等离子体物理实验.ppt
等离子体实验
一、等离子体-物质第四态如果给物质施加显著的高温或通过加速电子、加速离子等给物质加上能量，中性的物质就会被离解成电子、离子和自由基。
不断地从外部施加能量，物质被离解成阴、阳荷电粒子的状态称为等离子体。
将物质的状态按从低能到高能的顺序排列依次为固体、液体、气体,等离子体。
等离子体是宇宙中物质存在的一种状态,称为物质第四态.其中含有电子、离子、激发态粒子、亚稳态粒子、光子等,既有导电性又可用磁场控制,而且能为化学反应提供丰富的活性粒子,总体上是电中性的导电气体。
自然界中，等离子体普遍存在，地球大气外层的电离层、太阳日冕、恒星内部、稀薄的星云和星际气体都存在等离子体，地球上自然存在的等离子体虽不多见，但在宇宙中却是物质存在的主要形式，估计宇宙中有99%以上的物质以等离子体的形式存在。
二、等离子体的产生获得等离子体的方法和途径是多种多样的。
通常把在电场作用下气体被击穿而导电的物理现象称之为气体放电，如此产生的电离气体叫做气体放电等离子体。
人们对气体放电的研究己有相当长的一段历史，目前世界各国有很多研究者正从各个方面研究和发展气体放电。
现代气体放电的研究大致可分为两个发展时期:第一个时期是1930年左右，人们从理论上集中对各种气体放电的性质进行了分析和研究，Langmuir首次提出等离子体(plasma)的概念[1] Tonks L, Langmuir I. Oscillations in ionized gases. Phys.Rev., 1929, 33(2):195-210，即由电子、离子和中性原子组成的宏观上保持电中性的电离物质;第二个时期是1950年左右，人们对受控热核反应的研究。
近年来，随着微电子、激光、材料的合成与改性等高新技术的发展，气体放电得到了越来越广泛的研究与应用。
运用气体放电获得等离子体是一种直接、有效的方法。
迄今为止，人们在实验室和生产实践中产生了各式各样的气体放电形式。
按工作气压的不同，气体放电可分为低气压放电和高气压放电;按激励电场频率的不同，可分为直流放电、低频放电、高频放电和微波放电;按放电形式及形成机制可分为汤森放电、辉光放电、弧光放电、电晕放电和介质阻挡放电等。
等离子体物理实验
等离子体物理实验等离子体物理实验是研究等离子体性质和行为的重要手段。
通过模拟和观察等离子体的特性，科学家们可以深入探索等离子体的基本原理，以及其在能源、天体物理、材料科学等领域的应用。
本文将介绍等离子体物理实验的基本原理、常用实验装置以及一些实验应用案例。
1. 实验原理等离子体是一种由正负电荷载体（离子与电子）构成的高度电离气体。
在等离子体中，因为粒子存在高度离散性，电子与离子之间的碰撞频率较高，从而产生了等离子体特有的物理化学性质。
等离子体物理实验的基本原理是通过提供足够的能量，将一部分气体原子或分子电离成正离子和电子，从而形成等离子体。
2. 实验装置（1）等离子体发生器：等离子体发生器是产生等离子体所必需的设备。
常见的等离子体发生器包括离子注入器、等离子体泵、等离子体枪等。
这些装置可以通过提供高能电子束或离子束来电离气体，进而产生等离子体。
（2）等离子体诊断仪器：等离子体物理实验中，准确地测量和监测等离子体的参数是十分重要的。
常用的等离子体诊断仪器有等离子体探测器、光谱仪、电子能量分析仪等。
这些设备可以用于测量等离子体的温度、密度、成分等参数。
（3）真空系统：等离子体物理实验需要在真空环境中进行，以确保等离子体的稳定性和减少气体分子与等离子体之间的碰撞。
真空系统包括真空泵、真空阀门等设备，用于将实验装置中的气体抽取出来，创建合适的真空环境。
3. 实验应用（1）能源研究：等离子体在磁约束核聚变技术中有重要应用。
通过利用高温等离子体的特性，可以实现核聚变反应，从而释放出巨大的能量。
这一能源形式被广泛研究，被认为是未来清洁能源的可能选择之一。
（2）材料科学：等离子体处理技术在材料表面改性、薄膜沉积等方面有广泛应用。
例如，通过等离子体刻蚀技术，可以制备微纳米级别的器件结构；而利用等离子体喷涂技术，则能获得高质量的涂层。
