等離子體基本概念

會(huì)計(jì)學(xué)1等離子體基本概念*宇宙中的暗物質(zhì)宇宙中存在著許多不發(fā)光的天體，諸如暗星、行星和黑洞等，并且在星際空間還存在著大量不可見(jiàn)的塵埃和氣體，即暗物質(zhì)。因此，我們看到的物質(zhì)顯然比宇宙中實(shí)際存在的物質(zhì)少。在整個(gè)宇宙中必然存在著大量的不可見(jiàn)物質(zhì)或暗物質(zhì)。天文觀測(cè)數(shù)據(jù)還表明，宇宙中不僅存在暗物質(zhì)，而且暗物質(zhì)還將占宇宙物質(zhì)的絕大部分。第1頁(yè)/共44頁(yè)“Plasma”等離子體英文詞“Plasma”源予希臘文“πλασμα”，是1928年朗繆爾把輝光放電產(chǎn)生的電離氣體命名為“Plasma”而引入的。中文譯詞“等離子體”（臺(tái)灣稱(chēng)“電漿”）其本意是電離狀態(tài)氣體正負(fù)電荷大體相等，整體上處于電中性（準(zhǔn)電中性）。第2頁(yè)/共44頁(yè)等離子體物理學(xué)19世紀(jì)30年代氣體放電管中電離氣體的研究20世紀(jì)30年代到50年代初在借鑒其它學(xué)科研究方法的基礎(chǔ)上建立了等離子體物理的基本理論框架和描述方法，同時(shí)把其研究范圍從電離氣體、金屬中電子氣拓展到電離層和天體。20世紀(jì)50年代起，在受控?zé)峋圩冄芯亢涂臻g技術(shù)的巨大推動(dòng)下，等離子體物理才得到充分的發(fā)展并成熟起來(lái)，20世紀(jì)70年代末成為物理學(xué)界公認(rèn)的一門(mén)新的物理學(xué)獨(dú)立分支學(xué)科。第3頁(yè)/共44頁(yè)等離子體物理學(xué)影響與作用等離子體廣泛存在于宇宙空間，認(rèn)識(shí)和掌握各種條件下等離子體運(yùn)動(dòng)規(guī)律是人類(lèi)認(rèn)識(shí)宇宙中各種現(xiàn)象的基本前提。所以，等離子體物理是向我們提供太陽(yáng)、恒星、行星際介質(zhì)和銀河系知識(shí)的基石之一。等離子體物理學(xué)研究為人類(lèi)解決能源問(wèn)題帶來(lái)希望。因?yàn)槭芸睾司圩兛梢詾槿祟?lèi)提供長(zhǎng)期用之不竭的新能源。然而，實(shí)現(xiàn)核聚變能利用，要求改善約束和加熱等離子體的方法。因此，掌握高溫等離子體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是實(shí)現(xiàn)受控核聚變的關(guān)鍵。

第4頁(yè)/共44頁(yè)等離子體物理學(xué)是人類(lèi)認(rèn)識(shí)和控制地球環(huán)境變化、開(kāi)發(fā)空間產(chǎn)業(yè)、維持全球通訊的重要保證。太陽(yáng)等離子體熱核能量的輸出和傳輸、磁層和電離層中能量的轉(zhuǎn)化和分配，對(duì)于認(rèn)識(shí)和保障地球環(huán)境有深遠(yuǎn)的意義?？臻g等離子體物理學(xué)研究能為保障航天安全和空間應(yīng)用提供理論依據(jù)。研究電離層等離子體環(huán)境及其對(duì)電波傳播的影響，保障和改善通訊、導(dǎo)航和授時(shí)精度的重要作用。等離子體物理學(xué)研究可促進(jìn)低溫等離子體技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。等離子體處理加工技術(shù)已成為一些重要產(chǎn)業(yè)（如微電子、半導(dǎo)體、材料、航天、冶金等）的關(guān)鍵技術(shù)，而在滅菌、消毒、環(huán)境污染處理、發(fā)光和激光的氣體放電、等離子體顯示、表面改性、同位素分離、開(kāi)關(guān)和焊接技術(shù)等方面的應(yīng)用已創(chuàng)造了極大的經(jīng)濟(jì)效益。第5頁(yè)/共44頁(yè)等離子體物理學(xué)研究開(kāi)辟了由高技術(shù)開(kāi)發(fā)的新領(lǐng)域。非中性等離子體的研究產(chǎn)生了一批嶄新的具有革命性意義的高技術(shù)項(xiàng)目，如相干輻射源的研制和粒子加速器新概念的提出。將在能源、國(guó)防、通訊、材料科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)中發(fā)揮重要作用。對(duì)基本物理過(guò)程的深入研究已成為推動(dòng)這些技術(shù)取得突破性進(jìn)展的關(guān)鍵。等離子體物理學(xué)各領(lǐng)域的研究還提出了一些帶有共性、密切相關(guān)的基本問(wèn)題，如波和粒子相互作用、等離子體加熱、混沌、湍流和輸運(yùn)、等離子體鞘層和邊界層,磁場(chǎng)重聯(lián)和發(fā)動(dòng)機(jī)效應(yīng)等。這些問(wèn)題構(gòu)成了等離子體物理進(jìn)一步發(fā)展的重要內(nèi)容。第6頁(yè)/共44頁(yè)等離子體物理學(xué)科方向

