1.1 等离子体物理学简介

等离子体物理简介1了解等离子体物理基本概念建立等离子体基本物理过程的物理图像2等离子体物理学简介的目的等离子体简单示例3太阳风暴(Solarwind)从恒星上层大气射出的超高速等离子体（带电粒子）流。在不是太阳的情况下，这种带电粒子流也常称为“恒星风”日冕物质抛射的爆发图像日冕是太阳大气的最外层（其内部分别为光球层和色球层），厚度达到几百万公里以上。在高温下，氢、氦等原子已经被电离。这些带电粒子运动速度极快，以致不断有带电的粒子挣脱太阳的引力束缚，射向太阳的外围。形成太阳风。J.J.ThomsonCathoderayIn1897等离子体的简要历史4IrvingLangmuirIn1928等离子体的简要历史PlasmaCoinedbyIrvingLangmuir,

perhapsbecausetheglowingdischargemoldsitselftotheshapeoftheCrookstube(Gr.πλάσμα–athingmouldedorformed).Langmuirdescribedhisobservationsas:Exceptneartheelectrodes,wheretherearesheathscontainingveryfewelectrons,theionizedgascontainsionsandelectronsinaboutequalnumberssothattheresultantspacechargeisverysmall.Weshallusethenameplasmatodescribethisregioncontainingbalancedchargesofionsandelectrons.5等离子体参数空间数密度：103m-31033m-3温度：10-1ev106ev(103K1010K)1ev~11600K广阔的参数空间宽广的研究领域和应用前景!宇宙中99％的已知物质是等离子体6等离子体是由电子、离子等带电粒子以及中性粒子(原子、分子、微粒等)组成的，宏观上呈现准中性、且具有集体效应的混合气体。

等离子体是一种电离的气体，具有很高的电导率，与电磁场存在强烈的耦合作用，在宇宙中广泛存在，常被看作物质的第四态。

Aplasmaisaquasi-neutralgasofchargedandneutralparticleswhichexhibitscollectivebehavior.“Plasma”这个词，由朗缪尔(Langmuir)在1927年最早采用,中文翻译国内：等离子体台湾：电浆7等离子体（Plasma）定义对于自由的理解：含大量带电粒子的气体，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，即非束缚态对于准中性的理解：指等离子体中正负离子数目基本相等，宏观（大尺度）呈现电中性，小尺度则呈现电磁性质(思考，为何会出现准中性的性质？)对于集体的理解对于第四态的理解8等离子体定义的要点3)、集体效应：是与中性气体的根本区别，是等离子体作为物质第四态的依据。区别一种物态应看作用于物态基本组元上的作用力，控制物态特性变化的基本作用力，对于固体，液体，气体均有所不同。中性气体：粒子间的直接的碰撞作用等离子体：电磁力，长程多体集体行为：当体系内某处出现扰动时，理论上所有粒子行为都会受到影响，使整个等离子体对外加扰动作出响应；集体行为也会通过电磁场作为媒介来表现9等离子体集体效应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，不可分割行为：粒子+电磁场（练习：请写出全套Maxwell方程组）集体行为也会通过电磁场作为媒介来表现10等离子体集体效应泊松方程法拉第定律安培定律描述等离子体的11物质物质的尺度:

1.宏观尺度：物质

2.分子尺度

3.原子尺度:质子、中子和电子

4.次原子尺度:电子

5.次原子尺度：夸克

6.弦等离子体是物质第四态固体

冰液体

水气体水汽等离子体

电离气体温度00C1000C100000C这是一个能量增加的过程！需要分别克服:分子间相互作用势能,表面束缚能,原子结合能(键能),电离能12Q：有人戏称“自由平等博爱”是等离子体的主要特征，请根据等离子体的基本定义试着理解！自由平等博爱的等离子体自由：自由电子和离子组成平等：所有组分(同一种类粒子)全同博爱：多体相互作用（库仑力）13等离子体是物质第四态Q1：等离子体是绝大多数物质的存在形式，为什么我们感觉不是这样？Q2:固态、液态、气态之间有明确的相变点，气态到等离子体态有这样的相变点吗？Q3:电离气体一定是等离子体吗？反过来呢？2.速度分布函数(velocitydistributionfunction)(热力学统计)相空间:粒子行为可以用位置矢量与速度矢量来描述坐标定义了粒子在六维相空间中的位置;对于多粒子体系,采用粒子速度分布函数描述系统的演化与特征:速度分布函数代表在相空间体积元dV之中的粒子数密度；一、基本参量：1、粒子数密度n准中性条件14等离子体物理学基本概念3、温度T对于满足Maxwell速度分布函数(已经归一化)的粒子： 等离子体温度是粒子平均动能的度量粒子的平均动能与温度的定义(统计力学：分子热运动的一种度量)15Thermalvs.non-thermalplasmas等离子体物理学基本概念电子温度Te和离子温度Ti不同成分之间达到热平衡的时间比同种类粒子之间达到热平衡的时间长得多，因此等离子体不同种类的粒子可以有不同的温度垂直温度Tperp

和平行温度Tpara磁场的出现使得沿着磁场方向和垂直于磁场方向上的速度分布可以截然不同，可认为在不同方向上的等离子体存在不同的温度温度的单位：K，有时也将Boltzmann常数吸入，采用能量单位eV,1eV=1.6e-19J,1eV~11600K~1万度16荧光灯管内的电子温度为20,000K,却烧不开一杯水？碰撞传递能量等离子体物理学基本概念温度电磁学：金属(良导体)对外加电场的屏蔽作用导体存在大量的可自由移动的电荷导体的静电平衡条件：内部电场为零、表面电场与导体表面垂直二、德拜屏蔽的概念ee－＋－＋－＋－＋等离子体：对任何在等离子体中建立电场的企图都会受到等离子体(中“自由”带电粒子)的阻止，这就是等离子体的德拜屏蔽效应.17等离子体物理学基本概念

