等離子體基本概念課件

第2章等離子體基本概念

介紹一些等離子體物理的基本概念,為進一步學習等離子體物理做些引導。

第2章等離子體基本概念介紹一些等離子體物理的基本概念,12.1等離子體與等離子體物理學

等離子體：當物質的溫度從低到高變化時，物質將逐次經(jīng)歷固體、液體和氣體三種狀態(tài)，當溫度進一步升高時，氣體中的原子、分子將出現(xiàn)電離狀態(tài)，形成電子、離子組成的體系，這種由大量帶電粒子（有時還有中性粒子）組成的體系便是等離子體等離子體是物質存在的第4種狀態(tài)，稱物質第四態(tài)。等離子體廣泛存在于宇宙空間（從電離層到宇宙深處物質幾乎都是電離狀態(tài)），宇宙空間99%是等離子體。地球表面幾乎沒有自然存在的等離子體。只有閃電、氣體放電等實驗室中出現(xiàn)的電離氣體，即等離子體。2.1等離子體與等離子體物理學等離子體：當物質的溫度從低2*宇宙中的暗物質宇宙中存在著許多不發(fā)光的天體，諸如暗星、行星和黑洞等，并且在星際空間還存在著大量不可見的塵埃和氣體，即暗物質。因此，我們看到的物質顯然比宇宙中實際存在的物質少。在整個宇宙中必然存在著大量的不可見物質或暗物質。天文觀測數(shù)據(jù)還表明，宇宙中不僅存在暗物質，而且暗物質還將占宇宙物質的絕大部分。*宇宙中的暗物質宇宙中存在著許多不發(fā)光的天體，諸如暗星、行3“Plasma”等離子體英文詞“Plasma”源予希臘文“πλασμα”，是1928年朗繆爾把輝光放電產(chǎn)生的電離氣體命名為“Plasma”而引入的。中文譯詞“等離子體”（臺灣稱“電漿”）其本意是電離狀態(tài)氣體正負電荷大體相等，整體上處于電中性（準電中性）。“Plasma”等離子體英文詞“Plasma”源予希臘文4等離子體物理學19世紀30年代氣體放電管中電離氣體的研究20世紀30年代到50年代初在借鑒其它學科研究方法的基礎上建立了等離子體物理的基本理論框架和描述方法，同時把其研究范圍從電離氣體、金屬中電子氣拓展到電離層和天體。20世紀50年代起，在受控熱聚變研究和空間技術的巨大推動下，等離子體物理才得到充分的發(fā)展并成熟起來，20世紀70年代末成為物理學界公認的一門新的物理學獨立分支學科。等離子體物理學19世紀30年代氣體放電管中電離氣體的研究5等離子體物理學影響與作用等離子體廣泛存在于宇宙空間，認識和掌握各種條件下等離子體運動規(guī)律是人類認識宇宙中各種現(xiàn)象的基本前提。所以，等離子體物理是向我們提供太陽、恒星、行星際介質和銀河系知識的基石之一。等離子體物理學研究為人類解決能源問題帶來希望。因為受控核聚變可以為人類提供長期用之不竭的新能源。然而，實現(xiàn)核聚變能利用，要求改善約束和加熱等離子體的方法。因此，掌握高溫等離子體的運動規(guī)律是實現(xiàn)受控核聚變的關鍵。

等離子體物理學影響與作用等離子體廣泛存在于宇宙空間，認識和掌6等離子體物理學是人類認識和控制地球環(huán)境變化、開發(fā)空間產(chǎn)業(yè)、維持全球通訊的重要保證。太陽等離子體熱核能量的輸出和傳輸、磁層和電離層中能量的轉化和分配，對于認識和保障地球環(huán)境有深遠的意義?？臻g等離子體物理學研究能為保障航天安全和空間應用提供理論依據(jù)。研究電離層等離子體環(huán)境及其對電波傳播的影響，保障和改善通訊、導航和授時精度的重要作用。等離子體物理學研究可促進低溫等離子體技術在國民經(jīng)濟各領域中廣泛應用。等離子體處理加工技術已成為一些重要產(chǎn)業(yè)（如微電子、半導體、材料、航天、冶金等）的關鍵技術，而在滅菌、消毒、環(huán)境污染處理、發(fā)光和激光的氣體放電、等離子體顯示、表面改性、同位素分離、開關和焊接技術等方面的應用已創(chuàng)造了極大的經(jīng)濟效益。等離子體物理學是人類認識和控制地球環(huán)境變化、開發(fā)空間產(chǎn)業(yè)、維7等離子體物理學研究開辟了由高技術開發(fā)的新領域。非中性等離子體的研究產(chǎn)生了一批嶄新的具有革命性意義的高技術項目，如相干輻射源的研制和粒子加速器新概念的提出。將在能源、國防、通訊、材料科學和生物醫(yī)學中發(fā)揮重要作用。對基本物理過程的深入研究已成為推動這些技術取得突破性進展的關鍵。等離子體物理學各領域的研究還提出了一些帶有共性、密切相關的基本問題，如波和粒子相互作用、等離子體加熱、混沌、湍流和輸運、等離子體鞘層和邊界層,磁場重聯(lián)和發(fā)動機效應等。這些問題構成了等離子體物理進一步發(fā)展的重要內容。等離子體物理學研究開辟了由高技術開發(fā)的新領域。非中性等離子體8等離子體物理學科方向

