等离子体物理及应用领域

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1、等离子体物理及应用领域中国科学技术大学近代物理系刘万东主要内容等离子体物理及学科等离子体概念和基本性质等离子体物理学科发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主要内容等离子体物理及学科等离子体概念和基本性质等离子体物理学科发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什么是等离子体？由

2、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固体冰液体水气体水汽等离子体电离气体温度00C1000C100000C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电离气体普通气体等离子体放电需要

3、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)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

4、，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。密度(cm-3)温度(度)太阳核心磁约束聚变霓虹灯北极光火焰闪电日冕氢弹星际空间荧光气体液体固体人类居住环境惯性聚变星云太阳风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、非相对论的体系非相对论：经典：直接粒子描述：每个粒子运动由牛顿方程描述（

5、对现实体系的粒子数几乎是不可能的，计算机PIC模拟方法以此为基础）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）动力论描述：相空间粒子概率分布描述，电磁场运动粒子运动麦克斯韦方程等离子体分类冷等离子体Te≠Ti,Ta热等离子体Te＝Ti,Ta电弧、碘钨灯极光、日光灯电子温度100000C1eV聚变、太阳核心高温等离子体低温等离子体在等离子体中引入电场，经过一定的时间……..德拜(Debye)屏蔽＋－＋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

6、将移动，屏蔽电场——德拜屏蔽德拜(Debye)屏蔽－屏蔽层厚度：德拜长度lD特征响应时间：tp＝lD/vT＝1/wp＋在等离子体内部，正、负电荷数几乎相等——准中性neni准中性－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，即等离子体是弱耦合的近“理想”电离气体等离子体存在空间尺度：必须大于德拜长度，即等离子体参数：必须远大于1，即德拜球中的粒子数（）必须具有统计意义电离度0.1%以上非磁化等离子体中波动离子声波：离子运动，低频，与普

7、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等离子体波无线电波在电离层的反射截止层：f=fc=9ne1/2等离子体波磁化等离子体中波动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、异常波等离子体波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

8、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基本性质等离子体物理学科发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等离子体的化