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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。
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。
等离子体物理与核聚变优秀PPT
这其中特别是欧洲的JET已经实现了氘、氚的聚变反应。1991年11月，JET将 含有14%的氚和86%的氘混合燃料加热到了摄氏3亿度，聚变能量约束时间达2秒。 反应持续1分钟，产生了1018个聚变反应中子，聚变反应输出功率约1.8兆瓦。 1997年9月22日创造了核聚变输出功率12.9兆瓦的新记录。这一输出功率已达到 当时输入功率的60%。不久输出功率又提高到16.1兆瓦。
核能----未来能源的选择
矿物能源不仅造成各种污染和“温室效应”，而且大约在200年之内，石油、 煤和天然气资源都有枯竭之虞。从长远来看，核能将是继石油、煤和天然气之后 的主要能源，人类将从“石油文明”走向“核能文明”。
世界上的每一种物质都处于不稳定状态，有时会分裂或合成，变成另外的物质。 物质无论是分裂或合成，都会产生能量。由两个氢原子合为一个氦原子，就叫核聚 变，太阳就是依此而释放出巨大的能量。大家熟悉的原子弹则是用裂变原理造成的， 目前的核电站也是利用核裂变而发电。
世界上第一个全超导托卡马克 EAST
由于核心装置都是全超导非圆截面托卡马克，我们的EAST被同行们称为“小 ITER”。
未来的核聚变电站
人类的发展，即是追求梦想的旅程。 不久的将来，一颗“人造小太阳”将在地球上冉冉升起。
蓝湖绿岛
欢迎您再次参观美丽的科学岛
l 1升海水 = 300升汽油 l 1克氘氚 = 8 吨 汽油 l 地球表面海水含氚1018吨
可控核聚变研究
核聚变要在粒子的温度要达到1～2亿度才行，这
地球上原子弹爆炸时可以达到这个温度。用核聚变原理造出来的氢弹就是靠先 爆发一颗核裂变原子弹而产生的高热，来触发核聚变起燃器，使氢弹得以爆炸。
中国科学院等离子体物理研究所中国科学院等离子体物理研究所科研简介中国科学院等离子体物理研究所科研简介遵照敬爱的周恩来总理关于受控热核反应研究应当两条腿走路百家争鸣的指示中国科学院于1973年2月建立了合肥受控热核实验站并于1978年9月成立了等离子体物理研究所成为中国科学院唯一从事核聚变研究的大科学工程性研究所
核能----未来能源的选择
矿物能源不仅造成各种污染和“温室效应”，而且大约在200年之内，石油、 煤和天然气资源都有枯竭之虞。从长远来看，核能将是继石油、煤和天然气之后 的主要能源，人类将从“石油文明”走向“核能文明”。
世界上的每一种物质都处于不稳定状态，有时会分裂或合成，变成另外的物质。 物质无论是分裂或合成，都会产生能量。由两个氢原子合为一个氦原子，就叫核聚 变，太阳就是依此而释放出巨大的能量。大家熟悉的原子弹则是用裂变原理造成的， 目前的核电站也是利用核裂变而发电。
世界上第一个全超导托卡马克 EAST
由于核心装置都是全超导非圆截面托卡马克，我们的EAST被同行们称为“小 ITER”。
未来的核聚变电站
人类的发展，即是追求梦想的旅程。 不久的将来，一颗“人造小太阳”将在地球上冉冉升起。
蓝湖绿岛
欢迎您再次参观美丽的科学岛
l 1升海水 = 300升汽油 l 1克氘氚 = 8 吨 汽油 l 地球表面海水含氚1018吨
可控核聚变研究
核聚变要在粒子的温度要达到1～2亿度才行，这
地球上原子弹爆炸时可以达到这个温度。用核聚变原理造出来的氢弹就是靠先 爆发一颗核裂变原子弹而产生的高热，来触发核聚变起燃器，使氢弹得以爆炸。
中国科学院等离子体物理研究所中国科学院等离子体物理研究所科研简介中国科学院等离子体物理研究所科研简介遵照敬爱的周恩来总理关于受控热核反应研究应当两条腿走路百家争鸣的指示中国科学院于1973年2月建立了合肥受控热核实验站并于1978年9月成立了等离子体物理研究所成为中国科学院唯一从事核聚变研究的大科学工程性研究所
等离子体基本概念.ppt
可以证明，在一定条件下，等离子体中带 电粒子间的多体碰撞，可以近似地等于二 体碰撞叠加。
2019-10-31
谢谢你的关注
25
在等离子体中，粒子速度方向经一次碰撞就偏转 90°的几率很小，每次碰撞偏转很小角度几率很 大。因此在等离子体中，通过大量小角度散射积 累到大的偏转比只经过一次散射就得到大的偏转 大几十倍。小角度散射是主要的！
2019-10-31
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27
