2-chap-2等离子体导论之三
等离子体的研究
气体放电中的等离子体研究实验目的1.了解气体放电中等离子体的特性。
2.利用等离子体诊断技术测定等离子体的一些基本参量。
实验原理1.等离子体及其物理特性等离子体(又称等离子区)定义为包含大量正负带电粒子、而又不出现净空间电荷的电离气体。
也就是说，其中正负电荷密度相等，整体上呈现电中性。
等离子体可分为等温等离子体和不等温等离子体，一般气体放电产生的等离子体属不等温等离子体。
虽然等离子体宏观上是电中性的，但是由于电子的热运动，等离子体局部会偏离电中性。
电荷之间的库仑相互作用，使这种偏离电中性的范围不能无限扩大，最终使电中性得以恢复。
偏离电中性的区域最大尺度称为德拜长度λD 。
当系统尺度L＞λD时，系统呈现电中性，当L＜λD时，系统可能出现非电中性。
2.等离子体的主要参量描述等离子体的一些主要参量为：（1）电子温度Ｔe。
它是等离子体的一个主要参量，因为在等离子体中电子碰撞电离是主要的，而电子碰撞电离与电子的能量有直接关系，即与电子温度相关联。
（2）带电粒子密度。
电子密度为ｎe ，正离子密度为ｎi，在等离子体中ｎe≈ｎi。
（3）轴向电场强度ＥL。
表征为维持等离子体的存在所需的能量。
（4）电子平均动能Ｅe。
（5）空间电位分布。
此外，由于等离子体中带电粒子间的相互作用是长程的库仑力，使它们在无规则的热运动之外，能产生某些类型的集体运动，如等离子振荡，其振荡频率Fp称为朗缪尔频率或等离子体频率。
电子振荡时辐射的电磁波称为等离子体电磁辐射。
3.稀薄气体产生的辉光放电本实验研究的是辉光放电等离子体。
辉光放电是气体导电的一种形态。
当放电管内的压强保持在10～102Pａ时，在两电极上加高电压，就能观察到管内有放电现象。
辉光分为明暗相间的8个区域，在管内两个电极间的光强、电位和场强分布如图2.3-1所示。
8个区域的名称为（1）阿斯顿区，（2）阴极辉区，（3）阴极暗区，（4）负辉区，（5）法拉第暗区，（6）正辉区(即正辉柱)，（7）阳极暗区，（8）阳极辉区。
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
等离子体推动器
等离子体推动器一、为什么要使用电推动器？1.传统化学推进剂的缺点：〔a〕在深空探测中，化学推进剂占航天器重量的绝大局部，有效载荷小，效率低，造价高。
－〔附：肼〔联氨〕-----一种无色发烟的、具有腐蚀性和强复原性的液体化合物NH2 NH[hydrazine],它是比氨弱的碱,通常由水合肼脱水制得,燃烧热较大主要用作火箭和2喷气发动机的燃料,用在制备盐(如硫酸盐)及有机衍生物中〕在探索更远的星球时，化学燃料推动已不可行。
〔b〕通信卫星长寿命增加〔15 年〕,为保持轨道定点位置,所需的推进剂越来越多〔使用次数愈来愈多〕,大量挤占了有效载荷的重量。
因此,大型通信卫星的推进系统改用电推进已势在必行。
目前航天领域广泛使用的化学火箭发动机，对于完成航天器从地面向空间轨道的发射任务，还难以用其它动力装置代替。
但由于化学推进的比冲偏小，最大不超过4.6kN*s/kg，所以，如果对于航天器的轨道转移、轨道修正、姿态控制、对接交会、位置保持、南北轨控和星际航行等特殊任务仍然采用化学动力装置，那么就会使一直昂贵的航天器发射本钱居高不下，而且也会严重影响其使用寿命。
2.电推进器的优缺点优点：〔a〕效率高―――喷射离子速度远高于化学燃烧气体粒子速度；电推进技术的推进剂效率(或比冲) 是化学推进系统的几倍甚至几十倍〔b〕所需重量降低；〔c〕最终速度高〔化学推进剂： 5 km/s，电推动：10-20 km/s〕。
