等離子體的基本概念-USTC

1、等離子體的基本概念什么是等離子體？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。粒子與電磁場的不可分割性：等離子體中粒子的運(yùn)動與電磁場（外場及粒子產(chǎn)生的自洽場）的運(yùn)動緊密耦合，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程的。等離子體是物質(zhì)第四態(tài)電離氣體是一種常見的等離子體放電是使氣體轉(zhuǎn)變成等離子體的一種常見形式，等離子體 電離氣體 需要有足夠的電離度的電離氣體才具有等離子體性質(zhì)。 “電性”比 “中性 ”更重 要 （ 電離度 10-4 ）宇宙中 90物質(zhì)處于等離子體態(tài)人類

2、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物質(zhì)的存在形式，大氣外側(cè) 的電離層、日地空間的太陽風(fēng)、太陽日冕、太陽內(nèi)部、星際空間、星云 及星團(tuán)，毫無例外的都是等離子體。地球上，人造的等離子體也越來越多地出現(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

3、器件、離子源、強(qiáng)流束、飛行器鞘套與尾跡等離子體參數(shù)空間等離子體物理學(xué)科發(fā)展簡史19世紀(jì) 30年代起 放電管中電離氣體，現(xiàn)象認(rèn)識 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?空間技術(shù)等離子體物理成為獨立的分支學(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)展等離子體物理研究領(lǐng)域低溫應(yīng)用等離子體高溫聚變等離子體空間和天體等離子體等離子體分類等離子體特性德拜 ( Debye )屏蔽在等離子體中引入電場，經(jīng)過一定時間，等離子體中的電子、離子將移動，屏蔽電場德拜屏蔽準(zhǔn)中性等離子體基本條件空間尺度要求 ：等離子體線度遠(yuǎn)大于德拜長度D p集合體要求：在德拜球中粒子

4、數(shù)足夠多，具有統(tǒng)計意義N D n e (4 D3 /3 ) 1等離子體波離子聲波：離子運(yùn)動，低頻，與普通聲波類似，縱波，小于等離子體頻率電子等離子體波：電子運(yùn)動，高頻，縱波電磁波：橫波，等離子體可視為介質(zhì)，折射率 n 10keV （ 1 億度）n 3 10 20 m -3s實現(xiàn)聚變的三種途徑托卡馬克裝置 ( JET )磁約束聚變研究進(jìn)展美國 Nova 激光聚變裝置美國國家點火（ NIF ）激光聚變裝置激光聚變電站其它聚變裝置等離子體基礎(chǔ)實驗 大學(xué)物理實驗 ：等離子體特性實驗等離子體基礎(chǔ)實驗裝置簡圖氣體放電實驗空間電荷效應(yīng) 查爾德朗繆爾定律熱陰極電子發(fā)射特性 理查德定律等離子體產(chǎn)生和維持 產(chǎn)生與損失的平衡 放電等離子體特性 雙穩(wěn)特征、非線性現(xiàn)象等離子體診斷 靜電探針等離子體基本性質(zhì)：集體現(xiàn)象 波離子聲波離子聲波色散關(guān)系 與普通聲波比較等離子體波的診斷方法 干涉法 飛行時間法波動阻尼 朗道阻尼 碰撞阻尼總結(jié)作為迅速發(fā)展的新興學(xué)科，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、國防、微電子、半導(dǎo)體、航空、 航天、冶金、生物醫(yī)學(xué)、造