等離子體物理課件

1、等離子體物理第一章 引言 1.6 Saha方程 1.7等離子體基本參數(shù) 1.8 等離子體的準(zhǔn)中性 1.9 等離子體屏蔽 1.10 等離子體的不同描述1.6 等離子體的描述3、溫度T對于滿足Maxwell速度分布函數(shù)(已經(jīng)歸一化)的粒子： 等離子體溫度是粒子平均動能的度量粒子的平均動能與溫度的定義 (統(tǒng)計力學(xué)：分子熱運(yùn)動的一種度量)1、粒子數(shù)密度n 準(zhǔn)中性條件2、 速度分布函數(shù)1.7 等離子體的基本參量4、熱力學(xué)溫度(thermal temperature)、動力學(xué)溫度(kinetic temp.)、有效溫度(effective temp.)傳統(tǒng)意義上的溫度概念只在熱平衡等離子體中才成立，但通常

2、也直接將溫度定義為上述速度分布函數(shù)的積分，用以度量系統(tǒng)中粒子的平均動能，稱為動力學(xué)溫度或有效溫度5、電子溫度Te和離子溫度Ti不同成分之間達(dá)到熱平衡的時間比同種類粒子之間達(dá)到熱平衡的時間長得多，因此等離子體不同種類的粒子可以有不同的溫度6、垂直溫度Tperp 和平行溫度Tpara磁場的出現(xiàn)使得沿著磁場方向和垂直于磁場方向上的速度分布可以截然不同，可認(rèn)為在不同方向上的等離子體存在不同的溫度7、溫度的單位：k，有時也將Boltzmann常數(shù)吸入，采用能量單位 eV, 1eV = 1.6e-19J, 1eV 11600 K 1萬度消除流行的錯誤的溫度概念: 熒光燈管內(nèi)的電子溫度為20,000K日冕氣

3、體溫度高達(dá)百萬度,卻燒不開一杯水除溫度之外,還必須考慮熱容量 E n kB T 溫度 V.S. 能量密度1.8 等離子體的準(zhǔn)中性由泊松方程 電子和離子數(shù)量不相等, 凈電荷密度 平行平板間的等離子體 一維下 對過剩的電荷產(chǎn)生排斥力,為回復(fù)力 解為1.8 等離子體的準(zhǔn)中性例 非中性等離子體產(chǎn)生的力考慮Te = 1 eV, ne = 1019 m3 (普通等離子體,比較：大氣的分子密度為31025 m3)。假設(shè)離子和電子濃度之間有微小的差別,n=(nine),則 =n e。單位體積電荷在距離x處產(chǎn)生的力 對比：單位體積的壓力1.9 等離子體屏蔽1.9.1 - 玻爾茲曼分布函數(shù)的初步推導(dǎo)1.9.2 -

4、 靜電勢中的等離子體密度1.9.3 - 德拜屏蔽1.9.4 - 等離子體-固體邊界1.9.5 - 鞘層厚度1.9.1 - 玻爾茲曼分布函數(shù)的初步推導(dǎo)統(tǒng)計力學(xué)的基本原理熱平衡最可幾態(tài),即微觀狀態(tài)的最大可能排列 g1 S1 E1 g2 S2 E2有熱接觸的統(tǒng)計系統(tǒng)S1, S2 能量E1, E2 微觀狀態(tài)的數(shù)目g1, g2 1.9.1 - 玻爾茲曼分布函數(shù)的初步推導(dǎo)如果復(fù)合系統(tǒng)的總能量固定,為E1 + E2 = Et 最可幾態(tài)時dg/dE=0 溫度 總的微觀狀態(tài)數(shù)g定義熵 1.9.1 - 玻爾茲曼分布函數(shù)的初步推導(dǎo)系統(tǒng)S1的兩個微觀態(tài)的能量用EA, EB表示,耦合系統(tǒng)S1A和S1B的狀態(tài)數(shù)之比為 假

