等离子体物理学导论L5.
合集下载
等离子体物理(江西师范大学物理与通信电子学院黄子骏)
朗道阻尼的物理意义
朗道阻尼的物理图像
漂移 和冲浪类比 交换能量
非捕获粒子的动能
考虑初始条件
非磁化等离子体中静电波色散关系的一般形 式
色散关系和平衡态分布函数有关，分布函数不 同可以出现波的阻尼或增长
等离子体色散函数
两个极端处理：冷等离子体近似
热等离子体近似
离子声波及其朗道阻尼
非线性效应
等离子体鞘层
3. 磁通不变量Φ
（五）带电粒子在高频电磁波中运动
•弱电磁波中的颤抖运动
•电子在强激光场中的相对论运动
•电子加速
（六）若非均匀恒定电磁场中回旋中心漂移运动
若非均匀性：磁场和电场在空间变化的特征长度比回旋半径长很 多 漂移速度的一般表达式：
vD
E b B
qB
b B
m v R c B qB Rc
圆偏振波
回旋共振
哨声波 法拉第旋转
等离子体的平衡与稳定
磁流体力学方程 磁面和磁通 平衡时，磁感线和电流线均位于等压面上 双流不稳定性 能量原理 单流体处理 理想流体力学方程
直线箍缩等离子体柱的的不稳定性
边界上没有扰动，不稳定性只在等离子体内部发 生，通常称为内模
1、m不为0 内交换模
m=1时，等离子体住由于初始扰动发生弯曲时， 弯曲部位凹侧磁场增强，凸侧磁场减弱等离子体 住更弯曲 2、m为0的内交换模 腊肠模
均 匀 磁 场 中 运 动
拉莫尔回旋
角速度 抗磁性
c
m
dv dt
qv B
c qB / m
v
2T / m
沿磁场方向做匀速直线运动，垂直磁场方向做匀速圆周运动 轨迹：螺旋线
朗道阻尼的物理图像
漂移 和冲浪类比 交换能量
非捕获粒子的动能
考虑初始条件
非磁化等离子体中静电波色散关系的一般形 式
色散关系和平衡态分布函数有关，分布函数不 同可以出现波的阻尼或增长
等离子体色散函数
两个极端处理：冷等离子体近似
热等离子体近似
离子声波及其朗道阻尼
非线性效应
等离子体鞘层
3. 磁通不变量Φ
（五）带电粒子在高频电磁波中运动
•弱电磁波中的颤抖运动
•电子在强激光场中的相对论运动
•电子加速
（六）若非均匀恒定电磁场中回旋中心漂移运动
若非均匀性：磁场和电场在空间变化的特征长度比回旋半径长很 多 漂移速度的一般表达式：
vD
E b B
qB
b B
m v R c B qB Rc
圆偏振波
回旋共振
哨声波 法拉第旋转
等离子体的平衡与稳定
磁流体力学方程 磁面和磁通 平衡时，磁感线和电流线均位于等压面上 双流不稳定性 能量原理 单流体处理 理想流体力学方程
直线箍缩等离子体柱的的不稳定性
边界上没有扰动，不稳定性只在等离子体内部发 生，通常称为内模
1、m不为0 内交换模
m=1时，等离子体住由于初始扰动发生弯曲时， 弯曲部位凹侧磁场增强，凸侧磁场减弱等离子体 住更弯曲 2、m为0的内交换模 腊肠模
均 匀 磁 场 中 运 动
拉莫尔回旋
角速度 抗磁性
c
m
dv dt
qv B
c qB / m
v
2T / m
沿磁场方向做匀速直线运动，垂直磁场方向做匀速圆周运动 轨迹：螺旋线
等离子体物理学导论
装置尺寸、各种波动现象波长等 时间：响应时间、阿尔芬波渡越时间、
电阻扩散时间、能量约束时间、 各种波动周期等 Q: 量值可跨越几十个数量级，能否用统一的数学 描述方法描述这些不同的等离子体呢？
A: 表示各参数的相对量级关系的无量纲参数是解决问题的关键！ 例如：磁雷诺数：磁场对流项与磁扩散项之比、
等离子体beta参数：等离子体热压与磁压之比
• 等离子体响应时间
3)、德拜屏蔽概念成立的前提是： 德拜球内 存在足够多的粒子
nD3 1
也叫等离子体参数，是等离子体粒子间平均动 能与平均相互作用势能之比的一个度量.