缺点：推力小，加速时间长，需要电源，二、推进器的任务✹轨道转移；✹遥感卫星的轨道调整和姿态控制；✹通讯卫星的轨道保持；✹深空探测；三、电推进简史1．国际电推动开展史☞第一次离子推动实验室实验By 1916 Goddard and his students were conducting perhaps the world's first electric propulsion experiments with ion sources. Four years later Goddard devoted passages of his technical reports to his EP experiments.☞第一次电推动飞行实验世界上首次电推进(脉冲等离子体推进) 空间飞行试验是前苏联于1962 年进展的；〔该次发射的意义：标志科学界已承受电推进技术，进入一个新的历史时期：不再是证明电推进是否有价值的时期，而是解决静电推进存在的问题。
等离子体物理学导论L课件
05 等离子体物理学 的挑战与前景
等离子体物理学的挑战
实验难度大
等离子体物理实验通常需要在极 端条件下进行，如高温、高压、 强磁场等，这给实验设计和实施
带来了很大的挑战。
理论模型复杂
等离子体是一种高度复杂的系统， 其理论模型涉及到多个物理过程和 相互作用，这使得理论分析变得非 常困难。
数值模拟难度高
描述等离子体中粒子的运 动规律。
碰撞理论
等离子体中粒子间的碰撞 过程和碰撞频率的计算。
03 等离子体的产生 与维持
高温等离子体的产生方式
核聚变
利用氢核聚变反应产生 高温等离子体，是实现 可控核聚变的关键步骤
。
核裂变
利用重核裂变反应产生 高温等离子体，是核能 利用的重要方式之一。
电弧放电
通过高电压、大电流产 生电弧放电，使气体加 热至高温等离子体状态
3
等离子体物理与地球科学的交叉
等离子体物理在地球科学中有广泛的应用，如电 离层和磁层的研究、太阳风和地球磁场的相互作 用研究等。
THANKS
感谢观看
等离子体在材料科学中的应用
总结词
等离子体在材料科学中广泛应用于表面处理、材料合成和刻蚀等领域，具有高效、环保 等优点。
详细描述
等离子体通过高能粒子和活性基团对材料表面进行轰击和化学反应，实现表面清洗、刻 蚀、镀膜和合成等功能。与传统的机械或化学方法相比，等离子体处理具有更高的效率
和更好的环保性。在金属、玻璃、塑料等各种材料的表面处理和加工中有广泛应用。
。
激光诱导
利用高能激光束照射气 体，通过激光与气体的 相互作用产生高温等离
子体。
低温等离子体的产生与特性
电晕放电
液晶电视与等离子电视教学内容
将显示图案分成若干单元 显示的像素电极（单元电极）分时施加驱动电压 适用于多位数的段型数字驱动
（2）多路寻址驱动
（3）无源矩阵驱动（简单矩阵寻址驱动）
点阵型电极 n 个行( X )电极与m 个列( Y )电极将 m×n 个交叉点构成的像素以 m + n 个电路实施驱动
L C D 驱 动 方 式
前基板
X（行）电极
Y（列）电极
表面放电型PDP荧光粉不处于离子轰击区，寿命长 容易实现单元工作特性的一致性 亮度和发光效率高（相对对向放电型）
☆ AC-PDP（三电极表面放电型/反射式）
气体放电
后基板
前基板
障壁
障壁
绝缘层
绝缘层
荧光体
荧光体
P D P 基 本 结 构
溶致液晶在显示技术中尚无应用
热致液晶
溶致液晶
热致液晶的基本类型
热致液晶
近晶型（Smectic）
向列型（Nematic）
胆甾（zai灾）型（Cholesteric）
特异型
近晶型（Smectic）液晶
热致液晶的基本类型
液晶分子呈二维有序性：分子排列成层状，层内分子长轴彼此平行而与层面垂直或相交，重心位于同一平面内，同一层内分子间距没有规则性，分子层相互堆砌，分子只能在层内运动而不能层间运动 近晶型液晶的粘度与表面张力都较大，对外界磁场、温度变化不敏感。
等离子体显示器(PDP) 基本结构与类型
P D P 基 本 结 构 与 类 型
1、PDP基本类型
PDP
DC-PDP
AC-PDP
对面放电型
表面放电型
AC/DC-PDP
三电极表面放电型（反射式）
两电极表面放电型（透射式）
等离子体化工导论第三部分