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。
2019-10-31
谢谢你的关注
23
2019-10-31
谢谢你的关注
24
等离子体中带电粒子间的相互作用是屏蔽 库仑势，力程为德拜屏蔽长度。
带电粒子的相互作用分成了两部分：
德拜球外：长程库仑作用，集体行为
德拜球内：的短程库仑作用，“库仑碰撞”
“库仑碰撞”总是一个带电粒子同时与大 量其它带电粒子相“碰撞”
2019-10-31
谢谢你的关注
7
在等离子体中考察任一个
带电粒子，由于它的静电
场作用，在其附近会吸引
异号电荷的粒子、同时排
斥同号电荷的粒子，从而
在其周围会出现净的异号
“电荷云”，这样就削弱
了这个带电粒子对远处其
他带电粒子的作用，这就 是电荷屏蔽现象。因此在
+
等离子体中，一个带电粒
子对较远处的另一个带电
电荷分布： (r) Znie nee q (r)
(r) e2(ne0 / Te ni0Z 2 / Ti ) q (r)
0 / D2 q (r)
2019-10-31
谢谢你的关注
25
在等离子体中，粒子速度方向经一次碰撞就偏转 90°的几率很小，每次碰撞偏转很小角度几率很 大。因此在等离子体中，通过大量小角度散射积 累到大的偏转比只经过一次散射就得到大的偏转 大几十倍。小角度散射是主要的！
2019-10-31
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27
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。
2019-10-31
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23
2019-10-31
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24
等离子体中带电粒子间的相互作用是屏蔽 库仑势，力程为德拜屏蔽长度。
带电粒子的相互作用分成了两部分：
德拜球外：长程库仑作用，集体行为
德拜球内：的短程库仑作用，“库仑碰撞”
“库仑碰撞”总是一个带电粒子同时与大 量其它带电粒子相“碰撞”
2019-10-31
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7
在等离子体中考察任一个
带电粒子，由于它的静电
场作用，在其附近会吸引
异号电荷的粒子、同时排
斥同号电荷的粒子，从而
在其周围会出现净的异号
“电荷云”，这样就削弱
了这个带电粒子对远处其
他带电粒子的作用，这就 是电荷屏蔽现象。因此在
+
等离子体中，一个带电粒
子对较远处的另一个带电
电荷分布： (r) Znie nee q (r)
(r) e2(ne0 / Te ni0Z 2 / Ti ) q (r)
0 / D2 q (r)
等离子体PPT幻灯片课件
高温等离子体：高度电离的等 离子体，离子温度和电子温度 都很高。
3
4
2、怎样产生等离子体？
等离子体的形成
固体 液体 气体 等离子体
能量
能量
能量
物质的四种状态
5
方法1：对于气态的物质，温度升高到几千度 时，由于物质分子的热运动的加剧，相互间的 碰撞就会使气体的分子产生电离，这样的物质 就变成正离子和电子组成的混合物等离子体。 方法2：
14
等离子体隐身技术
方法一：是利用等离子体发生器产生等离子体，即在 低温下，通过电源以高频和高压的形式提供的高能量 产生间隙放电、沿面放电等形式，将气体介质激活、 电离形成等离子体。 方法二：是在兵器特定部位（如强散射区）涂一层放 射性同位素，它的辐射剂量应确保它的a射线电离空气 所产生的等离子体包层具有足够的电子密度和厚度， 以确保对雷达波有最强的吸收。与前者相比，后者比 较昂贵且维护困难。
15
独特的优点:
(1)吸波频带宽、吸收率高、隐身效果好．使用简便、 使用时间长、价格极其便宜； (2)俄罗斯的实验证明，利用等离子体隐身技术不但不 会影响飞行器的飞行性能．还可以减少30%以上的飞 行阻力。
存在难点:
(1)飞行速度对等离子体的影响; (2) 等离子体是一项十分复杂 的系统工程，涉及到大 气等离子体技术、电磁理论与工程、空气功力学、机 械与电气工程等学科，具有很强的学科交叉性。
6
各种等离子体的密度和温度
7
等离子体工业生产模型
低温等离子体的建立系统;水平式和垂直式
产生低温等离子体系统
8
等离子体主要用于以下3方面：
