一、等离子体基本原理
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-
德拜屏蔽鞘层 设想在等离子体中插入一电极，试图在等离子体中建立电场
电子将向电极处移动，离子则被排斥，电极所引入的电场仅局限 在较小尺度的 “鞘层” 中
静电势满足 Poisson 方程：
2
e
0
ne
ni
热平衡时电子、离子密度满足 Boltzmann 分布：
ne x vne0eex vkTe ni x vni0eex vkTi
blue yellowwhite
blue
Positive Column
Red-pink red-brown dark-red blue-purple
whitegreen pink red-yellow red-yellow red-yellow
-
介质阻挡放电（DBD- ）
滑动电弧放电等离子体
-
激光
等离子体应用技 术
-
参考教材： 1. 等离子体技术与应用 许根慧等 化学工业出版社 2.等离子体技术及应用 赵青 刘述章 童宏辉 国防工业出版社
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目录
等离子体基本原理 等离子体的化学行为 等离子体发生技术 介质阻挡放电等离子体技术与应用 电晕和辉光放电等离子体技术与应用 微波放电等离子体技术与应用 等离子体在薄膜制备中的应用 等离子体在高分子化学中的应用 等离子体显示技术 等离子体在隐身技术中的应用 等离子体应用技术进展
-
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)
核聚变反应
D + T = n + 4He D + T = p + 3He
-
聚变等离子体
实现聚变的三种途径
-
聚变等托离卡子马体克装置( JET )
-
美国激光聚变装置
-
美国国家点火（NIF）激光聚变装置
-
激光聚变电站
-
神光I- I、星光II激光聚变装置
1.1.2 等离子体是物质第四态
固体 冰
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：
Q V
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
(V)
40r
30
被推进净负电荷小球区域的一个电子所得到的能量可由
液体 水
气体
水汽
等离子体
电离气体
00C
1000C
100000C
温度
-
放电是使气体转变成等离子体的一种常见形式
普通气体
等离子体
放电 需要有足够的电离度的电离气体才具有等离子体 性质。
“电性”比“中性”更重要 ( 电离度 >10-4 ) -
1.2 等离子体特征
1.2.1 等离子体的整体特征 等离子体是一种导电流体。 对于洛仑兹等离子体，把等离子体看作微观粒子
-
1.1.1 等离子体存在处： 宇宙中90％物质处于等离子体态。由地球表面
向外，等离子体是几乎所有可见物质的存在形式， 它与众所周知的物质三态也就是气态、液态、固 态并列称为物质的第四态,即等离子体态。如大气 外侧的电离层、日地空间的太阳风、太阳日冕、 太阳内部、星际空间、闪电、极光、星云及星团， 毫无例外的都是等离子体。
上式的静电位乘以电荷得到：
U
eV
r2e2n
30
此能量仅来自与有限的动力学温度T有关的动能
U 1KT 1eT 22
可得到与电中性的相对偏离： n 3T 0
- n 2er 2n0
1.2.3 等离子体鞘层
特征响应时间：τp＝ λ D/vT
＋
－
屏蔽层厚度：德拜长度 λD
在等离子体中引入电场，经过一定的时间，等离子体中 的电子、离子将移动，屏蔽电场——德拜屏蔽
Βιβλιοθήκη Baidu
ne0ni0n0
当 ekT e1， ekT i <<1，有
2n00e1keT een001ke Ti n0e02
＋
－
在等离子体内部，正、负电荷数几乎相等——准中性 ne ni
-
就等离子体本身而言，它具有变成为电中性的强烈 倾向，故离子和电子的电荷密度几乎相等，此种情况称 为准中性，是带相反电荷粒子间的强电作用的结果。
等离子体中电荷分离仅可能由外加电场或等离子体 本身的内能（热能）来维持，可由等离子体动力学温度 维持的对电中性的最大偏离估算出来。
-
第一章 等离子体基本原理
1.1 等离子体概念：由大量的带电的正粒子、负粒子（其中包括正离 子、负离子、电子、自由基和各种活性基团等）组成的集合体， 其中正电荷和负电荷电量相等，故称等离子体。
注意： 非束缚性：异类带电粒子之间相互“自由”，等离子体的 基本粒子元是正负荷电的粒子（电子、离子），而不是其 结合体。 粒子与电磁场的不可分割性：等离子体中粒子的运动与电 磁场（外场及粒子产生的自洽场）紧密耦合，不可分割。 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。
-
霓虹灯
-
太阳等离子体喷流
-
电晕放电实例
-
部分气体辉光放电的颜色
Gas
Cathode Layer
He Ne(neo
n) Ar Kr Xe H2 N2 O2 Air
red yellow pink
red-brown pink red pink
Negative Glow
pink orange dark-blue green orangegreen thin-blue
的集合，可以把等离子体的整体导电率σ写为
e2ne 1 mevce
-
对于电子只与每个电荷数均为z的带电粒子碰撞的 情况，等离子体整体电导率σs为
s
51.602()12(kTe)32
e2z me ln
ln 为库仑对数， lnln12z(2e03knTe1e2)32
-
1.2.2 等离子体的准电中性
德拜屏蔽鞘层 设想在等离子体中插入一电极，试图在等离子体中建立电场
电子将向电极处移动，离子则被排斥，电极所引入的电场仅局限 在较小尺度的 “鞘层” 中
静电势满足 Poisson 方程：
2
e
0
ne
ni
热平衡时电子、离子密度满足 Boltzmann 分布：
ne x vne0eex vkTe ni x vni0eex vkTi
blue yellowwhite
blue
Positive Column
Red-pink red-brown dark-red blue-purple
whitegreen pink red-yellow red-yellow red-yellow
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介质阻挡放电（DBD- ）
滑动电弧放电等离子体
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激光
等离子体应用技 术
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参考教材： 1. 等离子体技术与应用 许根慧等 化学工业出版社 2.等离子体技术及应用 赵青 刘述章 童宏辉 国防工业出版社
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目录
