等离子体物理及应用领域

1、等离子体物理及应用领域什么是等离子体?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，等离子体的根本粒子元 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固体液体宅体.等富子体® S 沁二 m0摄氏度100摄氏度10000摄氏度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

2、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、开展的的热 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。由地球外表向外，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、外表改性、喷涂、烧结、冶炼、加热、有害物处理高

3、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.1/3-. , h / p n非相对论：T 二 2电磁场运动/粒子运动麦克斯韦方程直接粒子描述：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模拟方法以此为根底动力论描述：相空间粒子概率分布 f x,v,t描述，二兰v兰a兰二兰dt : t :x:v.； t c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等离子体分类厂 冷等离子体TeTj,Ta女口：极光、日光灯

4、广低温等离子体Y匚热等离子体Te=Tj,Ta女口：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lev,而高温等离 子体的电子温度那么大于此温度。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T >Tpe等离子体存在空间尺度：必须大于德拜长度，即I丿D等离子体参数：必须远大于1,即；0Te2ne0e J3/23/2/2工T 毎德拜球的粒子数上/3必须具有统计意义2/3A=；'4J/3Te/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：

5、离子运动，低频，与普通声波类似，纵波/k 二 Cs 二，eTeiTi /mi ； eTe/mi电子等离子体波：电子运动，高频，纵波2 = pe2 3Te/me k2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AIfen 波：低频波，等离子体与磁场冻结在一起，相当于弹性介质: /k =7a= B2/ mj n° 1"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开展简史19 世纪 30年代起 放电管中电离气体，现象认识 建立等离子体物理根本理

6、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开展应用 低温等离子体物理开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 等离子体概念和根本性质 等离子体物理学科开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

7、O.leV等离子体的化学过程刻蚀化学气相沉积成膜 等离子体材料处理外表改性灭菌消毒外表冶金光源 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外表制造实验室与日本原子力所先进科学研究中心合作， 开展了非平衡薄膜外表 制造的研究，成功第地制备了纳米尺度的针状外表、 波纹外表，树枝状外表、 正弦外表等外表结构， 其中波纹外表， 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, 1O458 ，2OO2 毫米级厚金刚石片制备研究应用PCVM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

8、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、

9、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根本性质 等离子体物理学科开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响D T 二 n 4He,D T 二 p 3He受控热核聚变10克氘+ 15克氚二 > 人一生所需能源500升海水含10克氘无环境污染及长寿命

10、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 m2Pi n= 73 MW法国人的梦想磁约束聚变研究进展PROGRESS IN MAGNETIC FUSION POWERrhuok rowcnmoi Doorno*14OMtot0.011970193019G0YEARS20002021IHTratJ<T _Tr *%!-<»T rtFTWvtHMM ripeif iim&

11、gt;nrifuiil EvWlMV TWTCflI iF*-r1rwjDili * Oil D <neralTMtrFigk Efi|»HI'rn«ri|>JITC I irunrrnywH 血伍恤哼l電 iLTiOfl C Uttf4Cha.JMin|& Ins lii't* »l Trf'Hinlr 磁约束受控聚变研究进展1(X»Progress in Controlled FusionHigh Energy Multiplication and SustainedBurniz芝)m3£?$du

12、jej. US灵JIUCD-O100103rd Generation -1990-20002nd Gerieralioiii -1900Tokamak Concept Devstoped 1960s1 si Generation -19701 10171Q1B1O'B10MIQS1022美国Nova激光聚变装置30年聚变三乘积提高10万倍平均每1.8年翻一番FnulirfH rf LArM'iFih'Dini-Nova Laser FacilitEMbAmt AiKiFun-J .Ui¥g 二J4 蛀= g H1985年建成，10路45000焦耳，1纳秒2倍频

13、/3倍频美国国家点火NIF激光聚变装置Hi Nit i«4 hufllpwi wiriF! facdMi lha "S4F viii vaiMv p(hk -!»! cMnd riiMb Lh¥ n<ii nd、Jb 1Ih -m Awd « nuLlajrrReactorLaser,Helium gas turbineHeal exchangersN ational Ignition Facilityd DuhAm 电'i%： + . » Itri Bw£|f RMid Ml tMMvfe |Jv«

14、 irwmuh ra" haWh J UrUKrvf fat iftfUri*(：ui-J A k»Hjp" rM P >£*".b «6rr4Kftr«4 iW略iIMlhi*辛MF 川l»lih I>r «T« k4bdl Mjun Hi* Ise kuM E I Jwir 14応矶? Ail I41 Hliw » lw»?H 匕卅旨 Ifa hl¥-l 4R 比»存冊 jr IUjiUk-wrti 4lv iwmh* h wrlW-nwI

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17、; Ki hSiri! LblKIU. pVRAv Mi fuel 3 Lk li'Wi&HhV2003年建成,192束180万焦耳，3纳秒500TV，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根本性质发等离子体低离子体物理学科 展史及研究领域 主要应用领域 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 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 104 kmEUV 像 色球103kmH像 色球103kmCallK 光球102km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