•离子体冶炼：用于难于冶炼的材料，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 等离子体获得Zr、Mo、Ta和Ti；可开发硬的高熔点粉末， 如碳化钨-钴。 •等离子体喷涂：用等离子体沉积快速固化法可将特种材 料粉末喷入热等离子体中熔化，并喷涂到基体（部件）上 ，使之迅速冷却、固化，形成接近网状结构的表层，这可 大大提高喷涂质量。
3
4
2、怎样产生等离子体？
等离子体的形成
固体 液体 气体 等离子体
能量
能量
能量
物质的四种状态
5
方法1：对于气态的物质，温度升高到几千度 时，由于物质分子的热运动的加剧，相互间的 碰撞就会使气体的分子产生电离，这样的物质 就变成正离子和电子组成的混合物等离子体。 方法2：
14
等离子体隐身技术
方法一：是利用等离子体发生器产生等离子体，即在 低温下，通过电源以高频和高压的形式提供的高能量 产生间隙放电、沿面放电等形式，将气体介质激活、 电离形成等离子体。 方法二：是在兵器特定部位（如强散射区）涂一层放 射性同位素，它的辐射剂量应确保它的a射线电离空气 所产生的等离子体包层具有足够的电子密度和厚度， 以确保对雷达波有最强的吸收。与前者相比，后者比 较昂贵且维护困难。
15
独特的优点:
(1)吸波频带宽、吸收率高、隐身效果好．使用简便、 使用时间长、价格极其便宜； (2)俄罗斯的实验证明，利用等离子体隐身技术不但不 会影响飞行器的飞行性能．还可以减少30%以上的飞 行阻力。
存在难点:
(1)飞行速度对等离子体的影响; (2) 等离子体是一项十分复杂 的系统工程，涉及到大 气等离子体技术、电磁理论与工程、空气功力学、机 械与电气工程等学科，具有很强的学科交叉性。
6
各种等离子体的密度和温度
7
等离子体工业生产模型
低温等离子体的建立系统;水平式和垂直式
产生低温等离子体系统
8
等离子体主要用于以下3方面：
•离子体冶炼：用于难于冶炼的材料，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 等离子体获得Zr、Mo、Ta和Ti；可开发硬的高熔点粉末， 如碳化钨-钴。 •等离子体喷涂：用等离子体沉积快速固化法可将特种材 料粉末喷入热等离子体中熔化，并喷涂到基体（部件）上 ，使之迅速冷却、固化，形成接近网状结构的表层，这可 大大提高喷涂质量。
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ppt课件
v
sin2 sin2 0
B
B0
Bm
B0
sin2 0
磁镜
W W const W//
v
v//
Loss Cone
sin2 0c
B0 Bmc
0a 0c , 则Bmc Bma
临界投射角 0 c
c arcsin 1/
sin2 c B0 / BM 1/ 0 c 粒子被反射，约束在两 磁镜中 0 c 粒子穿过两磁镜，可能 逃逸
y
1
2
rc
rL
r
0
rL B B
r rc rL v vd vL v//
vdB
W qB 3
B B
曲率漂移
vdRc
FRc B qB2
mv/2/ qB2
Rc B Rc2
mv/2/ qB2
B
bˆ Rc2
bˆ
梯度＋曲率联合漂移
vB c
m qB4
(v/2/
v2 2
)
B
(
dB 0 dt
. . .B
. .
.r .
.
. ..
.
2rE
dB dt
ds
dB r2
dt
缓变
漂移方向沿径向，向内
E r dB 2 dt
vdBt
r 2B
dB dt
收缩或向外扩张的螺旋 线。
非均匀电场
非均匀电场
Finite-larmor-radius Effect
非均匀电场
运动主体仍为回旋运动，叠加上电场漂移、电 场不均匀性导致的速度扰动；
可视为对原EXB漂移的修正项；
修正项与电场垂直方向的二阶微商相关； 电漂移修正项与粒子种类(回旋半径)有关电荷 分离电场。
sin2 sin2 0
B
B0
Bm
B0
sin2 0
磁镜
W W const W//
v
v//
Loss Cone
sin2 0c
B0 Bmc
0a 0c , 则Bmc Bma
临界投射角 0 c
c arcsin 1/
sin2 c B0 / BM 1/ 0 c 粒子被反射，约束在两 磁镜中 0 c 粒子穿过两磁镜，可能 逃逸
y
1
2
rc
rL
r
0
rL B B
r rc rL v vd vL v//
vdB
W qB 3
B B
曲率漂移
vdRc
FRc B qB2
mv/2/ qB2
Rc B Rc2
mv/2/ qB2
B
bˆ Rc2
bˆ
梯度＋曲率联合漂移
vB c
m qB4
(v/2/
v2 2
)
B
(
dB 0 dt
. . .B
. .
