從宇宙起源到納米光學(xué)等離子體科學(xué)及其應(yīng)用省名師優(yōu)質(zhì)課賽課獲獎(jiǎng)?wù)n件市賽課百校聯(lián)賽優(yōu)質(zhì)課一等獎(jiǎng)?wù)n件

從宇宙起源到納米光學(xué)

——等離子體科學(xué)及其應(yīng)用

王曉鋼浙江大學(xué)聚變理論與模擬中心12月8日1/48OUTLINE宇宙天體磁場(chǎng)起源等離子體空間科學(xué)等離子體信息技術(shù)等離子體航天技術(shù)納米光學(xué)與等離子學(xué)2/48宇宙天體磁場(chǎng)起源3/48OUTLINE問題提出Dynamo理論存在挑戰(zhàn)4/48問題提出重大科學(xué)新聞之一：Voyager飛出日球?qū)覶erminateShock——太陽磁場(chǎng)邊界宇宙中天體存在本身磁場(chǎng)銀河系也含有本身磁場(chǎng)甚至銀河系際空間也有磁場(chǎng)從哪里來？大爆炸時(shí)就有了，還是以后形成？5/48Dynamo理論宇宙中充滿等離子體等離子體運(yùn)動(dòng)能夠看成流體湍動(dòng)

而磁場(chǎng)6/48Dynamo理論從磁感應(yīng)方程我們稱平均感應(yīng)電場(chǎng)為dynamo在線性近似下7/48Dynamo理論在線性理論中，dynamo是指數(shù)增加；增加系數(shù)是等離子體流體湍流場(chǎng)關(guān)聯(lián)；等離子體微觀（小尺度）湍動(dòng)產(chǎn)生宏觀（大尺度）磁場(chǎng)8/48存在挑戰(zhàn)非線性效應(yīng)推導(dǎo)出dynamo本身是準(zhǔn)線性近似現(xiàn)有平均場(chǎng)指數(shù)增加是線性結(jié)果Backreaction非理想等離子體效應(yīng)電阻影響Halldynamo時(shí)間尺度是否足夠長(zhǎng)？9/48等離子體空間科學(xué)10/4811/48OUTLINE空間天氣與空間環(huán)境國(guó)際空間天氣計(jì)劃國(guó)家地球空間雙星探測(cè)計(jì)劃行星際空間夸父探測(cè)計(jì)劃12/48空間天氣與空間環(huán)境空間天氣主要形式是:CME:CoronalMassEjection

SolarWindSpaceWeather:GeospaceStorms&Substorms地球空間天氣和空間環(huán)境直接影響航天飛行、衛(wèi)星發(fā)射與運(yùn)行、通訊和高緯度區(qū)電網(wǎng)空間天氣預(yù)報(bào)是空間開發(fā)第一步13/48國(guó)際空間天氣計(jì)劃ISTP：InternationalSolar-TerrestrialPhysicsILWS:LivingwithStarsESA：EuropeanSpaceAgencyClusterIINASA，JapanPolar，Geotail，Wind,…14/48雙星—Cluster計(jì)劃我國(guó)第一次科學(xué)研究衛(wèi)星計(jì)劃12月發(fā)射TC-1，年7月發(fā)射TC-2赤道星TC-1：磁層頂，磁尾電流片極軌星TC-2：極間區(qū)，極光現(xiàn)象與ClusterII配合，第一次地球空間六點(diǎn)觀察15/4816/48夸父計(jì)劃計(jì)劃關(guān)鍵點(diǎn)：發(fā)射，L1+極軌三星探測(cè)計(jì)劃Kuafu-A衛(wèi)星在第一Lagrange點(diǎn)Kuafu-B1&B2在極軌共軛點(diǎn)多層成像觀察CME發(fā)展和Substorm全球圖象日地Lagrange點(diǎn)17/4818/48夸父計(jì)劃主要突破軌道配置：L1+雙極軌三星分布14點(diǎn)聯(lián)合探測(cè)：太陽周圍，SolarOrbiter（1），SolarWindSentinels（4）；+地球周圍，RBST（2），MMS（4）；+Kuafu（4）觀察特征：連續(xù)極光和環(huán)電流觀察，CME三維圖象19/48 等離子體信息技術(shù)20/48OUTLINE等離子體天線技術(shù)等離子體天線原理等離子體電子反抗

