当前位置：文档之家 › 基础空间等离子体物理学-上册

基础空间等离子体物理学-上册

  • 格式：ppt
  • 大小：13.16 MB
  • 文档页数：586

下载文档原格式

  / 74

合集下载

基础等离子体物理学

基础等离子体物理学
参考图：ITER 结构图 磁约束聚变等离子体物理包含极其丰富的科学内容。虽然其中许多基本过程 属于经典物理范畴（大多数问题中量子效应不重要），可以用经典电动力学和统 计物理方法来处理，但大量的集体相互作用过程的研究方法与现有经典物理处理 方法有很大不同。目前两个最有力的理论工具是处理宏观运动的磁流体力学和处 理微观运动的等离子体动理论(plasma kinetic theory)，前者是流体力学的推广和 发展，后者是气体动理论的推广和发展。聚变等离子体物理又是建立在实验物理 基础上的科学，许多重大的发现都是先从实验上得到，推动了理论研究。现代计 算机技术的快速发展又为基于基本理论模型的大规模数值模拟研究提供了条件， 近年来获得飞速发展。这样，磁约束聚变等离子体科学就形成了实验、理论和数 值模拟三支密切联系又各自独立发展的分支。本课程主要目的也是为同学们以后 学习磁约束聚变等离子体物理学打下基础。
最简单的例子是由一种离子和电子组成的完全电离的，其整体为电中性的体 系。最初的等离子体物理研究也称为完全电离气体物理学。（一本 pioneer 的专著 Physics of fully ionized gases 的作者 L. Spitzer Jr ，Prof. of Princeton Uni.,由我 国等离子体和聚变研究的先驱 王承书先生和 金百顺先生译成中文）。因此，早 期人们将完全电中性作为界定等离子体的基本条件之一。现在，完全电中性对聚 变等离子体、空间等离子体、太阳等离子体等仍然是主要的物理特性之一（除很 小的边界区外），但对等离子体壳层(plasma sheath)，等离子体加速器、微波器件、 离子束环等重要物理体系，可以是非电中性的，因而内部电场对体系的性质起重 大影响（如引起等离子体转动）[一本经典专著： Introduction to the physics of non-neutral plasmas, 作者 D C Davidson 是 Physics of Plasmas 的主编]。等离子 体物理的研究范围也更广泛了。因为，已经不是由一种定义来界定研究范围，更 主要的，人们根据研究内容和研究方法的共同性或类似性来归纳学科范畴。“非 电中性等离子体”的意思就是这种物理系统是大量电子和离子组成的，但其整体 并没有达到电中性。但本质上，它仍然是等离子体物理的一个分支。

