等离子体物理学导论L11
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【VIP专享】等离子体-第一部分
6、热等离子体中的化学过程及研究方法 7、当前等离子体的研究热点 8、等离子体的几种工业应用
学习方法： 1、加强大学物理和物理化学的知识 2、仔细作好课堂笔记，完成规定作业 3、大量阅读参考书和科技文献
A. B. 10C0C. . AD.D.A..99B. B. A.98C.B. D9.7CC.A.“.” DD.A..96 BB..A9.5C“”.B. D9.4C. C. D.A.DA.9. 3B. B. C92.C). AD. .9AD1. “.B‘’?. ”B. A9.0C“”.B. D8.9CC. . AD.D. .C88. B“”. A. A.8D7B. . B. 86C. AA.D.D. .8BB5.<.< 8C4C.. AD..D8. 3BCA... DA8..2“” B.BA.8.1C“”. B. AD.8.0C.B. AD7.9.C(). B. AD.7.8C.B. D77.C“C”.. AD.D. .76B“”C. . A.D. 75BC.. A. DA..74 BB. . A7.3C“”.B. 7D2“./C”C“.”. AD.D. . 71BC.. A.D7.0“”B“C”.“.A” . DA6..9“” ABB... 68BC“”..A6.7C“D”..B. D6.6C. D.DC. . B. A6. 5C. A. D. 6B4. C. A. D. 63CB..A. DA6..2“?” BB.A. . 61C.B. AD.6.C0. B. D5.•9CC. . AD.D.A.5.8B“”. B. A.57C. B. D5.6CC. . AD.D. . 55BC.. A.D.54BC. . A.DA..53B. B. 52CC. . AD.D.A.5. 1B. B. A.50C.B. D49.C“C”. .A. DD.A.B.4.8 B. A.47C.B. 4D6.“C”C“.”. AD.D. . 4A5B. . B. A.44C.B. AD.4.3C.B. D4.2CC. . AD.D.A.4.1“B” .B. 40C. AD.D. .39BC. . A.DA.3.8B“”. B. A3.7C“”. B. DA36. C“”. B.AD3. 5.C(). AB..D.34BC.. 33CD.. AD.D.. 32BC.. A.D.31B“C”.. A.D.30BC. . A.D. 29BC. . A.D. 28B. C. A.D. 27BC. . AA.D.1.2961B(1). B.1921C59. CA.1D92.14B7C. . A.D. 23BC. . A.D.22B“C”. . A.D. 21CBA.. D2. 0C“”.QAB.. 1D9.“??CB?..” A.D. 18BC.. A.DA..17B. B. 16C. D.DC.. B. A1. 5 D. C. B. A1. 4C. A.D.C13.B1.9 A. D.2102 B.D. C. B. A1. 1 D. C. B. A1.0A. B. C. D. “”“” 9 D. C. B. A.8 D. C. B.C. A7.“” A. D6.CB.. A. D.5B. D. C. B. A.4 D. C. B. A.3 D.“C.“”B.“A” .“” 2C. A. D.1B[.03]
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。
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。
等离子体物理学导论
装置尺寸、各种波动现象波长等 时间：响应时间、阿尔芬波渡越时间、
电阻扩散时间、能量约束时间、 各种波动周期等 Q: 量值可跨越几十个数量级，能否用统一的数学 描述方法描述这些不同的等离子体呢？
A: 表示各参数的相对量级关系的无量纲参数是解决问题的关键！ 例如：磁雷诺数：磁场对流项与磁扩散项之比、
等离子体beta参数：等离子体热压与磁压之比
• 等离子体响应时间
3)、德拜屏蔽概念成立的前提是： 德拜球内 存在足够多的粒子
nD3 1
也叫等离子体参数，是等离子体粒子间平均动 能与平均相互作用势能之比的一个度量.