主要研究?jī)?nèi)容

等離子體物理主要研究等離子體的整體形態(tài)和集體運(yùn)動(dòng)規(guī)律、等離子體與電磁場(chǎng)及其它形態(tài)物質(zhì)的相互作用。等離子體物理研究范圍非常廣泛：磁約束聚變等離子體、慣性約束聚變等離子體、空間等離子體、天體等離子體、低溫等離子體、非中性等離子體、塵埃等離子體、基礎(chǔ)等離子體等等離子體物理在理論上也是對(duì)物理學(xué)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。它涉及多體的長(zhǎng)程相互作用、強(qiáng)磁場(chǎng)以及電磁場(chǎng)與多粒子體系耦合等。第7頁(yè)/共44頁(yè)2.2等離子體的基本性質(zhì)

1.電荷屏蔽現(xiàn)象與等離子體準(zhǔn)電中性電荷屏蔽現(xiàn)象：等離子體是由大量帶電粒子組成的多粒子體系。兩個(gè)帶電粒子之間本來(lái)是簡(jiǎn)單的庫(kù)侖作用，由于周?chē)罅繋щ娏Ｗ拥拇嬖?，?huì)出現(xiàn)電荷屏蔽現(xiàn)象，這是等離子體的重要特征之一。

第8頁(yè)/共44頁(yè)在等離子體中考察任一個(gè)帶電粒子，由于它的靜電場(chǎng)作用，在其附近會(huì)吸引異號(hào)電荷的粒子、同時(shí)排斥同號(hào)電荷的粒子，從而在其周?chē)鷷?huì)出現(xiàn)凈的異號(hào)“電荷云”，這樣就削弱了這個(gè)帶電粒子對(duì)遠(yuǎn)處其他帶電粒子的作用，這就是電荷屏蔽現(xiàn)象。因此在等離子體中，一個(gè)帶電粒子對(duì)較遠(yuǎn)處的另一個(gè)帶電粒子的作用，就不再是庫(kù)侖勢(shì)，而應(yīng)是“屏蔽庫(kù)侖勢(shì)”。

+第9頁(yè)/共44頁(yè)電荷屏蔽現(xiàn)象計(jì)算原點(diǎn)處有電荷為q的粒子,空間電荷分布為球?qū)ΨQ(chēng)空間電勢(shì)分布應(yīng)滿(mǎn)足方程

由于離子慣性比電子大得多，可以忽略離子運(yùn)動(dòng)的影響，即

n0是離子不受中心電荷q影響時(shí)的均勻分布

第10頁(yè)/共44頁(yè)假設(shè)電子受電勢(shì)的影響處于熱平衡狀態(tài)，電子密度平衡分布可取勢(shì)場(chǎng)為φ時(shí)的玻爾茲曼分布ne0為不受中心電荷影響時(shí)的電子密度,Te為電子溫度電中性（初始）：

空間電荷分布

高溫條件：第11頁(yè)/共44頁(yè)方程為方程的解電荷屏蔽效應(yīng)后中心電荷q的作用勢(shì)，稱(chēng)為屏蔽庫(kù)侖勢(shì)參量具有長(zhǎng)度的量綱，稱(chēng)為德拜屏蔽長(zhǎng)度，它是反映電荷屏蔽效應(yīng)的特征長(zhǎng)度。第12頁(yè)/共44頁(yè)電荷屏蔽效應(yīng)的特征長(zhǎng)度意義

兩個(gè)粒子之間的作用為庫(kù)侖勢(shì)

因子起重要作用。一般情況下，等離子體中帶電粒子間長(zhǎng)程部分的相互作用是主要的。是等離子體的一個(gè)重要特征參量，它可作為等離子體空間宏觀尺度的量度。

第13頁(yè)/共44頁(yè)等離子體定義(1)

