1.1 等离子体物理学简介
高考志愿填报建议大学专业解析--等离子体物理
等离子体物理一、专业介绍1、概述：“等离子体”（plasma）被称为“物质的第四态”，一般地它是由电子、离子、中性粒子组成的复杂物质系统，能够表现出许多奇特的物理想象，并在信息、材料、环境、空间等高新技术领域中有着重要的用途，已经极大地促进了人类的精神文明和物质文明建设。
因此等离子体物理学是一门蓬勃发展的新兴科学，其应用领域包括受控热核聚变、空间科学、环境科学、微电子与信息产业、材料合成与处理、国防和高技术应用诸方面。
2、研究方向：等离子体物理的研究方向主要有：(01)低气压等离子体物理及应用技术(02)大气压非平衡等离子体物理及其应用技术(03)空间及聚变等离子体物理(04)复杂等离子体物理(05)等离子体及离子束与物质相互作用（注：各大院校的研究方向有所不同，以大连理工大学为例）3、培养目标：本专业培养学生德智体全面发展，具有坚实的数理基础和等离子体物理专业知识，掌握本学科坚实的理论基础及系统的专门知识，掌握现代微波等离子体实验技能和基本的等离子体诊断技术，熟悉与放电等离子体应用领域相关的专门知识。
较熟练地掌握先进理论分析、物理实验和计算机模拟的方法、先进的诊断方法和应用技术。
能从事创新性科学研究和开发应用，有严谨的科学态度和作风，较深入地了解等离子体物理的前沿领域和国际学术前沿发展动态。
还应较为熟练地掌握一门外国语，能阅读本专业的外文资料。
4、研究生入学考试科目：①101思想政治理论②201英语一③360数学物理方法④806量子力学（注：各大院校的考试科目有所不同，以大连理工大学为例）5、与之相近的一级学科下的其他专业：070201理论物理、070202粒子物理与原子核物理、070203原子与分子物理、070205凝聚态物理、070206声学、070207光学、070208无线电物理。
6、课程设置：（以电子科技大学为例）该专业的必修课主要有: 自然辩证法、科学社会主义理论与实践、硕士生英语阅读、硕士生英语听说与写作、数理方程与特殊函数、数值分析、等离子体物理学、等离子体技术及应用、现代电子学导论、粒子模拟理论与方法、高等电磁场理论。
基础等离子体物理学
最简单的例子是由一种离子和电子组成的完全电离的，其整体为电中性的体 系。最初的等离子体物理研究也称为完全电离气体物理学。（一本 pioneer 的专著 Physics of fully ionized gases 的作者 L. Spitzer Jr ，Prof. of Princeton Uni.,由我 国等离子体和聚变研究的先驱 王承书先生和 金百顺先生译成中文）。因此，早 期人们将完全电中性作为界定等离子体的基本条件之一。现在，完全电中性对聚 变等离子体、空间等离子体、太阳等离子体等仍然是主要的物理特性之一（除很 小的边界区外），但对等离子体壳层(plasma sheath)，等离子体加速器、微波器件、 离子束环等重要物理体系，可以是非电中性的，因而内部电场对体系的性质起重 大影响（如引起等离子体转动）[一本经典专著： Introduction to the physics of non-neutral plasmas, 作者 D C Davidson 是 Physics of Plasmas 的主编]。等离子 体物理的研究范围也更广泛了。因为，已经不是由一种定义来界定研究范围，更 主要的，人们根据研究内容和研究方法的共同性或类似性来归纳学科范畴。“非 电中性等离子体”的意思就是这种物理系统是大量电子和离子组成的，但其整体 并没有达到电中性。但本质上，它仍然是等离子体物理的一个分支。
等离子体物理学导论L11
3.2.2 磁感应方程 欧姆定律：
上式是与流体元一起运动的参考系中 电场与电流的关系，E’是流体元静止 参考系中作用于流体元之上的电场； 在实验室坐标系中(电场E)，有：
(注意：电场大小与参考系的选取有关) 由此得到磁流体力学中的欧姆定律：
其中电导率代表电场驱动等离子体电流 的能力；理想情况下，电导率为无穷大。 即在流体元静止的坐标系中，等离子体 不能维持任何有限强度的电场. 理想MHD
热压张量：粒子热运动携带的动量密度流量
Pressure tensor
vuw n(r,t) fd3v
P(r,t) mwwfd3v
各向同性速度分布热压张量化为压强标量 对应的力称为：热压梯度力 The thermal pressure gradient force
4）热压梯度力的物理本质
是大量粒子的统计平均带来的作用力 仅仅施加于流体之上，单粒子不受此力 完全是粒子自由扩散引起的，与碰撞过程关！
场的贡献等 • 等离子体＝带电的流体 (电浆)，
磁化等离子体磁流体 • 磁流体力学
给出等离子体大量粒子的集体特征，如各 种宏观参数：密度、流速、温度等
• 流体理论暗含的假设： 微团内含有足够多的粒子，可进行统计平 均: 某些情况下假设：碰撞频繁、局域热平衡
高•温无、碰低撞密等度离子等体离能子否体用：磁流体力学描述 如太阳风：5 cm-3
该公式给出了磁流体中电磁场与流动之间 的关系。应用该公式，可以： (1) 估算MHD中电场和磁场能量之比 (2) 忽略Maxwell方程组中的位移电流项
( v<<c ) (3)(3) 推导新的磁感应方程
Q： • 由法拉第定律求散度，可 得磁场散度不随时变， 磁场散度为零的条件是多 余的吗？ • 准中性如何与有源性自洽?