第六章介质阻挡放电等离子体及其应用本章介绍介质阻挡放电等离子体的产生、特点和应用，并根据这些应用介绍冷等离子体中的化学反应动力学问题的一般性研究方法。
6.1介质阻挡放电的产生介质阻挡放电是有绝缘介质插入放电空间的一种气体放电。
介质可以覆盖在电极表面或者悬挂在放电空间里，这样，当在放电电极上施加足够高的交流电压时．电极间的气体，即使在很高的气压下也会被击穿而形成所谓的介质阻挡放电。
这种放电表现为很均匀、散漫和稳定、貌似低气压下的辉光放电，但实际上它是由许多细微的快脉冲放电通道构成的。
通常放电空间的气体压强可达105Pa或更高。
这种放电又称为无声放电，典型的介质阻挡放电和间隙结构如图6－1所示。
这些电极间隙结构可以是平板，也可以是同轴圆柱型。
图6－1 介质阻挡放电位形介质阻挡放电中加入介质在两电极之间的目的避免在大气压，强电场中可能过分发展的电子雪崩过程，防止放电的不稳定性。
介质阻挡放电能够在很大的气压和频率范围内工作，常用的工作条件是气压104－106Pa，频率为50－106Hz。
虽然这种放电被开发和应用得比较广泛，可对它的研究还是近十几年的事。
6.2 介质阻挡放电的主要参量图6－2 空气中介质阻挡放电的照片介质阻挡放电的电流主要是流过微放电通道的。
放电的主要基本过程也是发生在微放电中的。
因此了解微放电是了解介质阻挡放电的关键。
典型的介质阻挡放电中微放电的主要特性如下表6.2、介质阻挡放电参数的估计电子密度和电子温度，电场强度，放电通道半径和寿命。
电子与中性粒子发生非弹性碰撞，使中性粒子发生电离、离解等；而电子与中性粒子发生弹性碰撞，则使中性粒子动能增加，从而使等离子体温度升高。
如果假设中性温度是完全受电子弹性碰撞的影响，()232e g eg e E k T T n σδν=-式中，σ为等离子体的电导率，它等于e e e e 2v m /n e λ；E 为电子的电荷；e λ为电子在气体中的自由程，它取决于等离子体各组分的浓度k n 和碰撞截面ek Q ，1k e ek k Q n -⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=∑λ； e v 为电子的热运动速度；e T 和g T 分别为电子及重粒子的温度；g e m /2m =δ为弹性碰撞中电子传出的那部分能量；e m 和g m 分别为电子及重粒子的质量；e e eg /v λν=为电子和重粒子的碰撞频率；e n 为电子的浓度。
等离子体
等离子体摘要等离子体是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质。
它的用途非常广泛．从我们的日常生活到工业、农业、环保、军事、宇航、能源、天体等方面，它都有非常重要的应用价值，并拥有广泛的应用前景。
主题词等离子体、环境1.基本概述等离子体又叫做电浆，是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，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。
等离子体是一种很好的导电体，利用经过巧妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。
等离子体物理的发展为材料、能源、信息、环境空间，空间物理，地球物理等科学的进一步发展提新的技术和工艺。
看似“神秘”的等离子体，其实是宇宙中一种常见的物质，在恒星（例如太阳）、闪电中都存在等离子体，它占了整个宇宙的99％。
现在人们已经掌握利用电场和磁场产生来控制等离子体。
例如焊工们用高温等离子体焊接金属。
2.分类2.1 按等离子体焰温度高温等离子体：温度相当于10~10 K完全电离的等离子体，如太阳、受控热核聚变等离子体。
低温等离子体：热等离子体：稠密高压（1大气压以上），温度10~10K，如电弧、高频和燃烧等离子体。
冷等离子体：电子温度高（10~10K）、气体温度低，如稀薄低压辉光放电等离子体、电晕放电等离子体、DBD介质阻挡放电等离子体、索梯放电等离子体等。