等离子体物理学的基础与应用

等离子体物理学的基础与应用

等离子体物理学的基础与应用等离子体物理学是物理学中研究等离子体性质、行为和应用的一个分支。

等离子体是第四态物质，是由带正电荷的离子和带负电荷的电子组成的，它具有高度的激发性和导电性。

在自然界中，等离子体广泛存在于太阳、闪电、地球磁层等环境中，也存在于人造装置中，如聚变反应器、等离子体喷射器等。

本文将介绍等离子体物理学的基础知识和应用领域。

一、等离子体的基本性质等离子体是由离子和电子组成的，这些离子和电子以相对独立的方式运动。

等离子体具有以下基本性质：1.高度激发性：等离子体的粒子处于高度激发状态，能量非常丰富。

当它们发生碰撞或受到外部刺激时，会释放出巨大的能量。

2.导电性：等离子体能够导电，因为其带电粒子可以自由移动。

这是由于电子和离子之间的相对运动。

3.磁场响应性：等离子体具有对外磁场的高度响应性。

在磁场中，等离子体会受到磁场力的作用，并发生循环运动。

二、等离子体物理学的基础理论等离子体物理学基于一系列基础理论来解释和研究等离子体的行为。

以下是几个主要的基础理论：1.碰撞理论：碰撞理论用来描述等离子体内部粒子之间的相互作用。

它探讨了离子和电子之间的碰撞频率、能量交换以及散射过程。

2.磁流体力学(MHD)理论：MHD理论研究等离子体在强磁场中的行为。

它结合了磁场和等离子体的运动方程，用于研究等离子体的磁流体力学行为，如等离子体在磁约束中的稳定性和不稳定性等。

3.等离子体波动理论：等离子体波动理论研究等离子体内的波动现象。

它探讨了等离子体波动的起源、传播和相互作用，包括电磁波、声波、阻尼波等。

三、等离子体物理学的应用领域1.聚变能研究：等离子体物理学在聚变能研究中扮演着关键角色。

人类一直在努力实现可控核聚变，并利用聚变反应器产生清洁、高效的能源。

2.等离子体制造：等离子体物理学在半导体制造和表面处理中起着重要作用。

等离子体喷涂和等离子体刻蚀等技术被广泛应用于化学、电子、材料等行业。

3.等离子体医学：等离子体物理学在医学领域也有应用。

等离子体物理基础

等离子体物理基础

等离子体物理基础等离子体是一种以等离子体态的物质状态，它是由气体或固体在高温、高压或强辐照等条件下失去或获得电子而形成的，具有正离子和自由电子的等离子体。

等离子体物理研究的是等离子体的性质、行为和应用，并在诸多领域中有着广泛的应用。

一、等离子体形成的条件和特点1. 形成条件：等离子体形成有多种条件，如高温、高压和强电磁场等。

在高温条件下，物质分子能够克服束缚力，失去电子，形成带正电荷的离子和自由电子。

高压也能够促进电子的跃迁，使物质形成等离子体。

此外，强电磁场的作用也能够使等离子体形成。

2. 特点：等离子体具有电中性，但整体呈带电状态。

等离子体中自由电子的存在使得它具有导电性和磁场感应性。

另外，等离子体还具有高可压缩性和高扩散性，能够通过电场和磁场受力。

二、等离子体的分类根据温度和密度的不同，等离子体可以分为等离子普通态、等离子凝聚态和等离子极端态。

1. 等离子普通态：等离子普通态是指在常规条件下形成的等离子体。

它常见于自然界中的闪电和恒星等高温物质，以及工业和科研实验室中的等离子体设备，如等离子切割和等离子喷涂。

2. 等离子凝聚态：等离子凝聚态是指在较低温度和高密度条件下形成的等离子体。

其中包括电子气、等离子流体和凝聚态等离子体。

等离子凝聚态在材料科学、凝聚态物理和聚变能等领域有着广泛的应用。

3. 等离子极端态：等离子极端态是指在极端条件下形成的等离子体，如在极低温度、极高压力或强磁场条件下形成的等离子体。

这些条件下的等离子体在科学研究和天体物理学中具有重要作用。

三、等离子体物理的研究领域等离子体物理作为一门综合性的学科，涉及到许多领域和应用，如天体物理学、磁约束聚变、等离子体加热和等离子体诊断等。

以下是部分研究领域的介绍：1. 天体物理学：天体物理学研究宇宙中的等离子体，如恒星、星际等离子体，以及与宇宙射线和宇宙成分的相互作用。

这一领域的研究对于理解宇宙的起源和演化过程有着重要意义。

2. 磁约束聚变：磁约束聚变是一种利用等离子体自身的磁场来达到高温和高密度条件的核聚变技术。

3等离子体基础

3等离子体基础

������
������
������
E������
������
������
B E������
������ ������
������
������
������
������
������
等离子体物理 李文君Leabharlann 半径大������
E
半径小
m rL qB
等离子体物理 李文君
等离子体物理 李文君
漂移速度 E 的矢量形式
2 2
2
z constant
等离子体物理 李文君 等离子体物理 李文君
2.2.2 在均匀磁场和电场中的电漂移运动 Electric drift motion in uniform electric and magnetic fields z 假设������������ = 0，z轴沿B的方向, ������ ������ x 带电粒子在此电磁场中作何运动?
等离子体物理 李文君 等离子体物理 李文君
EB vE 2 B
等离子体物理 李文君
17
2.2.3 在任意常数力场和重力场中的漂移运动
用一般力F代替qE，就能将结果运用到其它力场；当 F＝mg时，即为重力场。则漂移可表示为：
常数力场
FB D 2 qB
重力场
m gB vg 2 q B
× ������ + (������������ · ������)������ − (������ · ������)������������ ] × ������ − ������2������������ + (������������ · ������)������]=0

第一章 等离子体物理基础

第一章 等离子体物理基础

－准电中性条件：
1 pe
s vs / ps
vs kTs / ms
等离子体的基本性质
其他特征量 －朗道长度

L
－库仑碰撞
q q kT
1.6710
b0
3
Z Z T (K )
[cm]
b0 tan 2 b

q q m u 2
等离子体的基本性质

4ne e 2 d 2v e dE 2 v pe v dt2 me dt me
4ne e 2 2 pe me
等离子体的基本性质

等离子体振荡频率
4ne e 2 2 pe me
2 2 2 2 p pe pi pe
－考虑离子响应，则
4ns qs2 2 ps ms

粒子平均间距
d n1/ 3 D
等离子体的基本性质
等离子体振荡 －在德拜屏蔽推导中，我们假设由于扰动引起的等离子体 响应达到平衡或稳态，实际上电子具有惯性，不会在 恢复到电中性时就停下，而是继续运动，形成等离子 体内部电子的集体振荡。 －只有通过碰撞或其他耗散方式把能量转变为无轨热运动 能量，才能达到平衡或稳态。 dv eE E 4j 4ne ev dt me t
研究生课程
等离子体物理基础
二室 裴文兵 2005年
目录
第一章
• • •
绪论
等离子体的定义 等离子体存在条件
等离子体的基本性质
第一章 绪论
• • •
等离子体的定义 等离子体存在条件 等离子体的基本性质
等离子体的定义

•
•
什么是等离子体？ 电离气体 带电粒子对气体性质产生显著影响

第一章 等离子体概述(共50张PPT)

第一章 等离子体概述(共50张PPT)
PECVD ( Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition ) -- 等离子体增强化学气相沉积法 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
1～4电等子伏，离电流子为1态～10常0安及被以上称。 为“超气态”，它和气体有很多相似之处，
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。
宇宙中90％物质处于等离子体态
人类类的的生生存存伴伴随随着着水水，，水存水在存的在环的境环是境地是球地文球明得文以明进得化以、进发化展、的发的展热 的力学的环热境力，学这环种境环，境这远种离等环离境子远体离物等态离普子遍体存物在的态状普态遍。存因在而的，状天态然。等 因离子而体，就天只然能等存离在子于远体离就人只群能的存地在方于，远以闪离电人、群极的光地的方形，式以为闪人电们、所极敬 光畏、的所形赞式叹为。人们所敬畏、所赞叹。
温度 (度)
等离子体参数空间
星云
太阳风 星际空间
日冕
霓虹灯 荧光
磁约束 聚变
氢弹
惯性聚变
太阳核心 闪电
气体 液体 固体
北极光
火焰
人类居住环境
密度(cm-3)
等1.按离存在子分：体的分类
天然等离子体：太阳、恒星、星云、极光、雷电等
人工等离子体：日光灯、霓虹灯、电火花、电弧等
2.按电离度分： 等离子体：电子(ne )、正离子(离子 ni)、中性粒子（分子、
Tonks)首先引入等离子体（ Plasma ）这个名称。
涉及分子间作用力，而等离子体由气态转化时需要克服原 特点是焊缝平整，可以再加工,没有氧化物杂质,焊接速度快。
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。