在等离子体中引入电场，经过一定的时间……..德拜屏蔽Debyeshielding：物理图像＋－18＋

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－屏蔽层(德拜球)厚度：德拜长度或德拜半径lD19德拜屏蔽Debyeshielding：物理图像德拜长度(半径)、德拜势的推导及其物理意义点电荷q的静电势：将该电荷置于等离子体中吸引异号电荷、排斥同号电荷在一定空间范围内,等离子体中出现正负电荷数目不等，异号电荷出现过剩削弱上述静电场等离子体的屏蔽作用。根据泊松方程：kk20德拜屏蔽Debyeshielding：物理图像势场中的热平衡气体满足该分布的意义：远离q处的数密度等于未扰数值电势为正时，电子数密度增加，即电子将被捕获，离子被排空求得德拜半径解析解的办法：泰勒展开，只保留一阶小量不考虑接近于电极处电势较大的区域，在稍远处电势满足的区域，可将玻尔兹曼分布作泰勒展开，并取线性项，可得新的泊松方程：分别定义等离子体、电子和离子的德拜长度，则21德拜屏蔽Debyeshielding：物理图像德拜势的求解过程：球对称电荷分布，即一维情形，可大大简化泊松方程：，最终求得德拜势(theDebyepotential)德拜电势示意图德拜屏蔽是两个过程竞争的结果:捕获与约束逃逸与屏蔽(反抗约束)由自由能与捕获能平衡决定!德拜长度:随数密度增加而减小，即更小范围内便可获得足够多的屏蔽用的粒子。随温度升高而增大：温度代表粒子自由能，零温度则屏蔽电子缩为薄壳。22静态等离子体的德拜长度，主要取决于低温成分的德拜长度。在较快的过程中，离子不能响应其变化，在鞘层内不能随时达到热平衡的玻尔兹曼分布，只起到常数本底作用，此时等离子体的德拜长度只由电子成份决定。1、屏蔽与准中性条件：将带电粒子的电势局限在德拜球范围内。德拜球以内，准中性条件不满足、等离子体概念不成立；只有在大于德拜半径的尺度上，准中性条件才满足，即德拜半径是等离子体偏离电中性的最大尺度等离子体23德拜屏蔽概念的几个要点：1、电屏蔽、维持准中性2、基本尺度：空间尺度3、响应时间：时间尺度4、统计意义：等离子体参数德拜长度是等离子体系统的基本长度单位，可以粗略的认为，等离子体由很多德拜球组成。在德拜球内，粒子之间清晰地感受到彼此的存在，存在着以库仑碰撞为特征的两体相互作用；在德拜长度外，由于其它粒子的干扰和屏蔽，直接的粒子两体之间相互作用消失，带之而来的由许多粒子共同参与的集体相互作用。在等离子体中，带电粒子之间的长程库仑相互作用，可以分解成两个不同的部分，其一是德拜长度以内的以两体为主的相互作用，其二是德拜长度以外的集体相互作用，等离子体作为新的物态的最重要的原因来源于等离子体的集体相互作用性质。242.等离子体基本尺度等离子体振荡示意图等离子体Langmuir振荡：物理图像：密度扰动电荷分离（大于德拜半径尺度）电场驱动粒子(电子、离子)运动“过冲”运动往返振荡等离子体最重要的本征频率：电子、离子振荡频率Langmuir在1928年研究气体放电时首次发现Langmuir振荡x=0等离子体电子振荡的简单数学模型：考虑厚度为L的片状等离子体，粒子数密度为n。假设其中的电子相对于离子运动了很小的距离x近似：把两个电荷过剩区域设想为很薄的面电荷区，只考虑电子的运动（也可直接推导电子/质子的运动，再近似）电磁学：面电荷区产生电场，试图消除电荷分离，运动方程：注：电场方向定义为正电荷受力方向简谐振荡方程：等离子体振荡示意图x=0等离子体Langmuir振荡：Q1：电子、离子的运动可否解耦？补充作业：如何同时分析电子和离子(电荷Zi)的振荡过程，求得等离子体的整体振荡频率？课后请给出完整的推导过程、并讨论电子、离子、整体的振荡频率之间的大小比较。3.等离子体判据一：等离子体的响应时间：1)、建立德拜屏蔽所需要的时间2)、等离子体对外加电荷扰动的响应时间3)、电子以平均的热速度跨越鞘层空间所需时间等离子体概念成立的判据之一：28等离子体近似：带电粒子彼此之间的距离需相当接近，带电粒子需可以影响许多邻近的粒子，而不是只影响最近的粒子（等离子体的整体性效应是等离子体特殊的性质之一）。当半径为德拜长度的“德拜球”空间内，平均带电粒子数量大于1时，即有等离子体的整体性效应。这也是等离子体概念成立的另一个判据根据理想气体成立的条件，指出是否可把等离子体处理成理想气体294.等离子体判据二：

5.等离子体判据三：

等离子体判据小结：判据三：集体效应：带电粒子与中性离子相互碰撞频率远小于等离子体的相互库仑碰撞作用频率和振荡频率判据二：统计意义：等离子体参数必须大于1，即德拜球内存在足够多的粒子判据一、时空尺度：等离子体存在的时空尺度时间：必须远大于响应时间空间：必须远大于德拜长度以上三点共同保证等离子体集体效应的发挥！31

1.2.PlasmaapplicationsThereareagreatmanypossibilities!………..………..………..………..………..32PlasmaMedicine:newengineeringsolutionatthehospital.33PlasmaisanIonizedGas

consistingofelectronswithtemperature10,000K,ions,andneutralsThermal(Hot)PlasmaColdPlasmaAuroraBorealisInductively-coupledPlasma(ICP)PlasmaTVLightningPlasmaTVGastemperature20,000FGastemperature300K34Plasmafundamentals:

ionizationprocesses35Surfacetemperaturefollowingglidingarctreatmentfor120secondsRemotethermalplasmaPlasmacoating&treatmentGlidingarcsurfacesterilizationDecontaminationofgasPlasmapencilMicrowaveplasmaRFCCPDirectPlasmaMedicineWhatisPlasmaMedicine?

