等離子體物理及應(yīng)用領(lǐng)域

1、等離子體物理及應(yīng)用領(lǐng)域什么是等離子體？由大量的帶電粒子組成的非束縛態(tài)的宏觀體系非束縛性：異類帶電粒子之間相互“自由”，等離子體的基本粒子元是正負(fù)荷電的粒子（電子、離子），而不是其結(jié)合體。粒子與電磁場(chǎng)的不可分割性：等離子體中粒子的運(yùn)動(dòng)與電磁場(chǎng)（外場(chǎng)及粒子產(chǎn)生的自洽場(chǎng)）的運(yùn)動(dòng)緊密耦合，不可分割。集體效應(yīng)起主導(dǎo)作用：等離子體中相互作用的電磁力是長(zhǎng)程的。等離子體是物質(zhì)第四態(tài)電離氣體是一種常見(jiàn)的等離子體需要有足夠的電離度的電離氣體才具有等離子體性質(zhì)?！半娦浴北取爸行浴备匾?( 電離度 >10-4 )放電是使氣體轉(zhuǎn)變成等離子體的一種常見(jiàn)形式等離子體 » 電離氣體宇宙中90物質(zhì)處于等離子體

2、態(tài)人類的生存伴隨著水，水存在的環(huán)境是地球文明得以進(jìn)化、發(fā)展的的熱力學(xué)環(huán)境，這種環(huán)境遠(yuǎn)離等離子體物態(tài)普遍存在的狀態(tài)。因而，天然等離子體就只能存在于遠(yuǎn)離人群的地方，以閃電、極光的形式為人們所敬畏、所贊嘆。由地球表面向外，等離子體是幾乎所有可見(jiàn)物質(zhì)的存在形式，大氣外側(cè)的電離層、日地空間的太陽(yáng)風(fēng)、太陽(yáng)日冕、太陽(yáng)內(nèi)部、星際空間、星云及星團(tuán)，毫無(wú)例外的都是等離子體。地球上，人造的等離子體也越來(lái)越多地出現(xiàn)在我們的周圍。日常生活中：日光燈、電弧、等離子體顯示屏、臭氧發(fā)生器典型的工業(yè)應(yīng)用：等離子體刻蝕、鍍膜、表面改性、噴涂、燒結(jié)、冶煉、加熱、有害物處理高技術(shù)應(yīng)用：托卡馬克、慣性約束聚變、氫彈、高功率微波器件、離

3、子源、強(qiáng)流束、飛行器鞘套與尾跡等離子體參數(shù)空間密度(cm-3)溫度(度)太陽(yáng)核心 磁約束聚 變霓虹燈 北極光 火 焰閃電日冕 氫彈星際空間熒光氣體液 體固 體人類居住環(huán)境慣性聚變星 云太陽(yáng)風(fēng)等離子體的描述方法n 等離子體描述是一致的，通常是經(jīng)典、非相對(duì)論的體系經(jīng)典：非相對(duì)論：§ 電磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)麥克斯韋方程§ 粒子運(yùn)動(dòng)§ 直接粒子描述： 每個(gè)粒子運(yùn)動(dòng)由牛頓方程描述（對(duì)現(xiàn)實(shí)體系的粒子數(shù)幾乎是不可能的，計(jì)算機(jī) PIC 模擬方法以此為基礎(chǔ)）§ 動(dòng)力論描述：相空間粒子概率分布描述，流體描述：將等離子體視為電磁相互作用起主導(dǎo)作用的流體，（電）磁流體（EMHD，MHD）等