等离子体物理学的基础理论

等离子体物理学的基础理论

等离子体物理学的基础理论等离子体物理学是研究等离子体（plasma）的性质和行为的学科，它是物质的第四态，与固体、液体和气体不同。

等离子体是由带正电的离子和带负电的电子组成的，处于电磁场中被激发并具有自由电荷和磁场行为。

等离子体物理学的研究既有基础理论，也涉及实验和应用。

本文将重点探讨等离子体物理学的基础理论。

在等离子体物理学中，基础理论主要包括冷等离子体（cold plasma）理论和热等离子体（hot plasma）理论。

冷等离子体理论适用于低温和低密度的等离子体，而热等离子体理论适用于高温和高密度的等离子体。

在冷等离子体理论中，最基本的概念是等离子体的Debye长度和Debye屏蔽。

Debye长度是描述等离子体中电子和离子相互作用范围的物理量，而Debye屏蔽是指等离子体中电荷之间的相互作用被周围的电子和离子屏蔽的现象。

热等离子体理论中，最基本的概念是等离子体的等离子体频率和等离子体束缚频率。

等离子体频率是指等离子体中的电子在电磁场中振荡的频率，而束缚频率是指等离子体中的离子在电磁场中束缚和振荡的频率。

等离子体物理学的基础理论还包括等离子体的平衡状态和非平衡态的描述。

平衡态下，等离子体的性质可以由麦克斯韦方程组和波动方程来描述。

非平衡态下，等离子体存在非热粒子尾部，需要引入玻尔兹曼方程和输运方程来描述。

等离子体物理学的基础理论还涉及电磁波在等离子体中的传播和耗散。

等离子体中存在很多种类的电磁波，如电磁波、等离子体波和浸泡波等。

这些波的传播和耗散特性对等离子体的性质和行为有着重要影响。

除了上述基础理论外，等离子体物理学还涉及等离子体的稳定性和不稳定性的研究。

等离子体在不同条件下会出现各种各样的不稳定现象，如Rayleigh-Taylor不稳定、Kelvin-Helmholtz不稳定和本德不稳定等。

这些不稳定性的研究对于等离子体物理学及其应用具有重要意义。

综上所述，等离子体物理学的基础理论涵盖了冷等离子体和热等离子体的理论、等离子体的Debye长度和Debye屏蔽、等离子体的等离子体频率和束缚频率、等离子体的平衡态和非平衡态的描述、电磁波在等离子体中的传播和耗散、以及等离子体的稳定性和不稳定性。

等离子体物理基础-动力学理论1

等离子体物理基础-动力学理论1

w
2
2
u
n m 2
w w
2
2 u n m u p u q 2
n m 2
a v v n m a v n m
2
q m
E v n q u E R u )
m n ( u