是等離子體空間尺度的下限，當(dāng)?shù)入x子體空間尺度時(shí),才能保證等離子體的準(zhǔn)電中性。電荷屏蔽效應(yīng)能保持等離子體在范圍內(nèi)為電中性，稱(chēng)為準(zhǔn)電中性。這是電離氣體成為等離子體的基本條件之一。等離子體的定義：由大量正負(fù)帶電粒子組成的準(zhǔn)電中性的體系。

第14頁(yè)/共44頁(yè)離子屏蔽效應(yīng)與動(dòng)屏蔽問(wèn)題*如果考慮離子的屏蔽效應(yīng)，電子、離子分布：電荷分布：第15頁(yè)/共44頁(yè)等離子體振蕩與振蕩頻率

現(xiàn)在討論由于某種原因引起的局部電荷分離，產(chǎn)生的等離子體振蕩現(xiàn)象。電子等離子體振蕩因?yàn)檫@種振蕩是1920年朗繆爾(Langmuir)發(fā)現(xiàn)的，所以又稱(chēng)朗繆爾振蕩．

第16頁(yè)/共44頁(yè)等離子體振蕩頻率離子當(dāng)成一種均勻分布的正電荷背景，振蕩只是電子的集體運(yùn)動(dòng)行為，可用磁流體模型來(lái)研究電子等離子體振蕩電場(chǎng)是電子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電荷分離引起的只討論小振幅的振蕩

第17頁(yè)/共44頁(yè)小振幅的振蕩角標(biāo)1為擾動(dòng)量，線(xiàn)性化方程：第18頁(yè)/共44頁(yè)設(shè)擾動(dòng)發(fā)生在z軸方向，這時(shí)也沿z軸方向，取平面波的解：代入線(xiàn)性化方程，得任意消去兩個(gè)未知量，得第19頁(yè)/共44頁(yè)必需滿(mǎn)足：由此得電子等離子體振蕩頻率：與等離子體的密度、電子質(zhì)量、電荷有關(guān)，所以它是等離子體的特征頻率。相應(yīng)的振蕩周期可作為衡量等離子體準(zhǔn)電中性的特征時(shí)間。對(duì)于熱核等離子體，振蕩頻率電子-離子碰撞頻率第20頁(yè)/共44頁(yè)離子等離子體振蕩如果出現(xiàn)離子的電荷漲落，它在靜電力的作用下也會(huì)向其原來(lái)的電中性平衡位置運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生離子等離子體振蕩或簡(jiǎn)稱(chēng)離子振蕩。離子的運(yùn)動(dòng)速度比電子的慢得多，離子振蕩周期比電子振蕩周期長(zhǎng)得多，在離子完成一個(gè)振蕩周期內(nèi)，電子依靠熱運(yùn)動(dòng)就可以在空間實(shí)現(xiàn)均勻分布。因此可以認(rèn)為，離子的振蕩是在均勻的電子背景中產(chǎn)生的離子振蕩頻率

第21頁(yè)/共44頁(yè)等離子體宏觀時(shí)間尺度

電子等離子體振蕩特征時(shí)間：作為等離子體宏觀時(shí)間尺度。因?yàn)椋娮拥入x子體振蕩總是存在；僅當(dāng)，空間電荷、空間電場(chǎng)等的時(shí)間平均都為0，因此，電子等離子體振蕩特征時(shí)間是衡量等離子體準(zhǔn)電中性的時(shí)間下限。第22頁(yè)/共44頁(yè)德拜長(zhǎng)度距離上兩粒子作用時(shí)間

德拜長(zhǎng)度距離上兩粒子作用時(shí)間：粒子特征熱運(yùn)動(dòng)速度等離子體振蕩周期與德拜長(zhǎng)度距離上兩粒子作用時(shí)間是一致的。因此，用電子振蕩特征時(shí)間作為等離子體宏觀存在時(shí)間是合適的第23頁(yè)/共44頁(yè)等離子體的定義（2）由大量正負(fù)帶電粒子組成的、空間尺度和時(shí)間尺度的準(zhǔn)電中性的體系。

