有质动力和静电分离场对激光等离子体 流体力学状态的影响 !
7等离子体基础
E B t
F e(E B)
B0
k E0
E0
E0 c
magnetic force B0
electric force E0 c
低速：磁场力可以忽略； 高速：电场力和磁场力同量级。
等离子体物理 李文君
2.6.1 在弱电磁波中的颤抖运动
在电磁波强度（光强） I 0cE02 / 2 较弱时，粒子速度远小于光速，不考虑磁力
02
定义了速度空间的一个边界区域，
这个边界有圆锥形状，叫做泄漏锥。
位于其内的粒子是不受约束的。
v1
v0
v0
// 0
B0
B1 v1
m
存在碰撞时，一些粒子改变了俯仰角进入泄漏锥中而损失。
等等离离子子体物体理物李理文李君文君
6
等等离离子子体物体理物李理文李君文君
2.纵向不变量J
a
b
磁镜俘获粒子在磁镜间反跳，以“反跳频率”作周期运
2 1
2 1
02
B1
B0 B1
2 0
2 1
2 0
02
0 0
2
sin2
B0 sin 2
B1
sin2 m
B0 Bm
磁镜比 Rm
Bm B0
约束条件只与磁场的强度最大和最小比值有关.
等离子体物理 李文君
5
sin 2 m
2 0
Plasma wave
激光尾场
等离子体物理 李文君
Laser pulse
补充:超强激光尾场中的电子加速
由于该等离子波是由激光脉冲激发且存在于激光脉冲后方, 被称为激光尾波, 它的相速度与激光脉冲在等离子体中传播 的群速度相同; 电荷分离所形成的场称为激光尾波场, 该纵向 电场以同样的相速度向前传播.
静电场对等离子体的影响
静电场对等离子体的影响引言：静电场是指在物体表面或空间中存在的静电力场。
它是由于物体带有电荷而形成的，可以对周围的环境产生一系列的影响。
等离子体是一种由正负电荷离子和自由电子组成的气体状态，具有高度的活性和导电性。
本文将探讨静电场对等离子体的影响，并分析其相关的应用和潜在风险。
一、静电场对等离子体的形态影响静电场对等离子体的形态具有显著的影响。
当一个物体被带电时，其周围的等离子体会受到静电力的作用，形成一个电场。
这个电场会使等离子体中的正负离子发生重新排列，形成电场线。
电场线的形态取决于带电物体的形状和电荷分布情况。
例如，当一个带正电的物体靠近等离子体时，电场线会从物体上的正电荷流向等离子体，导致等离子体中正离子的聚集，形成一个电场的“阴影区”。
这种形态影响在等离子体显示技术中得到了广泛的应用。
二、静电场对等离子体的运动影响静电场对等离子体中的离子和电子的运动具有重要的影响。
当等离子体暴露在静电场中时，正离子和负离子会受到电场力的作用，发生运动。
在电场力的作用下，正离子会向电场的负极运动，负离子则会向电场的正极运动。
这种运动会导致等离子体中的离子和电子的分离，形成空间电荷层。
空间电荷层的形成对等离子体的电导率和电子密度产生影响，进而影响等离子体的行为和性质。
三、静电场对等离子体的应用静电场对等离子体的影响在许多领域中得到了应用。
在等离子体显示技术中，静电场被用于控制和操纵等离子体中的离子和电子，实现图像的显示和变化。
此外，静电场还被应用于等离子体喷涂技术中，通过静电力将涂料颗粒带电，使其在等离子体的作用下均匀地附着在工件表面上。
这些应用不仅提高了等离子体技术的效率和精度，还拓展了其在材料加工和显示领域的应用范围。
四、静电场对等离子体的潜在风险尽管静电场对等离子体的影响有诸多应用，但也存在一些潜在的风险。
静电场的强度和分布对等离子体的运动和形态产生重要影响，如果静电场过强或分布不均匀，可能导致等离子体中离子和电子的过度聚集或扩散，从而影响等离子体的稳定性和性能。
等离子体物理-5单粒子轨道理论
d⎛ q ⎞ v − r × B ⎜ ⎟=0 dt ⎝ m ⎠
回旋频率
ωc
−
qB m
⎧v = v0 ⎨ ⎩v⊥ = v0⊥ + ω c × r 重新选择 r 的原点
= ωc × r
2011年4月17日
单粒子轨道理论
10
单粒子轨道理论
×B
(B × C) × A = ( A • B)C − ( A • C)B
q ( vD × B ) × B = q ⎡ ⎣( v D • B ) B − ( B • B ) v D ⎤ ⎦ = −F⊥ × B
vD =
F×B qB 2 F⊥ qB
或 vD =
2011年4月17日
单粒子轨道理论
18
附加力为电场力时的漂移
z = v t + z0
运动平面上
2
z = v t + z0
2 2
⎡ ⎛ ⎞⎤ ⎡ ⎛ ⎞ ⎤ ⎛ v⊥ ⎞ v⊥ v⊥ ⎢ x − ⎜ x0 − sin α ⎟ ⎥ + ⎢ y − ⎜ y0 − cos α ⎟ ⎥ = ⎜ ⎟ ωc ωc ⎠⎦ ⎣ ⎝ ⎠⎦ ⎝ ωc ⎠ ⎣ ⎝
2011年4月17日
qB0 − m
I
μ
磁矩大小
磁矩方向 右手螺旋
I × S = Iπ rc 2
q2 B 2 B µ=− π rc B 2π m
B感
2011年4月17日
单粒子轨道理论
12
等离子体的抗磁性
B
q2 B 2 B µ=− π rc 2π m B
v⊥ m rc = qB
第一讲 台面型电子加速器——激光尾波场加速器
-理
’J
论和实验都表明， 当等离子体的密度达到 %% I ’% K 29" 时， 尾波场的强度可以达到 & &’%%78 K 9- 电子 在尾波场中的加速过程类似于冲浪运动员的冲浪加 速过程： 当运动员处于迎浪面且满足一定的速度条 件时， 会被波浪加速； 同样， 在尾波场中运动的电子， 当其处于电子密度梯度为正值区域 （ 此时静电分离 场为负值） 且满足一定的速度条件时， 电子也会被 尾波场加速- 早在 ’HLH 年， D1B091 等人就详细分析 了利用这种纵向的激光尾波场作为电子加速场的可 能性， 并依照当时的激光技术， 提出了利用激光拍频 波激发大幅度激光尾波场的方案