等离子体判据小结：
判据一、等离子体存在的时空尺度 时间：必须远大于响应时间 空间：必须远大于德拜长度
t
>> pe
L >> D
E J 欧姆定律
eneE Fei 0 力的平衡：电场力=摩擦力Feimene ei (ue
ui )
me e
eiJ
摩擦力=单位时间内通过碰撞引起的动量交换
电阻 与 碰撞频率与等离子体振荡频率之比正相关
1.5、等离子体的描述方法 (经典、非相对论体系) 等离子体的各种时空尺度： 空间：德拜半径、电子回旋半径、离子回旋半径、
Newton方程： m dv/dt = q(E + v X B)
Maxwell方程组求出 带电粒子的电磁场
对应于当前迅速发展的粒 子模拟技术
缺点：自由度太多， 计算量极大
Laplace：Give me the initial data on the particles and I’ll predict the future of the universe
1.4 库仑碰撞 库仑碰撞频率 1.5 等离子体物理学研究和描述方法
电阻扩散时间、能量约束时间、 各种波动周期等 Q: 量值可跨越几十个数量级，能否用统一的数学 描述方法描述这些不同的等离子体呢？
A: 表示各参数的相对量级关系的无量纲参数是解决问题的关键！ 例如：磁雷诺数：磁场对流项与磁扩散项之比、
等离子体beta参数：等离子体热压与磁压之比
• 等离子体响应时间
3)、德拜屏蔽概念成立的前提是： 德拜球内 存在足够多的粒子
nD3 1
也叫等离子体参数，是等离子体粒子间平均动 能与平均相互作用势能之比的一个度量.
等离子体判据小结：
判据一、等离子体存在的时空尺度 时间：必须远大于响应时间 空间：必须远大于德拜长度
t
>> pe
L >> D
E J 欧姆定律
eneE Fei 0 力的平衡：电场力=摩擦力Feimene ei (ue
ui )
me e
eiJ
摩擦力=单位时间内通过碰撞引起的动量交换
电阻 与 碰撞频率与等离子体振荡频率之比正相关
1.5、等离子体的描述方法 (经典、非相对论体系) 等离子体的各种时空尺度： 空间：德拜半径、电子回旋半径、离子回旋半径、
Newton方程： m dv/dt = q(E + v X B)
Maxwell方程组求出 带电粒子的电磁场
对应于当前迅速发展的粒 子模拟技术
缺点：自由度太多， 计算量极大
Laplace：Give me the initial data on the particles and I’ll predict the future of the universe
1.4 库仑碰撞 库仑碰撞频率 1.5 等离子体物理学研究和描述方法
物理类导论：等离子体物理与高新技术
讲究对称是中国传统文化之一，但等离子体在字的个数上明显与固体、气 体及液体不对称。“电浆”一词也与固体、液体及气体不对称，且不雅。 能否造出一个新词来表示plasma的中文含义？如（火+离）体？
等离子体与中性气体的区别
（1）等离子体是一种电离气体，还有带电的粒子，如电子和离子，但宏 观（整体）上又不显电性；
a. 温度： 电子温度、离子温度、中性粒子的温度 1个电子伏 (eV) = 11650K
b. 密度： 电子密度、离子密度、中性粒子的密度
准电中性条件： 电子密度 离子密度 = 等离子体密度
低温气体放电等离子体： 电子温度 1 – 10 eV 等离子体密度 108 – 1013 cm-3
聚变等离子体： 电子温度 1 – 20 keV 等离子体密度 1020 – 1025 cm-3
4. 在早期的容性耦合放电中，为单频电源驱动放电，而且电源的频 率为 f=13.56MHz。第一代等离子体刻蚀源。