5、設(shè)系統(tǒng)S2S1; EA,EB 1德拜屏蔽概念的幾個要點(diǎn)：1、電屏蔽、維持準(zhǔn)中性2、基本尺度：空間尺度3、響應(yīng)時間：時間尺度4、統(tǒng)計意義：等離子體參數(shù)等離子體概念成立的兩個判據(jù)：時空尺度、統(tǒng)計意義后面還有一個，共同保障集體效應(yīng)的發(fā)揮！等離子體振蕩示意圖三、 等離子體Langmuir振蕩：物理圖像：密度擾動電荷分離（大于德拜半徑尺度）電場 驅(qū)動粒子(電子、離子)運(yùn)動“過沖”運(yùn)動 往返振蕩等離子體最重要的本征頻率： 電子、離子振蕩頻率Langmuir在1928年研究氣體放電時首次發(fā)現(xiàn)Langmuir振蕩x=01.9.4 - 等離子體-固體邊界 當(dāng)?shù)入x子體和固體接觸時,固體扮演“接收器”的角色,將等離

6、子體吸走。電子離子在表面復(fù)合 (1) 相對固體，等離子體帶正電 等離子體-固體相互作用：鞘層1.9.4 - 等離子體-固體邊界 (2) 在等離子體邊界有一層相對薄的區(qū)域叫鞘層電勢下降的原因：電子離子的不同速度 電子運(yùn)動比離子快 倍,迅速偏離電中性 平均速度1.9.4 - 等離子體-固體邊界 離子逃逸通量： 電子逃逸通量： 離子被電勢拉出去,因此流出等離子體的總電流為 1.9.4 - 等離子體-固體邊界 對氫原子mi/me=1800,因此 表面相對等離子體的電勢近似為 1.9.5 - 鞘層厚度 假設(shè)離子濃度均勻,電勢方程為 在e/Te1時,解的特征長度為Debye長度 在鞘層中不滿足e/Te1,

7、 集體行為占主導(dǎo) 1.9.6 - 等離子體判據(jù) 等離子體是電離氣體,集體行為占主導(dǎo)地位 概述 等離子體判據(jù)： D1 1.10.1 - 等離子體的不同描述 (1) 單粒子運(yùn)動近似, 運(yùn)動方程 (2) 動力學(xué)理論,Boltzmann方程 (3) 流體描述。力矩,速度,壓力,電流 軌道輸運(yùn)系數(shù)宏觀描述不同描述是看待同一件事情的不同方法 單粒子方法微觀描述基本方程：粒子運(yùn)動方程，庫侖定律（或Maxwell方程）基本參量（變量）：粒子位置、速度，電荷與電流密度分布、電磁場分布最詳盡、所作忽略最少，但無法求解計算機(jī)模擬(Particle-in-cell method, 粒子模擬)流體方法宏觀描述（適用于較

8、稠密的等離子體）基本方程：連續(xù)性方程（質(zhì)量守恒）動量方程（動量守恒）能量方程（能量方程）電磁場Maxwell方程基本參量：粒子密度分布、速度分布、電磁場分布、等離子體壓強(qiáng)理想簡單情況可求解，大多數(shù)仍然依靠計算機(jī)模擬，流體模擬的速度比粒子模擬快！動力學(xué)方法微觀方法（有宏觀含義，也稱動力論）基本方程：Boltzmann方程基本參量（變量）：相空間分布函數(shù)的時空演變個別情況能求近似解。通過利用速度空間的矩（零、一、二階矩對應(yīng)等離子體的質(zhì)量密度、動量流密度和能流密度），可推導(dǎo)出磁流體力學(xué)方程速度外力碰撞1.10.2 - 等離子體物理的方程 Maxwell方程組 Lorentz力 1.10.2 - 自洽性 解等離子體問題時通常有一個“回路”系統(tǒng),僅當(dāng)模型的各部分自洽時才能將問題解出來 解靴絆 求解等離子體問題的步驟計算等離子體響應(yīng)(給出E, B) 獲得電流和電荷濃度 從j, p計算E, B 歐洲大型強(qiáng)子對撞機(jī)(LHC)起用了 Higgs boson質(zhì)量起源 暗物質(zhì) 物質(zhì)與反物質(zhì)的差異 模擬大爆炸 高維空間1.10.3 - 德拜(Debye)屏蔽 等離子體中放一個平面格子,處于一定的電勢g Poisson方程 電子濃度 (x=, = 0)離子濃度 (遠(yuǎn)離格子處為