等离子体判据小结：
判据一、等离子体存在的时空尺度 时间：必须远大于响应时间 空间：必须远大于德拜长度
t
>> pe
L >> D
E J 欧姆定律
eneE Fei 0 力的平衡：电场力=摩擦力Feimene ei (ue
ui )
me e
eiJ
摩擦力=单位时间内通过碰撞引起的动量交换
电阻 与 碰撞频率与等离子体振荡频率之比正相关
1.5、等离子体的描述方法 (经典、非相对论体系) 等离子体的各种时空尺度： 空间：德拜半径、电子回旋半径、离子回旋半径、
Newton方程： m dv/dt = q(E + v X B)
Maxwell方程组求出 带电粒子的电磁场
对应于当前迅速发展的粒 子模拟技术
缺点：自由度太多， 计算量极大
Laplace：Give me the initial data on the particles and I’ll predict the future of the universe
1.4 库仑碰撞 库仑碰撞频率 1.5 等离子体物理学研究和描述方法
电阻扩散时间、能量约束时间、 各种波动周期等 Q: 量值可跨越几十个数量级，能否用统一的数学 描述方法描述这些不同的等离子体呢？
A: 表示各参数的相对量级关系的无量纲参数是解决问题的关键！ 例如：磁雷诺数：磁场对流项与磁扩散项之比、
等离子体beta参数：等离子体热压与磁压之比
• 等离子体响应时间
3)、德拜屏蔽概念成立的前提是： 德拜球内 存在足够多的粒子
nD3 1
也叫等离子体参数，是等离子体粒子间平均动 能与平均相互作用势能之比的一个度量.
等离子体判据小结：
判据一、等离子体存在的时空尺度 时间：必须远大于响应时间 空间：必须远大于德拜长度
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E J 欧姆定律
eneE Fei 0 力的平衡：电场力=摩擦力Feimene ei (ue
ui )
me e
eiJ
摩擦力=单位时间内通过碰撞引起的动量交换
电阻 与 碰撞频率与等离子体振荡频率之比正相关
1.5、等离子体的描述方法 (经典、非相对论体系) 等离子体的各种时空尺度： 空间：德拜半径、电子回旋半径、离子回旋半径、
Newton方程： m dv/dt = q(E + v X B)
Maxwell方程组求出 带电粒子的电磁场
对应于当前迅速发展的粒 子模拟技术
缺点：自由度太多， 计算量极大
Laplace：Give me the initial data on the particles and I’ll predict the future of the universe
1.4 库仑碰撞 库仑碰撞频率 1.5 等离子体物理学研究和描述方法
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
计算等离子体物理第1章 绪论
之所以要回顾这些作为等离子体物理的出发点的原始概念，是因为等离子体物理的粒子
模拟正是从这些原始概念起步的。
1
刘悦，计算等离子体物理学，第 1 章 绪论
二、分布函数描述
在相空间 ( X, V ) 中定义分布函数 f (X, V) ，表示在点 ( X, V ) 附近小邻域 dXdV 中粒子
个数的平均值。函数 f 能给出统计意义下体系运动状态的完整的描述。这时，电磁场满足
即
∫ df互 ∼ σ f2 (X, V子弹 , V靶 )dV子弹
其中，σ 为碰撞因子。
对于通常中性气体，子弹粒子与靶粒子除了互碰的一瞬间之外，没有相互作用，所以其
各自的分布概率是相互独立的，即
f2 (X, V子弹 , V靶 )=f子弹 (X, V子弹 ) f靶 (X, V靶 )
(1-1-6)
当子弹和靶是同类粒子时， f2 不是一个独立的函数，于是方程(1-1-5)自身封闭，即为玻尔
BBGKY 链可以合理地在低阶上中断。
三、无碰撞条件，德拜屏蔽，伏拉索夫方程
方程(1-1-7)的最简单截断办法是令方程右端为零，得
∂fα ∂t
+ V ⋅ ∇fα
+ a ⋅∇V
fα
=
0
(1-1-8)
此即伏拉索夫方程，描述的是“无碰撞等离子体”。所谓无碰撞，并非没有相互作用。等离
子体的无碰撞概念需要稍加辨识。
Байду номын сангаас
⎞ ⎟ ⎠
=
V2 the
2ω
2 p
(1-1-10)
4
刘悦，计算等离子体物理学，第 1 章 绪论
1
其中， ωp
=
⎛ ⎜ ⎝
Nqi qe ε 0 me
物理类导论：等离子体物理与高新技术
讲究对称是中国传统文化之一，但等离子体在字的个数上明显与固体、气 体及液体不对称。“电浆”一词也与固体、液体及气体不对称，且不雅。 能否造出一个新词来表示plasma的中文含义？如（火+离）体？
等离子体与中性气体的区别
（1）等离子体是一种电离气体，还有带电的粒子，如电子和离子，但宏 观（整体）上又不显电性；