5. 最近几年，出现的双频电源驱动放电，两个电源的频率不同，如： 60/2 MHz，27/2 MHz。两个电源可以施加在同一个电极或不同的 电极。
(b) 感性耦合
盘香形线圈
ICP source with planar coils
•离解过程 AB + e A + B + e
•弹性碰撞 A+ + e A +e
2、气体放电的类型
（1）DC glow discharges（直流放电） （2）RF glow discharges （射频放电） （3）Microwave discharges （微波放电）
1、直流辉光
阴极
等离子体
中性气体不含有带电的粒子，只含有一些中性的粒子，如原子分子。
等离子体与中性气体的区别
（1）等离子体是一种电离气体，还有带电的粒子，如电子和离子，但宏 观（整体）上又不显电性；
a. 温度： 电子温度、离子温度、中性粒子的温度 1个电子伏 (eV) = 11650K
b. 密度： 电子密度、离子密度、中性粒子的密度
准电中性条件： 电子密度 离子密度 = 等离子体密度
低温气体放电等离子体： 电子温度 1 – 10 eV 等离子体密度 108 – 1013 cm-3
聚变等离子体： 电子温度 1 – 20 keV 等离子体密度 1020 – 1025 cm-3
4. 在早期的容性耦合放电中，为单频电源驱动放电，而且电源的频 率为 f=13.56MHz。第一代等离子体刻蚀源。
5. 最近几年，出现的双频电源驱动放电，两个电源的频率不同，如： 60/2 MHz，27/2 MHz。两个电源可以施加在同一个电极或不同的 电极。
(b) 感性耦合
盘香形线圈
ICP source with planar coils
•离解过程 AB + e A + B + e
•弹性碰撞 A+ + e A +e
2、气体放电的类型
（1）DC glow discharges（直流放电） （2）RF glow discharges （射频放电） （3）Microwave discharges （微波放电）
1、直流辉光
阴极
等离子体
中性气体不含有带电的粒子，只含有一些中性的粒子，如原子分子。
等离子体物理学
等离⼦体物理学§2 等离⼦体物理学研究等离⼦体的形成、性质和运动规律的⼀门学科。
宇宙间的物质绝⼤部分处于等离⼦体状态。
天体物理学和空间物理学所研究的对象中，如太阳耀斑、⽇冕、⽇珥、太阳⿊⼦、太阳风、地球电离层、极光以及⼀般恒星、星云、脉冲星等等，都涉及等离⼦体。
处于等离⼦状态的轻核，在聚变过程中释放了⼤量的能量,因此,这个过程的实现，将为⼈类开发取之不尽的能源。
要利⽤这种能量，必须解决等离⼦体的约束、加热等物理问题。
所以，等离⼦体物理学是天体物理学、空间物理学和受控热核聚变研究的实验与理论基础。
此外，低温等离⼦体的多项技术应⽤，如磁流体发电、等离⼦体冶炼、等离⼦体化⼯、⽓体放电型的电⼦器件，以及⽕箭推进剂等研究，也都离不开等离⼦体物理学。
⾦属及半导体中电⼦⽓的运动规律，也与等离⼦体物理有联系。
⼀发展简史19世纪以来对⽓体放电的研究;19世纪中叶开始天体物理学及20世纪对空间物理学的研究；1950年前后开始对受控热核聚变的研究；以及低温等离⼦体技术应⽤的研究，从四个⽅⾯推动了这门学科的发展。
19世纪30年代英国的M.法拉第以及其后的J.J.汤姆孙、J.S.E.汤森德等⼈相继研究⽓体放电现象，这实际上是等离⼦体实验研究的起步时期。
1879年英国的W.克鲁克斯采⽤“物质第四态”这个名词来描述⽓体放电管中的电离⽓体。
美国的I.朗缪尔在1928年⾸先引⼊等离⼦体这个名词，等离⼦体物理学才正式问世。
