1、等离子体物理导论Introduction to Plasma Physics主要内容 等离子体基本概念 单粒子运动 磁流体模型 等离子体波动现象 等离子体不稳定性 等离子体几个重要概念第一讲第一讲第一讲等离子体之歌我经常将等离子体人性化，她的许多表现酷似于我们人类，常常不需要牵强的联想，就可以用我们日常的经验，甚至是我们内心的感受来理解她的行为。等离子体中的两性，相互独立又相互扶持，平和时若即若离，逃逸时则携手并肩。等离子体中的相互作用，长则绵绵，短则眈眈，远可及周天之外，近可抵唇齿之间。等离子体的集体行为，自由与束缚兼得，温和与暴虐并存。等离子体的自洽禀性，可以欺之以妩媚，不可催之以强蛮，若
2、以力，人人奋愤可兵，以弱，则诺诺列队而从。如此以陈，等离子体的每一个秉性都值得我们用诗一般的语言来渲染。电子离子，以其简洁的库仑作用，本不堪言，然一成群体，即如此绚丽，何况人乎？第一讲第一讲第一讲第一章 引 言1.1 等离子体基本概念等离子体定义等离子体参数空间等离子体描述方法1.2 等离子体重要特征和参量德拜屏蔽和等离子体空间尺度等离子体特征时间等离子体判据1.3 等离子体物理发展简史及研究领域第一讲第一讲第一讲等离子体的定义由大量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
3、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，每个粒子均与周围许多粒子同时发生作用。第一讲第一讲第一讲等离子体是物质的第四态固体 冰液体 水气体 水汽等离子体 电离气体温度00C1000C100000C第一讲第一讲第一讲电离气体是一种常见的等离子体3/22703 10expiiinETnnT 沙哈（M.Saha）方程：1122AAAAe?中性粒子、离子、电子 之间热平衡,A A e具有一定电离度的电离气体才是等离子体?温度、能量均以电子伏特作单位：1eV=11600K10K?带电粒子之间的相互作用效
4、果超过带电粒子与中性粒子之间相互作用的效果19kT1.6 10J253014.5eV,0.03eV,3 10 miETn 243014.5eV,1eV,1 10 miETn 9902.5 10in n301.5 10in n第一讲第一讲第一讲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 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
5、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。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。宇宙中 90 物质处于等离子体态第一讲第一讲第一讲密度(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 云太阳风密度跨越了 30 个量级温度跨越了 7 个量级等离子体参数空间：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
6、 非相对论：2Tmc1/3h pn 经典：直接粒子描述：每个粒子运动由牛顿方程描述（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）cdfffffvadttxvt 动力论描述：相空间粒子概率分布 描述，,f x v t 第一讲第一讲第一讲电磁场运动粒子运动麦克斯韦方程等离子体的分类冷等离子体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 温等离子体热：热平衡冷：非热平衡第一讲第一讲第一讲第一章 引 言1.1 等离子
7、体基本概念等离子体定义等离子体参数空间等离子体描述方法1.2 等离子体重要特征和参量德拜屏蔽和等离子体空间尺度等离子体特征时间等离子体判据1.3 等离子体物理发展简史及研究领域第一讲第一讲第一讲德拜屏蔽静态德拜屏蔽模型：01eeneT01eineT21D德拜（Debye）屏蔽：等离子体对外加电场的屏蔽效应20ieenn 泊松方程：0expieinneT0expeeenneT玻尔兹曼分布：2220000eeien en eTT1/222DDeDi德拜长度：1/20,20e iDe ieTn e电子、离子德拜长度：第一讲第一讲第一讲xT e德拜屏蔽性质一维情况下解xT e0第一讲第一讲第一讲 0e
8、xpDxx平板模型：球对称模型：expDrrCr?准电中性：等离子体内部，不出现明显的静电场，保持近似电中性 0exp4Drqrr?屏蔽库仑势：在等离子体中放入一试探离子，则其库仑势将会被屏蔽?鞘层：出现明显电场的薄区域（电荷非中性、厚度德拜长度量级）T e?不完全屏蔽：有 量级的电势进入等离子体中等离子体中库仑相互作用屏蔽的库仑势使带电粒子对周围粒子的直接影响（两体作用）局限于以德拜长度为半径的所谓德拜球内在等离子体中，粒子之间直接的库仑相互作用实际上变成了短程的相互作用，德拜长度就是其力程可以粗略地认为等离子体由很多德拜球组成在德拜球内，粒子之间清晰地感受到彼此的存在，存在着以库仑碰撞为特
9、征的两体相互作用；在德拜球外，由于其它粒子的干扰和屏蔽，直接的粒子两体之间相互作用消失，代之而来的是许多粒子共同参与的集体相互作用第一讲第一讲第一讲长程的库仑相互作用德拜长度距离外集体相互作用德拜长度距离内两体库仑碰撞德拜长度与鞘层第二讲第二讲第二讲1/222DDeDi等离子体德拜长度：1/20,20e iDe ieTn e电子、离子德拜长度：?静态的等离子体德拜长度取决于低温成分?动态的等离子体德拜长度通常是电子德拜长度C离子的响应慢，离子达到热平衡更慢?等离子体边界必然是鞘层（自然边界或与物质相接触的边界）C存在双极扩散（扩散速度不同的电子、离子之间通过建立电场使其扩散速率相等）?等离子体