［ $］
- 此后的二十多
年， 伴随着每一次激光技术的进步， 激光尾波场加速 都取得了巨大的进展- 目前， 在实验室里， 人们已经 用这种 新 型 的 加 速 器 得 到 了 能 量 为 几 十 至 几 百
［ " —L ］ M58 的超短单能电子束 ， 能量达到 758 的单能
$! 尾波场的产生
早在激光发明之前， ’H#& 年 N103O56> 就提出了 利用电子束激发等离子体中的尾波场的方案， 相应
! "#$%&"’( #))&%&*#"’*— — — "+& %#,&* -#.&/0&%1 #))&%&*#"’*
OPLQ 8),- - HPLQ: R!@,DS8),D K - - 8T U*,SU’,- - RPTQ: 7)@
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第四章 表面等离子体共振技术总结
第四章表面等离子体共振技术--学习总结通过表面等离子体共振技术的学习，我主要掌握了以下的一些基本知识：一、金属表面的等离子体振动表面等离子体振动，其角频率ωs与体积等离子体的不同，它们之间存在以下关系：则这种特殊表面的等离子体振动的角频率ωms为：Array二、产生表面等离子体共振的方法面等离子体波（Surface plasma wave，SPW）质中逐渐衰减。
表面等离子体波是TM极化波，即横波，其磁场矢量与传播方向垂直，与界面平行，而电场矢量则垂直于界面。
在半无穷电介质和金属界面处，角频率为式中c是真空中的光速，εm和εa分别是金属和电介质的介电常数。
表面等离εm=εmr+iεmi）。
金属的εmr/εmi电磁波在真空中的速度c与在不导电的均匀介质中的速度v之比称为电介质的折射率n：则：Array频率为ω要使光波和（ka）总是在ω（从不交叉，即ω（因此，要设法移动ω（的。
场在金属与棱镜的界面处并不立即消失，而是向金属介质中传输振幅呈指数衰减的消失kev为：通过调节θ共振，有：由上式可见，若入射光的波长一定，即ωa一定时，ns条件；若θ0一定时，ns改变，则必须改变ωa波长λ来实现。
此时θ0和λ分别称为共振角和共振波长。
右图为典型的SPR光谱三、SPR传感器1、基本原理表面等离子体子共振的产生与入射光的角度θ、波长λ、金属薄膜的介电常数εs及电介质的折射率ns有关，发生共振时θ和λ分别称为共振角度和共振波长。
对于同一种金属薄膜，如果固定θ，则λ与ns有关；固定λ，则θ与ns有关。
如果将电介质换成待测样品，测出共振时的θ或λ，就可以得到样品的介电常数εs或折射率ns；如果样品的化学或生物性质发生变化，引起ns的改变，则θ或λ也会发生变化，这样，检测这一变化就可获得样品性质的变化。
固定入射光的波长，改变入射角，可得到角度随反射率变化的SPR光谱；同样地，固定入射光的角度，改变波长，可得到波长随反射率变化的SPR光谱。
激光光束在大气中的传输机理研究
激光光束在大气中的传输机理研究作为一种重要的光学工具，激光在现代科技和工业中发挥着重要作用。
而激光光束在大气中的传输机理的研究，则是涉及到激光技术应用的一个关键领域。
在大气传输中，激光光束受到许多因素的影响，如大气湍流、散射和吸收等。
本文将深入探讨这些因素对激光光束传输的影响与机理。
首先，大气湍流是激光光束传输中的主要难题之一。
湍流会导致光束的强度分布发生扭曲和衰减，从而降低激光传输的效率和质量。
目前，有许多研究方法用于模拟和理解湍流对光束的影响。
其中，数值模拟是一种常用的方法，通过数学模型对湍流流场进行计算和模拟，进而预测光束传输的效果。
此外，实验方法也被广泛应用于湍流研究中，例如通过气球和飞机等载体，在大气中进行光束传输实验，并测量湍流对光束的影响。
其次，散射是激光光束在大气中传输的另一个重要影响因素。
大气中的微尺度粒子（如烟尘、白细胞和水滴）会使光束在传输过程中发生散射，从而导致光束的发散和强度的削弱。
为了更好地理解和预测散射对光束传输的影响，研究者们提出了各种散射模型和算法。
利用这些模型和算法，研究者可以预测光束在不同大气条件下的传输距离和强度衰减，并为激光应用提供相关参数和指导。
另外，大气在不同波长的激光光束中的吸收特性也会对光束传输产生影响。
大气中的气体分子和颗粒物质会对激光光束中的能量进行吸收，从而导致光束的衰减和传输距离的限制。
为了充分利用激光技术，科研人员研究了不同波长激光在大气中的传输特性，并通过选择适合的激光波长，有效地减小了光束传输的衰减和损失。
总结而言，激光光束在大气中的传输机理研究是一个复杂而又关键的领域。
湍流、散射和吸收等因素的影响，使得激光在大气中传输的过程十分复杂且不可忽视。
因此，对这些因素的深入研究和理解，对于激光技术的发展和应用具有重要意义。
未来，我们可以继续探索新的理论和实验方法，以更好地解决激光光束在大气中的传输难题，并推动激光技术在各个领域的进一步应用与发展。
激光等离子体相互作用产生的非线性力——有质动力
1.2 相对论下的有质动力式 当激光强度超过 1018W/cm2 时， 需要考虑相对论效应， 进行 相对论修正。将场强 E 和磁场强度 B 用电矢量 A 来表示， 采用 ∂ A ∂A y 洛伦兹规范， 有 E = - ∂A 和 B = -∇ ˑ A =(0, - Z , ) 。此时， 电 ∂t ∂x ∂x 子在光场中的受力方程可以简写为： ∂ p p e ∂A e p +( ㊃∇) p = ㊃ ˑ∇ˑ A c ∂t c γ ∂x γ 对于非线性有质动力项 （二阶及以上项） ， 可得到： ep p Fp = ˑ(∇ ˑ A) ˑ ∇p cγm γm 结 合 一 阶 项 结 果 p = A , γ = 1 + p2 和 数 学 关 系 式 1 ∇p2 = p㊃∇p + p ˑ(∇ ˑ p) ,化简可得： 2 F p = - mc2 ∇γ