1929年美国的L.汤克斯和朗缪尔指出了等离⼦体中电⼦密度的疏密波（即朗缪尔波）。
对空间等离⼦体的探索，也在20世纪初开始。
1902年英国的O.亥维赛等为了解释⽆线电波可以远距离传播的现象，推测地球上空存在着能反射电磁波的电离层。
这个假说为英国的E.V.阿普顿⽤实验证实。
英国的D.R.哈特⾥(1931)和阿普顿(1932)提出了电离层的折射率公式，并得到磁化等离⼦体的⾊散⽅程。
1941年英国的S.查普曼和V.C.A.费拉罗认为太阳会发射出⾼速带电粒⼦流，粒⼦流会把地磁场包围，并使它受压缩⽽变形。
等离子体物理-第五章-1
§5.2存在磁场时弱电离等离子体中的扩散
要研究双极扩散，原则上要利用封闭面上粒子通
量的散度相等：
i
i
e
5.24 对 和 ，其形式分别为： n i i nE Di n i nEz Di z z 5.25 n e e nE De n e nEz De z z
对于某种粒子，粒子流的通量，即单位时间穿过
单位截面的粒子数量应为： n nE D n
j j j j
5.8
5.9
当E＝0，得到中性气体的扩散定律：
Dn
§5.1无磁场弱电离等离子体中的扩散
3、双极扩散
存在电场E和密度梯度 n，就会造成粒子扩散。 实际上等离子体总是有界的，在边界上，密度为 零，必然出现密度梯度，从而引起扩散。 由于扩散，等离子体的电中性就可能由于通量Γ 不同而遭到破坏，导致等离子体崩溃。
下，由于
2 c 1 2 2
5.23
§5.2存在磁场时弱电离等离子体中的扩散
通过对强磁场和无磁场两种情况下扩散系数的比
较，发现强磁场作用下，粒子的碰撞产生的作用 与无磁场时有完全不同的效果。 无磁场时，碰撞降低了粒子扩散的速度。 而强磁场下，粒子束搏在某一根磁力线附近作回 旋运动，不能向外扩散，正是由于碰撞才造成粒 子脱离原来的磁力线的机会，从而产生扩散。
D , D 2 2 1 c 1 c2 2
垂直迁移率
5.21
垂直扩散系数
n 1 ( E D ) ( ) n 1
2 2 E D c
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
等离子体物理学导论L5
2.1.3 重力漂移 （注: 仅将 qE 换成 mg 即可） 即可）
重力漂移方向与电荷相关， 重力漂移方向与电荷相关，电子与离子漂 移方向相反，这种漂移有产生空间电荷分 移方向相反， 离的趋势，进而产生电场或者电流， 离的趋势，进而产生电场或者电流，使得 磁场系统发生变化 (写出电流表达式 电流的主要载体 写出电流表达式/电流的主要载体 写出电流表达式 电流的主要载体) 思考: 离子的质量大,反而漂移速度快 反而漂移速度快? 思考 离子的质量大 反而漂移速度快
四种描述方法 • 单粒子轨道理论 • 粒子模拟PIC • Kinetic Vlasov-Maxwell方程组
• MHD 逐层近似
第二章. 第二章 带电粒子在电磁场中的运动 Motion of charged particles in fields
对于给定的电磁场、求解单粒子运动方程： 对于给定的电磁场、求解单粒子运动方程：
引起的漂移： 其它非电场力 F 引起的漂移：
注: 本章后面求漂移速度的指导思想就是 (1) 引导中心近似，将回旋运动单独解开 引导中心近似， (2) 将各种扰动形式化为外力项或等效外力项
课堂思考： 课堂思考： Q：在磁场趋于零时， ：在磁场趋于零时， 会得到漂移速度无穷 大的结果，如何理解？ 大的结果，如何理解？
Introduction to Plasma Physics 等离子体物理学导论 主讲: 主讲: 陈 耀 山东大学空间科学研究院 2009.3 – 2009.6
• 回顾