主要研究內容

等離子體物理主要研究等離子體的整體形態(tài)和集體運動規(guī)律、等離子體與電磁場及其它形態(tài)物質的相互作用。等離子體物理研究范圍非常廣泛：磁約束聚變等離子體、慣性約束聚變等離子體、空間等離子體、天體等離子體、低溫等離子體、非中性等離子體、塵埃等離子體、基礎等離子體等等離子體物理在理論上也是對物理學的嚴峻挑戰(zhàn)。它涉及多體的長程相互作用、強磁場以及電磁場與多粒子體系耦合等。等離子體物理學科方向

主要研究內容等離子體物理主要研究等離92.2等離子體的基本性質

1.電荷屏蔽現(xiàn)象與等離子體準電中性電荷屏蔽現(xiàn)象：等離子體是由大量帶電粒子組成的多粒子體系。兩個帶電粒子之間本來是簡單的庫侖作用，由于周圍大量帶電粒子的存在，會出現(xiàn)電荷屏蔽現(xiàn)象，這是等離子體的重要特征之一。

2.2等離子體的基本性質1.電荷屏蔽現(xiàn)象與等離子體準電10在等離子體中考察任一個帶電粒子，由于它的靜電場作用，在其附近會吸引異號電荷的粒子、同時排斥同號電荷的粒子，從而在其周圍會出現(xiàn)凈的異號“電荷云”，這樣就削弱了這個帶電粒子對遠處其他帶電粒子的作用，這就是電荷屏蔽現(xiàn)象。因此在等離子體中，一個帶電粒子對較遠處的另一個帶電粒子的作用，就不再是庫侖勢，而應是“屏蔽庫侖勢”。

+在等離子體中考察任一個帶電粒子，由于它的靜電場作用，在其附近11電荷屏蔽現(xiàn)象計算原點處有電荷為q的粒子,空間電荷分布為球對稱空間電勢分布應滿足方程

由于離子慣性比電子大得多，可以忽略離子運動的影響，即

n0是離子不受中心電荷q影響時的均勻分布

電荷屏蔽現(xiàn)象計算原點處有電荷為q的粒子,空間電荷分布為12假設電子受電勢的影響處于熱平衡狀態(tài)，電子密度平衡分布可取勢場為φ時的玻爾茲曼分布ne0為不受中心電荷影響時的電子密度,Te為電子溫度電中性（初始）：

空間電荷分布

高溫條件：假設電子受電勢的影響處于熱平衡狀態(tài)，電子密度平衡分布可取勢場13方程為方程的解電荷屏蔽效應后中心電荷q的作用勢，稱為屏蔽庫侖勢參量具有長度的量綱，稱為德拜屏蔽長度，它是反映電荷屏蔽效應的特征長度。等離子體基本概念課件14電荷屏蔽效應的特征長度意義

兩個粒子之間的作用為庫侖勢

因子起重要作用。一般情況下，等離子體中帶電粒子間長程部分的相互作用是主要的。是等離子體的一個重要特征參量，它可作為等離子體空間宏觀尺度的量度。

電荷屏蔽效應的特征長度意義15等離子體定義(1)

是等離子體空間尺度的下限，當?shù)入x子體空間尺度時,才能保證等離子體的準電中性。電荷屏蔽效應能保持等離子體在范圍內為電中性，稱為準電中性。這是電離氣體成為等離子體的基本條件之一。等離子體的定義：由大量正負帶電粒子組成的準電中性的體系。

等離子體定義(1)是等離子體空間尺度的下限，當?shù)入x子體空16離子屏蔽效應與動屏蔽問題*如果考慮離子的屏蔽效應，電子、離子分布：電荷分布：離子屏蔽效應與動屏蔽問題*如果考慮離子的屏蔽效應，電子、離子17等離子體振蕩與振蕩頻率

現(xiàn)在討論由于某種原因引起的局部電荷分離，產(chǎn)生的等離子體振蕩現(xiàn)象。電子等離子體振蕩因為這種振蕩是1920年朗繆爾(Langmuir)發(fā)現(xiàn)的，所以又稱朗繆爾振蕩．

等離子體振蕩與振蕩頻率現(xiàn)在討論由于某種原因引起的局部電荷分18等離子體振蕩頻率離子當成一種均勻分布的正電荷背景，振蕩只是電子的集體運動行為，可用磁流體模型來研究電子等離子體振蕩電場是電子運動產(chǎn)生的電荷分離引起的只討論小振幅的振蕩

