1、第十八章第十八章 物理学与新技术物理学与新技术18181 1等离子体与受控核聚变等离子体与受控核聚变主要内容 等离子体物理及学科 等离子体主要应用领域主要内容 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什么是等离子体n由大量的带电粒子组成的非束缚态的宏观体系由大量的带电粒子组成的非束缚态的宏观体系 处于电离状态的气体。处于电离状态的气体。电子的负电荷总数和离子的正电荷总数数值电子的负电荷总数和离子的正电荷总数数值上相
2、等，上相等，宏观上呈电中性宏观上呈电中性。整个宇宙约有整个宇宙约有99.9%以上的物质处于等离子以上的物质处于等离子体状态。体状态。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 电离气体需要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)n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
3、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99物质处于等离子体态n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，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。n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
4、惯性聚变星 云太阳风等离子体参数空间等离子体分类冷等离子体TeTi,Ta热等离子体TeTi,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n磁场冻结效应磁场冻结效应 等离子体内感应电流等离子体内感应电流的磁场可抵消或补偿的磁场可抵消或补偿外部磁场引起的变化，外部磁场引起的变化，从而保持等离子体内从而保持等离子体内磁场不变。磁场不变。n磁镜效应磁镜效应带电粒子具有被推向磁场较弱区域的趋势带电粒子具有被推向磁场较弱区域的趋势等离子体物理学科发展简史n19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n20世纪50年代起受控热
5、核聚变空间技术等离子体物理成为独立的分支学科n20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等离子体物理主要研究领域n低温应用等离子体低温应用等离子体 冷等离子体冷等离子体 热等离子体热等离子体n聚变等离子体聚变等离子体 磁约束聚变磁约束聚变 惯性约束聚变惯性约束聚变n空间和天体等离子体空间和天体等离子体n等离子体的化学过程等离子体的化学过程 刻蚀刻蚀 化学气相沉积（成膜）化学气相沉积（成膜）n等离子体材料处理等离子体材料处理 表面改性表面改性 灭菌消毒灭菌消毒 表面冶金表面冶金n光源光源 冷光源（节能，线光谱）冷光源（节能，线光谱）气体激光器气体激光
6、器 等离子体显示器等离子体显示器低温等离子体应用 电子能量（电子能量（eV）远大于远大于分子键能分子键能（0.1eV）?非热平衡等离子体，背景温度低，电子温度高，存在大量的活性粒子纳米尺度上针尖状表面实验室与日本原子力所先进科学研究中心合作，开展了非平衡薄膜表面制造的研究，成功地制备了纳米尺度的针状表面、波纹表面，树枝状表面、正弦表面等表面结构，其中波纹表面，是应用薄膜生长过程的自组织过程中直接形成的。（J.Chem.Phys.116,10458，2002）纳米尺度上波纹状表面树枝状表面大面积正弦表面低温等离子体应用 应用PCVD方法开展金刚石模制备研究开展了多年，对制备过程中物理化学及工艺过
