等离子体物理与应用，科大 P7
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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
等离子体物理与应用，科大 P8
密度(cm )-3
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等离子体物理及应用领域
主要内容
▪ 等离子体物理及学科
▪ 等离子体概念和基本性质
▪ 等离子体物理学科发展史及研究领域
▪ 等离子体主要应用领域
▪ 低温等离子体应用
▪ 冷等离子体应用－ 热等离子体应用－军事与高技术应用
▪ 聚变
等离子体物理与应用，科大 P2
4neD3
4nene00Tee2
3/2
T3/2ne1/2
德拜球中的粒子数（ 3 ）必须具有统计意义
2/3 4
T 1/3 e
e2
40ne1/3
等离子体是弱耦合的
近 “理想”电离气体
▪ 对弱电离情况：带电粒子与中性粒子作用远小于带电粒子之间的作用
w en m axee, p e ee
电离度0.1%以上
等离子体物理与应用，科大 P14
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等离子体波
非磁化等离子体中波动
离子声波：离子运动，低频，与普通声波类似，纵波
w /k C s e T eiT i /m ie T e/m i
电子等离子体波：电子运动，高频，纵波
w w 2p 2e3T e/m e k2
地 人类球的上生，存人伴造随的着等离水子，体水也存越在来的越环多境地是出地现球在文我明 们 得的以周进围化。、发展的的热力学环境，这种环境远离 等– 离日子常生体活物中态：普日遍光存灯在、的电状弧、态等。离因子而体，显天示然屏等、离臭 子体氧就发生只器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。
聚变、太阳核心
低温
高温
等离子体 100000C 等离子体
电子温度
1eV
等离子体物理与应用，科大 P10
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德拜( Debye )屏蔽
＋
－
在等离子体中引入电场，经过一定的时间……..
德拜( Debye )屏蔽
特征响应时间：tp＝ D/vT＝1/wp
＋
－
屏蔽层厚度：德拜长度 D
等离子体波
磁化等离子体中波动
Alfen 波：低频波，等离子体与磁场冻结在一起，相 当于弹性介质：
w /k V A (B 2/ 0 m in 0)1 /2
等离子体的描述方法
等离子体描述是一致的，通常是经典、非相对论的体系
– 经典： hp n1/3
– 非相对论： T mc2
▪ 电磁场运动
麦克斯韦方程
▪ 粒子运动
– 直接粒子描述： 每个粒子运动由牛顿方程描述（对现实体系
的粒子数几乎是不可能的，计算机 PIC 模拟方法以此为基础）
– 动力论描述：相空间粒子概率分布 f x,v,t 描述，
等离子体物理与应用，科大 P3
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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。
电离气体是一种常见的等离子体
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 性放质电。是使气体转变成等离子体的一种常见形式
“电性”等比离“子中体性” 电 更重离要气体( 电离度 >10-4 )
等离子体物理与应用，科大 P6
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宇宙中90％物质处于等离子体态
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主要内容
▪ 等离子体物理及学科
▪ 等离子体概念和基本性质
▪ 等离子体物理学科发展史及研究领域
▪ 等离子体主要应用领域
▪ 低温等离子体应用
▪ 冷等离子体应用－ 热等离子体应用－军事与高技术应用
▪ 聚变等离子体
▪ 磁约束聚变－惯性约束聚变
▪ 空间与天体等离子体
df dt
f t
v fxa vf ftc
– 流体描述：将等离子体视为电磁相互作用起主导作用的流体，
（电）磁流体（EMHD，MHD）
等离子体物理与应用，科大 P9
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等离子体分类
极光、日光灯 电弧、碘钨灯
冷等离子体 Te≠Ti, Ta
热等离子体 Te＝Ti, Ta
电磁波：横波，等离子体可视为介质，折射率 n < 1， 小于等离子体频率的波不能传播
n 1wp2e /w2
等离子体物理与应用，科大 P15
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等离子体波
无线电波在电离层的反射
截止层： f = fc = 9 ne1/2
等离子体物理与应用，科大 P16
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– 典型的工业应用：等离子体刻蚀、镀膜、表面改性、
由地喷球涂、表烧面结向、外冶，炼等、离加热子、体有是害几物乎处所理有可见物质 的– 存高在技术形应式用，：大托气卡外马侧克的、电惯性离约层束、聚日变地、空氢间弹的、太高 阳风功、率微太波阳器日件冕、、离太子阳源内、部强流、束星、际飞空行间器、鞘星套云与及尾 星团迹，毫无例外的都是等离子体。
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
准中性
＋
－
在等离子体内部，正、负电荷数几乎相等——准中性
ne ni
等离子体判据
▪ 等离子体存在时间尺度：必须大于响应时间，即 t t pe ▪ 等离子体存在空间尺度：必须大于德拜长度，即 l D ▪ 等离子体参数：必须远大于1，即 1
– 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。
等离子体物理与应用，科大 P4
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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
00C
1000C
等离子体物理与应用，科大 P5
100000C 温度
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