等離子體振蕩頻率離子當成一種均勻分布的正電荷背景，振蕩只是電19小振幅的振蕩角標1為擾動量，線性化方程：小振幅的振蕩20設擾動發(fā)生在z軸方向，這時也沿z軸方向，取平面波的解：代入線性化方程，得任意消去兩個未知量，得設擾動發(fā)生在z軸方向，這時也沿z軸方向，取平面波的解：21必需滿足：由此得電子等離子體振蕩頻率：與等離子體的密度、電子質量、電荷有關，所以它是等離子體的特征頻率。相應的振蕩周期可作為衡量等離子體準電中性的特征時間。對于熱核等離子體，振蕩頻率電子-離子碰撞頻率必需滿足：22離子等離子體振蕩如果出現(xiàn)離子的電荷漲落，它在靜電力的作用下也會向其原來的電中性平衡位置運動，產(chǎn)生離子等離子體振蕩或簡稱離子振蕩。離子的運動速度比電子的慢得多，離子振蕩周期比電子振蕩周期長得多，在離子完成一個振蕩周期內，電子依靠熱運動就可以在空間實現(xiàn)均勻分布。因此可以認為，離子的振蕩是在均勻的電子背景中產(chǎn)生的離子振蕩頻率

離子等離子體振蕩如果出現(xiàn)離子的電荷漲落，它在靜電力的作用下也23等離子體宏觀時間尺度

電子等離子體振蕩特征時間：作為等離子體宏觀時間尺度。因為，電子等離子體振蕩總是存在；僅當，空間電荷、空間電場等的時間平均都為0，因此，電子等離子體振蕩特征時間是衡量等離子體準電中性的時間下限。等離子體宏觀時間尺度電子等離子體振蕩特征時間：24德拜長度距離上兩粒子作用時間

德拜長度距離上兩粒子作用時間：粒子特征熱運動速度等離子體振蕩周期與德拜長度距離上兩粒子作用時間是一致的。因此，用電子振蕩特征時間作為等離子體宏觀存在時間是合適的德拜長度距離上兩粒子作用時間德拜長度距離上兩粒子作用時間：25等離子體的定義（2）由大量正負帶電粒子組成的、空間尺度和時間尺度的準電中性的體系。

等離子體的定義（2）由大量正負帶電粒子組成的、空間尺度263.等離子體的碰撞

等離子體中的粒子碰撞與中性氣體中的粒子碰撞有顯著不同。中性粒子間的作用是短程力（力程約粒子線度大?。?，在兩個粒子之間是自由的，僅當接近到粒子半徑距離附近才有明顯作用，因此它們間的彈性碰撞是近距離的二體碰撞，碰撞引起的偏轉角是顯著的、多半是大角度的。等離子體中的帶電粒子之間相互作用是長程庫侖力，一個帶電粒子同時與許多帶電粒子發(fā)生作用，即多體相互作用，因而等離子體中的帶電粒子“碰撞”是極其復雜的。3.等離子體的碰撞等離子體中的粒子碰撞與中性氣體中的粒子27等離子體基本概念課件28等離子體中帶電粒子間的相互作用是屏蔽庫侖勢，力程為德拜屏蔽長度。帶電粒子的庫侖相互作用分成了兩部分：即在德拜球（以德拜長度為半徑的球體）以外的長程庫侖作用和在德拜球以內的短程庫侖作用，長程庫侖作用的結果表現(xiàn)出帶電粒子的集體行為，而短程庫侖作用的結果則是庫侖碰撞。“庫侖碰撞”總是一個帶電粒子同時與大量其它帶電粒子相“碰撞”在磁約束熱核聚變裝置中，磁場能改變帶電粒子的運動方向，對帶電粒子在屏蔽庫侖場作用下速度方向的偏轉也會有額外的貢獻，自然也會影響到粒子間的碰撞。可以證明，在一定條件下，等離子體中帶電粒子間的多體碰撞，可以近似地等于二體碰撞疊加。

等離子體中帶電粒子間的相互作用是屏蔽庫侖勢，力程為德拜屏蔽長29在等離子體中，粒子速度方向經(jīng)一次碰撞就偏轉90°的幾率，比每次碰撞只偏轉很小角度，但經(jīng)過多次碰撞后積累到偏轉90°的幾率約小2個數(shù)量級。因此在等離子體中，通過大量小角度散射積累到大的偏轉比只經(jīng)過一次散射就得到大的偏轉大幾十倍。小角度散射是主要的！在等離子體中，把通過大量小角度散射積累到大的偏轉（～90°）稱為“碰撞”，實現(xiàn)這樣碰撞所經(jīng)歷的平均時間稱平均碰撞時間。幾種平均碰撞時間的數(shù)量級：平均碰撞頻率

在等離子體中，粒子速度方向經(jīng)一次碰撞就偏轉90°的幾率，比每30庫侖相互作用短程部分所造成的碰撞過程的時間尺度與庫侖相互作用長程部分所造成集體運動的等離子體振蕩周期相比較：等離子體中的碰撞過程比等離子體集體振蕩過程慢得多。說明等離子體的特性是以集體效應為主。實際上，在短程碰撞引起等離子體性質改變的時間尺度內，就能出現(xiàn)各種等離子體集體現(xiàn)象(如等離子體波、不穩(wěn)定性等)，因而在多數(shù)場合，這種短程碰撞影響都可忽略。庫侖相互作用短程部分所造成的碰撞過程的時間尺度與庫侖相互作用31等離子體定義（統(tǒng)一的）