等离子体基本原理 等离子体的化学行为 等离子体发生技术 介质阻挡放电等离子体技术与应用 电晕和辉光放电等离子体技术与应用 微波放电等离子体技术与应用 等离子体在薄膜制备中的应用 等离子体在高分子化学中的应用 等离子体显示技术 等离子体在隐身技术中的应用 等离子体应用技术进展
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空间天体等离子体 什么保护了地球：等离子体
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空间天体等离子体
北极光
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空间天体等离子体
逃离太阳的等离子体
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空间天星体系等：离巨子体大的聚变反应堆
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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)
核聚变反应
D + T = n + 4He D + T = p + 3He
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聚变等离子体
实现聚变的三种途径
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聚变等托离卡子马体克装置( JET )
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美国激光聚变装置
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美国国家点火（NIF）激光聚变装置
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激光聚变电站
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神光I- I、星光II激光聚变装置
1.1.2 等离子体是物质第四态
固体 冰
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
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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：
Q V
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
(V)
40r
30
被推进净负电荷小球区域的一个电子所得到的能量可由
液体 水
气体
水汽
等离子体
电离气体
00C
1000C
100000C
温度
-
放电是使气体转变成等离子体的一种常见形式
普通气体
等离子体
放电 需要有足够的电离度的电离气体才具有等离子体 性质。
“电性”比“中性”更重要 ( 电离度 >10-4 ) -
1.2 等离子体特征
1.2.1 等离子体的整体特征 等离子体是一种导电流体。 对于洛仑兹等离子体，把等离子体看作微观粒子
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1.1.1 等离子体存在处： 宇宙中90％物质处于等离子体态。由地球表面
向外，等离子体是几乎所有可见物质的存在形式， 它与众所周知的物质三态也就是气态、液态、固 态并列称为物质的第四态,即等离子体态。如大气 外侧的电离层、日地空间的太阳风、太阳日冕、 太阳内部、星际空间、闪电、极光、星云及星团， 毫无例外的都是等离子体。
上式的静电位乘以电荷得到：
U
eV
r2e2n
30
此能量仅来自与有限的动力学温度T有关的动能
U 1KT 1eT 22
可得到与电中性的相对偏离： n 3T 0
- n 2er 2n0
1.2.3 等离子体鞘层
特征响应时间：τp＝ λ D/vT
＋
－
屏蔽层厚度：德拜长度 λD
在等离子体中引入电场，经过一定的时间，等离子体中 的电子、离子将移动，屏蔽电场——德拜屏蔽
Βιβλιοθήκη Baidu
ne0ni0n0
当 ekT e1， ekT i <<1，有
2n00e1keT een001ke Ti n0e02
＋
－
在等离子体内部，正、负电荷数几乎相等——准中性 ne ni
-
就等离子体本身而言，它具有变成为电中性的强烈 倾向，故离子和电子的电荷密度几乎相等，此种情况称 为准中性，是带相反电荷粒子间的强电作用的结果。
等离子体中电荷分离仅可能由外加电场或等离子体 本身的内能（热能）来维持，可由等离子体动力学温度 维持的对电中性的最大偏离估算出来。
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第一章 等离子体基本原理
1.1 等离子体概念：由大量的带电的正粒子、负粒子（其中包括正离 子、负离子、电子、自由基和各种活性基团等）组成的集合体， 其中正电荷和负电荷电量相等，故称等离子体。
注意： 非束缚性：异类带电粒子之间相互“自由”，等离子体的 基本粒子元是正负荷电的粒子（电子、离子），而不是其 结合体。 粒子与电磁场的不可分割性：等离子体中粒子的运动与电 磁场（外场及粒子产生的自洽场）紧密耦合，不可分割。 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。
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霓虹灯
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太阳等离子体喷流
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电晕放电实例
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部分气体辉光放电的颜色
Gas
Cathode Layer
He Ne(neo
n) Ar Kr Xe H2 N2 O2 Air
red yellow pink
red-brown pink red pink
Negative Glow
pink orange dark-blue green orangegreen thin-blue
的集合，可以把等离子体的整体导电率σ写为
e2ne 1 mevce
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对于电子只与每个电荷数均为z的带电粒子碰撞的 情况，等离子体整体电导率σs为
s
51.602()12(kTe)32
e2z me ln
ln 为库仑对数， lnln12z(2e03knTe1e2)32
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1.2.2 等离子体的准电中性