物理系等离子体物理与技术研究生课程简介
教授
材料物理
64
教学大纲（章节目录）：
本课程的目的是，介绍物质的第四态——等离子体的运动规律、物理性质以及等离子体在受控核聚变中以及在工业、材料、航空航天等领域中的广泛应用。本课程的基础课程为：电动力学，电磁学，热力学与统计物理，经典力学
课程主要内容：
第一章等离子体基本性质
1.1等离子体的定义
4.1等离子体振荡
4.2电子等离子体波
4.3离子波
4.4离子波和电子波的比较
4.5外磁场为零时的等离子体波
4.6垂直于外磁场的电磁波
4.7截止与共振
4.8平行于外磁场的电磁波
第五章等离子体中的输运过程
5.1弱电离气体中的扩散和迁移率
5.2稳恒态解
5.3穿过磁场的扩散
5.4完全电离等离子体中的碰撞和扩散
物理
课程名称：等离子体物理与技术
英文名称：Plasma Physics
课程类型：√讲授课程□实践（实验、实习）课程□研讨课程□专题讲座□其它
考核方式：考试
教学方式：讲授
适用专业：材料物理
适用层次：硕士√博士□
开课学期：春
总学时/讲授学时：48/48
学分：3
先修课程要求：
课程组教师姓名
职称
专业
年龄
学术专长
主要参考书：
“等离子体物理原理”马腾才等中国科大出版社
“等离子体物理导论”F.F.chen高等教育出版社
1.2等离子体参数
1.3德拜屏蔽
1.4等离子体的应用
第二章带电粒子在电磁场中运动
2.1带电粒子在均匀电磁场中运动
2.2带电粒子在非均匀电磁场中运动
2.3随时间变化的电磁场
等离子体物理学
植等离子体物理学
等离子体物理学是研究等离子体性质的物理学分支。
等离子体是物质的第四态，是由电子、离子等带电粒子及中性粒子组成的混合气体，宏观上表现出准中性，即正负离子的数目基本相等，整体上呈现电中性，但在小尺度上具有明显的电磁性质。
等离子体还具有明显的集体效应，带电粒子之间的相互作用是长程库仑作用，单个带电粒子的运动状态受到其它许多带电粒子的影响，又可以产生电磁场，影响其它粒子的运动。
等离子体物理学目的是研究发生在等离子体中的一些基本过程，包括等离子体的运动、等离子体中的波动现象、等离子体的平衡和稳定性、碰撞与输运过程等等。
等离子体物理学具有广阔的应用前景，包括受控核聚变、空间等离子体、等离子体天体物理、低温等离子体等等。
等离子体物理学常用的有单粒子轨道理论、磁流体力学、动理学理论三种研究方法。
单粒子轨道理论不考虑带电粒子对电磁场的作用以及粒子之间的相互作用。
磁流体力学将等离子体作为导电流体处理，使用流体力学和麦克斯韦方程组描述。
这种方法只关注流体元的平均效果，因此是一种近似方法。
动理学理论使用统计物理学的方法，考虑粒子的速度分布函数。
等离子体物理学导论L11
第三章 磁流体力学 Magnetohydrodynamics 3.1 磁流体力学概述
单粒子运动无法描述等离子体的集体行为 • 一般必须考虑粒子间的碰撞、粒子对电磁 一般必须考虑粒子间的碰撞、 场的贡献等 • 等离子体＝带电的流体 (电浆 ， 等离子体＝ 电浆)， 电浆 磁化等离子体 磁流体 • 磁流体力学 给出等离子体大量粒子的集体特征， 给出等离子体大量粒子的集体特征，如各 种宏观参数：密度、流速、 种宏观参数：密度、流速、温度等 • 流体理论暗含的假设： 流体理论暗含的假设： 微团内含有足够多的粒子， 微团内含有足够多的粒子，可进行统计平 均: 某些情况下假设：碰撞频繁、 某些情况下假设：碰撞频繁、局域热平衡 • 无碰撞等离子体能否用磁流体力学描述
电场力作为磁流体(电子流体 质子流体 电场力作为磁流体 电子流体+质子流体 中的内力 电子流体 质子流体)中的内力