u )
流体力学方程组的推导

几点说明： 压强张量是由热运动引起的，其物理意义是粒子由于无规热 运动进出流体质团对动量流密度的贡献， p 表示动量变化 率－作用在质团上的力（单位质量）。


p p I χ p 1 3 Tr ( p ) n T
粘滞应力张量，由分布函 数各项异性所引起

注意：压强与碰撞无关！即使忽略碰撞项，也会出现。 碰撞引起的动量密度变化率，即摩擦力 R m n ( u u 同种粒子之间碰撞没有贡献，由于总动量守恒


)
R

0
流体力学方程组的推导
n q E u (p u ) q
( R

u Q )
内能方程
n m t n m t
n m u p u q
n m n m 2 2 2 v (u v ) 2 2
( Q

流体力学方程组的推导
总能量方程
2 2 u u n m u n m t 2 2

等离子体物理学的基础

等离子体物理学的基础

等离子体物理学的基础在等离子体物理学（Plasma Physics）这一领域中，研究焦点主要集中在等离子体的性质、特性以及相关的基础理论。

等离子体物理学不仅对于理解自然界中存在的等离子体现象至关重要，同时也与许多实际应用相关，如聚变能研究、等离子体加热和等离子体技术等。

本文将介绍等离子体物理学的基础概念、研究方法和主要应用，以及其对其他领域的影响。

一、等离子体的定义和特性等离子体是物质的第四态，由自由电子和离子组成。

在等离子体中，电子从原子或分子中被剥离，形成带正电荷的离子以及带负电荷的自由电子。

由于带电粒子的存在，等离子体表现出与固体、液体和气体截然不同的特性。

例如，等离子体具有良好的导电性和磁性，容易受到外界电场和磁场的影响，同时也会发生等离子体浓度、温度和压力等特性的变化。

二、等离子体物理学的研究方法1. 实验方法：实验是等离子体物理学研究的重要方法之一。

科学家们通过利用等离子体物理学实验室中的装置，如等离子体放电装置、等离子体诊断装置等，可以对等离子体性质和行为进行详细观测和测量。

这些实验装置产生的等离子体可以模拟自然界中的等离子体现象，为理论模型的建立和验证提供了基础。

2. 数值模拟方法：数值模拟在等离子体物理学中起着至关重要的作用。

通过数值模拟方法，研究人员可以在计算机中构建等离子体的数学模型，并通过求解相应的物理方程来模拟等离子体的行为。

数值模拟方法可以帮助人们更深入地理解等离子体物理学中的复杂现象，并优化实验设计。

三、等离子体物理学的主要应用1. 聚变能研究：在聚变能研究中，等离子体物理学的重要性不言而喻。

聚变是通过将氢等离子体加热到足够高的温度和压强，使氢原子核融合形成重氢和氚等核反应所释放出的能量。

而等离子体物理学的研究可以揭示如何更有效地加热和控制等离子体，以实现稳定的聚变反应并释放出可观的能量。

2. 等离子体加热：等离子体加热是指向等离子体输送能量以加热和激发其中的粒子和离子的过程。

等离子体物理学

等离子体物理学

等离⼦体物理学§2 等离⼦体物理学研究等离⼦体的形成、性质和运动规律的⼀门学科。

宇宙间的物质绝⼤部分处于等离⼦体状态。

天体物理学和空间物理学所研究的对象中，如太阳耀斑、⽇冕、⽇珥、太阳⿊⼦、太阳风、地球电离层、极光以及⼀般恒星、星云、脉冲星等等，都涉及等离⼦体。

处于等离⼦状态的轻核，在聚变过程中释放了⼤量的能量,因此,这个过程的实现，将为⼈类开发取之不尽的能源。

要利⽤这种能量，必须解决等离⼦体的约束、加热等物理问题。

所以，等离⼦体物理学是天体物理学、空间物理学和受控热核聚变研究的实验与理论基础。

此外，低温等离⼦体的多项技术应⽤，如磁流体发电、等离⼦体冶炼、等离⼦体化⼯、⽓体放电型的电⼦器件，以及⽕箭推进剂等研究，也都离不开等离⼦体物理学。

⾦属及半导体中电⼦⽓的运动规律，也与等离⼦体物理有联系。

⼀发展简史19世纪以来对⽓体放电的研究;19世纪中叶开始天体物理学及20世纪对空间物理学的研究；1950年前后开始对受控热核聚变的研究；以及低温等离⼦体技术应⽤的研究，从四个⽅⾯推动了这门学科的发展。

19世纪30年代英国的M.法拉第以及其后的J.J.汤姆孙、J.S.E.汤森德等⼈相继研究⽓体放电现象，这实际上是等离⼦体实验研究的起步时期。

1879年英国的W.克鲁克斯采⽤“物质第四态”这个名词来描述⽓体放电管中的电离⽓体。

美国的I.朗缪尔在1928年⾸先引⼊等离⼦体这个名词，等离⼦体物理学才正式问世。

1929年美国的L.汤克斯和朗缪尔指出了等离⼦体中电⼦密度的疏密波（即朗缪尔波）。

对空间等离⼦体的探索，也在20世纪初开始。

1902年英国的O.亥维赛等为了解释⽆线电波可以远距离传播的现象，推测地球上空存在着能反射电磁波的电离层。

这个假说为英国的E.V.阿普顿⽤实验证实。

英国的D.R.哈特⾥(1931)和阿普顿(1932)提出了电离层的折射率公式，并得到磁化等离⼦体的⾊散⽅程。

1941年英国的S.查普曼和V.C.A.费拉罗认为太阳会发射出⾼速带电粒⼦流，粒⼦流会把地磁场包围，并使它受压缩⽽变形。

等离子体物理一教材

等离子体物理一教材
的时空演化特性，丢掉了粒子对波的效应（朗道阻尼），不能讨论 速度分布产生的不稳定性
MHD方程组
动力(理)学描述 kinetic theory
(多粒子系统，最基本的描述仍然是统计方法，统计平均) 六维相空间: 单个粒子行为可以用位置矢量与速度矢量来描述
采用粒子速度分布函数描述系统的演化与特征:速度分布函 数代表在相空间体积元dV之中的粒子数密度；
L D
德拜半径是等离子体系统的基本长度单位，可以粗略地认为，等离子 体由许多德拜球组成。在德拜球内，粒子之间存在着以库仑碰撞为特 征的两体相互作用；在德拜球外，由许多粒子共同参与的集体相互作 用。
等离子体振荡与振荡频率
模型： 厚度为 l 的等离子体薄层
电子向上运动距离 x
面电荷密度 neex
2、振荡周期可作为等离子体电中性条件成立的最小时间尺
度。当 p 时，由于等离子体振荡总是存在着的，因而
体系中任一处的正负电荷总是分离的。同时建立起使带电粒
子作周期性振荡的空间电场。只有 p 时，可能产生的空
间电荷和空间电场在这段大于振荡周期的时间间隔内，平均 效应才会归于0。此时，方可从时间尺度上把等离子体看成 是宏观电中性的。
等离子体的基本性质
电荷屏蔽（德拜势）：
电荷密度
(r) Znie nee q (r)
电势的泊松方程
2(r) (r) / 0
ne ne0 exp( e / Te )
ni ni0
exp( e / Te ) 1 e / Te
2(r) / 2D q (r) / 0
D 0Te / ne0e2 德拜长度
当r>0时，
2 (r) / 2D