（3）天体物理学：等离子体在恒星、星际介质等天体物理中起着重要作用。
通过模拟和实验，科学家们可以探索等离子体在星际空间中的行为，从而揭示宇宙中的等离子体物理过程。
等离子体基本概念.ppt
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电子等离子体振荡频率 ：
pe n0e2 / me0
pe 与等离子体的密度、电子质量、电荷
有关，
pe 等离子体的特征频率 振荡周期 1/ pe
等离子体准电中性的特征时间。
2019-10-31
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离子等离子体振荡
如果出现离子的电荷涨落，它在静电力的作用下 也会向其原来的电中性平衡位置运动，产生离子 等离子体振荡或简称离子振荡。
2019-10-31
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3
等离子体物理的影响与作用
认识和掌握各种条件下等离子体运动规律是人类 认识宇宙中各种现象的基本前提。 等离子体物理是提供太阳、恒星、行星际介质和 银河系知识的基石之一。
等离子体物理研究为人类解决能源问题带来希望。 因为实现核聚变能利用，需改善约束和加热等离 子体的方法。因此，掌握高温等离子体的运动规 律是实现受控核聚变的关键。
2019-10-31
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等离子体定义（统一的 ）
必须指出，并非任何带电粒子组成的体系 都是等离子体，只有具备了等离子体特性 的带电粒子体系，才可称为等离子体。
电子等离子体振荡特征时间：
pe 1/ pe
作为等离子体宏观时间尺度。 因为 p，e 电子等离子体振荡总是存在； 仅当 pe ，空间电荷、空间电场等的时间 平均都为0，因此，电子等离子体振荡特征 时间是衡量等离子体准电中性的时间下限。
2019-10-31
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等离子体广泛存在于宇宙空间（从电离层到宇宙深 处的可见物质几乎都是电离状态），宇宙空间的可 见物质99%是等离子体。地球表面几乎没有自然存 在的等离子体。只有闪电、气体放电等实验室中出 现的电离气体，即等离子体。
等离子体物理学导论ppt课件
3、等离子体响应时间： 静态等离子体的德拜长度，主要取决于低温成分的德 拜长度。在较快的过程中，离子不能响应其变化，在 鞘层内不能随时达到热平衡的玻尔兹曼分布，只起到 常数本底作用，此时等离子体的德拜长度只由电子成 份决定。 等离子体的响应时间： 1)、建立德拜屏蔽所需要的时间 2)、等离子体对外加电荷扰动的响应时间 3)、电子以平均的热速度跨越鞘层空间所
)1/ 2 , lD
(lD2i
l ) 2 1/ 2 De
提示：
A1：是的，排空同号电荷，调整粒子密度 A2: 低温成份(稳态过程)、
由电子德拜长度决定(短时间尺度运动过程)
4、德拜屏蔽是一个统计意义上的概念，表现在上述推导过程
中使用的热平衡分布特征，电势的连续性等概念成立的前
提是： 德拜球内存在足够多的粒子
德拜屏蔽概念的几个要点： 1、电屏蔽、维持准中性 2、基本尺度：空间尺度 3、响应时间：时间尺度 4、统计意义：等离子体参数
等离子体概念成立的两个判据： 时空尺度、统计意义
后面还有一个，共同保障集体效应的发挥！
三、 等离子体Langmuir振荡： 等离子体振荡示意图
x=0
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 往返振荡等离子体最重要的本征频率： 电子、离子振荡频率
1. 捕获与约束 逃逸与屏蔽 (反抗约束) 由自由能与捕获能平衡决定! 德拜长度: 1、随数密度增加而减小，即更 小范围内便可获得足够多的屏蔽用的粒子
2、随温度升高而增大：温度代表粒子 自由能，零温度则屏蔽电子缩为薄壳
德拜屏蔽是两个过程竞争的结果: 约束与逃逸 (反抗约束) 屏蔽与准中性 由自由能与相互作用能平衡决定!