a. 温度： 电子温度、离子温度、中性粒子的温度 1个电子伏 (eV) = 11650K
b. 密度： 电子密度、离子密度、中性粒子的密度
准电中性条件： 电子密度 离子密度 = 等离子体密度
低温气体放电等离子体： 电子温度 1 – 10 eV 等离子体密度 108 – 1013 cm-3
聚变等离子体： 电子温度 1 – 20 keV 等离子体密度 1020 – 1025 cm-3
4. 在早期的容性耦合放电中，为单频电源驱动放电，而且电源的频 率为 f=13.56MHz。第一代等离子体刻蚀源。
5. 最近几年，出现的双频电源驱动放电，两个电源的频率不同，如： 60/2 MHz，27/2 MHz。两个电源可以施加在同一个电极或不同的 电极。
(b) 感性耦合
盘香形线圈
ICP source with planar coils
•离解过程 AB + e A + B + e
•弹性碰撞 A+ + e A +e
2、气体放电的类型
（1）DC glow discharges（直流放电） （2）RF glow discharges （射频放电） （3）Microwave discharges （微波放电）
1、直流辉光
阴极
等离子体
中性气体不含有带电的粒子，只含有一些中性的粒子，如原子分子。
等离子体与中性气体的区别
（1）等离子体是一种电离气体，还有带电的粒子，如电子和离子，但宏 观（整体）上又不显电性；
a. 温度： 电子温度、离子温度、中性粒子的温度 1个电子伏 (eV) = 11650K
b. 密度： 电子密度、离子密度、中性粒子的密度
准电中性条件： 电子密度 离子密度 = 等离子体密度
低温气体放电等离子体： 电子温度 1 – 10 eV 等离子体密度 108 – 1013 cm-3
聚变等离子体： 电子温度 1 – 20 keV 等离子体密度 1020 – 1025 cm-3
4. 在早期的容性耦合放电中，为单频电源驱动放电，而且电源的频 率为 f=13.56MHz。第一代等离子体刻蚀源。
5. 最近几年，出现的双频电源驱动放电，两个电源的频率不同，如： 60/2 MHz，27/2 MHz。两个电源可以施加在同一个电极或不同的 电极。
(b) 感性耦合
盘香形线圈
ICP source with planar coils
•离解过程 AB + e A + B + e
•弹性碰撞 A+ + e A +e
2、气体放电的类型
（1）DC glow discharges（直流放电） （2）RF glow discharges （射频放电） （3）Microwave discharges （微波放电）
1、直流辉光
阴极
等离子体
中性气体不含有带电的粒子，只含有一些中性的粒子，如原子分子。
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。
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
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
等离子体物理导论-单粒子运动1
及其他参数）无关。 电子和离子的漂移方向相 同。
与漂移粒子的性质（q,m,v
及其他参数）可能有关。 电子和离子的漂移方向不 一定相同。
力
2.2.3
重力场
FB D 2 qB
用一般力F代替qE，就能将结果运用到其 它力场；当F＝mg时。则漂移可表示为：
m gB vg q B2
用 B 叉乘上式，得到
vd B E
2
E B B (vd B) vd B B(vd B)
EB vd 2 B
进一步推广，上式上下乘
q
qE B F B vd 2 2 qB qB
这就是漂移速度的矢量形式
F
EB vd 2 B
与漂移粒子的性质（q,m,v 及其他
单粒子轨道运动
等离子体形成及碰撞
Plasma Formation
Dissociation: Ionization:
Processes in plasma
Excitation: Recombination：
徳拜屏蔽
电子的德拜长度： 离子的德拜长度：
D (
0 KTi
ni e 2
)1/ 2
德拜势 徳拜屏蔽λD的物理意义：
以这些超过1017致1020电子伏以上的高能微观粒子的 平均寿命，即使算上相对论的运动时慢或尺缩，都 不足以跨越星系间的距离，仿佛就是在虚空中凭空 生成，并专门射向我们的一样。
如何能约束炽热的等离子体？
把等离子体看成由大量独立的带电粒子组成
的集体，只讨论单个带电粒子在外加电磁场
中的运动，而忽略粒子间的相互作用。
y
vx v
2 c x
与漂移粒子的性质（q,m,v
及其他参数）可能有关。 电子和离子的漂移方向不 一定相同。
力
2.2.3
重力场
FB D 2 qB
用一般力F代替qE，就能将结果运用到其 它力场；当F＝mg时。则漂移可表示为：
