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

D<

●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

>>p

●集合体要求：

在德拜球中粒子数足够多，具有统计意义

ND＝ne（4D3/3）>>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）

n>31020m-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。

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