忽略电子惯性项后,得到的电场的表达式 忽略电子惯性项后 得到的电场的表达式 (广义欧姆定律 广义欧姆定律) 广义欧姆定律
3）Lorentz 力可以做功，为什么？ ） 力可以做功，为什么？ (1) 电子洛仑兹力通过电场进入离子方程， 电子洛仑兹力通过电场进入离子方程， 该力与电子速度垂直， 该力与电子速度垂直，与离子速度可以不 垂直； 垂直；
是大量粒子的统计平均带来的作用力 仅仅施加于流体之上， 仅仅施加于流体之上，单粒子不受此力 完全是粒子自由扩散引起的，与碰撞过程关！ 完全是粒子自由扩散引起的，与碰撞过程关！ 将粒子的微观热运动的能量转化为定向加速运 动的宏观动能 例如：热的向冷的扩散情况、密度不变 例如：热的向冷的扩散情况、 总能量为热运动动能与整体宏观流体动能之和 能量守恒要求： 能量守恒要求：所有粒子的平均热运动动能减 少，必然带来宏观流速的增加
1.1 等离子体物理学简介
1
等离子体物理学简介的目的
• 了解等离子体物理基本概念 • 建立等离子体基本物理过程的物
理图像
2
等离子体简单示例
太阳风暴(Solar wind)
日冕物质抛射的爆发图像
日冕是太阳大气的最外层（其内部分别 从恒星上层大气射出的超高速等离子体 为光球层和色球层），厚度达到几百万 （带电粒子）流。在不是太阳的情况下， 公里以上。在高温下，氢、氦等原子已 经被电离。这些带电粒子运动速度极快， 这种带电粒子流也常称为“恒星风” 以致不断有带电的粒子挣脱太阳的引力 3 束缚，射向太阳的外围。形成太阳风。
n0ex Ex 0 0
注：电场方向定义为正电荷受力方向 简谐振荡方程：
n0e 1/ 2 d x 2 ) pe x 0 pe ( 2 0 me dt
2
2
x=0
Q1：电子、离子的运 动可否解耦？
24
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 Langmuir在1928年研究气体放电时首次发现Langmuir振荡
等离子体Langmuir振荡：
15
等离子体物理学基本概念 温度
• 电子温度Te和离子温度Ti
不同成分之间达到热平衡的时间比同种类粒子之间达到热平衡的时间长得多，因此等离子体不
同种类的粒子可以有不同的温度
• 垂直温度Tperp 和平行温度Tpara
磁场的出现使得沿着磁场方向和垂直于磁场方向上的速度分布可以截然不同，可认为在不同方 向上的等离子体存在不同的温度
等离子体物理学原理
等离子体物理学原理等离子体物理学原理即研究等离子态的性质和行为的学科，等离子体是一种由正负离子和自由电子组成的高度激发的气体。
其物理学原理主要包括等离子体的形成条件、等离子体的宏观特性、等离子体的微观过程以及等离子体与外界的相互作用等方面。
首先，等离子体的形成主要依赖于能量输入。
通常情况下，普通气体通过加热、电离、辐射等方式，可以将部分原子或分子激发或解离为带电粒子，形成等离子体。
这些带电粒子在外加电场或磁场的作用下能够产生自由电子和离子的运动，进而形成等离子体。
其次，等离子体的宏观特性主要涉及等离子体的密度、温度、速度等参数。
等离子体的密度一般由带电粒子的浓度决定，而温度通常是指等离子体内带电粒子的平均动能。
速度则涉及等离子体中带电粒子的运动速度分布，也与温度密切相关。
在微观过程方面，等离子体的行为主要由原子和分子的电离、复合、碰撞等过程塑造。
当带电粒子的速度变化过小时，它们之间会发生碰撞、能量交换等，从而影响等离子体的性质。
此外，等离子体中还存在各种等离子体波，如等离子体振荡、等离子体波动等，这些波动有助于研究等离子体的动力学行为。
最后，等离子体与外界的相互作用广泛存在于各个领域。