必須指出，并非任何帶電粒子組成的體系都是等離子體，只有具備了等離子體特性的帶電粒子體系，才可稱為等離子體。等離子體是由大量正負帶電粒子組成的(有時還有中性粒子)、在空間尺度和時間尺度具有準電中性的、在電磁場及其他長程力作用下粒子的運動和行為以集體效應為主的體系。

等離子體定義（統(tǒng)一的）必須指出，并非任何帶電粒子組成的體32等離子體輻射

等離子體中存在大量的以各種形式運動的帶電粒子，因而會引起多種的輻射，稱等離子體輻射。等離子體輻射：軔致輻射、復合輻射、回旋輻射、激發(fā)輻射以及契侖柯夫輻射等對磁約束熱核聚變等離子體，最重要的輻射過程是：軔致輻射和回旋輻射。等離子體輻射等離子體中存在大量的以各種形式運動的帶電粒子，33軔致輻射軔致輻射是自由帶電粒子受外場作用、使其運動速度發(fā)生變化而輻射的電磁波。等離子體中，電子受到離子的作用而做加速運動時，就會產(chǎn)生軔致輻射。軔致輻射的光譜是連續(xù)光譜（X射線）。因為電子-電子作用對軔致輻射的貢獻很小，可以忽略，所以等離子體中的軔致輻射主要是電子-離子作用產(chǎn)生的。電子軔致輻射損失功率密度

(W·cm-3)

軔致輻射軔致輻射是自由帶電粒子受外場作用、使其運動速度發(fā)生變34回旋輻射（磁軔致輻射）

在熱核等離子體中，離子和電子受相同的洛侖茲力，由于電子的加速度遠大于離子的加速度，因此在熱核等離子體中只要考慮電子的回旋輻射。

典型的熱核等離子體，電子回旋輻射頻率為1011Hz，波長為毫米量級，屬于微波范圍。由于回旋輻射的波長比較長，通常能為等離子體所吸收或能被適當設計的器壁所反射。輻射導致等離子體能量損失，輻射也可以提供有關等離子體的重要信息。

回旋輻射（磁軔致輻射）在熱核等離子體中，離子和電子受相同的352.3等離子體參量與分類

等離子體參量：粒子性質的物理量：電子、離子質量及電荷宏觀狀態(tài)的物理量：電子、離子的密度，溫度等離子體分類：（1）溫度很高，電子熱運動速度應考慮相對論效應：Te

～10keVv～0.3c（2）等離子體的密度很高（接近固體），粒子間的距離接近或小于電子德布洛依波長，應考慮量子效應。量子和經(jīng)典界限：2.3等離子體參量與分類等離子體參量：36（3）按照粒子間作用強弱區(qū)分理想與非理想等離子體。平均勢能

平均動能理想等離子體條件：弱耦合等離子體強耦合等離子體（3）按照粒子間作用強弱區(qū)分理想與非理想等離子體。37宇宙和實驗室中等離子體參量見表2.3.1數(shù)據(jù)等離子體振蕩頻率比電子碰撞頻率大很多（2～3個量級以上），即等離子體中的碰撞過程比等離子體集體振蕩過程慢得多，所以等離子體的特性是以集體效應為主的。宇宙和實驗室中等離子體參量見表2.3.1數(shù)據(jù)38典型的等離子體密度、溫度區(qū)域

1.固體等離子體；2.電離層；3.日冕；4.氣體放電等離子體；5.激光熱核實驗等離子體；6.準穩(wěn)熱核實驗等離子體；7.激光熱核反應堆；8.準穩(wěn)熱核反應堆。典型的等離子體密度、溫度區(qū)域1.固體等離子體；392.4等離子體的描述方法等離子體中帶電粒子間既有短程庫侖作用引起的碰撞，又存在長程庫侖作用引起的集體運動，其中又有外加的強磁場，還有自身產(chǎn)生的電磁場，因此要精確描述等離子體的行為極其困難。目前，只能根據(jù)不同條件和研究的問題，采用不同的近似方法，對等離子體進行描述。

2.4等離子體的描述方法等離子體中帶電粒子間既有短程庫侖作401.單粒子軌道描述法

單粒子軌道描述法：研究單個帶電粒子在外加的電場或磁場作用下的運動，完全忽略等離子體中其他帶電粒子對它的作用。單個粒子的運動軌道只需用牛頓力學方程和粒子的初始條件(空間位置和速度)就可以完全確定單粒子軌道描述方法，是一種近似的方法，但處理問題的方法簡單，物理圖像直觀，能夠給出帶電粒子在一些復雜的電磁場作用下運動的軌跡，能較好的解釋等離子體的許多性質。1.單粒子軌道描述法單粒子軌道描述法：研究單個帶電粒子在412.磁流體描述法