等离子体物理学课件

等离子体物理学课件

计算机模拟技术是研究等离子体的有力工具，通过建立数学模型和数值算法，可以模拟等离子体的演化过程和行为，为实验研究和理论分析提供重要支持。
粒子模拟技术通过跟踪等离子体中每个粒子的运动轨迹，可以详细模拟等离子体的微观行为和演化过程。流体模拟技术将等离子体视为连续介质，通过求解流体方程组来描述等离子体的宏观行为。混合模拟技术则结合了粒子模拟和流体模拟的优点，能够同时考虑等离子体的微观和宏观行为，提供更准确的模拟结果。
等离子体物理学课件
目录
CONTENTS
等离子体物理学概述等离子体的基本理论等离子体的实验技术等离子体物理学的应用实例等离子体物理学的未来展望
等离子体物理学概述
总结词
等离子体是一种由自由电子和带正电的离子组成的气态物质，具有导电性和热传导性。
详细描述
等离子体是一种高度电离的气态物质，其中包含大量的自由电子和带正电的离子。这些粒子在空间中广泛分布，可以导电并传递热量。等离子体的状态可以通过温度、压力和成分等参数进行描述。
等离子体物理学的未来展望
等离子体物理学的实验研究需要高能物理设备，且等离子体的控制和稳定性也是一大挑战。此外，等离子体的理论模型和数值模拟也需要更深入的研究。
随着科技的不断进步，等离子体物理学的应用领域越来越广泛。例如，等离子体在材料科学、环境保护、新能源等领域的应用前景广阔，这为等离子体物理学的发展提供了更多的机遇。
光谱诊断技术利用等离子体发射或吸收光谱的特征，可以测量等离子体的电子温度、密度、化学成分等参数。粒子测量技术通过测量等离子体中的粒子速度、能量等参数，可以了解等离子体的动力学行为。电磁测量技术可以用来测量等离子体的电磁场强度和分布，进一步揭示等离子体的电磁行为和演化过程。
诊断技术

基础空间等离子体物理学-上册

基础空间等离子体物理学-上册
因此中性碰撞频率中性原子或分子的横截面圆柱内的中性粒子数和带电粒子的平均速度成正比分子的横截面积可以近似为类似地可以把带电粒子与中性粒子两次碰撞之间能传播的距离定义为平均自由程长度在该定义中采用粒子的平均速度代替粒子本身的实际速度的原因是碰撞是不可预料的并且它只是在定义平均碰撞频率和平均自由程长度时才有意义
ne Zi ni ....................(2)
其中 ne 和 ni 是电子和离子的数密度，Zi 是离子电荷数。该条件 只有在Debye长度之外的区域才满足。为了使稳态等离子体维 持准电中性，每个体积元内的正、负电荷数必须相等，这样 的体积元必须足够大以便包含足够多的粒子，但又必须足够 小以便小于宏观参量变化的特征长度（或系统的特征长度， 或系统的物理尺度 ）。在每个体积元内粒子的微观空间电荷 场必须互相抵消以便保持宏观电中性。
D
0 kBTe
e n0
2
.........................(1)
图1 Debye势和Coulomb势的比较
当 r D 时，电势简化为简单的Coulomb势；当 r D 时,电势 指数下降，点电荷周围的电势被有效地屏蔽，称为Debye屏蔽 (Debye shielding)。可见，Debye长度是等离子体中一个试验 电荷作用范围的量度，短程静电势是由等离子体的动理学性 质确定的。图1表示Debye势和Coulomb势的比较。 *等离子体的电中性 等离子体在宏观上是电中性的，满足电中性条件：
《计算等离子体物理》：它是从一定的物理模型出发，用计算 机作数值计算或模拟，以揭示等离子体的某些性质和运动规 律，是计算物理的一个重要分支。由于等离子体是自由度十 分巨大的体系，物理现象极为丰富又极为复杂，计算等离子 体物理显得愈来愈重要。相应于等离子体的磁流体描述、统 计描述和粒子轨道描述，计算等离子体物理大体分为磁流体 研究、动理学研究和粒子模拟三个方面。磁流体研究和动理 学研究分别在三维坐标空间和六维相空间（坐标与速度）对 等离子体作连续介质描述，它们分别对磁流体方程组和 Vlasov-Maxwell方程组求数值解。而粒子模拟则是跟踪每一 个粒子在外加电磁场和自己产生的自洽电磁场中的轨道运动， 研究粒子系和自洽波场之间的共振相互作用及其非线性的时 间演化过程。 ●等离子体物理的几个基本参数： * 德拜屏蔽(Debye shielding)和德拜长度(Debye length) 一个电荷为 q 的粒子在距离为 r 处的静电库仑势(Coulomb potential)为 C q /(4 0r) 。