2.2按等离子体所处的状态(1)平衡等离子体：气体压力较高，电子温度与气体温度大致相等的等离子体。
如常压下的电弧放电等离子体和高频感应等离子体。
（2）非平衡等离子体：低气压下或常压下，电子温度远远大于气体温度的等离子体。
如低气压下DC辉光放电和高频感应辉光放电，大气压下DBD介质阻挡放电等产生的冷等离子体。
3.等离子技术的应用现状3.1等离子体冶炼用于冶炼用普通方法难于冶炼的材料，例如高熔点的锆(Zr)、钛(Ti)、钽(Ta)、铌(Nb)、钒(V)、钨(W)等金属；还用于简化工艺过程，例如直接从ZrCl、MoS、TaO和TiCl中分别获得Zr、Mo、Ta和Ti；用等离子体熔化快速固化法可开发硬的高熔点粉末，如碳化钨-钴、Mo-Co、Mo-Ti-Zr-C等粉末等离子体冶炼的优点是产品成分及微结构的一致性好，可免除容器材料的污染3.2等离子体喷涂许多设备的部件应能耐磨耐腐蚀、抗高温，为此需要在其表面喷涂一层具有特殊性能的材料。
2等离子体基础
方程的通解
( r ) u( r ) / r
������(������)
边界条件
������ ������
点电荷的势
B0
A
������ − ������ ������������
q 40
������ 德拜势 ������ ������ = ������������������������ ������
在德拜球内，粒子之间清晰地感受到彼此的存在，存在着以库仑碰 撞为特征的两体相互作用；在德拜长度外，由于其它粒子的干扰和 屏蔽，直接的粒子两体之间相互作用消失，带之而来的由许多粒子 共同参与的集体相互作用。
等离子体物理 李文君
1.4 等离子体的集体振荡
等离子体物理 李文君
32
1932 Nobel Prize in Chemistry in surface chemistry
等离子体物理 李文君
等离子体特征参量
1.粒子平均间距d 2.朗道长度λL
d n
α
Z Z e 2 4 0L
1/ 3
L
kT
3
β
3.经典条件
d
n T
1
等离子体物理 李文君
4.稀薄条件 Ek E p
L
Z Z e 2 40 kT
8
1.3 德拜屏蔽效应 Debye Shielding effect
等离子体物理 李文君
9
静电屏蔽 德拜屏蔽效应 等离子体中的德拜屏蔽效应
等离子体物理 李文君
10
静电屏蔽
等离子体物理 李文君
11
电 磁 学
静电平衡：导体内部电场为零、表面电场与导体表面垂直。 静电屏蔽：金属(良导体)对外加电场的屏蔽作用。
等离子体基本概念PPT课件
等离子体物理学科方向 主要研究内容
等离子体物理主要研究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它形态物质的相 互作用。
等离子体物理研究范围非常广泛：磁约束聚变等离 子体、惯性约束聚变等离子体、空间等离子体、天 体等离子体、低温等离子体、非中性等离子体、尘 埃等离子体、基础等离子体等
D 0Te / ne0e2
方程为 2(r) (r) / 0 / D2 q (r) / 0
方程的解 (r) q er /D 4 0 r
电荷屏蔽效应后中心电荷q的作用势，称
为屏蔽库仑势 参量 具D 有长度的量纲，称为德拜屏蔽长
度，它是反映电荷屏蔽效应的特征长度。
电荷屏蔽效应的特征长度意义
电子密度平衡分布可取势场为φ时的玻尔兹
曼分布
ne
n ee /Te e0
ne0为不受中心电荷影响时的电子密度, Te为电 子温度
电中性（初始）： Zni0 ne0
空间电荷分布
(r) ne0e(1 ee /Te ) q (r)
高温条件： e Te ee /Te 1 e / Te
(r) ne0e2 / Te q (r) 0 / D2 q (r)