10、内部不连续之处必然是鞘层等离子体特征响应时间DepeTev22020eexn edmeEdt 等离子体响应时间：实现德拜屏蔽需要时间，估计为简谐振荡频率：第二讲第二讲第二讲1/21/2020eeeeTTn em1/2020eemn e等离子体集体振荡频率x1/2200epeen em?等离子体集体振荡频率，称（电子）等离子体频率1pepe 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pe等离子体存在时间尺度：必须大于响应时间，即第二讲第二讲第二讲?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Dl1 等离子体参数：必须远大于1，即34
11、eDn 3/23/21/20204eeeeTnTnn e德拜球中的粒子数（）必须具有统计意义321/32/31/3044eeeTnmax,eneepeee?电离度0.1%以上第一章 引 言1.1 等离子体基本概念等离子体定义等离子体参数空间等离子体描述方法1.2 等离子体重要特征和参量德拜屏蔽和等离子体空间尺度等离子体特征时间等离子体判据1.3 等离子体物理发展简史及研究领域第二讲第二讲第二讲等离子体科学发展简史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
12、低温等离子体物理发展第二讲第二讲第二讲等离子体物理里程碑之一1835年，法拉第（M.Faraday），研究了气体放电基本现象，发现了辉光放电管中发光亮与暗的特征区域1879年，克鲁克斯（W.Crookes）提出用“物质第四态”来描述气体放电产生的电离气体1902年，克尼理（A.E.Kenneally）和赫维塞德（O.Heaviside）提出电离层假设，解释短波无线电在天空反射的现象1923年，德拜（P.Debye）提出等离子体屏蔽概念1925年，阿普勒顿（E.V.Appleton）提出电磁波在电离层中传播理论，并划分电离层1928年，朗缪尔（I.Langmuir）提出等离子体集体振荡等重要概念
13、1929年，朗缪尔与汤克斯（L.Tonks）首次提出“Plasma”一词第二讲第二讲第二讲等离子体物理里程碑之二1937年，阿尔芬（H.Alfven）指出等离子体与磁场的相互作用在空间和天文物理学中起重要作用1946年，朗道（L.Landau）理论预言等离子体中存在无碰撞阻尼，即朗道阻尼1952年，美国受控热核聚变的“Sherwood”计划开始，英国、法国、苏联也开展了相应的计划1958年，人们发现等离子体物理是受控热核聚变研究的关键，开展广泛的国际合作1950-1980年代，受控热核聚变研究和空间等离子体的研究使现代等离子体物理学建立起来1980年起，低温等离子体的广泛应用使等离子体物理与科
14、学达到新的高潮第二讲第二讲第二讲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第二讲第二讲第二讲冷等离子体应用等离子体的化学过程 刻蚀 化学气相沉积（成膜）等离子体材料处理 表面改性 灭菌消毒 表面冶金光源 冷光源（节能，线光谱）气体激光器 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）第二讲第二讲第二讲?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特征类金刚石表面制造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
15、造的研究，成功第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第二讲第二讲第二讲毫米级厚金刚石片制备研究 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.P
16、hys.D,31,3327,1998、J.Vac.Sci.Tech.A，20,941,2002）纯金刚石片（直径30mm）半透纯金刚石热沉片10 x10 mm2 带Si衬底的金刚石厚膜金刚石质量表征低温等离子体应用第二讲第二讲第二讲热等离子体应用高温加热 冶金、焊接、切割材料合成、加工 陶瓷烧结、喷涂、三废处理光源 强光源（近黑体连续辐射）低温等离子体应用第二讲第二讲第二讲?热平衡等离子体，电子、离子、原子同样的温度，热量大?通常是高气压（1个大气压左右或更高的气压）?电弧、等离子体炬等离子体军事及高技术应用军事应用 等离子体天线 等离子体雷达隐身 飞行器减阻 假目标及诱饵高技术 大功率微波器
17、件强X射线源及X射线激光 强流束技术 等离子体推进 磁流体发电低温等离子体应用第二讲第二讲第二讲聚变与裂变能裂变D3He4HeTULi聚变聚变能裂变能原子质量平均结合能Fe聚变等离子体第二讲第二讲第二讲核聚变反应D+T=n+4HeD+T=p+3He聚变等离子体第二讲第二讲第二讲受控热核聚变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第二讲第二讲第二讲聚变需要亿度高温劳逊判据（Q1）T10keV（1亿度）n 3x1020m-3s聚变需要亿度高温聚变等离子体实现聚变的三种途径聚变等离子体 主要参数Pf=500MWQ 10T=500 s
18、R=6.2 mA=2.0 mIp=15 MAB=5.3 TV=837 m3S=678 m2Pin=73 MW聚变等离子体第二讲第二讲第二讲ITER：我们的托卡马克聚变实验堆法国人的梦想聚变等离子体2005年6月28日ITER：Cadarache聚变等离子体第二讲第二讲第二讲磁约束受控聚变研究进展30年聚变三乘积提高10万倍平均每 1.8年翻一番第二讲第二讲第二讲美国Nova激光聚变装置1985年建成，10路45000焦耳，1纳秒2倍频/3倍频聚变等离子体美国国家点火（NIF）激光聚变装置2003年建成,192束180万焦耳，3纳秒500TW，近紫外光聚变等离子体神光II、星光II激光聚变装置空间等离子体形态第二讲第二讲第二讲空间天体等离子体日冕(104km)(EUV像)色球(103km)(H像)色球(103km)(Ca II K)光球(102km)(白光像)第二讲第二讲第二讲空间天体等离子体爆发磁环及爆发磁环及实验室模拟第二讲第二讲第二讲空间天体等离子体北极光北极光北极光空间天体等离子体第二讲第二讲第二讲星系：巨大的聚变反应堆星系：巨大的聚变反应堆空间天体等离子体第二讲第二讲第二讲德拜(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 D在等离子体内部，正、负电荷数几乎相等准电中性