等离子体物理讲义01_等离子体基本性质

等离子体物理讲义01_等离子体基本性质

，直译
成英文就是“to mold”，将流体注入模具实现成型。Langmuir 注意到，
辉光放电产生的电离气体也有成型的特征，因此命名。
1.1 物质第四态
严格来说，等离子体是具有高位能动能的气体团，等离子体的总 带电量仍是中性，藉由电场或磁场的高动能将外层的电子击出，结果 电子已不再被束缚于原子核，而成为高位能高动能的自由电子。一个 有用的定义是，等离于体是带电粒子和中性粒子组成的表现出集体行
考虑等离子体中相距为 的两个带电区域的相互影响， 和 之间 的 Coulomb 力随 而减小．然而，对给定的立体角，即∆ 常数，
中能影响 的等离子体体积随 而增加．所以，甚至相距很远的等 离子体元也存在相互作用力．正是这个长程 Coulomb 力给出了等离 子体种类繁多的可能运动、并且丰富了称作等离子体物理学的研究领 域．
4
为的一种准中性气体。必须确定“准中性（quasi neutral）”和 “集 体行为（collective behavior）”的物理含义．
等离子体态的最特殊的性质，即长程 Coulomb 力使得带电粒子 宏观出一种集体的性质，早已为人们所知，1906 年 Lord Rayleigh 分 析原子的汤姆逊模型中的电子振荡时，大概首次描述了这种性质。集 体行为的含义如下：考虑作用在一个分子上的力，由于分子是中性的、 在分子上不再在净电磁力，而重力是可以忽略的．在这个分子与另一 个分子碰撞前，它不受扰动地运动，这些碰撞支配了粒子的运动．作 用在中性气体上的宏观力通过碰撞传给单个原子．在有带电粒子的等 离子体中，情形就完全不同．当这些电荷到处运动时，它们能引起正 电荷或负电荷的局部集中，就产生了场场．电荷的运动也引起电流， 因而产生磁场．这些场影响了远处其他带电柱子的运动．

等离子体物理学的基本原理与应用

等离子体物理学的基本原理与应用

等离子体物理学的基本原理与应用等离子体是一种被高温或强电场激发后，电子与原子、分子相分离并自由运动的状态。

等离子体物理学研究了等离子体的基本特性、行为和应用。

本文将介绍等离子体物理学的基本原理以及它在不同领域的应用。

一、等离子体的基本原理等离子体由正、负电荷的电子和离化的原子、分子组成。

当物质被加热至足够高温或通过强电场作用下，原子、分子中的电子会被激发，脱离束缚成为自由电子。

这些自由电子与带正电的离子共同组成了等离子体。

等离子体的性质与固体、液体和气体有很大不同。

它能够传播电磁波、产生磁场，具有高度的电导率和热传导率。

等离子体还具有强烈的相互作用，相空间将不再具有区分原子与分子的性质。

二、等离子体物理学的研究范畴1. 等离子体的动力学和热力学性质研究：研究等离子体的流体性质、粘滞性、扩散和输运性质等，以及等离子体中的波和不稳定性。

2. 等离子体诊断技术：研究如何通过测量等离子体的辐射、电子密度和温度以及磁场等参数来了解等离子体的特性。

3. 等离子体数值模拟：通过计算机模拟等离子体的行为和性质，进一步理解和预测等离子体的物理过程。

4. 等离子体与表面相互作用：研究等离子体在与表面相互作用的过程中，产生的等离子体束对表面的效应，探索等离子体在材料加工和表面改性中的应用。

三、等离子体物理学的应用1. 等离子体在核聚变中的应用：等离子体物理学是核聚变研究的基础。

等离子体束的控制和稳定是实现核聚变反应的关键，研究等离子体物理学有助于解决核融合技术中的一系列问题。

2. 等离子体在激光聚变中的应用：激光聚变是一种利用高功率激光束对等离子体进行加热和压缩，从而产生高能量输出的技术。

等离子体物理学为激光聚变提供了理论基础。

3. 等离子体在光电子学中的应用：等离子体可以作为粒子加速器、热核反应堆和高功率激光器的媒介。

它在光电子学领域中有多种应用，如等离子体放电管、等离子体显示器等。

4. 等离子体在材料科学中的应用：等离子体束加工、等离子体刻蚀和等离子体沉积等技术在材料科学中有广泛的应用，可用于改变材料表面的物理、化学和光学性质。

等离子体物理基础第一章引言

等离子体物理基础第一章引言

第一章引言目前，在科学研究和工程技术中，低温等离子体领域的研究内容包括电弧等离子体、高频等离子体、微波等离子体、磁流体发电、等离子体加速、大气层中的超高速飞行、热离子能量转换、电子束和离子术技术、气体激光技术、等离子体化学等等。

而高温等离子体研究的主要内容是受控热核聚变。

等离子体物理在空间物理学、现代天体物理学、气体电子学、大规模集成电路加工制造、材料表面改性等领域有广泛应用。

等离子体涉及许多学科领域――物理学、流体力学、气体动力学、热物理、化学、电磁学、材料科学等等。

无论从事上述那一方面等离子体科学与技术的研究和应用，都有必要对等离子体本身有一个基本的了解。

本课程主要论述等离子体的基本性质、单粒子轨道理论、粒子碰撞理论、动力学理论、磁流体力学理论、带电粒子输运性质、各种放电原理及应用等。

从这一章开始，我们将系统讲述等离子体物理学。

本章是全书的引言，我们首先说明什么是等离子体，接着介绍等离子体的分类，以及等离子体物理学的研究方法。

1.1 等离子体概述大家都知道，任何物质由于温度不同可以处于固态、液态或气态。

这些状态是指物质的“聚集态”而言，即大块的物体由于构成它的微观粒子之间结合或凝聚程度不同，而表现出不同的存在状态。

在固态中，粒子之间的结合最紧密，在液态中次之，在气态中则最松散。

要使一个固体转变为液体，需要外界供给能量。

当粒子的平均运动能量超过粒子在晶格中的结合能时，晶体的结构就被破坏，固体因而转变为液体。

对于液体，也有类似的情形。

为了使一种液体转变为气体，每个粒子也必须具有一定的最小动能，以破坏粒子与粒子间的结合键。

当物质达到气体以后，如果继续从外界得到能量，达到一定程度，它的粒子又可以进一步分裂为带负电的电子和带正电的离子，即原子或分子发生电离。

事实上，在任意不等于零的温度下，气体中必有若干粒子是自然的电离，但数量太少，还不会使气体性质发生质的改变。

当有某种自然或人为的原因，使带电粒子浓度超过一定数量以后，气体的行为在许多方面虽然仍与寻常流体相似，但这时中性粒子的作用开始退居次要位置，整个系统将受带电粒子的运动所支配，而表现出一系列新的性质，并可以用外电磁场加以影响。

