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1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2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3什么是等離子體？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

2、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。4等離子體是物質(zhì)第四態(tài)固體 冰液體 水氣體 水汽等離子體 電離氣體溫度00C1000C100000C5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 電離氣體普通氣體等離子體放電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 )6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

3、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、離子源、強(qiáng)流束、飛行器鞘套與尾跡宇宙中90物質(zhì)處于等離子體態(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。7密度(cm-3)溫度(度)太陽核心 磁約束聚

4、 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 云太陽風(fēng)等離子體參數(shù)空間8等離子體的描述方法等離子體描述是一致的，通常是經(jīng)典、非相對論的體系非相對論：經(jīng)典：直接粒子描述： 每個(gè)粒子運(yùn)動由牛頓方程描述（對現(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)）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）動力論描述：相空間粒子概率分布 描述，電磁場運(yùn)動粒子運(yùn)動麥克斯韋方程9等離子體分類冷等離子體TeTi, Ta熱等離子體TeTi, Ta電弧、碘鎢燈極光、日光燈電子溫度100000C1eV聚變、太陽核心

5、高 溫等離子體低 溫等離子體10在等離子體中引入電場，經(jīng)過一定的時(shí)間.德拜( Debye )屏蔽11在等離子體中引入電場，經(jīng)過一定的時(shí)間，等離子體中的電子、離子將移動，屏蔽電場德拜屏蔽德拜( Debye )屏蔽屏蔽層厚度：德拜長度 lD特征響應(yīng)時(shí)間：tp lD/vT1/wp12在等離子體內(nèi)部，正、負(fù)電荷數(shù)幾乎相等準(zhǔn)中性 ne ni 準(zhǔn)中性13對弱電離情況：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，即等離子體是弱耦合的近 “理想”電離氣體等離子體存在空間尺度：必須大于德拜長度，即等離子體參數(shù)：必須遠(yuǎn)大于1，即德拜球中的粒子數(shù)（ ）必須具有統(tǒng)

6、計(jì)意義電離度0.1%以上14非磁化等離子體中波動離子聲波：離子運(yùn)動，低頻，與普通聲波類似，縱波電子等離子體波：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 人一生所需能源 500升海水含10克氘 無環(huán)境污染及長壽命放 射性廢料聚變等離子體35聚變需要億度高溫勞遜判據(jù)（Q1）T10keV （1億度）nt 3x1020m-3s聚變需要億度高溫聚變等離子體36實(shí)現(xiàn)聚變的三種途徑聚變等離子體37 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

7、46億美元聚變等離子體ITER：我們的托卡馬克聚變實(shí)驗(yàn)堆38法國人的夢想聚變等離子體2005年6月28日ITER：Cadarache39磁約束聚變研究進(jìn)展磁約束聚變研究進(jìn)展聚變等離子體40磁約束受控聚變研究進(jìn)展30年聚變?nèi)朔e提高10萬倍平均每 1.8年翻一番41美國Nova激光聚變裝置1985年建成，10路45000焦耳，1納秒2倍頻/3倍頻聚變等離子體42美國國家點(diǎn)火（NIF）激光聚變裝置2003年建成, 192束180萬焦耳，3納秒500TW，近紫外光聚變等離子體43激光聚變電站聚變等離子體44國內(nèi)有關(guān)裝置45神光II、星光II激光聚變裝置46主要內(nèi)容 等離子體物理及學(xué)科等離子體概念和基

8、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47空間等離子體形態(tài)空間天體等離子體重聯(lián)區(qū)域48太陽大氣結(jié)構(gòu)日冕 (104km)(EUV像)色球 (103km)(H像)色球(103km)(Ca II K)光球(102km)(白光像)( Credit: TRACE web-site)空間天體等離子體49爆發(fā)磁環(huán)及實(shí)驗(yàn)室模擬空間天體等離子體50北極光空間天體等離子體51星系：巨大的聚變反應(yīng)堆 空間天體等離子體52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)保等許多全局性問題的解決具有重大意義。53 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)驗(yàn)，甚至是我們內(nèi)心的感受來理解她的行為等離子體中的兩性： 相互獨(dú)立又相互扶持，平和時(shí)