它是把等離子體看成導電流體，用經(jīng)典流體力學和電動力學相結合的方法，研究導電流體和磁場的相互作用，它著重于等離子體的整體行為。等離子體與普通流體不同，因為導電流體的運動比普通流體要復雜得多，它既服從流體力學的規(guī)律，又服從電動力學的規(guī)律，要用流體力學方程和電動力學方程聯(lián)合進行描述，形成了研究導電流體在電磁場中運動規(guī)律的科學，稱為磁流體力學（MHD）磁流體描述法主要用于描述等離子體的宏觀運動，如等離子體的集體振蕩、宏觀平衡、宏觀不穩(wěn)定性以及各種波動現(xiàn)象。2.磁流體描述法它是把等離子體看成導電流體，用經(jīng)典流體力423.統(tǒng)計描述法

單粒子軌道描述法只考察單個粒子的運動，忽略了粒子間的相互作用；磁流體描述法只考慮整體行為，忽略了單個粒子的運動，兩者都是近似的描述法。等離子體是由大量微觀粒子組成的體系，用統(tǒng)計物理學的方法才可揭示其更深刻的運動規(guī)律。等離子體的統(tǒng)計描述法是最基本的描述法。統(tǒng)計力學最基本的描述是定義粒子的位置、速度、時間的分布函數(shù)，然后確定分布函數(shù)滿足的方程，即動理學方程。

3.統(tǒng)計描述法單粒子軌道描述法只考察單個粒子的運動，忽略434.粒子模擬法在有些等離子體問題中，無論用磁流體描述法還是統(tǒng)計描述法，都不足以描述等離子體行為，于是人們不得不去跟蹤每個粒子的軌道，以了解整個體系的行為，即粒子模擬法。等離子體粒子模擬就是通過跟蹤大量帶電粒子在自洽場和外加電磁場作用下的運動來了解等離子體的某些行為。核聚變裝置中每立方米等離子體的總粒子數(shù)約為1019個，如果對這些粒子運動軌道都考慮，當代計算機的容量就遠遠不夠。如果只限于研究某類等離子體的某些特殊行為，實際上只需要考察一個相對小的模擬體系，這樣就可能用計算機模擬等離子體系的行為。4.粒子模擬法在有些等離子體問題中，無論用磁流體描述法還是44第2章結束

謝謝！第2章結束45第2章等離子體基本概念

介紹一些等離子體物理的基本概念,為進一步學習等離子體物理做些引導。

第2章等離子體基本概念介紹一些等離子體物理的基本概念,462.1等離子體與等離子體物理學

等離子體：當物質的溫度從低到高變化時，物質將逐次經(jīng)歷固體、液體和氣體三種狀態(tài)，當溫度進一步升高時，氣體中的原子、分子將出現(xiàn)電離狀態(tài)，形成電子、離子組成的體系，這種由大量帶電粒子（有時還有中性粒子）組成的體系便是等離子體等離子體是物質存在的第4種狀態(tài)，稱物質第四態(tài)。等離子體廣泛存在于宇宙空間（從電離層到宇宙深處物質幾乎都是電離狀態(tài)），宇宙空間99%是等離子體。地球表面幾乎沒有自然存在的等離子體。只有閃電、氣體放電等實驗室中出現(xiàn)的電離氣體，即等離子體。2.1等離子體與等離子體物理學等離子體：當物質的溫度從低47*宇宙中的暗物質宇宙中存在著許多不發(fā)光的天體，諸如暗星、行星和黑洞等，并且在星際空間還存在著大量不可見的塵埃和氣體，即暗物質。因此，我們看到的物質顯然比宇宙中實際存在的物質少。在整個宇宙中必然存在著大量的不可見物質或暗物質。天文觀測數(shù)據(jù)還表明，宇宙中不僅存在暗物質，而且暗物質還將占宇宙物質的絕大部分。*宇宙中的暗物質宇宙中存在著許多不發(fā)光的天體，諸如暗星、行48“Plasma”等離子體英文詞“Plasma”源予希臘文“πλασμα”，是1928年朗繆爾把輝光放電產(chǎn)生的電離氣體命名為“Plasma”而引入的。中文譯詞“等離子體”（臺灣稱“電漿”）其本意是電離狀態(tài)氣體正負電荷大體相等，整體上處于電中性（準電中性）?！癙lasma”等離子體英文詞“Plasma”源予希臘文49等離子體物理學19世紀30年代氣體放電管中電離氣體的研究20世紀30年代到50年代初在借鑒其它學科研究方法的基礎上建立了等離子體物理的基本理論框架和描述方法，同時把其研究范圍從電離氣體、金屬中電子氣拓展到電離層和天體。20世紀50年代起，在受控熱聚變研究和空間技術的巨大推動下，等離子體物理才得到充分的發(fā)展并成熟起來，20世紀70年代末成為物理學界公認的一門新的物理學獨立分支學科。等離子體物理學19世紀30年代氣體放電管中電離氣體的研究50等離子體物理學影響與作用等離子體廣泛存在于宇宙空間，認識和掌握各種條件下等離子體運動規(guī)律是人類認識宇宙中各種現(xiàn)象的基本前提。所以，等離子體物理是向我們提供太陽、恒星、行星際介質和銀河系知識的基石之一。等離子體物理學研究為人類解決能源問題帶來希望。因為受控核聚變可以為人類提供長期用之不竭的新能源。然而，實現(xiàn)核聚變能利用，要求改善約束和加熱等離子體的方法。因此，掌握高溫等離子體的運動規(guī)律是實現(xiàn)受控核聚變的關鍵。