m gB vg q B2
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vd B E
2
E B B (vd B) vd B B(vd B)
EB vd 2 B
进一步推广，上式上下乘
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这就是漂移速度的矢量形式
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与漂移粒子的性质（q,m,v 及其他
单粒子轨道运动
等离子体形成及碰撞
Plasma Formation
Dissociation: Ionization:
Processes in plasma
Excitation: Recombination：
徳拜屏蔽
电子的德拜长度： 离子的德拜长度：
D (
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ni e 2
)1/ 2
德拜势 徳拜屏蔽λD的物理意义：
以这些超过1017致1020电子伏以上的高能微观粒子的 平均寿命，即使算上相对论的运动时慢或尺缩，都 不足以跨越星系间的距离，仿佛就是在虚空中凭空 生成，并专门射向我们的一样。
如何能约束炽热的等离子体？
把等离子体看成由大量独立的带电粒子组成
的集体，只讨论单个带电粒子在外加电磁场
中的运动，而忽略粒子间的相互作用。
y
vx v
2 c x
等离子体物理-第六章-1
f (r dt ), ( a dt ), t dt drd f ( r , , t ) drd C ( f , f ) drd dt
§6•2 普遍的动力论方程
将上式左边在 (r , , t )点展开，得
左边＝ f (r , , t ) a 1 f dt d rd t r f f f f (r , , t )d rd dt d rd dt dt a t r
t
§6•3 Vlasov方程的严格导出
求系统量A需知道6N个状态初值并联解6N个微分方程—
—不可实现 1948年，吉布斯（ Gibbs）首先提出在统计物理学中采 用对系综的平均法代替对时间的平均 系综——是指与研究的真实系统在结构上和所处外界条 件上完全相同，但粒子运动状态不同的许许多多个假想 系统的集合 系综包含系统的个数是十分巨大的，它在空间中的代表 点好像形成一团“云” 一般用相点密度或系综分布函数来描述一个系综
f (r, , t ) 粒子密度分布函数
§6.1分布函数的引入
给定时刻每立方厘米内粒子的数目为：
n(r , t ) dx d y dz f (r , , t ) d f (r , , t )
3
如果分布函数按下式归一化：
3/ 2 2 2 ˆ fm (m / 2 KT ) exp( / th )
( 2 x 2 y 2 z )1/ 2
exp( x 2 )dx 得到 ˆ d d d 1 f m x y z
th (2KT / m)1/ 2
§6•2 普遍的动力论方程
将上式左边在 (r , , t )点展开，得
左边＝ f (r , , t ) a 1 f dt d rd t r f f f f (r , , t )d rd dt d rd dt dt a t r
t
§6•3 Vlasov方程的严格导出
求系统量A需知道6N个状态初值并联解6N个微分方程—
—不可实现 1948年，吉布斯（ Gibbs）首先提出在统计物理学中采 用对系综的平均法代替对时间的平均 系综——是指与研究的真实系统在结构上和所处外界条 件上完全相同，但粒子运动状态不同的许许多多个假想 系统的集合 系综包含系统的个数是十分巨大的，它在空间中的代表 点好像形成一团“云” 一般用相点密度或系综分布函数来描述一个系综
f (r, , t ) 粒子密度分布函数
§6.1分布函数的引入
给定时刻每立方厘米内粒子的数目为：
n(r , t ) dx d y dz f (r , , t ) d f (r , , t )
3
如果分布函数按下式归一化：
3/ 2 2 2 ˆ fm (m / 2 KT ) exp( / th )
( 2 x 2 y 2 z )1/ 2
exp( x 2 )dx 得到 ˆ d d d 1 f m x y z
th (2KT / m)1/ 2
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-第一章 绪论
B A
中性气体
无集体效应
A
B
q
等离子体 出现集体效应
2.准中性－－准中性是指等离子体中电子的密度基本 上等于正离子的密度， 即：ne≌ ni ≌ n(等离子体密度）
L
L线尺度（宏观尺度） ne≌ ni ≌ n 成立
l 微观尺度
l
ne≠ni ≠ n
l 的单位长度，m?,cm?.mm? L/10? L/100?