7、程进行了系统研究。可以稳定地制备高质量毫米量级厚度的金刚石片，并用金刚石膜加工成金刚石电子热沉片，热导率高达7.6W/(kcm)，可用于大功率电子器件。（Physics of Plasma,5,1541,1998、J.Phys.D,31,3327,1998、J.Vac.Sci.Tech.A，20,941,2002）纯金刚石片纯金刚石片（直径（直径30mm）半透纯金刚石半透纯金刚石热沉片热沉片10 x10 mm2 带带Si衬底的金刚石厚膜衬底的金刚石厚膜金刚石质量表征金刚石质量表征低温等离子体应用等离子体军事及高技术应用等离子体军事及高技术应用n军事应用军事应用等离子体天线、等离子体隐身、等离子
8、等离子体天线、等离子体隐身、等离子体减阻、等离子体鞘套、等离子体诱饵体减阻、等离子体鞘套、等离子体诱饵n高技术高技术大功率微波器件、大功率微波器件、X X射线激光、强流束射线激光、强流束技术、等离子体推进技术、等离子体推进低温等离子体应用等离子体离子推进器等离子体离子推进器军事及高技术应用军事及高技术应用Anodexenonmagnetic circuitElectronsIonsCathodemagnetic field linesElectric fieldcoilsceramic channelHall thrusters 霍尔等离子体推进军事及高技术应用军事及高技术应用裂变D3He4H
9、eTULi聚变聚变能裂变能原子质量平均结合能Fe聚变等离子体D+T=n+4HeD+T=p+3He聚变等离子体G 10克氘15克氚 人一生所需能源A 500升海水含10克氘B 无环境污染及长寿命放 射性废料聚变等离子体劳逊判据（Q1）T10keV（1亿度）nt 3x1020m-3s聚变需要亿度高温聚变等离子体聚变等离子体 主要参数Pf=500MWQ 10T=500 sR=6.2 mA=2.0 mIp=15 MAB=5.3 TV=837 m3S=678 m2Pin=73 MW聚变等离子体聚变等离子体2005年6月28日ITER：Cadarache磁约束聚变研究进展聚变等离子体n30年聚变三乘积提高
10、10万倍n平均每 1.8年翻一番1985年建成，10路45000焦耳，1纳秒2倍频/3倍频聚变等离子体2003年建成,192束180万焦耳，3纳秒500TW，近紫外光聚变等离子体聚变等离子体国内有关装置环流器环流器1 1号号环流器环流器2 2号号神光II、星光II激光聚变装置空间等离子体形态空间天体等离子体重联区域北极光空间天体等离子体空间天体等离子体总总 结结n等离子体科学涵盖了受控热核聚变、低温等离子体等离子体科学涵盖了受控热核聚变、低温等离子体物理及应用、国防和高技术应用、天体和空间等离物理及应用、国防和高技术应用、天体和空间等离子体物理等分支领域。子体物理等分支领域。n等离子体科学在能
11、源、材料、信息、环保、国防、等离子体科学在能源、材料、信息、环保、国防、微电子、半导体、航空、航天、冶金、生物医学、微电子、半导体、航空、航天、冶金、生物医学、造纸、化工、纺织、通讯等领域有广泛的应用。造纸、化工、纺织、通讯等领域有广泛的应用。n等离子体研究领域对人类面临的能源、材料、信息、等离子体研究领域对人类面临的能源、材料、信息、环保等许多全局性问题的解决具有重大意义。环保等许多全局性问题的解决具有重大意义。光纤通信系统特点光纤通信系统特点n大宽带大宽带 信息容量大，可用于宽带、高速通信信息容量大，可用于宽带、高速通信 n中继距离长中继距离长 低传输损耗，中继距离长，减少线路设备低传输损
12、耗，中继距离长，减少线路设备 量和成本量和成本n抗电磁干扰抗电磁干扰 可用于强电磁干扰环境下的通信可用于强电磁干扰环境下的通信 n无串扰无串扰 没有感应和辐射，不产生串扰，保密性好没有感应和辐射，不产生串扰，保密性好 n线径细重量轻线径细重量轻 便于敷设和空间的利用便于敷设和空间的利用n节约金属材料节约金属材料 二氧化硅丰富，节约金属材料二氧化硅丰富，节约金属材料n一一.光纤光纤光纤是光纤是“光导纤维光导纤维”的简称的简称,是一种介质园是一种介质园柱光波导。柱光波导。光波导：能够约束并导引光波在其内部或光波导：能够约束并导引光波在其内部或表面附近沿轴线方向传播的传输介质。表面附近沿轴线方向传播