等離子體物理學影響與作用等離子體廣泛存在于宇宙空間，認識和掌51等離子體物理學是人類認識和控制地球環(huán)境變化、開發(fā)空間產(chǎn)業(yè)、維持全球通訊的重要保證。太陽等離子體熱核能量的輸出和傳輸、磁層和電離層中能量的轉化和分配，對于認識和保障地球環(huán)境有深遠的意義。空間等離子體物理學研究能為保障航天安全和空間應用提供理論依據(jù)。研究電離層等離子體環(huán)境及其對電波傳播的影響，保障和改善通訊、導航和授時精度的重要作用。等離子體物理學研究可促進低溫等離子體技術在國民經(jīng)濟各領域中廣泛應用。等離子體處理加工技術已成為一些重要產(chǎn)業(yè)（如微電子、半導體、材料、航天、冶金等）的關鍵技術，而在滅菌、消毒、環(huán)境污染處理、發(fā)光和激光的氣體放電、等離子體顯示、表面改性、同位素分離、開關和焊接技術等方面的應用已創(chuàng)造了極大的經(jīng)濟效益。等離子體物理學是人類認識和控制地球環(huán)境變化、開發(fā)空間產(chǎn)業(yè)、維52等離子體物理學研究開辟了由高技術開發(fā)的新領域。非中性等離子體的研究產(chǎn)生了一批嶄新的具有革命性意義的高技術項目，如相干輻射源的研制和粒子加速器新概念的提出。將在能源、國防、通訊、材料科學和生物醫(yī)學中發(fā)揮重要作用。對基本物理過程的深入研究已成為推動這些技術取得突破性進展的關鍵。等離子體物理學各領域的研究還提出了一些帶有共性、密切相關的基本問題，如波和粒子相互作用、等離子體加熱、混沌、湍流和輸運、等離子體鞘層和邊界層,磁場重聯(lián)和發(fā)動機效應等。這些問題構成了等離子體物理進一步發(fā)展的重要內容。等離子體物理學研究開辟了由高技術開發(fā)的新領域。非中性等離子體53等離子體物理學科方向

主要研究內容

等離子體物理主要研究等離子體的整體形態(tài)和集體運動規(guī)律、等離子體與電磁場及其它形態(tài)物質的相互作用。等離子體物理研究范圍非常廣泛：磁約束聚變等離子體、慣性約束聚變等離子體、空間等離子體、天體等離子體、低溫等離子體、非中性等離子體、塵埃等離子體、基礎等離子體等等離子體物理在理論上也是對物理學的嚴峻挑戰(zhàn)。它涉及多體的長程相互作用、強磁場以及電磁場與多粒子體系耦合等。等離子體物理學科方向

主要研究內容等離子體物理主要研究等離542.2等離子體的基本性質

1.電荷屏蔽現(xiàn)象與等離子體準電中性電荷屏蔽現(xiàn)象：等離子體是由大量帶電粒子組成的多粒子體系。兩個帶電粒子之間本來是簡單的庫侖作用，由于周圍大量帶電粒子的存在，會出現(xiàn)電荷屏蔽現(xiàn)象，這是等離子體的重要特征之一。

2.2等離子體的基本性質1.電荷屏蔽現(xiàn)象與等離子體準電55在等離子體中考察任一個帶電粒子，由于它的靜電場作用，在其附近會吸引異號電荷的粒子、同時排斥同號電荷的粒子，從而在其周圍會出現(xiàn)凈的異號“電荷云”，這樣就削弱了這個帶電粒子對遠處其他帶電粒子的作用，這就是電荷屏蔽現(xiàn)象。因此在等離子體中，一個帶電粒子對較遠處的另一個帶電粒子的作用，就不再是庫侖勢，而應是“屏蔽庫侖勢”。

+在等離子體中考察任一個帶電粒子，由于它的靜電場作用，在其附近56電荷屏蔽現(xiàn)象計算原點處有電荷為q的粒子,空間電荷分布為球對稱空間電勢分布應滿足方程

由于離子慣性比電子大得多，可以忽略離子運動的影響，即

n0是離子不受中心電荷q影響時的均勻分布

電荷屏蔽現(xiàn)象計算原點處有電荷為q的粒子,空間電荷分布為57假設電子受電勢的影響處于熱平衡狀態(tài)，電子密度平衡分布可取勢場為φ時的玻爾茲曼分布ne0為不受中心電荷影響時的電子密度,Te為電子溫度電中性（初始）：