.r .
.
. ..
.
2rE
dB dt
ds
dB r2
dt
缓变
漂移方向沿径向，向内
E r dB 2 dt
vdBt
r 2B
dB dt
收缩或向外扩张的螺旋 线。
非均匀电场
非均匀电场
Finite-larmor-radius Effect
非均匀电场
运动主体仍为回旋运动，叠加上电场漂移、电 场不均匀性导致的速度扰动；
可视为对原EXB漂移的修正项；
修正项与电场垂直方向的二阶微商相关； 电漂移修正项与粒子种类(回旋半径)有关电荷 分离电场。
一、等离子体基本原理ppt课件
时间尺度要求：等离子体碰撞时间、存在时间远大于特
征响应时间
p,p
( D )1/2
kTe/me
等离子体参数：在德拜球中粒子数足够多，具有统计意 义
1 , 4n 0D 2 ( T 3 /n 0 ) 1 /2
.
1.4 等离子体分类
天然等离子体
按存在分类
人工等离子体
完全电离等离子体
.
空间天体等离子体 什么保护了地球：等离子体
.
空间天体等离子体
北极光
.
空间天体等离子体
逃离太阳的等离子体
.
空间天星体系等：离巨子体大的聚变反应堆
.
等离子体参数空间
温度 (度)
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)
地球上，人造的等离子体也越来越多地出现在我们的周围。 日常生活中：日光灯、电弧、等离子体显示屏、臭氧发 生器 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 高技术应用：托卡马克、惯性约束聚变、氢弹、高功率 微波器件、离子源、强流束、飞行器鞘套与尾迹
.
聚变等离子体
一个密度几乎相等，每立方米n0个粒子的电子和单 电荷正离子构成的含能等离子体，在半径为r的球形区域 内，此体积内的静电能由其所包围的剩余电荷量决定， 此球表面的静电位为：
V Q
4 0r .
Q=eδn，为球内静电荷，其中e为电子电荷，此时球表
面的静电位为
V
4r3
3
en
r2en
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
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动能与势能
• 从等离子体密度可以估算粒子之间的平均 距离： L n1/3
• 在这个距离上，带电粒子之间的势能为
e2 4 0L
• 而粒子的动能是与温度有关的，作为等离 子体，一般来说，其动能要比势能大得多。
温度与速度分布
• 等离子体的温度常用能量 T 表示，如：
1eV 11600K
• 处于平衡态的等离子体常常具有分布，即 • 对于非分布的f 等n离2m子T体32，exp只(有12mT有v2效) 的动力
对于等离子体的描述方法
• 1. 单粒子运动 • 仅考虑带电粒子在电磁场中的运动，不考虑带电
粒子运动对电磁场的影响。 • 方法简单直观，但不自洽，无法求出电磁场的变
化 • 2. 磁流体力学 • 将等离子体视为受磁场作用的流体，同时考虑流
体的流动使磁场产生的变化。 • 结果是自洽的，但等离子体需保持电中性和高导
• 空间物理：高层大气、电离层、磁层、行星际空 间、太阳日冕、太阳光球及内部，恒星，星际等， 空间环境是人类活动的新领域，空间天气与人类 生活越来越紧密地联系在一起。
• 能源需求：主要是受控热核聚变。磁约束、惯性 约束。
• 工业技术：等离子体电视、化学、冶金、表面处 理、金刚石人工合成、镀膜、焊接、灯具
• 对流体进行描述，考察各个物理量随着时间的变 化，常用的是欧拉法，即考察固定的地点上物理 量随时间的变化（偏微分），另外一种方法是拉 格朗日法，是考察固定的物质上的物理量随时间 的变化（全微分）。因为物质是移动的，因此不 但随时间变化，也随空间变化。
• 全微分与偏微分的关系
d d x , v d x , d v
• 等离子体的感性认识：是部分或完全电离了的气 体，它的行为受电磁场影响。
• 温度是导致物质状态变化的关键参量，等离子体 是物质继固态、液态、气态之后的第四种状态。
气体电离
• 气体温度升高导致电离，从而形成等离 子体态。
• 等离子体的复合率为a n i n e 这里 a 是常