ω2 E2 pe ㊃∇ L [1 - cos(2ω L t)] 2 ω L 16π ω2 E2 pe 该式求平均后为： < F p > t = 2 ㊃∇ L 。 ω L 16π Fp = -
1 ， 可以采用单粒子理 论、 流体理论和动力学理论等， 我们在下文中通过流体力学理 论推导有质动力的表达式。 1.1 非相对论下的有质动力式 在激光等离子体中， 光波电场压力的变化能产生有质动 力， 有质动力引起电子密度变化， 会带来密度的涨落， 进而自洽 的产生离子密度的涨落。 对于一个空间分布不均匀的高频光场， 假定其电场表达式 为： E = E L ( x)㊃ cos ω L t 。 将等离子中的电子和离子当作两种流体处理， 由于离子质
2 结语
——有质动力
张子昊(驻马店市高级中学,河南 驻马店 463000)
项目简介及完成人对项目主要贡献汇总材料一、c-c偶联反应的合成
项目简介及完成人对项目主要贡献汇总材料一、c-c偶联反应的合成项目简介及完成人对项目主要贡献汇总材料一、C-C 偶联反应的合成方法学及其在杂环衍生化中的应用研究1、项目简介本项目针对国际药物合成中所涉及的有机合成方法学问题，围绕C-C键、C-杂原子键的构筑等有机合成方法学开展了系统、深入的研究，取得了突出的成绩。
用简单易得的原料为C-O, C-N，C-S，C-C键的构建提供了新合成方法。
主要研究内容、科学发现点包括:1. 首次实现了过渡金属催化3，4-二氢嘧啶硫酮与炔烃及羧酸亚铜盐的脱硫偶联/酰化/水合串联反应一步实现了C-C和C-N键的有效构建。
发展了Pd催化下磺酸嘧啶酯与苯硼酸、端炔、苯酚及苯胺的C-C、C-O及C-N交叉偶联反应。
2. 发现并扩展了三对溴苯胺自由基正离子六氯锑酸盐(TBPA+.)引发的甘氨酸类衍生物的sp3C-H键的催化氧化反应，以及甘氨酸类化合物与苯乙烯类衍生物的氧化-[4+2]环加成串联反应。
3. 首次实现了酰胺、多聚甲醛与苯乙烯等的三组分反应构建烯丙基胺骨架结构，为烯丙基胺结构的构筑提供了有益的合成方法。
4. 开展了廉价金属盐CuSO4-5H2O/NaAsc催化的Ullmann型C-N偶联反应。
5. 实现了生物质催化转化制备高附加值有机化学品的有效方法。
本项目自2009年1月至2013年7月共发表论文52篇，其中SCI化学二区论文8篇(其中包括Org. Lett. 2篇，Adv. Synth. Catal. 4篇，J. Org. Chem. 2篇)，SCI三区论文(包括Org. Biomol. Chem.; Tetrahedron; Tetrahedron Lett.; Eur. J.Org. Chem.; Synlett等)17篇;获得厅局级二、三等奖各1项;授权中国发明专利1项，申请3项。
其中5篇代表性论文Org. Lett. 2012, 14, 4030–4033;1Org. Lett. 2010, 12, 732-735;Adv. Synth. Catal. 2013, 355, 891-900;Adv. Synth. Catal. 2013, 355, 1911–1916;Adv. Synt. Catal. 2012, 354, 2939-2948论文被Chem. Rev., Chem. Soc. Rev., Angew. Chem. Int. Ed.,等国际重要刊物他人正面引用54次，平均每篇5.4次，单篇最高他引27次。
热场流分离理论
热场流分离理论*蒋东霖（长春师范大学工程学院，吉林 长春 130032）摘 要：热场流分离技术是一种方便快捷的分离、分析技术，热场流分离理论是物性分析、分离领域中新的分离理论，其具有分离系统设备简单、应用领域广泛、分离过程效率高和不破坏物质物理化学性质等优点。
文章介绍了热场流分离理论的基本原理及工作过程，描述了热场流分离设备的主要结构，总结了热场流分离理论的国内外发展现状和主要应用领域，展望了热场流分离理论技术的应用发展方向。
关键词：热场流；分离；应用中图分类号：TQ028.8 文献标志码：A 文章编号：1672-3872（2019）18-0010-02——————————————基金项目： 吉林省教育厅“十三五”科学技术项目“热场流分离聚合物芯片关键技术研究”（JJKH20170652KJ）作者简介： 蒋东霖（1979—），男，吉林长春人，副教授，高级工程师，研究方向：高精密检测。
1 场流分离理论概述场流分离理论是由J.C. Giddings 博士最早在20世纪60年代提出的。
场流分离理论是一种类似于色谱分离的一种分离技术，如图1所示，在上下平板间有一扁平带状流道，流道内载液流动特性为层流，其流型为伯肃叶流，速度抛面为抛物线型。
外加力场垂直与洗提载液流动方向施加，在外加力场和洗提载液的共同作用下，根据待分离微颗粒本身属性，使不同成分、不同形状、大小的物质微粒处在距下壁（积聚壁、冷壁）不同的高度位置上，从而使物质微粒获得了不同的移动速度，进而达到分离的目的。
热场流分离（Thermal Field Flow Fractionation），其施加的外加力场为温度场，其实就是在热场流分离微流道的上下壁面形成个温度梯度，这个温度梯度很大，分离流道的上下壁面的温度差却不是很大，这是因为场流分离微流道的高度非常小，一般只有几十微米到几百微米，热场流分离理论可用于颗粒的粒径小到纳米，大到几十微米微粒的提取和分离，其具有测量速度快、设备简单和不破坏被分离物质颗粒的物理化学性质等优点，热场流分离整个过程通常只需10～20min [1-4]。
激光与物质相互作用课件
• 第五节 气化时间的估计
假设气化过程中!!所有材料在液相和固相时性质相同!!且不随 温度变化!!那么气化厚度为d !!:的金属所需时间可由能量守 恒定律推得
