等离子体的基本概念.doc

等离子体的基本概念n 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l 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l 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l 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n 等离子体是物质第四态n 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 )n 宇宙中90％物质处于等离子体态l 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l 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l 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n 等离子体参数空间n 等离子体物理学科发展简史l 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l 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l 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n 等离子体物理研究领域l 低温应用等离子体l 高温聚变等离子体l 空间和天体等离子体n 等离子体分类n 等离子体特性l 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l 准中性n 等离子体基本条件l 空间尺度要求 ：等离子体线度远大于德拜长度lD << Ll 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t >>t pl 集合体要求：在德拜球中粒子数足够多，具有统计意义N D ＝ n e (4 plD3 /3 ) >> 1n 等离子体波l 离子声波：离子运动，低频，与普通声波类似，纵波l 电子等离子体波：电子运动，高频，纵波l 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n 无线电波在电离层的反射n 磁化等离子体中的波动l Alfen 波：低频波，等离子体与磁场冻结在一起，相当于弹性介质l 平行于磁场传播的波：左旋偏振波、右旋偏振波l 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n 低温等离子体应用l 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）l 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n 等离子体军事及高技术应用l 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l 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n 空间天体等离子体l 什么保护了我们地球：等离子体l 北极光l 我们的太阳l 星系：巨大的聚变反应堆 n 聚变等离子体l 聚变与裂变能l 核聚变反应D + T = n + 4H eD + T = p + 3H el 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。

l 聚变需要亿度高温劳逊判据（Q＝1）：T > 10keV （1亿度）nt > 3 ´ 10 20 m -3sl 实现聚变的三种途径l 托卡马克装置( JET )l 磁约束聚变研究进展l 美国Nova激光聚变装置l 美国国家点火（NIF）激光聚变装置l 激光聚变电站l 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n 等离子体基础实验装置简图n 气体放电实验l 空间电荷效应– 查尔德－朗缪尔定律l 热阴极电子发射特性– 理查德定律l 等离子体产生和维持– 产生与损失的平衡l 放电等离子体特性– 双稳特征、非线性现象n 等离子体诊断—静电探针n 等离子体基本性质：集体现象—波—离子声波l 离子声波色散关系– 与普通声波比较l 等离子体波的诊断方法– 干涉法– 飞行时间法l 波动阻尼– 朗道阻尼– 碰撞阻尼总结n 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n 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。

n 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。