消除流行的错误的温度概念: 荧光灯管内的电子温度为20,000K 日冕气体温度高达百万度,却烧不开一杯水
等离子体物理学课件
等离子体的基本性质
电磁性质
• 等离子体在电场和磁场下的行为 • 等离子体的电导率和介电常数
动力学性质
• 等离子体的输运过程 • 等离子体的热力学性质
等离子体在天体物理中的应用
恒星爆炸中的等离子体
讨论等离子体在恒星爆炸和体的研究
探索行星际空间中等离子体的特性和影响
2 等离子体在新能源领域的应用
讨论等离子体技术在太阳能和风能等新能源技术中的应用
3 等离子体在生物医学中的应用
介绍等离子体在癌症治疗和生物材料领域的发展和研究进展
结语
展望等离子体物理学的未来，谢谢阅读！
等离子体物理学课件
本课件将介绍等离子体的基本概念、产生方式、基本性质，以及在天体物理、 实验室研究和前沿领域中的应用。
等离子体的基本概念
• 解释等离子体的概念 • 比较等离子体与其他物态的差异
等离子体的产生
1 切割/焊接技术中的等离子体
探讨等离子体在金属切割和焊接过程中的作用和产生方式
2 等离子体的发光现象
等离子体的实验室研究
1
实验室设备简介
介绍用于研究等离子体的实验室设备，
等离子体实验的基本技术
2
包括等离子体发生器和诊断工具
讨论实验中的主要技术，如等离子体
控制和诊断方法
3
等离子体实验的数据分析方法
介绍分析实验数据的常见方法，以及 结果的解释
等离子体学的前沿领域
1 等离子体在核聚变中的应用
探索等离子体在核聚变反应中的重要性，并解释其在未来能源领域的潜力
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
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漂移麦克斯韦分布和粒子束分布
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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
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dN dv dN
v
Ndv
N
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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
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第二节 动力学方程
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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
)
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麦克斯韦速率分布曲线
f()
o
等离子体物理实验
等离子体（Plasma）是一种由自由电子和带电离子为 主要成分的物质形态，广泛存在于宇宙中，常被视为 是物质的第四态，被称为等离子态，或者“超气态”。 等离子体具有很高的电导率，与电磁场存在极强的耦 合作用。等离子体是由克鲁克斯在1879年发现的， 1928年美国科学家欧文·朗缪尔和汤克斯（Tonks）首 次将“等离子体（plasma）”一词引入物理学，用来 描述气体放电管里的物质形态。严格来说，等离子是 具有高位能动能的气体团，等离子的总带电量仍是中 性，借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 的的自由电子。
P=40Pa U=338V I=2.5mA
Te 4.7 105 K
P=40Pa U=415v I=5.5mA
Te 1.4105 K
实验原理
低气压放电可分为三个阶段：暗放电、辉光放电和电 弧放电。经典直流低气压放电在正常辉光放电区有如 下区域：阿斯顿暗区、阴极辉光区、阴极暗区、阴极 区、负辉光区、法拉第暗区、正电柱、阳极辉光区和
阳极暗区。
二.实验内容
等离子的I—V特性测定 气体击穿电压与电极间距的关系研究 验证帕邢定律 探针法测电子温度 等离子体的发射光谱研究
三.实验步骤
抽真空：
A．检查仪器的完整性，连接好所有管路，安装好放电管部件 B．将高压输出电源线接至放电管两端的正负极板 C．检查水箱里有无冷却水，接通总电源 D．打开总电源开关 E．关闭电子流量计，打开隔膜阀，并依次接通冷却水电源，真空泵
电源，抽真空，接通电阻真空计电源 F．打开转子流量计，调节气体流量到一定值，调节隔膜阀，稳定工
作气压，开高压，将工作选择打到辉光放电测量 G．缓慢调节高压调节，记录辉光放电和电流的测量结果绘制I—V曲
等离子体实验
一、等离子体-物质第四态如果给物质施加显著的高温或通过加速电子、加速离子等给物质加上能量，中性的物质就会被离解成电子、离子和自由基。
不断地从外部施加能量，物质被离解成阴、阳荷电粒子的状态称为等离子体。
将物质的状态按从低能到高能的顺序排列依次为固体、液体、气体,等离子体。
等离子体是宇宙中物质存在的一种状态,称为物质第四态.其中含有电子、离子、激发态粒子、亚稳态粒子、光子等,既有导电性又可用磁场控制,而且能为化学反响提供丰富的活性粒子,总体上是电中性的导电气体。