  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

ne Zi ni ....................(2)
其中 ne 和 ni 是电子和离子的数密度，Zi 是离子电荷数。该条件 只有在Debye长度之外的区域才满足。为了使稳态等离子体维 持准电中性，每个体积元内的正、负电荷数必须相等，这样 的体积元必须足够大以便包含足够多的粒子，但又必须足够 小以便小于宏观参量变化的特征长度（或系统的特征长度， 或系统的物理尺度 ）。在每个体积元内粒子的微观空间电荷 场必须互相抵消以便保持宏观电中性。
主要参考书目录：
[1] W. Baumjohann and R. A. Treumann, Basic Space Plasma Physics, Imperial College Press, 1997 [2] R. A. Treumann and W. Baumjohann , Advanced Space Plasma Physics, Imperial College Press, 1997 [3] G. K. Parks, Physics of Space Plasmas: An Introduction, Second Edition: Westview Press, A Member of the Perseus Books Group，2004 [4] Paul M. Bellan, Fundamentals of Plasma Physics, Cambridge University Press, 2006 [5] T.J.M.Boyd and J.J.Sanderson, The Physics of Plasmas, Cambridge University Press, 2003 [6] 徐家鸾，金尚宪，等离子体物理学，原子能出版社，1981 [7] 国家自然基金委员会，等离子体物理学，科学出版社，1994 [8] 胡希伟，等离子体理论基础，北京大学出版社，2006 [9] 李 定，陈银华，马锦秀，杨维紘，等离子体物理学，高等教育出版社， 2006 [10] 康寿万，陈雁萍，等离子体物理学手册，科学出版社，1981 [11] 吴望一，流体力学，北京大学出版社，１９８２
●等离子体物理研究的基本问题： *等离子体平衡位形 *波动和不稳定性 *电磁辐射 *弛豫和输运 ●等离子体物理的三种理论描述方法：单粒子（或试探粒子） 轨道理论，磁流体力学理论，和动理学理论。 *单粒子（或试探粒由于存在多粒子间的相互作用，此问题只能 用计算机求解。但在许多情况下，可以先忽略粒子间的相互 作用，把多体问题简化成单个试探粒子在给定的外加电磁场 中的轨道运动。这虽然是电动力学问题，但由于在日-地空间 或某些实验装置中的电磁场位形往往非常复杂，故又专门发 展了一些有效的简化方法（如强磁场中的引导中心漂移近似， 高频电磁场中的振荡中心近似等），统称为单粒子（或试探 粒子）轨道理论，是等离子体的一种近似理论。在许多等离 子体物理问题中，试探粒子的轨道描述往往可以对等离子体 的行为作出更严格的零级近似。
*动理学理论（或统计描述的理论）。它把等离子体看成是由大 量带电粒子组成的一个集团，应用统计物理的方法来研究这 团粒子的集体行为，即大量带电粒子的统计平均结果，是等 离子体的统计理论。它是求解以各种粒子的速度分布函数的 时间演化方程为手段的理论，包括无碰撞等离子体中波和粒 子间相互作用的Vlasov波动理论和碰撞等离子体中碰撞过程 的动理学理论。它比单粒子轨道理论和磁流体力学理论都完 整，但数学上要复杂得多，缺少物理直观性。 等离子体是由正、负电荷数相等的带电粒子组成的系统，粒子 之间有近距离的短程二体碰撞作用和远距离的长程电磁力作 用。等离子体中粒子的密度要求相对足够的低，以使得短程 二体碰撞作用可以忽略，而长程电磁力作用更有效。等离子 体的性质由带电粒子的单个相互作用和粒子的“集体行为” (collective behavior)来确定。这种“集体行为”是由许 多粒子通过长程库仑势（Coulomb potential）同时相互作 用产生的。集体相互作用最好用统计物理的概念来描述，因 而要求等离子体系统应包含足够多的粒子数目。
i
因此，等离子体系统的物理尺度 L 必须大于Debye长度 D ，
D L ...................(3)
●等离子体物理研究的几个相对独立的领域 当今等离子体物理研究主要集中在以下几个相对独立的领域： *热核聚变能源研究（高温碰撞等离子体） *空间等离子体物理（低温无碰撞等离子体）和天体等离子体 物理（各种极端参数条件下的等离子体） *气体放电和电弧的工业应用（低温等离子体及其与物质相互 作用） *强流带电粒子束的现代高科技应用（非中性等离子体及其与 强静电、电磁波场的相互作用）。 《空间等离子体物理学》：在日地空间和整个日层空间发生的 大多数物理过程是等离子体物理过程，对其中基础性的和共 同性的现象与规律的研究就形成了一门新的学科分支——空 间等离子体物理学。目前从整体上看它主要还是研究日地及 日层空间中的等离子体物理现象。它既是等离子体物理学的 一个分支，也是空间物理学的一个分支，是空间物理、太阳 物理和等离子体物理之间的交叉学科，具有其独特的地位和 作用。
