时空、物理学、和等离子体SpaceTimePhysicsandPlasmas

1、时空、物理学、和等离子体SpaceTimePhysicsandPlasmasOUTLINE宇宙天体的磁场起源等离子体空间科学等离子体信息技术等离子体航天技术纳米光学与等离子学时空、物理学、和等离子体SpaceTimePhysicsandPlasmas宇宙天体的磁场起源时空、物理学、和等离子体SpaceTimePhysicsandPlasmasOUTLINE问题的提出Dynamo理论存在的挑战时空、物理学、和等离子体SpaceTimePhysicsandPlasmas问题的提出2005年重大科学新闻之一：Voyager飞出日球层的Terminate Shock太阳磁场的边界宇宙中天体存在自身磁场

2、银河系也具有自身磁场甚至银河系际空间也有磁场从哪里来？大爆炸时就有了，还是后来形成的？时空、物理学、和等离子体SpaceTimePhysicsandPlasmasDynamo理论宇宙中充满等离子体等离子体的运动可以看成流体的湍动 而磁场时空、物理学、和等离子体SpaceTimePhysicsandPlasmasDynamo理论从磁感应方程我们称平均的感应电场为dynamo在线性近似下时空、物理学、和等离子体SpaceTimePhysicsandPlasmasDynamo理论在线性理论中，dynamo是指数增长的；增长系数是等离子体的流体湍流场的关联；等离子体的微观（小尺度）湍动产生宏观（大尺度

3、）的磁场时空、物理学、和等离子体SpaceTimePhysicsandPlasmas存在的挑战非线性效应推导出的dynamo本身是准线性近似现有的平均场指数增长是线性的结果Back reaction非理想等离子体效应电阻的影响Hall dynamo时间尺度是否足够长？时空、物理学、和等离子体SpaceTimePhysicsandPlasmas等离子体空间科学时空、物理学、和等离子体SpaceTimePhysicsandPlasmas时空、物理学、和等离子体SpaceTimePhysicsandPlasmasOUTLINE空间天气与空间环境国际空间天气计划国家地球空间双星探测计划行星际空间夸父探

4、测计划时空、物理学、和等离子体SpaceTimePhysicsandPlasmas空间天气与空间环境空间天气的主要形式是: CME: Coronal Mass Ejection Solar Wind Space Weather: Geospace Storms & Substorms地球空间天气和空间环境直接影响航天飞行、卫星发射与运行、通讯和高纬度区电网空间天气预报是空间开发的第一步时空、物理学、和等离子体SpaceTimePhysicsandPlasmas国际空间天气计划ISTP：International Solar-Terrestrial PhysicsILWS: Living wit

5、h StarsESA：European Space AgencyCluster IINASA，JapanPolar， Geotail， Wind, 时空、物理学、和等离子体SpaceTimePhysicsandPlasmas双星 Cluster计划我国第一次科学研究卫星计划2003年12月发射TC-1，2004年7月发射TC-2赤道星TC-1：磁层顶，磁尾电流片极轨星TC-2：极间区，极光现象与Cluster II配合，第一次地球空间六点观测时空、物理学、和等离子体SpaceTimePhysicsandPlasmas时空、物理学、和等离子体SpaceTimePhysicsandPlasmas夸

6、父计划计划要点：2012年发射，L1+极轨三星探测计划Kuafu-A卫星在第一Lagrange 点Kuafu-B1 & B2在极轨共轭点多层成像观测CME的发展和Substorm全球图象日地Lagrange 点时空、物理学、和等离子体SpaceTimePhysicsandPlasmas时空、物理学、和等离子体SpaceTimePhysicsandPlasmas夸父计划主要突破轨道配置：L1+双极轨三星分布14点联合探测：太阳周围，Solar Orbiter（1）， Solar Wind Sentinels （4）；+地球周围，RBST（2），MMS（4）；+ Kuafu （4）观测特性：连续极

7、光和环电流观测，CME三维图象时空、物理学、和等离子体SpaceTimePhysicsandPlasmas等离子体信息技术时空、物理学、和等离子体SpaceTimePhysicsandPlasmasOUTLINE等离子体天线技术等离子体天线原理等离子体电子对抗 等离子体宽带技术等离子体隐身技术等离子体隐身原理等离子体隐身应用时空、物理学、和等离子体SpaceTimePhysicsandPlasmas等离子体天线原理金属中存在自由电子金属表面产生电磁波与表面电磁波的耦合：信号的发射和接收等离子体由离子与自由电子组成等离子体表面电磁波等离子体表面波发生装置：Surfatron等离子体天线 时空、物

8、理学、和等离子体SpaceTimePhysicsandPlasmas等离子体电子对抗等离子体天线的隐身性能无金属天线功率转换效率高：体积小，容易携带等离子体天线的载波特性频率连续可调频率切换时间短（微秒）等离子体天线的自身防护方向性好、主频率单色性好无金属接收部分，与“后方”完全绝缘时空、物理学、和等离子体SpaceTimePhysicsandPlasmas等离子体宽带技术等离子体的宽带特性主载频的连续可调（特征时间：微秒）等离子体运动模式多样性：自身宽带特性等离子体参数变化容易控制：频率可直接控制，省去“后方”庞大电子线路等离子体3G技术宽带特性宽波束特性时空、物理学、和等离子体SpaceT