作用激光功率密度愈高所需气化时间愈短!! 一般气化时间比熔融时间高出一个数量级!!原因
在于沸点比熔点高得多？？而且气化潜热比熔融 潜热要大一个数量级？？
• 四．二激光在等离子体中的传播和吸收
四．二．一激光在等离子体中的传播
• 激光产生的等离子体的电子密度通常是不均匀的!! 激光传播方向和等离子体电子密度梯度方向一致 时称为正入射!!否则称为斜入射？？
• 激光电场强度E的方向称为激光的极化方向？？如果激光 是线极化的!!且极化方向处于激光传播方向和等离子体电 子密度梯度方向组成的平面内!!这种情形称为P极化!!极化 方向和这个平面垂直的情形称为s极化？？
• 第四章 靶表面激光等离子体产生与发展
如果蒸气粒子继续吸收激光能星、温度继续升 高？？最后将导致蒸气分子电离!!形成一种高温度 高密度的状态·一等离子体？？本章将从蒸气的电 离、saha方程、流体动力学等角度去揭示等离子 体的点燃机理？？
四．一 等离子体的特性和产生机制
四．一．一等离子体的特性
特别当饱和气化时!!蒸气压力与环境气体压力平衡!!离开 靶面的粒子数与返回靶面的粒子数相等!!呈现动态平衡？？ 饱和气化时其平均速度为零!!表现为气态半空间中的麦克斯 韦分布
当蒸气压力大于环境压力、出现非饱和气
化时．相界面附近蒸气粒子平动态不平衡!! 离开的粒子数多于返回的!!粒子之间经过若 干个平均自由程的相互碰撞后才逐渐达到 平衡!!形成宏观状态一致的蒸气流？？因 此!!相界面附近有一个很薄的介质密度间断 区!!也是蒸气粒子由平动不平衡变为平衡的 过渡区!!称为克努森层？？
高能激光中的化学流体力学
高能激光中的化学流体力学近几十年来，随着高能激光技术的发展，化学流体力学的研究便成为科学家们研究的焦点。
高能激光的应用对光学和物理特性的精确测量起着重要的作用。
高能激光介质进行流体动力学研究已经取得了重大进展，包括低压气氛及高压气氛中的化学变化；气体物理特性；以及激光特性。
在这种情况下，利用化学流体力学研究来揭示高能激光介质中的流动、物理及化学过程，可以为其他激光技术的研究提供有力的支持。
化学流体力学涉及到流体力学原理，包括气体动力学、流体动力学及热力学的研究。
其中，气体动力学的研究主要是为了衡量非常小的物质变化间的关系。
它还包括多相流流体内特性测量、流程的衡量、多相及多物质的动力学定律的研究等。
流体动力学的研究重点是了解流体的运动特性，特别是其瞬态特性，而热力学则关注流体温度、压力及其他物理特性之间的关系。
高能激光介质中的化学流体动力学研究可以帮助我们更好地理解激光技术的应用原理，以及如何运用激光技术来进行精确的测量。
这一领域是一个复杂的学科，其中涉及到各种不同的物理学、化学和工程学理论，以及多学科的相互作用。
例如，在复杂的环境，激光介质的流变性和物理特性将会随着温度、压力和流动特性的变化而发生变化，从而影响激光的特性。
另外，在化学流体动力学方面，可以计算各种化学反应对流体压力等物理特性的影响，以及激光介质中的传质特性等，以进一步深入地研究高能激光行为。
本文总结了高能激光技术发展的背景下，化学流体动力学的重要性以及其与激光相关的研究。
在高能激光介质中，化学流体动力学是一个复杂的学科，包括气体动力学、流体动力学和热力学的研究。
通过新的技术改进以及计算复杂的激光介质，研究人员可以以此来研究高能激光在不同条件下的行为，进而提高激光测量技术的精度和可靠性。
最后，应该指出的是，化学流体动力学是一个多学科的领域，其中涉及到许多复杂的理论，因此研究者需要深入了解多领域的基础学科，熟知各种物理学、化学和工程学理论，以及它们之间的相互作用。
等离子电浆抛光不均匀的原因
等离子电浆抛光不均匀的原因1.等离子电离度不均匀：等离子体的形成对于等离子电浆抛光至关重要。
然而，一些条件下，等离子体的形成可能不均匀分布在材料表面。
这些条件包括：工作间隙过大或太小、工作电压过高或太低、工作气体流量不均匀等。
这种不均匀的电离度会导致等离子区域的均匀分布不相等，从而导致抛光不均匀。
2.气体流动不均匀：在等离子电浆抛光过程中，工作气体在强电场的作用下会形成气体离子和激发态的原子，这些离子和原子对材料表面进行清洗和抛光。
然而，当气体流动不均匀时，工作气体分布可能会不均匀。
例如，在封闭空间中，气体流动可能受到限制，导致抛光不均匀。
3.材料表面形貌不均匀：材料表面的粗糙度和形貌会对等离子电浆抛光的均匀性产生影响。
如果材料表面有凹凸不平的区域或者有较大的起伏，等离子体在这些区域可能会聚集并更容易被清除，从而导致抛光不均匀。
4.工艺参数不适当：工艺参数的选择也会影响等离子电浆抛光的均匀性。
例如，工作电压过高或过低，工作间隙过大或过小，工作气体流量过大或过小等，都可能导致抛光不均匀。
此外，工艺参数的变化也可能导致抛光的不均匀性。
5.磁场不均匀：在等离子电浆抛光过程中，施加的磁场可以改变等离子体中的电子密度分布，从而影响抛光的均匀性。
如果磁场不均匀，等离子体的形状和分布可能会受到影响，导致抛光不均匀。
综上所述，等离子电浆抛光不均匀的原因包括等离子电离度不均匀、气体流动不均匀、材料表面形貌不均匀、工艺参数不适当和磁场不均匀。
为了获得更加均匀的抛光效果，我们需要仔细选择和调整工艺参数，并确保等离子体的形成和分布在整个材料表面上均匀分布。
等离子体物理导论-刘万东
目录 88 88 89 95 95 96 96 98 100 101 101 102 105 108 108 109 111