13、的传输介质。n按其截面形状可分为：按其截面形状可分为：n 平板波导、矩形波导、园柱波导。平板波导、矩形波导、园柱波导。光纤的结构光纤的结构 光纤波导是以各种导光材料制成的纤维丝，其光纤波导是以各种导光材料制成的纤维丝，其基本结构包括：纤芯和包层。基本结构包括：纤芯和包层。纤芯纤芯：高折射率，光波的传输介质：高折射率，光波的传输介质 包层包层：较低折射率，与纤芯共同组成光：较低折射率，与纤芯共同组成光波导，形成对传输光波的约束作用。波导，形成对传输光波的约束作用。在正常情况下，大部分光能沿纤芯传输，在包在正常情况下，大部分光能沿纤芯传输，在包层中也有沿径向衰减的光波存在。因此，光纤层中也有沿径向
14、衰减的光波存在。因此，光纤的纤芯和包层材料都必须是的纤芯和包层材料都必须是低损耗低损耗的。的。光纤的分类光纤的分类（按折射率分布）（按折射率分布）n阶跃光纤：阶跃光纤：纤芯和包层的折射率都是常数，且纤芯和包层的折射率都是常数，且呈突变分布。呈突变分布。这种光纤的带宽较窄，适于小容量短距离通信这种光纤的带宽较窄，适于小容量短距离通信n渐变光纤渐变光纤：纤芯折射率是渐变的，中心最大为：纤芯折射率是渐变的，中心最大为n1，逐渐下降到包层处的，逐渐下降到包层处的n2 ，包层仍为常数折，包层仍为常数折射率射率n2。这类光纤带宽较宽，适于中容量中距离通信。这类光纤带宽较宽，适于中容量中距离通信。n按传输模
15、式按传输模式n多模光纤多模光纤 纤芯内传输多个模式的光波纤芯内传输多个模式的光波 大尺寸的阶跃光纤和渐变光纤均属这种类型。大尺寸的阶跃光纤和渐变光纤均属这种类型。n单模光纤单模光纤 纤芯内仅传输纤芯内仅传输1 1个最低模式的光波个最低模式的光波它的结构可以是突变或渐变形式，但尺寸很小。它的结构可以是突变或渐变形式，但尺寸很小。单模光纤带宽极宽，适用于大容量长距离通信系单模光纤带宽极宽，适用于大容量长距离通信系统。统。n标准光纤结构典型值标准光纤结构典型值 对于对于1 1m m左右的光波长而言，单模光左右的光波长而言，单模光纤的直径为纤的直径为1-10 1-10 m m；多模光纤的芯径已；多模光
16、纤的芯径已标准化为标准化为50-60 50-60 m m；为了实用化的方便，光纤的外径都做为了实用化的方便，光纤的外径都做成成125 125 m m。n子午光线子午光线:只在一个包含光纤轴线的平面只在一个包含光纤轴线的平面内不断反射前进。内不断反射前进。n倾斜光线倾斜光线:它向前反射传输的过程不与轴它向前反射传输的过程不与轴线相交，而是绕轴线反射前进。若从光线相交，而是绕轴线反射前进。若从光纤的端面观察时，它是一组按一定方向纤的端面观察时，它是一组按一定方向旋转的折线轨迹。旋转的折线轨迹。n数值孔径反映光纤传光性能的一个重要参数，表示光纤接受入射光的能力)2sin(sin10cmnn12sin
17、nnc2221sinnnmn光纤的损耗光纤的损耗n吸收损耗、散射损耗、辐射损耗、插入损耗、吸收损耗、散射损耗、辐射损耗、插入损耗、连接损耗、错位损耗等连接损耗、错位损耗等n常用波长：常用波长：850nm、1310nm)lg(10ioPPln通讯、传感器等领域O/E/OO/E/O光光 缆缆E EM MU UX X光发送光发送再生再生中继中继再生再生中继中继E ED DM MU UX X电复用电复用 电解复用电解复用光接收光接收光电混合型光纤传输系统光电混合型光纤传输系统n我国光纤通信的现状我国光纤通信的现状n19861986年建立了国内第一条光缆干线年建立了国内第一条光缆干线宁汉光缆宁汉光缆n1
18、9991999年建成年建成8 8纵纵8 8横光纤骨干网，覆盖了除台湾横光纤骨干网，覆盖了除台湾外所有省会城市和外所有省会城市和7575地市。地市。n目前，我国长途骨干网的光缆长度达到了目前，我国长途骨干网的光缆长度达到了1717万万公里，并经中美、中日、中韩等海缆和欧亚大公里，并经中美、中日、中韩等海缆和欧亚大陆桥光缆与国际光缆网连接。陆桥光缆与国际光缆网连接。n我国总的光缆线路总长度超过我国总的光缆线路总长度超过100100万公里，居世万公里，居世界前列。界前列。FLAGFLAGFiber Optic Link Fiber Optic Link around the Globearound the Globe架空光缆架空光缆直埋光缆直埋光缆北京北京上海上海至欧洲至欧洲至日本至日本FLAGFLAG至韩国至韩国至朝鲜至朝鲜至俄罗斯至俄罗斯我国光缆骨干网分布图我国光缆骨干网分布图至东南亚至东南亚