在等离子体物理学中，等离子体与电磁场的相互作用是一个重要课题。
此外，等离子体还可以被用于电磁波的传输、粒子束加速、核聚变等应用。
而在自然界中，太阳等恒星的内部就是等离子体，其与太阳风、行星磁场等的相互作用会导致地球磁层的变化、极光的出现等现象。
总体而言，等离子体物理学的研究内容十分丰富，涉及诸多物理学原理和应用。
通过深入了解等离子体的形成、宏观特性、微观过程以及与外界的相互作用，可以为等离子体在能源、材料科学等领域的应用提供理论基础。
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5
宇宙中 99％的 已知物 质是等 离子体
等离子体参数空间 数密度：103 m-3 ---- 1033 m-3 温度：10-1ev ---- 106 ev (103 K---- 1010 K)
广阔的参数空间宽广的研究领域和应用前景!
1ev ~ 11600 K
6
等离子体（Plasma）定义
• 等离子体是由电子、离子等带电粒子以及中性粒子(原子、分子、 微粒等)组成的，宏观上呈现准中性、且具有集体效应的混合气
3. 对于集体的理解 4. 对于第四态的理解
8
等离子体集体效应
3)、集体效应：是与中性气体的根本区别，是等离子体作 为物质第四态的依据。区别一种物态应看作用于物态基本 组元上的作用力，控制物态特性变化的基本作用力，对于 固体，液体，气体均有所不同。中性气体：粒子间的直接 的碰撞作用 等离子体：电磁力，长程 多体
• 温度的单位：K，有时也将Boltzmann常数吸入，采用能量 单位 eV, 1 eV = 1.6e-19 J, 1eV ~ 11600 K ~ 1万度
荧光灯管内的电子温 度为20,000 K, 却烧不 开一杯水？
碰撞传 递能量
16
等离子体物理学基本概念
二、德拜屏蔽的概念
电磁学：金属(良导体)对外加电场的屏蔽作用
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。
0 kTi ,e 1/ 2 2 2 1/ 2 lDi ,e ( ) , lD (lDi lDe ) 2 n0e
等离子体电子振荡的简单数学模型： 考虑厚度为L的片状等离子体，粒子数密度为n。 假荷过剩区域设想为很薄的面电荷区， 只考虑电子的运动 （也可直接推导电子/质子的运动，再近似） 电磁学：面电荷区产生电场， 等离子体振荡示意图 试图消除电荷分离，
运动方程：
速度分布函数代表 在相空间体积元dV之中的粒子数密度；
14
等离子体物理学基本概念
3、温度T 对于满足Maxwell速度分布函数(已经归一化)的粒子：
粒子的平均动能与温度的定义 (统计力学：分子热运动的一种度量)
等离子体温度是粒子平均动能的度量
Thermal vs. non-thermal plasmas
＋
－
在等离子体中引入电场，经过一定的时间……..
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德拜屏蔽 Debye shielding：物理图像
＋
－
屏蔽层(德拜球)厚度：德拜长度 或德拜半径lD
在等离子体中引入电场，经过一定的时间，等离子体中的电19 子、离子将移动，屏蔽电场——德拜屏蔽
德拜屏蔽 Debye shielding：物理图像
导体 存在大量的可自由移动的电荷
导体的静电平衡条件：内部电场为零、表面电场与导体表面垂直
E0
－ －
e
－ －
e
＋ ＋
＋ ＋
E外场0 E感应电荷
等离子体：对任何在等离子体中建立电场的企图都会 受到等离子体(中“自由”带电粒子)的阻止，这就是 等离子体的德拜屏蔽效应.