第六章 几个重要的等离子体概念………………………………………… 113 §6.1 §6.1.1 §6.1.2 §6.2 §6.2.1 §6.2.2 §6.2.3 §6.2.4 §6.3 §6.3.1 §6.3.2 §6.3.3 §6.4 §6.4.1 §6.4.2 §6.4.3 §6.4.4 §6.4.5 库仑碰撞与特征碰撞频率……………………………………… 两体的库仑碰撞………………………………………………… 库仑碰撞频率…………………………………………………… 等离子体中的扩散与双极扩散…………………………. …… 无磁场时扩散参量…………………………………………. … 双极扩散………………………………………………………… 有磁场时的扩散系数…………………………………………… 有磁场时的双极扩散…………………………………………… 等离子体鞘层…………………………………………… ……. 鞘层的概念及必然性………………………………………. … 稳定鞘层判据………………………………………………. … 查尔德－朗缪尔定律………………………………………. … 朗道阻尼…………………………………………………. …… 伏拉索夫方程………………………………………………. … 朗缪尔波和朗道阻尼………………………………………….. 朗道阻尼的物理解释…………………………………………… 离子朗道阻尼与离子声不稳定性……………………………… 非线性朗道阻尼………………………………………………… 113 114 116 118 118 119 120 122 122 122 123 124 125 125 126 129 130 131
等离子体动力学PPT课件
线f示意图 x //
y 各向同性分布
x
磁镜中有损失锥分布
2019/10/18
漂移麦克斯韦分布和粒子束分布
32
z
0
z
0
z
0 1
z
0
未扰动粒子束
e
扰动粒子束
z
被捕获粒子
0
自由粒子
z
0
z pt
等离子体中捕获粒子和自由粒子
捕获粒子和自由粒子的轨道
相空间中粒子轨道示意图
2019/10/18
dN dv dN
v
Ndv
N
17
速度分布函数 f ( v )
dN f v dv
N
v 物理意义： 附近， 单位速率间隔上的分子数占总分子数的百分比。
讨论：若 f v 为已知
f v dN
Ndv
dv v ⑴ 附近， ～ 区间上的分子数为
dN Nf vdv
v v ⑵
33
第二节 动力学方程
2019/10/18
34
关于分子个数：
dN f(r,v,t)dxdydzdvxdvydvz
N f(r,v,t)dxdydzdvxdvydvz
f(r ,v,t) 随时间变化的因素：
粒子运动，由力学运动方程确定的粒子空间位置和速度的变化 粒子间相互作用（碰撞）
f ( )d 3
0
g()
4
n(m
/
2
KT
)3/2 2
exp( 2
/
2 th
)
2019/10/18
20
麦克斯韦速率分布曲线
f()
o
等离子体的平衡方程
§5.3.1 等离子体不稳定的分类 宏观不稳定性 等离子体的宏观参数如温度、压强、密度等热力学参量的 空间局部化和不均匀性，这时等离子体再可空间的整体形 状通常货发生改变，所以也称为位形空间不稳定性。 微观不稳定性 等离子体的速度分布函数偏离麦克斯韦分布导致的不稳定 性，也称为速度空间不稳定性。
宏观不稳定性通常用磁流体力学方程进行分析，故也称为磁流体力学不稳定 性，而微观不稳定性则用动力论方程进行分析，因而也叫动动力学不稳定性。
5.2.2 比压β
令磁流体力学方程组中E0＝V0＝0，与时间有关的项∂/∂t=0，可以得到：
j B p
B
0
j
• B 0
1 (B)Bp
0
(BB )(B• )B 1 B2 2
( • b a a ( ) b b ( ) a ( • ) b ) ( a • a )b
(pB2 ) 1(B•)B
缩引起的热压力恢复力之外，磁压力
也充当恢复力，因此磁声波的相速度
大于普通声速。
z B0 B1
k
y
E1
x
第五章 等离子体的平衡与稳定
等离子体的平衡和稳定的概念产生于核聚变 研究过程。核聚变等离子体温度非常高，带电离 子的动能达到10keV（相当于1亿K），任何实物 容器都无法承受这样高的温度，必须采用特殊的 容器来“装”（即约束）聚变等离子体。在实验 室内通过约束等离子体的方法主要有两种类型， 即惯性约束和磁约束。
T
B•dS
sT
sT
Bd
S
柱位形纵向磁通
环位形环向磁通
P
B•dS
sP
sP
Bd
S
柱位形极向磁通
环位形极向磁通
等离子体的平衡方程：
等离子体中激光场的吸收机制
等离子体对激光的吸收机制：超强激光在等离子体中传播时，在临界密度以下区域，激光能够直接进入，在临界密度附近，激光被等离子体反射。
激光在和等离子体的作用过程中，一部分电子被加速而引起电荷分离并产生静电场形成静电势阱，高速电子可以逃逸出此势阱进而增强电荷分离，电子可在此静电势阱中振荡并被加速，最后静电势阱被破坏把能量交给等离子体。
正常吸收：逆韧致吸收：等离子体中的电子受激光场加速时，在等离子体的离子库仑场附近散射引起的经典吸收过程。
它对电子密度很敏感，它是短波长激光的主要吸收机制，而且主要发生在临界面附近的地方。
非线性逆韧致吸收：当激光足够强时，电子的振荡速度会超过电子热速度，此时电子速度分布就会和电场有关，变成非线性逆韧致吸收。
此时，激光电场可以和原子核的电场相比，还会发生多光子过程。
非线性吸收系数大大偏离线性吸收系数。
但在激光核聚变的范围内不会有重要偏离。
该系数与53E 有关。
反常吸收：通过波-波相互作用和波-粒子相互作用使电子获得能量的过程通过静电波加速和加热电子 通过朗道阻尼和波的破裂把波的能量交给电子 这主要发生在小于和等于临界密度区-----晕区物理 共振吸收；受激散射；成丝现象；参量不稳定性吸收共振吸收(RA)：随着激光强度的增加，共振吸收变得重要。
当平面极化激光斜入射时发生共振吸收，由于在临界面处共振激发电子等离子体振荡，故称共振吸收。
