《等离子体物理及应用领域》由会员分享，可在线阅读，更多相关《等离子体物理及应用领域（55页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、等离子体物理及应用领域中国科学技术大学近代物理系刘万东P2Copyright by Wandong LIU等离子体物理与应用，科大主要内容 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P3Copyright by Wandong LIU等离子体物理与应用，科大主要内容 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
2、体磁约束聚变惯性约束聚变空间与天体等离子体P4Copyright by Wandong LIU等离子体物理与应用，科大什么是等离子体？n由大量的带电粒子组成的非束缚态的宏观体 系 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。P5Copyright by Wandong LIU等离子体物理与应用，科大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
3、00C1000C100000CP6Copyright by Wandong LIU等离子体物理与应用，科大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 电离气体普通气体普通气体等离子体等离子体放电放电 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 )P7Copyright by Wandong LIU等离子体物理与应用，科大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
4、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 迹宇宙中90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。P8Copyright by Wandong LIU等离子体物理与应用，科大密度(cm-3)温度
5、 (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 云太阳风等离子体参数空间P9Copyright by Wandong LIU等离子体物理与应用，科大等离子体的描述方法n等离子体描述是一致的，通常是经典、非相对论的体系 非相对论： 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） 动力论描述：相空间粒子概率分布 描述，电磁场运动粒子运动麦克斯韦方程P10Cop
6、yright by Wandong LIU等离子体物理与应用，科大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 等离子体在等离子体中引入电场，经过一定的时间在等离子体中引入电场，经过一定的时间德拜( 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 lD特征响应时间：tp lD/vT1/wp在等离子体内部，正、负电荷数几乎相等准中 性ne ni 准中性P14Copyright b
7、y Wandong LIU等离子体物理与应用，科大对弱电离情况：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等离子体存在时间尺度：必须大于响应时间，即?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 等离子体参数：必须远大于1，即德拜球中的粒子数（ ）必须具有统计意义?电离度0.1%以上P15Copyright by Wandong LIU等离子体物理与应用，科大非磁化等离子体中波动n离子声波：离子运动，低频，与普通声波类似，纵波n电子等离子体波：电子运动，高频，纵波n电磁波：横波，等离子体可视为介质，折射率 n 人一生所需能源A 500升海水
8、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P36Copyright by Wandong LIU等离子体物理与应用，科大聚变需要亿度高温劳逊判据（Q1）T10keV （1亿度）nt 3x1020m-3s聚变需要亿度高温聚变等离子体P37Copyright by Wandong LIU等离子体物理与应用，科大实现聚变的三种途径聚变等离子体P38Copyright by Wandong LIU等离子体物理与应用，科大主要参数Pf = 500MWQ 10T = 500 sR = 6.2 mA = 2.0 mIp = 15 MAB = 5.3 TV = 837 m3S = 678 m2Pi
9、n= 73 MW4646亿美元亿美元聚变等离子体 ITER：我们的托卡马克聚变实验堆P39Copyright by Wandong LIU等离子体物理与应用，科大法国人的梦想聚变等离子体2005年6月28日 ITER：CadaracheP40Copyright by Wandong LIU等离子体物理与应用，科大磁约束聚变研究进展磁约束聚变研究进展聚变等离子体P41Copyright by Wandong LIU等离子体物理与应用，科大磁约束受控聚变研究进展n30年聚变三乘积提高10万 倍n平均每 1.8年翻一番P42Copyright by Wandong LIU等离子体物理与应用，科大美国
10、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P43Copyright by Wandong LIU等离子体物理与应用，科大美国国家点火（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P44Copyright by Wandong LIU等离子体物理与应用，科大激光聚变电站聚变等离子体P45Copyright by Wandong LIU等离子体物理与应用，科大国内有关装置P46Copyright by Wandong LIU等离子体物理与应用，科大神光II、星光II激光聚变装置P47Copyr
11、ight by Wandong LIU等离子体物理与应用，科大主要内容 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P48Copyright by Wandong LIU等离子体物理与应用，科大空间等离子体形态空间天体等离子体重联区域P49Copyright by Wandong LIU等离子体物理与应用，科大太阳大气结构日冕 (104km) (EUV像)色球 (103km) (H像)色球(103km) (Ca II K)光球(10
12、2km) (白光像)( ( Credit: TRACE web-site)Credit: TRACE web-site)空间天体等离子体P50Copyright by Wandong LIU等离子体物理与应用，科大爆发磁环及实验室模拟空间天体等离子体P51Copyright by Wandong LIU等离子体物理与应用，科大北极光空间天体等离子体P52Copyright by Wandong LIU等离子体物理与应用，科大星系：巨大的聚变反应堆 空间天体等离子体P53Copyright by Wandong LIU等离子体物理与应用，科大总 结n等离子体科学涵盖了受控热核聚变、低温等离子体物
13、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。n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、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、环保等许多全局性问题的解决具有重大意义。有一位“哲人”曰： 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v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。v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。v等离子体的集体行为： 自由与束缚兼得，温和与暴虐并存 。v等离子体的自洽禀性： 可以欺之以妩媚，不可催之以强蛮 ，若以力，人人奋愤可兵，以弱，则诺诺列队而从。谢谢大家！