空間電荷分布

高溫條件：假設電子受電勢的影響處于熱平衡狀態(tài)，電子密度平衡分布可取勢場58方程為方程的解電荷屏蔽效應后中心電荷q的作用勢，稱為屏蔽庫侖勢參量具有長度的量綱，稱為德拜屏蔽長度，它是反映電荷屏蔽效應的特征長度。等離子體基本概念課件59電荷屏蔽效應的特征長度意義

兩個粒子之間的作用為庫侖勢

因子起重要作用。一般情況下，等離子體中帶電粒子間長程部分的相互作用是主要的。是等離子體的一個重要特征參量，它可作為等離子體空間宏觀尺度的量度。

電荷屏蔽效應的特征長度意義60等離子體定義(1)

是等離子體空間尺度的下限，當?shù)入x子體空間尺度時,才能保證等離子體的準電中性。電荷屏蔽效應能保持等離子體在范圍內為電中性，稱為準電中性。這是電離氣體成為等離子體的基本條件之一。等離子體的定義：由大量正負帶電粒子組成的準電中性的體系。

等離子體定義(1)是等離子體空間尺度的下限，當?shù)入x子體空61離子屏蔽效應與動屏蔽問題*如果考慮離子的屏蔽效應，電子、離子分布：電荷分布：離子屏蔽效應與動屏蔽問題*如果考慮離子的屏蔽效應，電子、離子62等離子體振蕩與振蕩頻率

現(xiàn)在討論由于某種原因引起的局部電荷分離，產(chǎn)生的等離子體振蕩現(xiàn)象。電子等離子體振蕩因為這種振蕩是1920年朗繆爾(Langmuir)發(fā)現(xiàn)的，所以又稱朗繆爾振蕩．

等離子體振蕩與振蕩頻率現(xiàn)在討論由于某種原因引起的局部電荷分63等離子體振蕩頻率離子當成一種均勻分布的正電荷背景，振蕩只是電子的集體運動行為，可用磁流體模型來研究電子等離子體振蕩電場是電子運動產(chǎn)生的電荷分離引起的只討論小振幅的振蕩

等離子體振蕩頻率離子當成一種均勻分布的正電荷背景，振蕩只是電64小振幅的振蕩角標1為擾動量，線性化方程：小振幅的振蕩65設擾動發(fā)生在z軸方向，這時也沿z軸方向，取平面波的解：代入線性化方程，得任意消去兩個未知量，得設擾動發(fā)生在z軸方向，這時也沿z軸方向，取平面波的解：66必需滿足：由此得電子等離子體振蕩頻率：與等離子體的密度、電子質量、電荷有關，所以它是等離子體的特征頻率。相應的振蕩周期可作為衡量等離子體準電中性的特征時間。對于熱核等離子體，振蕩頻率電子-離子碰撞頻率必需滿足：67離子等離子體振蕩如果出現(xiàn)離子的電荷漲落，它在靜電力的作用下也會向其原來的電中性平衡位置運動，產(chǎn)生離子等離子體振蕩或簡稱離子振蕩。離子的運動速度比電子的慢得多，離子振蕩周期比電子振蕩周期長得多，在離子完成一個振蕩周期內，電子依靠熱運動就可以在空間實現(xiàn)均勻分布。因此可以認為，離子的振蕩是在均勻的電子背景中產(chǎn)生的離子振蕩頻率

離子等離子體振蕩如果出現(xiàn)離子的電荷漲落，它在靜電力的作用下也68等離子體宏觀時間尺度

電子等離子體振蕩特征時間：作為等離子體宏觀時間尺度。因為，電子等離子體振蕩總是存在；僅當，空間電荷、空間電場等的時間平均都為0，因此，電子等離子體振蕩特征時間是衡量等離子體準電中性的時間下限。等離子體宏觀時間尺度電子等離子體振蕩特征時間：69德拜長度距離上兩粒子作用時間

德拜長度距離上兩粒子作用時間：粒子特征熱運動速度等離子體振蕩周期與德拜長度距離上兩粒子作用時間是一致的。因此，用電子振蕩特征時間作為等離子體宏觀存在時間是合適的德拜長度距離上兩粒子作用時間德拜長度距離上兩粒子作用時間：70等離子體的定義（2）由大量正負帶電粒子組成的、空間尺度和時間尺度的準電中性的體系。