PlasmaisastrongsterilizerbutwasneverappliedtotissuePulsedsparkinwaterVacuumUVsterilizationUVActiveneutralsChargesROS/RNSFields36Bio-ActivePlasmaComponents:

Plasma-medicalDischargesFE-DBDHeliumjetPHDThermalsourcePlasmablanketnano-corona37UniquenessofMedicalPlasma+++++++-------Conventionalplasma

betweentwoelectrodes,Voltage40,000VMedicalPlasmaVoltage40,000VOneelectrodeishumanbodyRoomtemperatureairNotharminghealthytissue,generatingreactivespecies382003201410-30kHz(continuous)0.1-10kHz(pulsed)10-30kV0.5-5mmgap0.1-10cm2electrode0.01-2W/cm2plasmapowerElectronTemperature:10,000-20,000KTemperatureofIonsandNeutrals:300K(room)PlasmaDensity:10^12cm-3ElectronDensityinStreamer:10^13cm-3e(-)O2(1Δg+)e(-)NOe(-)O3OHO2(1Δg+)i(+)i(+)i(+)i(+)MicrosecondpulseContinuouswaveNanosecondpulseWhatisPlasmaMedicine?

How?KeyistocreateuniformdischargenottodamagetissuePlasmaMedicinetodayWoundHealingHealingofdiseasesBloodcoagulationSkininfectionsandulcers,gastrointestinaldiseases(colitis,etc),cancers,dentistry,Leishmaniasis20032014LeishmaniasisBraincancer“AppliedPlasmaMedicine”G.Fridman,etal,PPP2008>600citationsDiabeticulcersInfectedburnwoundsEpistaxisFundamentalsarecrucial

forsafetyandefficacyofmedicaltreatmentsMedicalmechanisms:Biochemicalpathwaysoftreatmentofspecificdiseases.Physicsanddevices:

Controlandstudyofproductionofactivespeciesinuniformstronglynon-equilibriumnanosecondpulsedplasma.Cellularbiochemistry:Understandbio-molecularmechanismoftheinteractionofplasmawithmammaliancellsandtissues.•PLIF•CRDSPlasmamedicalPhysics:

DBDdischargestimulatesbiochemistrythroughRNS,ROS,chargesUV(180-340nm)VUV(110-180nm)•DNAdamage•CellwallfractureChargedSpecies(ionsandelectrons)1.IonCatalysis2.IonBombardment3.CollectiveE-fields•Cellwallfracture•Naturalsignalstimulation(Calciumchannelopening,Growthfactorstim.)•AlterproteinstructureandenzymaticactivityGlobaleffects:1.E-field2.Temperature•Electro-poration•Surfaceheating(cooking)Neutrals•Long-living(O3,NO,HO2,H2O2,…)--Correlatedwithionsinintracellularfluidmediaorleadtoerosion•Short-living(OH,O,electronicallyexcitedO(1D),O2(1Δg),…)--Leadtoerosionw/oreachingDNA•Tissueregeneration•Naturalsignalstimulation(Calciumchannelopening,Growthfactorstimulation)•OxidationPhysicalandbiologicalmechanismsofdirectplasmainteractionwithlivingtissue,DanilDobryninetal2009NewJ.Phys.11115020Cellularbiochemistry:

Plasmaeffectsarehighlydose-dependentforintracellularbiochemistryNoPlasmaTUNELassayforapoptosis24hoursEndothelialCellProliferationisenhancedbyLowDoseNon-ThermalPlasmaTreatmentthroughFibroblastGrowthFactor-2ReleasebyS.Kalghatgi,A.Fridman,G.Friedman,A.MorssClyne.inAnnalsofBiomedicalEngineering,2010.38(3):p748–757Cellularbiochemistry:

PlasmainducesDNAbreaksthroughROS0.26J/cm2DAPI(nuclearstain)g-H2AX(DNADamage)