斜入射的P 极化（电场平行于入射面）激光束激发等离子体波，在临界面附近可以发生共振吸收。
沿着电子密度梯度方向的激光电场将导致等离子体电荷分离，引起等离子体振荡。
在临界点处的等离子体频率等于激光频率，因而发生共振，使电场强度（这应该是等离子体中的电场强度）的振幅变得很大，导致激光共振吸收。
它是波的模式的一种转换，横向的电磁波变成了纵向的静电波。
此静电波沿电子密度梯度方向向低密度等离子体中传播（共振处的电场强度最大，逆着激光传播方向，电场强度依次降低，使得静电波逆着激光传播方向进行传播），群速度逐渐增加，电场强度的振幅逐渐减少。
等离子体物理学
强烈的波与电子的相互作用，需要用动力学 才能加以研究。
考虑离子成分时的静电波
• 离子的运动可以产生频率较低的波动。在研 究较低频率的等离子体波动时，需要同时考 虑电子和离子的运动（其中，a代表等离子体 中的所有粒子，即电子和各种离子 ）：
( na va ) na 0 t x n m dva n q E pa a a a a dt x E 1 qa na 0 a x a d ( pa na )0 dt kva na 1 n w a0 ikpa 1 i w m v q E a a a na 0 ikE 1 q n 0 a a a1 pa 1 na 1 n0 pa 0
考虑离子时的静电波色散关系
• 将以上做过线性化和平面波分解之后的方程组再进行 消元化简，得到色散方程 ： 2 2 wp n q Ta a 2 2 a0 a 1 2 0, w pa , vsa 2 2 ma 0 ma a w k vsa • 其中wpa和vsa分别是a类粒子对应的等离子体振荡频 率和声速。 • 由于离子质量远大于电子质量，则 w pi wpe • 因此在高频时w≥wpe，色散关系公式中的求和的各项 中，离子项远小于电子项，因而可以忽略。只保留电 子项，此色散关系回到电子静电波的色散关系式。
等离子体物理学（二）
李毅 2011.10
等离子体中的线性波
• 等离子体中，电场、磁场、速度、密度、压力、温 度等任何一个物理量 y 一般会随空间和时间变化。 • 扰动量原则上它可以分解为各个平面波的叠加，即： y (x, t ) y k (k , w )ei (k x wt ) dkdw • 其中 y k (k , w ) 为波的幅度，是物理量的Fourior分解：
等离子体物理思考题参考050718
思考题1.1 电离气体一定是等离子体吗？反过来呢？答：电离气体不一定是等离子体，反过来也不一定。
1.2 试就高温、低温、高密度、低密度等离子体各举一例。
答：磁约束受控热核聚变等离子体是高温等离子体，电弧等离子体是低温等离子体，太阳内部等离子体是高密度等离子体，电离层等离子体是低密度等离子体。
1.3 德拜屏蔽效应一定要有异性离子存在吗？答：不一定，完全由电子构成的非中性等离子体也具有德拜屏蔽效应。
1.4 用电子德拜长度表示等离子体的德拜长度的前提是什么？答：主要是所考虑问题的时间尺度应小于离子的响应时间，离子不能响应。
1.5 由于德拜屏蔽，带电粒子的库仑势被限制在德拜长度内，这是否意味着粒子与德拜球外粒子无相互作用？为什么？答：有，但是表现为集体相互作用，实际上屏蔽本身可以视为相互作用的传递过程，粒子对德拜球外的粒子的相互作用，通过周围屏蔽粒子的传递而作用。
1.6 对于完全由同一种离子构成的非中性等离子体，能够有德拜屏蔽的概念吗？答：同样有，但此时是指在平衡状态下，系统对电扰动的屏蔽作用。
1.7 常规等离子体具有不容忍内部存在电场的禀性，这是否意味着等离子体内部不可能存在很大的电场，为什么？答：不一定，在小于德拜长度的空间尺度中，可以存在局域很强的电场，在比等离子体特征响应时间小的时间尺度中，可以存在瞬时的强电场。
1.8 在电子集体振荡的模型中，若初始时不是所有电子与离子产生分离而是部分电子，则振荡频率会发生变化吗？如果变化，如何解释？答：从方程上看，此时的振荡频率似乎会减小，即将电子密度换成分离电子密度，如果这样，集体振荡频率就不是等离子体的一种特征频率，因为与振荡扰动的幅度相关。
但事实上这样处理是不对的，部分电子与离子分离的情况应用此模型无法进行。
因为当部分电子分离时，未分离的电子同样会运动，使得电场会增大，结果使振荡频率仍然是等离子体频率。
1.9 粒子之间的碰撞是中性气体中粒子相互作用的唯一途径，在等离子体中也如此吗？粒子间能量动量交换还有什么途径？答：等离子体中粒子间能量、动量交换途径除碰撞外，还可以通过许多集体相互作用形式，如不稳定性、粒子－波－粒子作用等。
等离子体物理学理论分解
等离子体物理学理论姓名:摘要：本文简要介绍了等离子体的概念，等离子体的发展史，等离子体按焰温度和所处状态的分类，并且例举了在地球上和地球外的常见等离子体，也简单介绍了等离子体在冶炼、喷涂、焊接、刻蚀、隐身和核聚变各个方面的应用。
另外，对等离子体的现状做了介绍，对其前景也做了展望。
而主要介绍了等离子体物理学的理论，包括粒子轨道理论，磁流体力学和等离子体动力论三个方面，并一一展开详细介绍了这三个理论，最后得出三大理论相互联系的结论。
关键词：等离子体；粒子轨道理论；漂移；等离子体动力论；湍流；孤立子；等离子体中波；引言：大家早已熟知物体的固体、液体和气体三态。
将固体加热到熔点时，粒子的平均动能超过晶格的结合能，固体会变成液体；将液体加热到沸点时，粒子的动能会超过粒子之间的结合能，液体会变成气体。
如果把气体进一步加热，气体则会部分电离或者完全电离，则原子变成离子。
如果正离子和负离子数目相等即为等离子体。
自20世纪50年代以来，等离子体物理学已发展成为物理学的一个十分活跃的分支。
在实验上，已经取得很大的成就。
在理论上，利用粒子轨道理论、磁流体力学和动力论已经阐明等离子体的很多性质和运动规律，相信随着人们对等离子体性质研究的不断深入，我们会能够将其应用在更多领域。