等离子体物理学研究可促进低温等离子体技术在国 民经济各领域中广泛应用。等离子体处理加工技术 已成为一些重要产业（如微电子、半导体、材料、 航天、冶金等）的关键技术，而在灭菌、消毒、环 境污染处理、发光和激光的气体放电、等离子体显 示、表面改性、同位素分离、开关和焊接技术等方 面的应用已创造了极大的经济效益。
等离子体物理学研究开辟了由高技术开发的新领域。 非中性等离子体的研究产生了一批崭新的具有革命 性意义的高技术项目，如相干辐射源的研制和粒子 加速器新概念的提出。将在能源、国防、通讯、材 料科学和生物医学中发挥重要作用。对基本物理过 程的深入研究已成为推动这些技术取得突破性进展 的关键。
等离子体物理：课程总结
磁压力与磁张力
(
du dt
)
P
q
E
J
B
F f d
B2
cos
bd
0
B2
20
(en
)d
作用于某流体元 的磁力等效于：
B2
20
各向同性en
B d
B2 cos 0
F f d
B2
cos
bd
0
B2
20
(en
)d
均匀磁场中的小立方体受磁力情况
x
Lm 穿透深度
磁冻结效应
冻结方程
B
B t
(u B)
(u
B)
m
2
B
理想的导电流体
t
该方程的意义：磁场的变化如同磁力线粘附于流 体质元上，或者说，磁力线被冻 结在导电流体中。所以上面的方 程叫冻结方程。
命
任意流体曲面中的磁通不随时间改变，也 就是说，处于导电流体中的磁力线与流体
题： 质元黏附在一起，随着流体一起运动，或
cm-3
等离子体判据
等离子体存在满足下面三个条件
第一个条件：
即等离子体的德拜长度大于粒子间的平均距离，德拜屏蔽效应是大量 粒子的统计效应，统计条件要求德拜球内有大量的粒子，为此必须满 足此条件。
第二个条件：
即德拜长度远小于等离子体特征长度，由于在德拜球内不能保 证此电中性。所以不满足这个条件，就不可能把等离子体看作 电中性的物质聚集态。
p f (s ,A)
只有热应力
s
p
磁应力和热应 力同时起作用
非磁化等离子体中波：
朗缪尔波
2
2 pe
3 2
k
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。
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T 2T / m
fˆe
( )
3/
2 3 T
2 exp( T2
)
由于离子不受固体壁“浮动”电 位阻碍，所以没有积分下限vy0 的限制，同理得离子流密度为：
y方向
达到平衡时：
电子的温度越高，则 0 的绝对值越大。
鞘层厚度 等离子体电位
等离子体鞘层及电位 深入到等离子体内部的 任何物体表面附近都会 有一个鞘层，和德拜屏 蔽相同。
偏离电中性
偏离电中性
鞘层的产生
我们知道，电子质量比离子质量小得多，而热运动 的平均动能一般却是电子的比离子的大得多。即使 两者平均能量相等：
因为离子质量比电子质量 大得多，所以电子的均方 根速度比离子的均方根速 度大得多。
这样流向固体器壁的电子流 大大超过离子流，从而使固 体壁负电荷过剩，这样就得 到一个负电位，这个负电位 反过来又会阻碍电子流的扩 散，使离子流加速，最终会 使电子和离子的扩散速度相 同，这时电子流和离子流达 到平衡，使固体壁上负电位 数值不再改变，在固体壁到 电中性的等离子体之间，形 成一个电位逐渐过渡到零的 “边界电位过渡层”，这就 是鞘层。
2.在德拜球内，粒子之间清晰地感受到彼此的存在， 存在着以库仑碰撞为特征的两体相互作用；在德拜 球外，由于其它粒子的干扰和屏蔽，直接的粒子两 体之间相互作用消失，带之而来的由许多粒子共同 参与的集体相互作用。
2. 等离子体中电荷局部偏离电中性的空间尺度（准 中性条件L>>λD )
• 德拜球内的粒子数目ND=n λD3>>1 • 等离子体参量g=1/(nλD3)<<1，平均势能与平均自由
能之比的度量
徳拜长度
D
(
kTe 0
ne0e2
1
)2
D
69
Te[K ] ne[m3 ]
1/ 2 (m)
7430
Te[eV ] ne[m3 ]
1/
2
(m)
L >> D 等离子体判据之一!
