等离子体物理及应用领域.doc

等离子体物理及应用领域中国科学技术大学近代物理系刘万东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密度(cm-3)温度(度)太阳核心 磁约束聚 变霓虹灯 北极光 火 焰闪电日冕 氢弹星际空间荧光气体液 体固 体人类居住环境惯性聚变星 云太阳风等离子体的描述方法n 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 Physics of Plasma, 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MAGPIE Z-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 = 500MWQ > 10T = 500 sR = 6.2 mA = 2.0 mIp = 15 MAB = 5.3 TV = 837 m3S = 678 m2Pin= 73 MW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 ()(Ha像)色球 () (CaIIK) 光球() (白光像)Credit:TRACE web-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。