系数 • 只要气体有1%的电离，其行为就会由电
学温度：
T1n(mv2)f dv
等离子体的各种存在
• 等离子体的参 数范围很大， 温度跨越了约7 个量级，密度 跨越约25个量 级，这么大的 范围类，等离 子体物理都是 适用的。
等离子体的各种存在方式
• 虽然等离子体在日常生活中不象固态、液态、气 态物质那样常见，但事实上，自然界99%以上的 物质是等离子体。遥远的恒星包括太阳都是以等 离子体形式存在。行星际、磁层、电离层都是等 离子体态的物质。大气中的闪电、高温火焰也是 等离子体。极光、霓虹灯、闪电、电弧光、火焰 等都是等离子体。等离子体的参数范围很大，温 度跨越了约7个量级，密度跨越约25个量级，这 么大的范围类，等离子体物理都是适用的。
• 4. 动理学理论 • 通过等离子体中电子和离子各种成分的速度分布
函数完整描述等离子体的状态。对带电粒子加速、 反射等现象能够很好地描述。
• 需要解的信息太多，求解复杂。称为等离子体的
流体的欧拉描述和拉格朗日描述
• 等离子体描述中，除了非自洽的单粒子运动理论， 都将等离子体当作流体或相空间的流体处理。
d t t d t
d t d t t
流体中的线段元
• 流体中一段长度元 l r2 r1，经过时间之
后，新的长度元满足
• l r2 r1 r2 v(r2 )t r1 v(r1)t
l v(r2 ) v(r1) t l l vt
dl l v dt
d x ( dt )x
ex
1988
• T. J. M. & J. J. , , & ., 1969
电子书籍
等离子体的概念和参数范围
• 等离子体从广义上说，是泛指一些具有足够能量 的自由的带电粒子，其运动以受电磁场力作用为 主的物质，从这个意义上来说，半导体、电解液 都是等离子体。但一般相对专门性地是指电离了 的气体，当然它的行为是以带电粒子和电场磁场 自恰地相互作用为主导。
磁场主导。 • 等离子体的温度和电子（离子）密度是
它的重要参量。
• 方程描述了温度与电离度（电离和复合达到平衡）的
关系。
neni ei
2
me
T3/2
Ei
e T
n0 0
h3
• 这里是电子和离子的密度，是中性粒子的密度，h是 常数，k是常数。 , , 分别是电子、离子和中性粒子的 统计权重，对氢(H)来说分别是2，2，1，而 是电离 能，对于H原子为13.6。
古人对等离子体物质的认识
• 易经中有“离”卦，代表 太阳，位置在东方，亦代 表火，代表光明。
• 五行中的“火”也具有等 离子体物质的特征。
• 古希腊哲学家认为火是构 成世界万物的四种元素之 一。
• 自古人们就认识到等离子 体是构成世界的重要的物 质。
等离子体物理的重要应用
• 等离子体研究的生长点：空间等离子体，能源相 关的等离子体，工业技术相关的等离子体物理
等离子体物理学
2015.9
相关书籍
• 课本 • 李定，陈银华，马锦绣，杨维纮，等离子体物理学，高等教育出版社，
2006。 • 参考文献 • 杜世刚 等离子体物理，原子能出版社，1988 • R. , , & ., 1983 • . J. J. , , . , 2003 • A. , , , 1997 • 金尚宪 徐家鸾 等离子体物理学，原子能出版社，1980 • A. , W. , , 有中文译本。 • , F. F. . 2 . , 1984. 有中文译本。 • 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，
(x )v
x
vx x
r
1
流体的连续性方程
• 描述流体密度的基本方程是连续性方程 • 假设等离子体没有产生（电离）、没有消
电性，以至于无须考虑电场的影响。仅适合处理 低频长波的变化，因而被称为等离子体宏观理论 。
对于等离子体的描述方法
• 3. 多成分流体与电磁场相互作用 • 对于每种带电粒子视为是一种流体，等离子体由
多种流体成分组成，同时与电磁场发生自洽的相 互作用。
• 电子和离子可以分离，允许静电场存在，可以处 理高频或短波长的问题，但要求同一种流体的速 度分布不是远ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ平衡态的。