等离子体概述
① 等离子体的形成及碰撞 ② 等离子体的准电中性 ③ 徳拜屏蔽 ④ 等离子体鞘层及电位 ⑤ 等离子作振荡 ⑥ 等离子体中的基本参数 ⑦ 等离子体判据
等离子体的准电中性
if 0
dE E x
dx 0
0
无论哪种带电粒子多于另一种都会使电荷受到静电作用力，即， 如果ni>ne，则电场E会促使ni减少，ne增加，而总电荷量趋于减 少。这种静电恢复力是极强的。
德拜长度的物理含义
1.等离子体对静电场的屏蔽半径即德拜长度(德拜半 径)。等离子体中任何一个带电粒子产生的静电势 将要受到周围电荷的屏蔽，其作用范围被限制在德 拜长度之内。
物理图像：密度扰动电荷分 离（大于德拜半径尺度）电 场驱动粒子(电子、离子)运动 “过冲”运动往返振荡
下面我们来求鞘层稳定 形成以后，电位Φ (y) 的 分布和鞘层的厚度。
鞘层厚度
设鞘层中电子密度和离子密 度，在位场 Φ (y) 作用下按 波尔兹曼分布：
而 Φ (y) 满足泊松方程：
如果考虑
ex 1 x； x 1
n(1 e ) n(1 e )
KTi
KTe
设
rsBiblioteka ne2 (0 KTine2 )1/ 2
子流密度（e为电子流密度， i 为离子流密度），即单位时
间通过单位面积的粒子数。先
计算电子流（y方向）：
e y n fe ()d
y
单位面积
f ()
式fe()为电子的麦克斯韦速度分布
函数。对于没有外场的热力学平衡
体系，麦克斯韦分布
fˆe
( )
3/
2 3 T
2 exp( T2
)
很显然这个分布
0
T 2T / m
热速度
函数满足归一化
条件，因为：
exp( x2 )dx 1/ 2
fˆm
( )d
3/ 2 3 T
exp[
(
2 x
2 y
T2
2 z
)
]d
x
d
y
d
z
1
y方向
积分限υy0是这样确定的：并非 所有飞向固体壁的电子都能达 到固体壁表面，只有能量大到 足以克服固体壁负电位所产生 的位势的电子，才能到达固体 壁，因此到达固体壁的最小动 能为：
等离子体鞘层
把一团等离子体放在固 体壁构成的容器中，就 会看到等离子体与固体 壁接触处，形成一个暗 区（不发光区），带负 电的薄层区，它把等离 子体包围起来，这一薄 层明显地偏离电中性， 我们把这一薄层称为等 离子体鞘层。
Sheath
Sheath
等离子体鞘层
PLASMA
基片
深入到等离子体内部的任何物体表面附近都会 有一个鞘层，和德拜屏蔽相同。
等离子体电位
d 2 dy2
rs2
0 ?
等离子体应用 等离子体诊断
电位0的计算
在等离子体内放置一固体，会有什么现象出现？
会有大量的电荷撞击固体表面， 由于电子的速度远大于离子的速 度，这样流向固体器壁的电子流 大大超过离子流， 到底有多少 电荷撞击固体表面呢？
y方向
首先计算射向固体壁表面的粒
0 KTe
d 2 dy2
rs2
( y) Ae y / rs Be y / rs
考虑到边界条件：
方程的解为： 由于Φ0是负的，上式表明电位分布是 从Φ0指数上升到零。其中鞘层的厚度
鞘层厚度rs和德拜长度λD相同，即rs=λD。
D
(
0KTi
ni e 2
)1/ 2
综上所述可见，温度越高，导致使电荷分离的粒子热运动 动能越大，所以鞘层的厚度越大。另外，粒子密度越大， 鞘层越薄。在一般放电管中，粒子的密度是足够大的，鞘 层的厚度远小于放电管的半径，所以管内主要部分为电中 性的等离子体。
Plasma Physics
等离子体概述
等离子体概述
① 等离子体的形成及碰撞 ② 等离子体的准电中性 ③ 徳拜屏蔽 ④ 等离子体鞘层及电位 ⑤ 等离子作振荡 ⑥ 等离子体中的基本参数 ⑦ 等离子体判据
等离子体的形成及碰撞
Dissociation: Ionization: Excitation: Recombination：
鞘层厚度
等离子体电位
等离子体概述
① 等离子体的形成及碰撞 ② 等离子体的准电中性 ③ 徳拜屏蔽及等离子体屏蔽 ④ 等离子体鞘层及电位 ⑤ 等离子作振荡 ⑥ 等离子体中的基本参数 ⑦ 等离子体判据
等离子作振荡
等离子在热平衡时是准电中性的.若 等离子体内部受到某种扰动而使其 中一些区域内电荷密度不为零 ,就 会产生强的静电恢复力，使等离子 体内的电荷分布发生振荡．这种振 荡主要是由电场和等离子体的流体 运动相互制约所形成的．