等离子体的基本概念.docx
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等离子体的基本概念
等离子体的基本概念
⏹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。
⏹等离子体是物质第四态
⏹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)
⏹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
⏹等离子体参数空间
⏹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
⏹等离子体物理研究领域
●低温应用等离子体
●高温聚变等离子体
●空间和天体等离子体
⏹等离子体分类
⏹等离子体特性
●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
●准中性
⏹等离子体基本条件
●空间尺度要求:
等离子体线度远大于德拜长度
λD< ●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 τ>>τp ●集合体要求: 在德拜球中粒子数足够多,具有统计意义 ND=ne(4πλD3/3)>>1 ⏹等离子体波 ●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 ⏹无线电波在电离层的反射 ⏹磁化等离子体中的波动 ●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 等离子体的作用和应用 ⏹低温等离子体应用 ●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) ●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 ⏹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、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 ⏹空间天体等离子体 ●什么保护了我们地球: 等离子体 ●北极光 ●我们的太阳 ●星系: 巨大的聚变反应堆 ⏹聚变等离子体 ●聚变与裂变能 ●核聚变反应 D+T=n+4He D+T=p+3He ●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。 ●聚变需要亿度高温 劳逊判据(Q=1): T>10keV(1亿度) nτ>3⨯1020m-3s ●实现聚变的三种途径 ●托卡马克装置(JET) ●磁约束聚变研究进展 ●美国Nova激光聚变装置 ●美国国家点火(NIF)激光聚变装置 ●激光聚变电站 ●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 ⏹等离子体基础实验装置简图 ⏹气体放电实验 ●空间电荷效应 –查尔德-朗缪尔定律 ●热阴极电子发射特性 –理查德定律 ●等离子体产生和维持 –产生与损失的平衡 ●放电等离子体特性 –双稳特征、非线性现象 ⏹等离子体诊断—静电探针 ⏹等离子体基本性质: 集体现象—波—离子声波 ●离子声波色散关系 –与普通声波比较 ●等离子体波的诊断方法 –干涉法 –飞行时间法 ●波动阻尼 –朗道阻尼 –碰撞阻尼 总结 ⏹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。 ⏹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。
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