DNA-NucleiCMH2DCF(ROS)MERGEUntreatedPlasma(1.55J/cm2)Plasma(4.65J/cm2)Non-thermalPlasmaInducesApoptosisinMelanomaCellsbyRSensenig,SKalghatgi,ECercha,GFridman,AShereshevsky,BTorabi,KPArjunan,EPodolsky,AFridman,GFriedman,JAzizkhan-Clifford,ADBrooksinAnnalsofBiomedicalEngineering,Vol.39,No.2,February2011(2010)pp.674–687Cellularbiochemistry:dose/doseratearekeyEffectivedirect

PlasmaMedicineAppliedPlasmaMedicine,GregoryFridman1,*,GaryFriedman2,AlexanderGutsol3,AnatolyB.Shekhter4,VictorN.Vasilets3,AlexanderFridman3,PlasmaProcessesandPolymers,SpecialIssue:SpecialIssueonPlasmaMedicine,Volume5,Issue6,pages503–533,August15,2008Woundtreatmentanddisinfection:Sterilizationin<15sec;nodamagein>10minMedicalplasmaapplications:

FaststerilizationofcomplexwoundswithoutdamageColdPlasmaSterilizationofOpenWounds:LiveRatModel,DDobrynin,KWasko,GFriedman,AFridman,&GFridman,PlasmaMedicine,1(2):109–114(2011)46PlasmasterilizationoflivecorneaPigmodelRabbitmodel47Medicalplasmaapplications:

Coagulationofcapillarybleeding*Withoutplasmatreatmentbloodcoagulatedin12–20+minutes48NaturalBloodCoagulation:PlasmaInfluencedIncreaseinEffectiveIonConcentrationsG.Fridman,etal.,PlasmaChemistryandPlasmaProcessing,26,425-442(2006).IonscatalyzemanycoagulationprocessesIncreaseineffectiveionicconcentrationleadstorapidcoagulationPlasmainfluenceseffectiveionicconcentrationsinbloodandthusmaybeabletocatalyzethecoagulationprocessBloodcoagulationcascadeNaturalBloodCoagulation:

PlateletActivationbyPlasmaUntreated:(a)Citratedwholeblood(control)showingasingleactivatedplatelet(whitearrow)onaredbloodcell(blackarrow).(b)Citratedwholeblood(control)showingmanynon-activatedplatelets(blackarrows)andintactredbloodcells(whitearrows).Treated:(c)Citratedwholeblood(treated)showingextensiveplateletactivation(pseudopodiaformation)andplateletaggregation(whitearrows).(d)Citratedwholeblood(treated)showingplateletaggregationandfibrinformation(whitearrows).Plasma*Plateletactivation*Plateletaggregation*FibrinformationMedicalplasmaapplications:

CoagulationofcapillarybleedingduringEpistaxisFastBloodCoagulationofCapillaryVesselsbyColdPlasma:ARatEarBleedingModel,DDobrynin,KWasko,GFriedman,AFridman,&GFridman,PlasmaMedicine,1(3–4):241–247(2011)51Medicalplasmaapplications:

Woundbloodcoagulationandimprovedhealingrate.Control:excessivetissuedamage15min,lowpower:nodamage5min,highpower:nodamageLivePigSkinTissueandWoundToxicityofColdPlasmaTreatment,DDobrynin,AWu,SKalghatgi,SPark,NShainsky,KWasko,EDumani,ROwnbey,SJoshi,RSensenig,ADBrooks,PlasmaMedicine,1(1):93–108(2011)52Medicalplasmaapplications:

Woundhealingandtissueregenerationofunhealingwounds.Voltage:20kVFrequency:0.7–2kHzPulseduration:~2µsecPowerdensity:0.2–0.5W/cm2Filamenttemperature:320-420KControlPlasma-treated32animals:hairlessdiabeticrats,~180gPenetrationDeepintoTissuesofReactiveOxygenSpeciesGeneratedinFloating-ElectrodeDielectricBarrierDischarge(FE-DBD):inVitroAga