等离子体物理及应用领域.docx

1、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

2、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

3、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 / p n 1/ 3非相对论：T2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 f x, v,t 描绘，dfffffvadttxvt c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

4、， MHD）等离子体分类冷等离子体（ Te Ti ,Ta ） 如：极光、日光灯低温等离子体热等离子体（ Te Ti ,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 10000C，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10Te3/ 233/ 21 / 24 ne D4 ne ne0 e2Tne德拜球的粒子数（/ 3 ）一定拥有统计意义2 / 341 / 3Te /e21/ 340 ne等离子体是弱耦合的近

5、“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/ k CseTeiTi / mieTe / mi电子等离子体波：电子运动，高频，纵波223T / m k 2peee电磁波：横波，等离子体可视为介质，折射率n 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 = 500MWQ 10T = 500 sR = 6.2 mA = 2.0 mIp = 15 MAB = 5.3 TV = 837 m3S =

6、678 m2Pin= 73 MW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

7、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 ( 104 km )(EUV像)色球 ( 103 km)(H 像)色球 ( 103 km)(CaIIK)光球 ( 102 km )( 白光像 )Credit:TRACE web-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。