第24頁(yè)/共44頁(yè)3.等離子體的碰撞

等離子體中的粒子碰撞與中性氣體中的粒子碰撞有顯著不同。中性粒子間的作用是短程力（力程約粒子線(xiàn)度大?。?，在兩個(gè)粒子之間是自由的，僅當(dāng)接近到粒子半徑距離附近才有明顯作用，因此它們間的彈性碰撞是近距離的二體碰撞，碰撞引起的偏轉(zhuǎn)角是顯著的、多半是大角度的。等離子體中的帶電粒子之間相互作用是長(zhǎng)程庫(kù)侖力，一個(gè)帶電粒子同時(shí)與許多帶電粒子發(fā)生作用，即多體相互作用，因而等離子體中的帶電粒子“碰撞”是極其復(fù)雜的。第25頁(yè)/共44頁(yè)第26頁(yè)/共44頁(yè)等離子體中帶電粒子間的相互作用是屏蔽庫(kù)侖勢(shì)，力程為德拜屏蔽長(zhǎng)度。帶電粒子的庫(kù)侖相互作用分成了兩部分：即在德拜球（以德拜長(zhǎng)度為半徑的球體）以外的長(zhǎng)程庫(kù)侖作用和在德拜球以?xún)?nèi)的短程庫(kù)侖作用，長(zhǎng)程庫(kù)侖作用的結(jié)果表現(xiàn)出帶電粒子的集體行為，而短程庫(kù)侖作用的結(jié)果則是庫(kù)侖碰撞?！皫?kù)侖碰撞”總是一個(gè)帶電粒子同時(shí)與大量其它帶電粒子相“碰撞”在磁約束熱核聚變裝置中，磁場(chǎng)能改變帶電粒子的運(yùn)動(dòng)方向，對(duì)帶電粒子在屏蔽庫(kù)侖場(chǎng)作用下速度方向的偏轉(zhuǎn)也會(huì)有額外的貢獻(xiàn)，自然也會(huì)影響到粒子間的碰撞。可以證明，在一定條件下，等離子體中帶電粒子間的多體碰撞，可以近似地等于二體碰撞疊加。

第27頁(yè)/共44頁(yè)在等離子體中，粒子速度方向經(jīng)一次碰撞就偏轉(zhuǎn)90°的幾率，比每次碰撞只偏轉(zhuǎn)很小角度，但經(jīng)過(guò)多次碰撞后積累到偏轉(zhuǎn)90°的幾率約小2個(gè)數(shù)量級(jí)。因此在等離子體中，通過(guò)大量小角度散射積累到大的偏轉(zhuǎn)比只經(jīng)過(guò)一次散射就得到大的偏轉(zhuǎn)大幾十倍。小角度散射是主要的！在等離子體中，把通過(guò)大量小角度散射積累到大的偏轉(zhuǎn)（～90°）稱(chēng)為“碰撞”，實(shí)現(xiàn)這樣碰撞所經(jīng)歷的平均時(shí)間稱(chēng)平均碰撞時(shí)間。幾種平均碰撞時(shí)間的數(shù)量級(jí)：平均碰撞頻率

第28頁(yè)/共44頁(yè)庫(kù)侖相互作用短程部分所造成的碰撞過(guò)程的時(shí)間尺度與庫(kù)侖相互作用長(zhǎng)程部分所造成集體運(yùn)動(dòng)的等離子體振蕩周期相比較：等離子體中的碰撞過(guò)程比等離子體集體振蕩過(guò)程慢得多。說(shuō)明等離子體的特性是以集體效應(yīng)為主。實(shí)際上，在短程碰撞引起等離子體性質(zhì)改變的時(shí)間尺度內(nèi)，就能出現(xiàn)各種等離子體集體現(xiàn)象(如等離子體波、不穩(wěn)定性等)，因而在多數(shù)場(chǎng)合，這種短程碰撞影響都可忽略。第29頁(yè)/共44頁(yè)等離子體定義（統(tǒng)一的）

必須指出，并非任何帶電粒子組成的體系都是等離子體，只有具備了等離子體特性的帶電粒子體系，才可稱(chēng)為等離子體。等離子體是由大量正負(fù)帶電粒子組成的(有時(shí)還有中性粒子)、在空間尺度和時(shí)間尺度具有準(zhǔn)電中性的、在電磁場(chǎng)及其他長(zhǎng)程力作用下粒子的運(yùn)動(dòng)和行為以集體效應(yīng)為主的體系。

第30頁(yè)/共44頁(yè)等離子體輻射

等離子體中存在大量的以各種形式運(yùn)動(dòng)的帶電粒子，因而會(huì)引起多種的輻射，稱(chēng)等離子體輻射。等離子體輻射：軔致輻射、復(fù)合輻射、回旋輻射、激發(fā)輻射以及契侖柯夫輻射等對(duì)磁約束熱核聚變等離子體，最重要的輻射過(guò)程是：軔致輻射和回旋輻射。第31頁(yè)/共44頁(yè)軔致輻射軔致輻射是自由帶電粒子受外場(chǎng)作用、使其運(yùn)動(dòng)速度發(fā)生變化而輻射的電磁波。等離子體中，電子受到離子的作用而做加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生軔致輻射。軔致輻射的光譜是連續(xù)光譜（X射線(xiàn)）。因?yàn)殡娮?電子作用對(duì)軔致輻射的貢獻(xiàn)很小，可以忽略，所以等離子體中的軔致輻射主要是電子-離子作用產(chǎn)生的。電子軔致輻射損失功率密度