自然界中，等离子体普遍存在，地球大气外层的电离层、太阳日冕、恒星内部、稀薄的星云和星际气体都存在等离子体，地球上自然存在的等离子体虽不多见，但在宇宙中却是物质存在的主要形式，估计宇宙中有99%以上的物质以等离子体的形式存在。
二、等离子体的产生获得等离子体的方法和途径是多种多样的。
通常把在电场作用下气体被击穿而导电的物理现象称之为气体放电，如此产生的电离气体叫做气体放电等离子体。
人们对气体放电的研究己有相当长的一段历史，目前世界各国有很多研究者正从各个方面研究和开展气体放电。
现代气体放电的研究大致可分为两个开展时期:第一个时期是1930年左右，人们从理论上集中对各种气体放电的性质进展了分析和研究，Langmuir首次提出等离子体(plasma)的概念[1] Tonks L, Langmuir I. Oscillations in ionized gases. Phys.Rev., 1929, 33(2):195-210，即由电子、离子和中性原子组成的宏观上保持电中性的电离物质;第二个时期是1950年左右，人们对受控热核反响的研究。
近年来，随着微电子、激光、材料的合成与改性等高新技术的开展，气体放电得到了越来越广泛的研究与应用。
运用气体放电获得等离子体是一种直接、有效的方法。
迄今为止，人们在实验室和生产实践中产生了各式各样的气体放电形式。
按工作气压的不同，气体放电可分为低气压放电和高气压放电;按鼓励电场频率的不同，可分为直流放电、低频放电、高频放电和微波放电;按放电形式及形成机制可分为汤森放电、辉光放电、弧光放电、电晕放电和介质阻挡放电等。
等离子体物理
等离子体物理：等离子体物理是研究等离子体的形成及其各种性质和运动规律的学科。
宇宙间的大部分物质处于等离子体状态。
发展历史19世纪以来对于气体放电的研究、20世纪初以来对于高空电离层的研究，推动了等离子体的研究工作。
从20世纪50年代起，为了利用轻核聚变反应解决能源问题，促使等离子体物理学研究蓬勃发展。
研究方法：等离子体物理学已发展成为物理学的一个内容丰富的新兴分支。
由于等离子体种类繁多、现象复杂、而且应用广泛，对这一物质状态的研究，正方兴未艾，从实验、理论、数值计算三个方面，互相结合，向深度和广度发展。
（1）实验研究用实验方法研究等离子体有如下特点。
对于天然的等离子体，即天体、空间和地球大气中出现的等离子体，人们不可能用地面上实验室中的一般方法主动地调节实验条件或加以控制，而主要只能通过各种日益增多的天文和空间观测手段,如光学、射电、X射线以及现代的高空飞行器和人造卫星──“空间实验室”，来接收它们所发射的各种辐射（包括各种粒子）。
根据大量的观测结果，并在天体物理学和空间物理学的认识基础上，依靠已建立的等离子体物理理论和已有的各项基本实验数据，进行分析和综合，方能深入地认识这些天然等离子体的现象、本质、结构、运动和演化的规律。
要研究或利用各种人造的等离子体，必须先把它们制造出来；而要制造任何一种新的等离子体或者扩展它的性能参量，又往往必须对它先有一定的认识。
由此可见，对于人造等离子体，只能采取边制造边研究，研究和制造循环结合、逐步前进的办法。
例如，受控核聚变等离子体的研究，就是通过一代又一代的实验装置，来产生具有特定性能的等离子体，逐步提高它们的温度和约束程度。
而每一代装置的设计，又必须在已有等离子体实验的基础上，通过理论方面的外推和定量演算，加以确定。
特别是较大类型装置的建造，必须立足于各项经过试验的、成熟的工程技术，辅之以必需和能够及时开发出来的单项新技术，例如强流电子束和离子束技术。
装置建成后，实验的第一步是使用各种仪器手段，对装置中产生的等离子体进行测量；测量数据要按照已有的理论进行处理，以得出装置中等离子体具体形成过程和现象细节性质的定性和定量的结果，这些就是等离子体诊断学的内容。
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1—阿斯顿暗区 2—阴极辉光区 3—阴极暗区 4—负极辉光区 图片5fro—m《法等离拉子第体有暗关性区质的6测—量系正列实柱验区》高雪辰 7—阳极辉光区
伏安特性
极板间距=69mm 10.0Pa
电压一定Biblioteka 气压放电电流粒子数
9.8Pa
9.6Pa 7.4Pa
气压一定
电压
放电电流
定性分析
内容丰富，探究方向多：磁场、唯象
参考文献
[1]复旦大学物理教学实验中心 [2]高雪辰 复旦大学物理系《等离子体有关性 质的测量系列实验》 [3]维感基谢乐百永科康、吴义正老师的指导和张枫同学的帮助！ [4]严伟，刘文正，李成柳（北京交通大学电
Thank you !
• 报告人：张译文 • 2010级 物理系 • 10300190081
等离子体物理实验
• 报告人：张译文 • • 2010级物理系
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0K
温度
气态 液态 固态 等离子体
实验目的：
电子
放电电流-电压
离子
中性粒子
击穿电压
密度、D温H度2—00—5探型针直流辉光等离子体实验准装中置性
光谱
集体效应
图片from
击穿电压 —帕邢定律
[ C、a—常数，γ —二次发射系数]
粒子速度
斜率随管内气压增大而增大
击穿电压
静电探针诊断
极板间距=67
14 379V 1.16
光谱
7•63离.5 子浓度分布及玻璃管对光吸收 • 自吸收 • 非热平衡
826.5
伏安特性 击穿电压 温度密度 光谱
总结
可重复性不强： 条件调节精度低 电压等不稳定 等离子放电改变自身状态 影响等离子体性质的因素很多