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

l_D << L

l        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 _p

l        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 pl_D³ /3 )  >> 1

 

n        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 _e

D + T = p + ³H _e

 

 

 

l        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 ^-3s

l        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。

 

 

<完>