由于忽略了粒子间的相互作用，这种理论不能用来研究涉及波粒子相互作用的现象，也不能揭示因粒子体系分布函数在速 度空间中偏离平衡态所引起的等离子体不稳定性。 适用条件要求等离子体必须很稀薄。 *磁流体力学理论。它把等离子体当成导电流体来描述（单流体 力学），把不同种类的带电粒子（如电子和离子）分别用不 同的导电流体来描述（双流体力学），它也是等离子体的一 种近似理论。它适用于描述随时间和空间变化的一些等离子 体行为，如在给定的电、磁场中的平衡位形，低频的稳定的 集体运动（磁流体力学波）和不稳定的集体运动（宏观或磁 流体力学不稳定性），双流体理论还可以描述高频波及各种 粒子的输运过程。 由于它不考虑同一流体元中不同粒子间运动的差别，因而也不 能用来研究涉及波-粒子相互作用的现象，不能揭示因粒子体 系分布函数在速度空间中偏离平衡态所引起的等离子体不稳 定性。 适用条件要求等离子体的特征长度和特征时间必须大于粒子碰 撞的平均自由程和平均时间。在磁化等离子体中要求等离子 体垂直于磁场的特征长度和特征时间必须远大于粒子的回旋 半径和回旋周期。
上册目录:
导论 等离子体的基本概念„„„„„„„„„„„„„3 第一部分 单粒子轨道理论„„„„„„„„„„„„ 28 第一章 单粒子在外加电磁场中的运动„„„„„„„28 第二章 捕获粒子„„„„„„„„„„„„„„„„53 第二部分 磁流体力学理论„„„„„„„„„„„„ 70 第一章 磁流体力学基本理论„„„„„„„„„„ 71 第二章 等离子体波的磁流体理论„„„„„„„„ 126 第三章 磁流体力学激波„„„„„„„„„„„„ 189 第四章 磁流体力学不稳定性„„„„„„„„„„ 219 第五章 磁场重联（补充内容）„„„„„„„„„ 255
导论 等离子体的基本概念
●等离子体的定义 ●等离子体物理研究的几个相对独立的领域 ●等离子体物理研究的基本问题 ●等离子体物理的三种理论描述方法 ●等离子体的几个基本参数 ●碰撞 ●等离子体电导率
●等离子体的定义 等离子体是由大量正、负电荷数相等的带电粒子组成的非凝聚 系统。 等离子体状态是物质存在的基本形态之一，与固态、液态和气 态并列，称为物质的第四态。宇宙中大部分物质处于等离子 体状态，人造等离子体在科学技术中的重要性正在迅速提高。 等离子体物理学研究等离子体的基本运动规律。等离子体的主 要特征是：粒子间存在长程库仑（Coulomb）相互作用。等 离子体的运动与电磁场的运动紧密耦合，存在极其丰富的集 体效应（collective effect）和集体运动模式。等离子体 物理学以等离子体的整体形态和集体运动规律、等离子体与 电磁场及其他形态物质的相互作用为主要研究对象。 与物质的另外三态相比，等离子体可以存在的参数范围异常宽 广（其密度、温度和磁场强度都可以跨越十几个数量级）； 等离子体的形态和性质受外加电磁场的强烈影响，并存在极 其丰富的集体运动模式（如各种静电波、漂移波、电磁波及 非线性的相干结构和湍流）；此外，等离子体对边界条件还 十分敏感。因此，等离子体性质的研究强烈地依赖于具体的 研究对象。
在等离子体中，一些电子被吸引到离子附近，将离子的静电场与 等离子体的其余部分屏蔽开来。同样，一个静止的电子会排 斥其它电子而吸引离子。这样，一个带电粒子的静电作用被 其周围过剩的异号电荷所屏蔽，这种效应改变了带电粒子附 近的静电势分布，使得静电场被限制在一个短距离内, 称为德 拜屏蔽(Debye shielding) 。因此，一个静止电荷的静电势可 以写成为一个短程静电势形式
r r D exp c exp , 4 0 r D D q
把 D 称为德拜势（Debye potential），其中D 被称为德拜长度 （Debye length） ，它是粒子电势下降到Coulomb势的 1 / e 倍 时的距离，定义为(以后将给出严格的计算)
《计算等离子体物理》：它是从一定的物理模型出发，用计算 机作数值计算或模拟，以揭示等离子体的某些性质和运动规 律，是计算物理的一个重要分支。由于等离子体是自由度十 分巨大的体系，物理现象极为丰富又极为复杂，计算等离子 体物理显得愈来愈重要。相应于等离子体的磁流体描述、统 计描述和粒子轨道描述，计算等离子体物理大体分为磁流体 研究、动理学研究和粒子模拟三个方面。磁流体研究和动理 学研究分别在三维坐标空间和六维相空间（坐标与速度）对 等离子体作连续介质描述，它们分别对磁流体方程组和 Vlasov-Maxwell方程组求数值解。而粒子模拟则是跟踪每一 个粒子在外加电磁场和自己产生的自洽电磁场中的轨道运动， 研究粒子系和自洽波场之间的共振相互作用及其非线性的时 间演化过程。 ●等离子体物理的几个基本参数： * 德拜屏蔽(Debye shielding)和德拜长度(Debye length) 一个电荷为 q 的粒子在距离为 r 处的静电库仑势(Coulomb potential)为 C q /(4 0r) 。