一．等离子体概念从广义上说，等离子体是泛指一些具有足够的能量自由的带电粒子，其运动以受电磁场力作用为主的物质，例如，半导体、电解液都是等离子体。
从狭义上讲，等离子体是普通气体温度升高时，气体粒子的热运动加剧，使粒子之间发生强烈碰撞，大量原子或分子中的电子被撞掉，当温度高达百万开到1亿开，所有气体原子全部电离．电离出的自由电子总的负电量与正离子总的正电量相等．这种高度电离的、宏观上呈中性的气体叫等离子体【1】。
等离子体又叫做电浆，它广泛存在于宇宙中，常被视为是除去固﹑液﹑气外，物质存在的第四态。
二．等离子体的发展简史【1】--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。
电流体动力学
电流体动力学
电流体动力学是一门涉及电流与流体的相互作用的学科，其研究对象包括流体中电荷的运动、电场与流体的相互作用、电场力对流体运动的影响等。
电流体动力学的发展，不仅极大地促进了科学技术的进步，也为我们深入了解自然界的规律提供了很多帮助。
在电流体动力学中，液体、气体等被视为导电介质，其内部存在着大量的离子或电子，在电场作用下会发生电流。
因此，电场与流体的相互作用是该学科的重点之一。
例如在电化学领域，研究电解质溶液中电场与离子的相互作用对电化学反应的影响，对于控制电化学过程的效率及产品质量具有重要意义。
另一个重要方面是电场力对流体运动的影响。
根据电磁学原理，当电场强度不均匀时，会产生电场力，对电荷产生加速作用。
在流体中，离子在电场作用下还会产生电偶极矩，由此产生的电场力将影响流体中电荷的运动。
此外，对于电介质而言，在电场作用下会发生电致流动（electrokinetic flow），即当电荷受到电场力作用时，会对流体产生拉伸、推动等作用，从而影响流体的运动和输运行为。
除此之外，就医学、环境保护、新能源等领域也利用到了电流体动力学的知识。
例如，在肿瘤治疗领域，利用电流体力学原理设计了一种微流控芯片（microfluidic chips），能够将药物经过导电介质中的流体输送到肿瘤细胞中，提高药物效果，从而提高治疗效果和治疗安全度。
总之，电流体动力学的研究对于我们深入了解自然界的规律，促进科技的发展以及解决一些现实问题具有重要意义。
未来也将会有更多的领域利用到电流体动力学的知识，带来更多的科学技术进步和人类福祉。
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图2
矩形短脉冲激光在线性密度梯度等离子体中传播， 有质动
力在低密度区域对电子密度的周期性调制 （虚线为电子密度， 实 （ $） （%） 线为激光的能量密度 " 激光强度为 !&!’ ()*+# ， !&!1 ()*+# ）
./$00 光栅的特点是电子密度的局域最大对应
* 激光的波节， 形成的光栅周期 ! 3 ! — ，其中!* 为入 #" — — 射激 光 在 真 空 中 的 波 长， " 为 平 均 折 射 率，" 3 # ! 4 " 6 ) " * " 这种结构对波长在 ! 3 ! 4 "# "* 3 ! 5) ! — # " ! 附近的光全反 " 这种反射称为相位反射或者叫 ［ ，］ 相位反射是在光 ./$00 反射 7 ’ " 与镜面反射不同，
! 国家自然科学基金 （批准号： 和国家高科技惯性约束聚变基金资助的课题 1 !"87%!!%，!"!"*"!%， !"87%!!*， !"!7’"8%， 9:!&&&"7*$"8(%）
#期
苍
宇等： 有质动力和静电分离场对激光等离子体流体力学状态的影响
8-5
能量， 只能靠与电子相互碰撞间接得到能量， 在短脉 冲作用期间基本未被加热， 所以热压强的梯度力很 小 ! 这样电中性又被破坏， 产生强静电分离场 ! 该 静电分离场驱动离子随电子向电子温度低的区域 运动 ! 为了研究超短脉冲强激光与线性密度梯度等离 子体相互作用中有质动力、 热压强的梯度力， 以及它 们引起的静电分离场对电子和离子的流体力学状态 的影响， 本文利用建立在欧拉坐标系上的一维双流
研究超短脉冲强激光与等离子体的相互作用， ［!］ ［ ］ ［ ］ 对惯性约束核聚变 ， < 射线激光 $ 以及电子加速 8 等许多研究领域有重要的意义 1 它是一个复杂的， 高度非线性的过程， 涉及的物理过程包括激光在等 离子体中的传播和吸收， 电子热传导， 流体力学运 动， 激光到 < 射线的转换和辐射输运等 1 与不同强 度， 脉宽， 波长的激光相互作用的性质差异很大 1 对 于这样一个复杂体系， 有许多问题不能简单通过解 析求解， 必须借助于计算机数值模拟 1 流体力学模 拟是常用的研究手段之一 1 通过流体模拟， 可以得 到等离子体的速度， 密度和温度等物理参数， 为实验 提供有参考价值的理论指导 1 在所有等离子体构形 中， 线性密度等离子体最简单， 因此研究与线性密度 等离子体的相互作用是基础 1 描述等离子体行为的流体力学模型主要有单流 双温模型和双流双温模型两种 1 两者的区别在于， 单流模型建立在准电中性假设上， 即认为电子和离 子速度相同， 视为一个流体， 而双流模型将它们作为
（#0）
（50）
（7）
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物
理
学
报
’7 卷பைடு நூலகம்
引起的有质动力会对低密区的电子密度进行周期性 调制， 将波峰处的电子排向波节， 形成激光波节处电 子密度局域极大的类光栅密度构形 " 有质动力在低 密区驱动产生的电子周期性密度结构称为布拉格
［’， 1］ （ ./$00） 光栅， 它对激光能量的吸收有影响 " 图2
有质动力和静电分离场对激光等离子体 流体力学状态的影响 !