1.7
A e r
2 4 ne (
kTe
) 2r
1
很接近qT时,从物理上判断可知,电位应具有以下的形式:
qT r
qT e r
4 ne2 12 ( ) r kTe
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1.8
令:
kTe 2 4ne
2 D
D 称为Debye长度
qT r D e r
1.9
由于等离子体电荷对电场的屏蔽作用，局部电场的 有效范围限制在 D 的区域中，宏观整体上是电中 性的，在局部范围的微观上则是非中性的
4 3 N D n D 1 3
四、等离子体判据
3. p 1 或 p / c 1 是带电粒子与中性粒子之间的碰撞平均时 1 间, c 是带电粒子与中性粒子的碰撞频 率 p 1 表明带电粒子中电磁效应受中性 粒子碰撞干扰的影响小,集体效应可以充分 发挥 p 1 表明带电粒子还来不及振荡一次, 它的运动就受到中性粒子的碰撞而改变,因 此中性粒子碰撞产生的影响大
1.2
平衡状态下，电子在位场中的密度分布为：
ne ne
e
kTe
1.3
n为等离子体密度（未受扰动），Φ为电位，Te为电子 的温度电子达到新的平衡状态下，假定离子分布基本上 不受影响：
1-chap-1等离子体导论之一
表面温度 5780度 中心温度 约1500万度 日冕的平均温度为200万度
组成太阳的物质大多是些普通 的气体，其中氢约占71％, 氦 约占27％, 其它元素占2％
电子不受原子核束缚，太阳由高能电荷粒子组成
Solar wind 太阳风是以什么形式存 在？气体？
太阳风由高能 电荷粒子组成
2009日全食
主要参考书目
F. F. Chen:Introduction to Plasma Physics，
Plenum Press, New York，1974 F. F. Chen, 《等离子体物理导论》，人民 教育出版社，1980年； 马腾才、胡希伟、陈银华，《等离子体物 理原理》，中国科学技术大学出版社， 1988年； 李定等，《等离子体物理学基础》，高等 教育出版社，2006年。
• A plasma is a quasineutral gas of charged and neutral particles which exhibits collective behavior. F. F. Chen, Introduction to Plasma Physics and Controlled Fusion, Plenum Press, 1984
What is it?
Lightning
What is it?
等离子体 Plasma
宇宙中99.99％的物质是以等离 子体形式存在
物质世界主要以三 种形式存在：固态、 液态和气态？
Why
等离子体的应用范围广
等离子体辅助 加工具有极广 泛的工业应用
电子 化工 冶金 机械
薄膜沉积 等离子体聚合 微电路制造 工具硬化 超微粉的合成 等离子体喷涂 等离子体冶金 等离子体化工
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3.2.2 磁感应方程 欧姆定律：
上式是与流体元一起运动的参考系中 电场与电流的关系，E’是流体元静止 参考系中作用于流体元之上的电场； 在实验室坐标系中(电场E)，有：
(注意：电场大小与参考系的选取有关) 由此得到磁流体力学中的欧姆定律：
其中电导率代表电场驱动等离子体电流 的能力；理想情况下，电导率为无穷大。 即在流体元静止的坐标系中，等离子体 不能维持任何有限强度的电场. 理想MHD
热压张量：粒子热运动携带的动量密度流量
Pressure tensor
vuw n(r,t) fd3v
P(r,t) mwwfd3v
各向同性速度分布热压张量化为压强标量 对应的力称为：热压梯度力 The thermal pressure gradient force
4）热压梯度力的物理本质
是大量粒子的统计平均带来的作用力 仅仅施加于流体之上，单粒子不受此力 完全是粒子自由扩散引起的，与碰撞过程关！
场的贡献等 • 等离子体＝带电的流体 (电浆)，
磁化等离子体磁流体 • 磁流体力学
给出等离子体大量粒子的集体特征，如各 种宏观参数：密度、流速、温度等
• 流体理论暗含的假设： 微团内含有足够多的粒子，可进行统计平 均: 某些情况下假设：碰撞频繁、局域热平衡
高•温无、碰低撞密等度离子等体离能子否体用：磁流体力学描述 如太阳风：5 cm-3
该公式给出了磁流体中电磁场与流动之间 的关系。应用该公式，可以： (1) 估算MHD中电场和磁场能量之比 (2) 忽略Maxwell方程组中的位移电流项
( v<<c ) (3)(3) 推导新的磁感应方程
Q： • 由法拉第定律求散度，可 得磁场散度不随时变， 磁场散度为零的条件是多 余的吗？ • 准中性如何与有源性自洽?