等離子體寬帶技術(shù)等離子體隱身技術(shù)等離子體隱身原理等離子體隱身應(yīng)用21/48等離子體天線原理金屬中存在自由電子金屬表面產(chǎn)生電磁波與表面電磁波耦合：信號(hào)發(fā)射和接收等離子體由離子與自由電子組成等離子體表面電磁波等離子體表面波發(fā)生裝置：Surfatron等離子體天線22/48等離子體電子反抗等離子體天線隱身性能無金屬天線功率轉(zhuǎn)換效率高：體積小，輕易攜帶等離子體天線載波特征頻率連續(xù)可調(diào)頻率切換時(shí)間短（微秒）等離子體天線本身防護(hù)方向性好、主頻率單色性好無金屬接收部分，與“后方”完全絕緣23/48等離子體寬帶技術(shù)等離子體寬帶特征主載頻連續(xù)可調(diào)（特征時(shí)間：微秒）等離子體運(yùn)動(dòng)模式多樣性：本身寬帶特征等離子體參數(shù)改變輕易控制：頻率可直接控制，省去“后方”龐大電子線路等離子體3G技術(shù)寬帶特征寬波束特征24/48等離子體隱身原理等離子體中存在各種頻率運(yùn)動(dòng)模式高頻電磁波與電子運(yùn)動(dòng)模式耦合將能量傳給等離子體高速運(yùn)動(dòng)電子與中性粒子碰撞將運(yùn)動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為熱等離子體電磁波吸收25/48等離子體隱身應(yīng)用飛行器等離子體隱身（雷達(dá)波段：GHz）作戰(zhàn)飛機(jī)戰(zhàn)場(chǎng)隱身：防預(yù)警導(dǎo)彈發(fā)射階段隱身：突破TMD地面與水面目標(biāo)等離子體隱身：防準(zhǔn)確打擊26/48小結(jié)等離子體作為電磁介質(zhì)“材料特征”等離子體與電磁波相互作用研究27/48等離子體航天技術(shù)28/48OUTLINE航天飛行器空間環(huán)境地球空間環(huán)境與空間天氣航天飛行器空間環(huán)境航天器等離子體推進(jìn)等離子體推進(jìn)介紹等離子體推進(jìn)器（Plasmathrusters）29/48航天飛行器空間環(huán)境航天飛行器等離子體環(huán)境表面充電（太陽能電池板充電對(duì)探測(cè)一號(hào)影響）鞘層、屏蔽、尾流效應(yīng)等對(duì)衛(wèi)星通信和控制影響（GALELIO號(hào)尾流影響）航天飛行器能量輻照環(huán)境熱環(huán)境影響高能量粒子轟擊中子輻照30/48有效載荷電磁環(huán)境有效載荷與衛(wèi)星整體電磁相容性表面電荷存在對(duì)儀器讀數(shù)影響表面鞘層影響尾流對(duì)輸出影響感生磁場(chǎng)影響31/48空間風(fēng)暴對(duì)衛(wèi)星影響控制系統(tǒng)甚至衛(wèi)星本身遭到損壞探測(cè)二號(hào)姿控計(jì)算機(jī)（四個(gè)）全部打壞因?yàn)閺?qiáng)電磁干擾而造成儀器失靈

空間風(fēng)暴造成衛(wèi)星通信完全中止空間風(fēng)暴對(duì)輻射帶填充直接影響間諜衛(wèi)星工作32/48航天飛行器防護(hù)依據(jù)空間天氣預(yù)報(bào)預(yù)防改變軌道“躲避”空間風(fēng)暴因?yàn)榭臻g風(fēng)暴而引發(fā)軌道改變需要小功率定位推進(jìn)器對(duì)航天飛行器直接進(jìn)行防護(hù)需要數(shù)值與地面物理模擬材料表面改性33/48航天飛行器空間環(huán)境

