等离子体物理及应用领域

主要内容

n        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

n        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

n        等离子体物理及学科
       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。

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

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

n        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

n 等离子体参数空间

n 等离子体的描述方法
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：

n 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）

n 等离子体分类
冷等离子体，如：极光、日光灯
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°，电子能量是1eV，而高温等离子体的电子温度则大于此温度。

n 德拜( Debye )屏蔽

过一段时间之后

教育在等离子体中引入电场，经过一定的时间，等离子体中的电子、离子将移动，屏蔽电场——德拜屏蔽特征响应时间

屏蔽层厚�:屏蔽层厚度:德拜长度。

准中性
在等离子体内部,正、负电荷数几乎相等——准中性

n 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。

n 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

n 无线电波在电离层的反射

截止层：

n 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

n        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

n        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

n        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

n        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

n 特征类金刚石表面制造

纳米尺度上针尖状表面

树枝状表面

纳米尺度上波纹状表面

大面积正弦表面

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）

n 毫米级厚金刚石片制备研究

金刚石质量表征

半透纯金刚石热沉片

带S1衬底的金刚石厚膜

纯金刚石片（直径30mm）

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）

n        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）

n        等离子体军事及高技术应用
军事应用
电弧、等离子体炬
        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

n MAGPIE Z-Pinch 实验装置

n 等离子体离子推进器

n VASIMR 等离子体推进技术

等离子体光学开关

等离子体天线

n 聚变与裂变能

n 核聚变反应

n 受控热核聚变

n 聚变需要亿度高温

n 实现聚变的三种途径

n ITER：我们的托卡马克聚变实验堆

n 法国人的梦想

n 磁约束聚变研究进展

n 磁约束受控聚变研究进展

n 美国Nova激光聚变装置

n 美国国家点火（NIF）激光聚变装置

n 激光聚变电站

n 国内有关装置

n 神光II、星光II激光聚变装置

n 空间等离子体形态

n 爆发磁环及实验室模拟

n 北极光

n 星系：巨大的聚变反应堆

n 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。

<完>