忽略电子惯性项后,得到的电场的表达式 (广义欧姆定律)
3）Lorentz 力可以做功，为什么？
(1) 电子洛仑兹力通过电场进入离子方程， 该力与电子速度垂直，与离子速度可以不 垂直；
4）热压梯度力的物理本质
(1) 来自于流体的粘性, 对于气体及等离子 体, 粘性来自于气体扩散引起的动量输运
下面将从粒子运动的角度探讨质量和 动量守恒方程的导出 密度量 A 及其相应的流量 A v : 控制体元内某物理量密度的时间变化由 该物理量流量密度(flux density)的散度 与其它外加的源项因素决定：
空间尺度 >> 离子回旋半径
MHD研究低速、低频(Байду номын сангаас慢变化)、 大尺度的物理过程
3.2 磁流体力学基本方程组 3.2.1 动量方程： 考虑了洛仑兹力的双流体方程：
质子质量是电子质量的1837倍，设可忽略上式 中的电子惯性项，将二式求和：
由双流体动量方程合并而来的单流体 即磁流体的动量方程. 这里, 忽略电子 惯性, 因而离子作为磁流体的质量 载体承受了本来作用于电子上的各种 力项 ?
1、一般需同时知道散度和旋度，才能完全确定 矢量场
2、必须由磁场的散度为零给出初条件 3、磁场散度方程可用来减少磁场变量 4、求出电场后，可进一步验证准中性条件太
阳大气中的电荷扰动密度，例如：仅占背景 大气密度的10-20 （可参照下页实例）
所以空间等离子体中准中性高精度成立，但 所具有非常微量的电荷分离，足以产生所需 的行星际电场, 维系电子-质子体系的电中性.
将粒子的微观热运动的能量转化为定向加速运 动的宏观动能
例如：热的向冷的扩散情况、密度不变 总能量为热运动动能与整体宏观流体动能之和
能量守恒要求：所有粒子的平均热运动动能减 少，必然带来宏观流速的增加
Parker的太阳风是热驱动的太阳风，加 速能量主要来自于日冕等离子体的高温
Parker’s solutions for the solar wind.
磁力线：线上任一点的切向为磁场方向 磁力线方程: dx/Bx = dy/By = dz/Bz 磁通量管(magnetic flux tube)：
磁场位形的基本单元 building blocks
MHD的适用条件：
• 低速运动：远小于光速 • 流体近似成立，不研究粒子的行为 所研究问题的时间尺度 >> 离子回旋周期
MHD中的准中性假设与电场的有源性共存： ne= ni
二者并不矛盾： 例如：估算行星际空间太阳风中的电场及相应 的净电荷密度, 大约10个太阳半径处,
等离子体准中性条件在宏观上几乎精确成立 求电场，一般不使用泊松方程，这是由于 净电荷的计算不够准确，没有精度可言； 电场可由电子的运动方程求解
无经典库仑碰撞；但有各种输运过程： 波动、湍流、不稳定性等构成很强的 等效碰撞
磁场对等离子体的重要性： 1、力的作用：可以加速等离子体 2、储存能量，适当条件下会释放 产生如耀斑、 CME等现象 3、可以约束高能粒子、等离子体，为粒子运 行提供通道 4、可产生热毯(a thermal blanket)效应：例 如日珥、暗条（在磁力的保护下，可比周围 物质冷十至百倍） 5、不稳定性过程、产生波动现象：阿尔芬波
Introduction to Plasma Physics 等离子体物理学导论
第11讲
物理与探测研究中心 2009.3 – 2009.6
第三章 磁流体力学 Magnetohydrodynamics
3.1 磁流体力学概述
单粒子运动无法描述等离子体的集体行为 • 一般必须考虑粒子间的碰撞、粒子对电磁
1）磁流体动量方程实际上还是原质子的 受力方程,但其中没有出现电场力的作用， 为什么？
准中性近似，使得电场力作为内力互相 抵消; 这使得电子压强梯度力,电子洛仑兹力 作用于离子之上!
2）等离子体 (质量主体) 受到 总压强梯度力的作用 请问：电子分压是如何作用到离子之上的？
电场力作为磁流体(电子流体+质子流体)中的内力
积分形式：控制体内总量的变化由 总的表面净流量及其它源项决定
注意， A可以是标量，也可以是矢量； 如果A是矢量，则Q也是, Av便是张量。
气体粒子的运动速度为: u是粒子运动速度，平均为v v 是宏观平均速度，即流体元速度 w是微观热运动速度，平均为零
流量：flux
动量流量：momentum density flux