數(shù)值與地面物理模擬依據(jù)空間天氣預(yù)報(bào)預(yù)防改變軌道“躲避”空間風(fēng)暴因?yàn)榭臻g風(fēng)暴而引發(fā)軌道改變需要小功率定位推進(jìn)器對(duì)航天飛行器直接進(jìn)行防護(hù)需要數(shù)值與地面物理模擬材料表面改性34/48航天飛行器軌道推進(jìn)先進(jìn)化學(xué)推進(jìn)器combined-cycle,pulsed-detonationengine,NASA35/48航天飛行器軌道推進(jìn)先進(jìn)等離子體推進(jìn)器適合用于深空探測(cè)大功率、高比沖等離子體推進(jìn)器36/48航天器等離子體推進(jìn)功率改變范圍廣幾十到幾千瓦高效率、高比沖效率超出65%，比沖1000-5000秒長(zhǎng)壽命能夠工作上萬小時(shí)，相當(dāng)與衛(wèi)星壽命，東方紅四號(hào)衛(wèi)星平臺(tái)首選推進(jìn)方式37/48等離子體推進(jìn)器穩(wěn)態(tài)等離子體推進(jìn)器SPTHallthrusters(~1600-5000s)脈沖等離子體推進(jìn)器PPT電弧等離子體推進(jìn)器Arcjets(<1000s)微波等離子體推進(jìn)器MPT(~-5000s)離子發(fā)動(dòng)機(jī)Ionengines(>3000s)微米推進(jìn)器MEMSThrusters38/48Hallthrusters39/4840/48Ionengines41/48納米光學(xué)與等離子學(xué) －Plasmonics42/48OUTLINE等離子體表面波

表面等離子

SurfacePlasmon(SP)SP性質(zhì)及應(yīng)用

PlasmonOptics,Plasmonics43/48SurfacePlasmon(SP)存在于金屬導(dǎo)體——電介質(zhì)界面，只能沿著金屬表面?zhèn)鬏斊翊怪庇诮饘俦砻骐姶挪‥┴激發(fā)，誘導(dǎo)金屬表層自由電子隨E┴(t)電場(chǎng)振動(dòng)同時(shí)，誘發(fā)表面Langmuir波（聲子）沿k║方向隨E┴(x,t1)波動(dòng)，波矢量為ksp表層自由電子是SP電磁波載體SP在表面法線方向呈指數(shù)衰減，形成隱失場(chǎng)(Evanescentwave)，與自由電子聲子耦合44/4845/48SP性質(zhì)及應(yīng)用研究隱失光光學(xué)就是近場(chǎng)光學(xué)，因?yàn)殡[失光有“僅存在于近場(chǎng)”特征。Plasmon有耦合隱失光，屬于近場(chǎng)光學(xué)研究范圍。電偶極子也有隱失光，因而，隱失光光學(xué)內(nèi)涵將比PlasmonOptics大一些。因?yàn)楣舱褡杂呻娮涌墒闺[失光增強(qiáng)、匯聚，和金屬表面能夠設(shè)計(jì)、裁剪等特點(diǎn)，PlasmonOptics含有開發(fā)納米光學(xué)器件巨大潛力。PlasmonOptics只能經(jīng)過近場(chǎng)光學(xué)（隱失光）來做試驗(yàn),Polariton（極化聲子）試驗(yàn)表征非常困難。46/48SP性質(zhì)及應(yīng)用設(shè)P為物發(fā)射光子動(dòng)量，P＝n0h/l （1）Px為橫向光子動(dòng)量分量，則|Px|＝|P|sinq （2）光子發(fā)射Px和X不確定性尺度分別為△Px和△X，海森伯測(cè)不準(zhǔn)原理：△X△Px≥h （3）△Px不確定性尺度為: △Px＝2Px （4）可傳輸光發(fā)射角q≤900，

得：△X≥l/2Theonly