内心的感受来理解她的行为。
等离子体中的两性:
相互独立又相互扶持,平和时若即若离,逃逸时则携手并肩。
等离子体中的相互作用:
长则绵绵,短则眈眈,远可及周天之外,近可抵唇齿之间。
等离子体的集体行为:
自由与束缚兼得,温和与暴虐并存。
等离子体的自洽禀性:
可以欺之以妩媚,不可催之以强蛮,若以力,人人奋愤可兵,以弱,则诺诺列队而从。