等離子體的定義（2）由大量正負帶電粒子組成的、空間尺度713.等離子體的碰撞

等離子體中的粒子碰撞與中性氣體中的粒子碰撞有顯著不同。中性粒子間的作用是短程力（力程約粒子線度大?。趦蓚€粒子之間是自由的，僅當接近到粒子半徑距離附近才有明顯作用，因此它們間的彈性碰撞是近距離的二體碰撞，碰撞引起的偏轉角是顯著的、多半是大角度的。等離子體中的帶電粒子之間相互作用是長程庫侖力，一個帶電粒子同時與許多帶電粒子發(fā)生作用，即多體相互作用，因而等離子體中的帶電粒子“碰撞”是極其復雜的。3.等離子體的碰撞等離子體中的粒子碰撞與中性氣體中的粒子72等離子體基本概念課件73等離子體中帶電粒子間的相互作用是屏蔽庫侖勢，力程為德拜屏蔽長度。帶電粒子的庫侖相互作用分成了兩部分：即在德拜球（以德拜長度為半徑的球體）以外的長程庫侖作用和在德拜球以內的短程庫侖作用，長程庫侖作用的結果表現(xiàn)出帶電粒子的集體行為，而短程庫侖作用的結果則是庫侖碰撞?！皫靵雠鲎病笨偸且粋€帶電粒子同時與大量其它帶電粒子相“碰撞”在磁約束熱核聚變裝置中，磁場能改變帶電粒子的運動方向，對帶電粒子在屏蔽庫侖場作用下速度方向的偏轉也會有額外的貢獻，自然也會影響到粒子間的碰撞?？梢宰C明，在一定條件下，等離子體中帶電粒子間的多體碰撞，可以近似地等于二體碰撞疊加。

等離子體中帶電粒子間的相互作用是屏蔽庫侖勢，力程為德拜屏蔽長74在等離子體中，粒子速度方向經(jīng)一次碰撞就偏轉90°的幾率，比每次碰撞只偏轉很小角度，但經(jīng)過多次碰撞后積累到偏轉90°的幾率約小2個數(shù)量級。因此在等離子體中，通過大量小角度散射積累到大的偏轉比只經(jīng)過一次散射就得到大的偏轉大幾十倍。小角度散射是主要的！在等離子體中，把通過大量小角度散射積累到大的偏轉（～90°）稱為“碰撞”，實現(xiàn)這樣碰撞所經(jīng)歷的平均時間稱平均碰撞時間。幾種平均碰撞時間的數(shù)量級：平均碰撞頻率

在等離子體中，粒子速度方向經(jīng)一次碰撞就偏轉90°的幾率，比每75庫侖相互作用短程部分所造成的碰撞過程的時間尺度與庫侖相互作用長程部分所造成集體運動的等離子體振蕩周期相比較：等離子體中的碰撞過程比等離子體集體振蕩過程慢得多。說明等離子體的特性是以集體效應為主。實際上，在短程碰撞引起等離子體性質改變的時間尺度內，就能出現(xiàn)各種等離子體集體現(xiàn)象(如等離子體波、不穩(wěn)定性等)，因而在多數(shù)場合，這種短程碰撞影響都可忽略。庫侖相互作用短程部分所造成的碰撞過程的時間尺度與庫侖相互作用76等離子體定義（統(tǒng)一的）

必須指出，并非任何帶電粒子組成的體系都是等離子體，只有具備了等離子體特性的帶電粒子體系，才可稱為等離子體。等離子體是由大量正負帶電粒子組成的(有時還有中性粒子)、在空間尺度和時間尺度具有準電中性的、在電磁場及其他長程力作用下粒子的運動和行為以集體效應為主的體系。

等離子體定義（統(tǒng)一的）必須指出，并非任何帶電粒子組成的體77等離子體輻射

等離子體中存在大量的以各種形式運動的帶電粒子，因而會引起多種的輻射，稱等離子體輻射。等離子體輻射：軔致輻射、復合輻射、回旋輻射、激發(fā)輻射以及契侖柯夫輻射等對磁約束熱核聚變等離子體，最重要的輻射過程是：軔致輻射和回旋輻射。等離子體輻射等離子體中存在大量的以各種形式運動的帶電粒子，78軔致輻射軔致輻射是自由帶電粒子受外場作用、使其運動速度發(fā)生變化而輻射的電磁波。等離子體中，電子受到離子的作用而做加速運動時，就會產(chǎn)生軔致輻射。軔致輻射的光譜是連續(xù)光譜（X射線）。因為電子-電子作用對軔致輻射的貢獻很小，可以忽略，所以等離子體中的軔致輻射主要是電子-離子作用產(chǎn)生的。電子軔致輻射損失功率密度

(W·cm-3)

軔致輻射軔致輻射是自由帶電粒子受外場作用、使其運動速度發(fā)生變79回旋輻射（磁軔致輻射）

在熱核等離子體中，離子和電子受相同的洛侖茲力，由于電子的加速度遠大于離子的加速度，因此在熱核等離子體中只要考慮電子的回旋輻射。

典型的熱核等離子體，電子回旋輻射頻率為1011Hz，波長為毫米量級，屬于微波范圍。由于回旋輻射的波長比較長，通常能為等離子體所吸收或能被適當設計的器壁所反射。輻射導致等離子體能量損失，輻射也可以提供有關等離子體的重要信息。

回旋輻射（磁軔致輻射）在熱核等離子體中，離子和電子受相同的802.3等離子體參量與分類

等離子體參量：粒子性質的物理量：電子、離子質量及電荷宏觀狀態(tài)的物理量：電子、離子的密度，溫度等離子體分類：（1）溫度很高，電子熱運動速度應考慮相對論效應：Te

～10keVv～0.3c（2）等離子體的密度很高（接近固體），粒子間的距離接近或小于電子德布洛依波長，應考慮量子效應。量子和經(jīng)典界限：2.3等離子體參量與分類等離子體參量：