1.4 库仑碰撞 库仑碰撞频率 1.5 等离子体物理学研究和描述方法
Kb3/2 几个要点： 几个要点： 德拜屏蔽过程将等离子体粒子间的相互作用分为 两种，一为球内粒子的库仑相互作用， 两种，一为球内粒子的库仑相互作用，二为球外 粒子的集体相互作用； 粒子的集体相互作用； 库仑碰撞以小角度散射或远碰撞为主要形式； 库仑碰撞以小角度散射或远碰撞为主要形式；远 碰撞等效碰撞截面是近碰撞的几十倍 碰撞频率与温度的3/2次幂成反比，这是库仑碰 碰撞频率与温度的3/2次幂成反比， 3/2次幂成反比 撞的重要特点， 撞的重要特点，与中性粒子间的碰撞对温度的依 赖完全不同。温度越高，库仑碰撞的频率越小. 赖完全不同。温度越高，库仑碰撞的频率越小. 数密度越高， 数密度越高，碰撞频率越高
等离子体物理学课件
解释等离子体发光的物理原理
等离子体的基本性质
电磁性质
• 等离子体在电场和磁场下的行为 • 等离子体的电导率和介电常数
动力学性质
• 等离子体的输运过程 • 等离子体的热力学性质
等离子体在天体物理中的应用
恒星爆炸中的等离子体
讨论等离子体在恒星爆炸和体的研究
探索行星际空间中等离子体的特性和影响
2 等离子体在新能源领域的应用
讨论等离子体技术在太阳能和风能等新能源技术中的应用
3 等离子体在生物医学中的应用
介绍等离子体在癌症治疗和生物材料领域的发展和研究进展
结语
展望等离子体物理学的未来，谢谢阅读！
等离子体物理学课件
本课件将介绍等离子体的基本概念、产生方式、基本性质，以及在天体物理、 实验室研究和前沿领域中的应用。
等离子体的基本概念
• 解释等离子体的概念 • 比较等离子体与其他物态的差异
等离子体的产生
1 切割/焊接技术中的等离子体
探讨等离子体在金属切割和焊接过程中的作用和产生方式
2 等离子体的发光现象
等离子体的实验室研究
1
实验室设备简介
介绍用于研究等离子体的实验室设备，
等离子体实验的基本技术
2
包括等离子体发生器和诊断工具
讨论实验中的主要技术，如等离子体
控制和诊断方法
3
等离子体实验的数据分析方法
介绍分析实验数据的常见方法，以及 结果的解释
等离子体学的前沿领域
1 等离子体在核聚变中的应用
探索等离子体在核聚变反应中的重要性，并解释其在未来能源领域的潜力
等离子体的基本性质
电磁性质
• 等离子体在电场和磁场下的行为 • 等离子体的电导率和介电常数
动力学性质
• 等离子体的输运过程 • 等离子体的热力学性质
等离子体在天体物理中的应用
恒星爆炸中的等离子体
讨论等离子体在恒星爆炸和体的研究
探索行星际空间中等离子体的特性和影响
2 等离子体在新能源领域的应用
讨论等离子体技术在太阳能和风能等新能源技术中的应用
3 等离子体在生物医学中的应用
介绍等离子体在癌症治疗和生物材料领域的发展和研究进展
结语
展望等离子体物理学的未来，谢谢阅读！
等离子体物理学课件
本课件将介绍等离子体的基本概念、产生方式、基本性质，以及在天体物理、 实验室研究和前沿领域中的应用。
等离子体的基本概念
• 解释等离子体的概念 • 比较等离子体与其他物态的差异
等离子体的产生
1 切割/焊接技术中的等离子体
探讨等离子体在金属切割和焊接过程中的作用和产生方式
2 等离子体的发光现象
等离子体的实验室研究
1
实验室设备简介
介绍用于研究等离子体的实验室设备，
等离子体实验的基本技术
2
包括等离子体发生器和诊断工具
讨论实验中的主要技术，如等离子体
控制和诊断方法
3
等离子体实验的数据分析方法
介绍分析实验数据的常见方法，以及 结果的解释
等离子体学的前沿领域
1 等离子体在核聚变中的应用
探索等离子体在核聚变反应中的重要性，并解释其在未来能源领域的潜力