等离子体物理及应用

等离子体物理及应用科大，2002年12月14日刘万东中国科学技术大学近代物理系什么是等离子体？•由大量的带电粒子组成的非束缚态的宏观体系–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）的运动紧密耦合，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。等离子体是物质第四态固体冰液体水气体水汽等离子体电离气体温度00C1000C100000C电离气体是一种常见的等离子体放电是使气体转变成等离子体的一种常见形式等离子体电离气体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)宇宙中90％物质处于等离子体态•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。因而，天然等离子体就只能存在于远离人群的地方，以闪电、极光的形式为人们所敬畏、所赞叹。•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，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、星云及星团，毫无例外的都是等离子体。宇宙中90％物质处于等离子体态•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、飞行器鞘套与尾迹密度(cm-3)温度(度)太阳核心磁约束聚变霓虹灯北极光火焰闪电日冕氢弹星际空间荧光气体液体固体人类居住环境惯性聚变星云太阳风等离子体参数空间等离子体物理学科发展简史•19世纪30年代起–放电管中电离气体，现象认识–建立等离子体物理基本理论框架•20世纪50年代起–受控热核聚变–空间技术–等离子体物理成为独立的分支学科•20世纪80年代起–气体放电和电弧技术发展应用–低温等离子体物理发展等离子体物理研究领域•低温应用等离子体•高温聚变等离子体•空间和天体等离子体等离子体分类冷等离子体Te≠Ti,Ta热等离子体Te＝Ti,Ta电弧、碘钨灯极光、日光灯电子温度100000C1eV聚变、太阳核心高温等离子体低温等离子体在等离子体中引入电场，经过一定的时间……..德拜(Debye)屏蔽等离子体特性＋－＋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——德拜屏蔽德拜(Debye)屏蔽等离子体特性－屏蔽层厚度：德拜长度lD特征响应时间：tp＝lD/vT＝1/wp＋在等离子体内部，正、负电荷数几乎相等——准中性neni准中性等离子体特性－等离子体基本条件•空间尺度要求：等离子体线度远大于德拜长度lDL•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ttp•集合体要求：在德拜球中粒子数足够多，具有统计意义ND＝ne(4plD3/3)1非磁化等离子体中波动1.离子声波：离子运动，低频，与普通声波类似，纵波2.电子等离子体波：电子运动，高频，纵波3.电磁波：横波，等离子体可视为介质，折射率n1，小于等离子体频率的波不能传播等离子体波iiesmTTCk/3/w222/3kmTeepeww＝22/1wwpen无线电波在电离层的反射截止层：f=fc=9ne1/2等离子体波磁化等离子体中波动1.Alfen波：低频波，等离子体与磁场冻结在一起，相当于弹性介质：2.平行于磁场传播的波：左旋偏振波、右旋偏振波3.垂直于磁场传播的波：寻常波、异常波等离子体波2/1002)/(/nmBVkiAw冷等离子体应用•等离子体的化学过程–刻蚀–化学气相沉积（成膜）•等离子体材料处理–表面改性–表面冶金•光源–冷光源（节能）低温等离子体应用纳米尺度上针尖状表面特征类金刚石表面制造实验室与日本原子力所先进科学研究中心合作，开展了非平衡薄膜表面制造的研究，成功第地制备了纳米尺度的针状表面、波纹表面，树枝状表面、正弦表面等表面结构，其中波纹表面，是应用薄膜生长过程的自组织过程中直接形成的。（J.Chem.Phys.116,10458，2002）纳米尺度上波纹状表面树枝状表面大面积正弦表面毫米级厚金刚石片制备研究应用PCVD方法开展金刚石模制备研究开展了多年，对制备过程中物理化学及工艺过程进行了系统研究。可以稳定地制备高质量毫米量级厚度的金刚石片，并用金刚石膜加工成金刚石电子热沉片，热导率高达7.6W/(k·cm)，可用于大功率电子器件。（PhysicsofPlasma,5,1541,1998、J.Phys.D,31,3327,1998、J.Vac.Sci.Tech.A，20,941,2002）纯金刚石片（直径30mm）半透纯金刚石热沉片10x10mm2带Si衬底的金刚石厚膜金刚石质量表征热等离子体应用•高温加热–冶金、焊接、切割•材料合成、加工–陶瓷烧结、喷涂、三废处理•光源–强光源低温等离子体应用等离子体军事及高技术应用•军事应用–等离子体天线、等离子体隐身、等离子体减阻、等离子体鞘套、等离子体诱饵•高技术–大功率微波器件、X射线激光、强流束技术、等离子体推进低温等离子体应用低温等离子体应用什么保护了我们地球：等离子体空间天体等离子体北极光空间天体等离子体我们的太阳空间天体等离子体星系：巨大的聚变反应堆空间天体等离子体聚变与裂变能聚变等离子体D3He4HeTULi聚变裂变聚变能裂变能原子质量平均结合能核聚变反应聚变等离子体D+T=n+4HeD+T=p+3He受控热核聚变聚变等离子体10克氘＋15克氚＝人一生所需能源500升海水含10克氘无环境污染及长寿命放射性废料聚变需要亿度高温聚变等离子体劳逊判据（Q＝1）T10keV（1亿度）nt3x1020m-3s实现聚变的三种途径聚变等离子体托卡马克装置(JET)聚变等离子体HowFusionEnergyisProduced磁约束聚变研究进展聚变等离子体美国Nova激光聚变装置1985年建成，10路45000焦耳，1纳秒2倍频/3倍频美国国家点火（NIF）激光聚变装置2003年建成,192束180万焦耳，3纳秒500TW，近紫外光激光聚变电站神光II、星光II激光聚变装置总结•等离子体科学涵盖了受控热核聚变、低温等离子体物理及应用、国防和高技术应用、天体和空间等离子体物理等分支领域。•等离子体科学在能源、材料、信息、环保、国防、微电子、半导体、航空、航天、冶金、生物医学、造纸、化工、纺织、通讯等领域有广泛的应用。•等离子体研究领域对人类面临的能源、材料、信息、环保等许多全局性问题的解决具有重大意义。有一位“哲人”曰：我经常将等离子体人性化，她的许多表现酷似于我们人类，常常不需要牵强的联想，就可以用我们日常的经验，甚至是我们内心的感受来理解她的行为等离子体中的两性：相互独立又相互扶持，平和时若即若离，逃逸时则携手并肩。等离子体中的相互作用：长则绵绵，短则眈眈，远可及周天之外，近可抵唇齿之间。等离子体的集体行为：自由与束缚兼得，温和与暴虐并存。等离子体的自洽禀性：可以欺之以妩媚，不可催之以强蛮，若以力，人人奋愤可兵，以弱，则诺诺列队而从。谢谢大家！