4、離子體分類冷等離子體（）如：極光、日光燈低溫等離子體熱等離子體（）如：電弧、碘鎢燈高溫等離子體如：聚變、太陽(yáng)核心低溫等離子體的電子溫度小于10000°C，電子能量是1eV，而高溫等離子體的電子溫度則大于此溫度。等離子體判據(jù)等離子體存在時(shí)間尺度：必須大于響應(yīng)時(shí)間，即等離子體存在空間尺度：必須大于德拜長(zhǎng)度，即等離子體參數(shù)：必須遠(yuǎn)大于1，即德拜球的粒子數(shù)（）必須具有統(tǒng)計(jì)意義等離子體是弱耦合的近“理想”電離氣體。對(duì)弱電離情況：帶電粒子與中性粒子作用遠(yuǎn)小于帶電粒子之間的作用非磁化等離子體中波動(dòng)離子聲波：離子運(yùn)動(dòng)，低頻，與普通聲波類似，縱波電子等離子體波：電子運(yùn)動(dòng)，高頻，縱波電磁波：橫波，等離子

5、體可視為介質(zhì)，折射率 n < 1，小于等離子體頻率的波不能傳播無(wú)線電波在電離層的反射截止層：磁化等離子體中波動(dòng)Alfen 波：低頻波，等離子體與磁場(chǎng)凍結(jié)在一起，相當(dāng)于彈性介質(zhì)：平行于磁場(chǎng)傳播的波：左旋偏振波、右旋偏振波垂直于磁場(chǎng)傳播的波：尋常波、異常波等離子體物理學(xué)科發(fā)展簡(jiǎn)史19世紀(jì)30年代起放電管中電離氣體，現(xiàn)象認(rèn)識(shí)建立等離子體物理基本理論框架20世紀(jì)50年代起受控?zé)岷司圩兛臻g技術(shù)等離子體物理成為獨(dú)立的分支學(xué)科20世紀(jì)80年代起氣體放電和電弧技術(shù)發(fā)展應(yīng)用低溫等離子體物理發(fā)展等離子體物理主要研究領(lǐng)域低溫應(yīng)用等離子體冷等離子體熱等離子體聚變等離子體磁約束聚變慣性約束聚變空間和天體等離子體主

6、要內(nèi)容等離子體物理及學(xué)科等離子體概念和基本性質(zhì)等離子體物理學(xué)科發(fā)展史及研究領(lǐng)域 等離子體主要應(yīng)用領(lǐng)域低溫等離子體應(yīng)用冷等離子體應(yīng)用 熱等離子體應(yīng)用軍事與高技術(shù)應(yīng)用聚變等離子體磁約束聚變慣性約束聚變空間與天體等離子體冷等離子體應(yīng)用非熱平衡等離子體，背景溫度低，電子溫度高，存在大量的活性粒子電子能量（eV）遠(yuǎn)大于分子鍵能（0.1eV）等離子體的化學(xué)過(guò)程刻蝕化學(xué)氣相沉積（成膜）等離子體材料處理表面改性滅菌消毒表面冶金光源冷光源（節(jié)能，線光譜）氣體激光器等離子體顯示器特征類金剛石表面制造實(shí)驗(yàn)室與日本原子力所先進(jìn)科學(xué)研究中心合作，開展了非平衡薄膜表面制造的研究，成功第地制備了納米尺度的針狀表面、波紋表面

7、，樹枝狀表面、正弦表面等表面結(jié)構(gòu)，其中波紋表面，是應(yīng)用薄膜生長(zhǎng)過(guò)程的自組織過(guò)程中直接形成的。（J. Chem.Phys. 116, 10458，2002）毫米級(jí)厚金剛石片制備研究應(yīng)用PCVD方法開展金剛石模制備研究開展了多年，對(duì)制備過(guò)程中物理化學(xué)及工藝過(guò)程進(jìn)行了系統(tǒng)研究?？梢苑€(wěn)定地制備高質(zhì)量毫米量級(jí)厚度的金剛石片，并用金剛石膜加工成金剛石電子熱沉片，熱導(dǎo)率高達(dá)7.6W/(k·cm)，可用于大功率電子器件。（ Physics of Plasma, 5, 1541, 1998、 J. Phys. D, 31, 3327, 1998、J. Vac. Sci. Tech. A，20, 941