(W·cm-3)

第32頁(yè)/共44頁(yè)回旋輻射（磁軔致輻射）

在熱核等離子體中，離子和電子受相同的洛侖茲力，由于電子的加速度遠(yuǎn)大于離子的加速度，因此在熱核等離子體中只要考慮電子的回旋輻射。

典型的熱核等離子體，電子回旋輻射頻率為1011Hz，波長(zhǎng)為毫米量級(jí)，屬于微波范圍。由于回旋輻射的波長(zhǎng)比較長(zhǎng)，通常能為等離子體所吸收或能被適當(dāng)設(shè)計(jì)的器壁所反射。輻射導(dǎo)致等離子體能量損失，輻射也可以提供有關(guān)等離子體的重要信息。

第33頁(yè)/共44頁(yè)2.3等離子體參量與分類(lèi)

等離子體參量：粒子性質(zhì)的物理量：電子、離子質(zhì)量及電荷宏觀狀態(tài)的物理量：電子、離子的密度，溫度等離子體分類(lèi)：（1）溫度很高，電子熱運(yùn)動(dòng)速度應(yīng)考慮相對(duì)論效應(yīng)：Te

～10keVv～0.3c（2）等離子體的密度很高（接近固體），粒子間的距離接近或小于電子德布洛依波長(zhǎng)，應(yīng)考慮量子效應(yīng)。量子和經(jīng)典界限：第34頁(yè)/共44頁(yè)（3）按照粒子間作用強(qiáng)弱區(qū)分理想與非理想等離子體。平均勢(shì)能

平均動(dòng)能理想等離子體條件：弱耦合等離子體強(qiáng)耦合等離子體第35頁(yè)/共44頁(yè)宇宙和實(shí)驗(yàn)室中等離子體參量見(jiàn)表2.3.1數(shù)據(jù)等離子體振蕩頻率比電子碰撞頻率大很多（2～3個(gè)量級(jí)以上），即等離子體中的碰撞過(guò)程比等離子體集體振蕩過(guò)程慢得多，所以等離子體的特性是以集體效應(yīng)為主的。第36頁(yè)/共44頁(yè)典型的等離子體密度、溫度區(qū)域

1.固體等離子體；2.電離層；3.日冕；4.氣體放電等離子體；5.激光熱核實(shí)驗(yàn)等離子體；6.準(zhǔn)穩(wěn)熱核實(shí)驗(yàn)等離子體；7.激光熱核反應(yīng)堆；8.準(zhǔn)穩(wěn)熱核反應(yīng)堆。第37頁(yè)/共44頁(yè)2.4等離子體的描述方法等離子體中帶電粒子間既有短程庫(kù)侖作用引起的碰撞，又存在長(zhǎng)程庫(kù)侖作用引起的集體運(yùn)動(dòng)，其中又有外加的強(qiáng)磁場(chǎng)，還有自身產(chǎn)生的電磁場(chǎng)，因此要精確描述等離子體的行為極其困難。目前，只能根據(jù)不同條件和研究的問(wèn)題，采用不同的近似方法，對(duì)等離子體進(jìn)行描述。

第38頁(yè)/共44頁(yè)1.單粒子軌道描述法

單粒子軌道描述法：研究單個(gè)帶電粒子在外加的電場(chǎng)或磁場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)，完全忽略等離子體中其他帶電粒子對(duì)它的作用。單個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)軌道只需用牛頓力學(xué)方程和粒子的初始條件(空間位置和速度)就可以完全確定單粒子軌道描述方法，是一種近似的方法，但處理問(wèn)題的方法簡(jiǎn)單，物理圖像直觀，能夠給出帶電粒子在一些復(fù)雜的電磁場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)的軌跡，能較好的解釋等離子體的許多性質(zhì)。第39頁(yè)/共44頁(yè)2.磁流體描述法

它是把等離子體看成導(dǎo)電流體，用經(jīng)典流體力學(xué)和電動(dòng)力學(xué)相結(jié)合的方法，研究導(dǎo)電流體和磁場(chǎng)的相互作用，它著重于等離子體的整體行為。