9、imePhysicsandPlasmas等离子体隐身原理等离子体中存在各种频率的运动模式高频电磁波与电子运动模式耦合将能量传给等离子体高速运动的电子与中性粒子碰撞将运动能量转换为热等离子体的电磁波吸收 时空、物理学、和等离子体SpaceTimePhysicsandPlasmas等离子体隐身应用飞行器的等离子体隐身（雷达波段：GHz）作战飞机的战场隐身：防预警导弹发射阶段的隐身：突破TMD地面与水面目标的等离子体隐身：防精确打击时空、物理学、和等离子体SpaceTimePhysicsandPlasmas小结等离子体作为电磁介质的“材料特性”等离子体与电磁波相互作用研究时空、物理学、和等离子体Sp

10、aceTimePhysicsandPlasmas等离子体航天技术时空、物理学、和等离子体SpaceTimePhysicsandPlasmasOUTLINE航天飞行器的空间环境 地球空间环境与空间天气 航天飞行器的空间环境航天器的等离子体推进等离子体推进介绍等离子体推进器（Plasma thrusters）时空、物理学、和等离子体SpaceTimePhysicsandPlasmas航天飞行器的空间环境航天飞行器的等离子体环境表面充电（太阳能电池板的充电对探测一号的影响）鞘层、屏蔽、尾流效应等对卫星通信和控制的影响（GALELIO号的尾流影响）航天飞行器的能量辐照环境热环境的影响高能量粒子的轰击中

11、子辐照时空、物理学、和等离子体SpaceTimePhysicsandPlasmas有效载荷的电磁环境有效载荷与卫星的整体电磁相容性表面电荷存在对仪器读数的影响表面鞘层的影响尾流对输出的影响感生磁场的影响时空、物理学、和等离子体SpaceTimePhysicsandPlasmas空间风暴对卫星的影响控制系统甚至卫星本身遭到损坏 探测二号的姿控计算机（四个）全部打坏 因为强电磁干扰而导致仪器失灵 空间风暴导致卫星通信完全中断 空间风暴对辐射带的填充直接影响间谍卫星工作时空、物理学、和等离子体SpaceTimePhysicsandPlasmas航天飞行器的防护根据空间天气预报预防 改变轨道“躲避”空

12、间风暴 因为空间风暴而引起轨道改变 需要小功率定位推进器对航天飞行器直接进行防护 需要数值与地面物理模拟 材料的表面改性时空、物理学、和等离子体SpaceTimePhysicsandPlasmas航天飞行器空间环境的数值与地面物理模拟根据空间天气预报预防 改变轨道“躲避”空间风暴 因为空间风暴而引起轨道改变 需要小功率定位推进器对航天飞行器直接进行防护 需要数值与地面物理模拟 材料的表面改性时空、物理学、和等离子体SpaceTimePhysicsandPlasmas航天飞行器的轨道推进先进化学推进器combined-cycle, pulsed-detonation engine, NASA时空

13、、物理学、和等离子体SpaceTimePhysicsandPlasmas航天飞行器的轨道推进先进等离子体推进器适用于深空探测的大功率、高比冲等离子体推进器时空、物理学、和等离子体SpaceTimePhysicsandPlasmas航天器的等离子体推进功率变化范围广几十到几千瓦高效率、高比冲效率超过65%，比冲1000-5000秒长寿命可以工作上万小时，相当与10年的卫星寿命，东方红四号卫星平台的首选推进方式时空、物理学、和等离子体SpaceTimePhysicsandPlasmas等离子体推进器稳态等离子体推进器 SPT Hall thrusters (1600 - 5000 s)脉冲等离子体

14、推进器 PPT电弧等离子体推进器 Arcjets ( 3000 s)微米推进器 MEMS Thrusters时空、物理学、和等离子体SpaceTimePhysicsandPlasmasHall thrusters时空、物理学、和等离子体SpaceTimePhysicsandPlasmas时空、物理学、和等离子体SpaceTimePhysicsandPlasmasIon engines时空、物理学、和等离子体SpaceTimePhysicsandPlasmas纳米光学与等离子学 Plasmonics时空、物理学、和等离子体SpaceTimePhysicsandPlasmasOUTLINE等离子体

15、表面波表面等离子 Surface Plasmon (SP)SP的性质及应用 Plasmon Optics, Plasmonics时空、物理学、和等离子体SpaceTimePhysicsandPlasmasSurface Plasmon (SP) 存在于金属导体电介质界面，只能沿着金属表面传播偏振垂直于金属表面的电磁波E 激发，诱导金属表层自由电子随E(t)电场振动同时，诱发表面Langmuir波（声子）沿k方向随E(x,t1) 波动，波矢量为ksp表层自由电子是SP电磁波的载体 SP在表面法线方向呈指数衰减，形成隐失场(Evanescent wave) ，与自由电子声子耦合 时空、物理学、和等

16、离子体SpaceTimePhysicsandPlasmas时空、物理学、和等离子体SpaceTimePhysicsandPlasmasSP的性质及应用研究隐失光的光学就是近场光学，因为隐失光有“仅存在于近场”特征。Plasmon 有耦合的隐失光，属于近场光学研究的范围。电偶极子也有隐失光，因而，隐失光光学的内涵将比Plasmon Optics大一些。由于共振自由电子可使隐失光增强、汇聚，和金属表面可以设计、裁剪等特点， Plasmon Optics具有开发纳米光学器件的巨大潜力。Plasmon Optics 只能通过近场光学（隐失光）来做实验, Polariton（极化声子）实验表征非常困难。时空、物理学、和等离子体SpaceTimePhysicsandPlasmasSP的性质及应用设P为物发射光子的动量， P n0 h/l （1）Px为横向光子动量分量，