8、, 2002）熱等離子體應(yīng)用熱平衡等離子體，電子、離子、原子同樣的溫度，熱量大通常是高氣壓（1個(gè)大氣壓左右或更高的氣壓）電弧、等離子體炬高溫加熱冶金、焊接、切割材料合成、加工陶瓷燒結(jié)、噴涂、三廢處理光源強(qiáng)光源（近黑體連續(xù)輻射）等離子體軍事及高技術(shù)應(yīng)用軍事應(yīng)用等離子體天線、等離子體隱身、等離子體減阻、等離子體鞘套、等離子體誘餌高技術(shù)大功率微波器件、X射線激光、強(qiáng)流束技術(shù)、等離子體推進(jìn)MAGPIE Z-Pinch 實(shí)驗(yàn)裝置等離子體離子推進(jìn)器VASIMR 等離子體推進(jìn)技術(shù)等離子體光學(xué)開關(guān)等離子體天線主要內(nèi)容等離子體物理及學(xué)科等離子體概念和基本性質(zhì)等離子體物理學(xué)科發(fā)展史及研究領(lǐng)域等離子體主要應(yīng)用領(lǐng)域低

9、溫等離子體應(yīng)用冷等離子體應(yīng)用 熱等離子體應(yīng)用軍事與高技術(shù)應(yīng)用聚變等離子體磁約束聚變慣性約束聚變空間與天體等離子體聚變與裂變能核聚變反應(yīng)受控?zé)岷司圩?0克氘15克氚 > 人一生所需能源500升海水含10克氘無(wú)環(huán)境污染及長(zhǎng)壽命放 射性廢料聚變需要億度高溫實(shí)現(xiàn)聚變的三種途徑ITER：我們的托卡馬克聚變實(shí)驗(yàn)堆主要參數(shù)Pf = 500MWQ > 10T = 500 sR = 6.2 mA = 2.0 mIp = 15 MAB = 5.3 TV = 837 m3S = 678 m2Pin= 73 MW法國(guó)人的夢(mèng)想磁約束聚變研究進(jìn)展磁約束受控聚變研究進(jìn)展30年聚變?nèi)朔e提高10萬(wàn)倍平均每 1.8

10、年翻一番美國(guó)Nova激光聚變裝置1985年建成，10路 45000焦耳，1納秒 2倍頻/3倍頻美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火（NIF）激光聚變裝置2003年建成, 192束180萬(wàn)焦耳，3納秒500TW，近紫外光激光聚變電站國(guó)內(nèi)有關(guān)裝置神光II、星光II激光聚變裝置主要內(nèi)容等離子體物理及學(xué)科等離子體概念和基本性質(zhì)等離子體物理學(xué)科發(fā)展史及研究領(lǐng)域等離子體主要應(yīng)用領(lǐng)域低溫等離子體應(yīng)用冷等離子體應(yīng)用 熱等離子體應(yīng)用軍事與高技術(shù)應(yīng)用聚變等離子體磁約束聚變慣性約束聚變空間與天體等離子體空間等離子體形態(tài)太陽(yáng)大氣結(jié)構(gòu)日冕 ()(EUV像)色球 ()(Ha像)色球 ()(CaIIK)光球()(白光像)Credit:TRACE web-site爆發(fā)磁環(huán)及實(shí)驗(yàn)室模擬北極光星系：巨大的聚變反應(yīng)堆總 結(jié)等離子體科學(xué)涵蓋了受控?zé)岷司圩?、低溫等離子體物理及應(yīng)用、國(guó)防和高技術(shù)應(yīng)用、天體和空間等離子體物理等分支領(lǐng)域。等離子體科學(xué)在能源、材料、信息、環(huán)保、國(guó)防、微電子、半導(dǎo)體、航空、航天、冶金、生物醫(yī)學(xué)、造紙、化工、紡織、通訊等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。等離子體研究領(lǐng)域?qū)θ祟惷媾R的能源、材料、信息、環(huán)保等許多全局性問(wèn)題的解決具有重大意義。有一位“哲人”曰： 我經(jīng)常將等離子體人性化，她的許多表現(xiàn)酷似于我們?nèi)祟?，常常不需要牽?qiáng)的聯(lián)想，就可以用我們?nèi)粘５慕?jīng)