苍 宇 鲁 欣 武慧春 张 杰
（中国科学院物理研究所光物理重点实验室， 北京 !"""#"） （$""% 年 % 月 & 日收到； $""% 年 ’ 月 !& 日收到修改稿）
利用建立在欧拉坐标系上的一维电子(离子双流双温流体力学程序，模拟了超短脉冲强激光（! ) !"!* +,-.$ ， 与线性密度梯度等离子体相互作用的流体力学过程 1 模拟结果显示， 入射激光与临界密度面的反射光叠加， !*"/0） 激 在临界密度以下区域形成局域驻波， 产生的强有质动力在低密区驱动电子形成周期性密度结构— — — 23455 光栅， 光的反射被增强 1 临界密度处有质动力将等离子体分成向内和向外运动的两部分 1 由于离子所受的有质动力和热 压强的梯度力远小于电子， 体系产生了强静电分离场， 离子的运动主要由该静电分离场决定 1 对双流双温模型和 单流双温模型的模拟结果进行了比较 1 当有质动力和热压强梯度力较大时， 两种模型对等离子体流体力学状态的 描述有明显差异， 单流双温模型无法描述此时的流体力学状态 1
图 # !&!’ ()*+# 的激光在等离子体内的光场密度时空分布 （ $） （%） 持续照射 !’&,- 的矩形脉冲，
栅不同位置处反射的光的叠加相消的过程， 所以光 栅必须有一定的厚度， 实现不同位置的光的叠加相 消 " 位相反射的反射率远大于等离子体临界密度面 的类镜面反射率 （1&8 左右） ， 可以大于 9&8 " 同时
# （ （ *"! + , " 1"# , "$ / *"# " !/ " / ） !/ " / ） 2 % / )&’ ! 2 !" / （ )/ " ) , " / ）
( 34) ， 2（ * ) 1 * / ）
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# （ ’# ） -" # 2 / ， 8 # "#
# ’# ’# # 2 / # 为激光的能流密度 （ ’# ， / 为光 $ 8 8 # # 场和磁 场 强 度） （ 5.， 中， ! 能量守恒方程 0） #)， / +
温模型模拟的结果进行比较 !
右边第三项代表电子离子 5 +, )， / 1# *&， 0 为能量密度， 碰撞交换的能量， 第四项为热传导项， 其中 $ 为碰 撞弛豫时间， 是温度的函数 ! 电 - )， / 为热传导系数， 子能量方程中的 . ，代表逆轫致吸收得到的激光能 # （ %） ， 其中 9: （ %） 为等离子体折射率 量， . + 1 &9: 2 的虚部，% 为复折射率， 2 为光速， 1 为等离子体内 部的激光强度 ! 联立以上 8 个方程， 便可求得电子、 离子的速 度， 密度和温度的随时间; 空间的变化， 并自洽地得 到静电场与激光场的空间分布 ! 方程的求解采用两 步 4.<;=)>(?@AA 法， 显式求解速度、 密度和静电分离 场， 隐式求解温度和激光光场 !
［"］ 双温模型 进行模拟， 并与欧拉坐标系下的单流双
粒子数密度和速度 ! 由动 %， " 分别为质量密度， !， 可见， 粒子所受外力包括热压强 量守恒方程 （#.， 0） 的梯度力 "$ )， 静电力， 碰撞力 （ "# ， " 为碰撞频率） /1 和有质动力 ( 34 ， 其中 $ )， + 为玻尔兹曼 / + % )， / +, )， /， 常数， 电子所受的有质动力 , )/ 为温度； ( 34) + , 其中
# # "’ # 1"# 2 % ’ # + 6， 其中% 为波矢 !
该模型同时自洽求解静电分离场 （ ’! ） 满足的泊松
上述公式中的角标 )， / 分别代表电子和离子，
! !
5 $ 流体力学模拟结果
为了研究超短脉冲强激光与线性密度梯度等离 子体的相互作用， 我们选用了 - B -6-7 =1%:# ， -76A’ 的矩形脉冲， 波长为 -$6C 与线性密度梯度的 D 2 :， $ 等离子体相互作用 ! 图 - 为模拟条件示意图 ! 等离 子体厚度为 #6 密度范围由 6$7 % % 到 -$5 % % ，其中 :， $ （对于 -$6C % % 为临界密度 : 波长的激光， % % + -6#$ ， 位于 -#$7 电子和离子的初始温度均 %: , 5 ） : 处； $ 为 -6)E，激光脉冲在 6$7F’ 时入射到等离子体 ! 之 前， 等离子体作自由膨胀 ! 高强度激光作用会导致 电子热传导中的阻热效应， 能量方程中 , - )， , )， /" / * 必须加上一个限流因子才 "# 只是经典热流表达式， 与实际情况相符 ! 限流因子是影响热传导的重要因 数， 这里取 ( + 6$- ! 入射激光与临界面的反射光叠加， 在低密度区 形成局域驻波 ! 设 " & 为光波在等离子体内部传播 由能量流守恒 的群速度， ’ A’ 为真空中的激光强度， 得 " & G ’# （ 3） （# ） ） G # 18 + 2’# 1 8 ! 随着激光由低密 # A’（