17
德拜屏蔽 Debye shielding：物理图像
集体行为： 当体系内某处出现扰动时，理论上所有 粒子行为都会受到影响，使整个等离子 体对外加扰动作出响应； 集体行为也会通过电磁场作为媒介来表 现
9
等离子体集体效应
集体行为也会通过电磁场作为媒介来表现
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
n0ex Ex 0 0
注：电场方向定义为正电荷受力方向 简谐振荡方程：
n0e 1/ 2 d x 2 ) pe x 0 pe ( 2 0 me dt
2
2
x=0
Q1：电子、离子的运 动可否解耦？
等离子体的简要历史
In 1897
Cathode ray
J. J. Thomson
4
等离子体的简要历史
In 1928
Plasma
Irving Langmuir
Coined by Irving Langmuir, perhaps because the glowing discharge molds itself to the shape of the Crooks tube (Gr. πλάσμα – a thing moulded or formed). Langmuir described his observations as: Except near the electrodes, where there are sheaths containing very few electrons, the ionized gas contains ions and electrons in about equal numbers so that the resultant space charge is very small. We shall use the name plasma to describe this region containing balanced charges of ions and electrons.
等离子体 物理简介
1
等离子体物理学简介的目的
• 了解等离子体物理基本概念 • 建立等离子体基本物理过程的物
理图像
2
等离子体简单示例
太阳风暴(Solar wind)
日冕物质抛射的爆发图像
日冕是太阳大气的最外层（其内部分别 从恒星上层大气射出的超高速等离子体 为光球层和色球层），厚度达到几百万 （带电粒子）流。在不是太阳的情况下， 公里以上。在高温下，氢、氦等原子已 经被电离。这些带电粒子运动速度极快， 这种带电粒子流也常称为“恒星风” 以致不断有带电的粒子挣脱太阳的引力 3 束缚，射向太阳的外围。形成太阳风。
德拜屏蔽是两个过程竞争的结果: 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!
德拜电势示意图
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 22 温度则屏蔽电子缩为薄壳。
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 1、屏蔽与准中性条件： 将带电粒子的电势局限在德拜球范围内。 德拜球以内，准中性条件不满足、等离子体概念不成立； 只有在大于德拜半径的尺度上，准中性条件才满足，即德拜 半径是等离子体偏离电中性的最大尺度等离子体
Q1：等离子体是绝大多 数物质的存在形式，为 什么我们感觉不是这样？ Q2:固态、液态、气态之 间有明确的相变点，气 态到等离子体态有这样 的相变点吗？ Q3:电离气体一定是等离 子体吗？反过来呢？
自由 平等 博爱 的 等离子体
自由： 自由电子和离子组成 平等： 所有组分(同一种类粒子)全同 博爱：多体相互作用 （库仑力）
13
等离子体物理学基本概念
一、基本参量： 1、粒子数密度n 准中性条件 2. 速度分布函数 (velocity distribution function) (热力学统计) 相空间: 粒子行为可以用位置矢量与速度矢量来描述
坐标 定义了粒子在六维相空间中的位置; 对于多粒 子体系, 采用粒子速度分布函数描述系统的演化与特征:
德拜长度(半径)、德拜势的推导及其物理意义 点电荷q的静电势： q
(r )
4 0 r
将该电荷置于等离子体中吸引异号电荷、排斥同号电荷 在一定空间范围内,等离子体中出现正负电荷数目不等， 异号电荷出现过剩削弱上述静电场等离子体的屏蔽作用。 根据泊松方程：
2
(r ) e (ne ni Zi ) i 0 0
0 kTi ,e
n0e2
2 2 1/ 2 )1/ 2 , lD (lDi lDe )
21
德拜势的求解过程： 球对称电荷分布，即一维情形，可大大简化泊松方程：
， 最终求得德拜势 (the Debye potential) r q (r ) 0 exp( ), 0 lD 4 0 r
体。
• 等离子体是一种电离的气体，具有很高的电导率，与电磁场存在 强烈的耦合作用，在宇宙中广泛存在，常被看作物质的第四态。
A plasma is a quasi-neutral gas of charged and neutral particles which exhibits collective behavior. “Plasma”这个词，由朗缪尔(Langmuir)在1927年最早采用, 中文翻译 国内：等离子体 台湾：电浆
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等离子体定义的要点
1. 对于自由的理解：含大量带电粒子的气体，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，即非束缚态
2. 对于准中性的理解：指等离子体中正负离子数目基本相
等，宏观（大尺度）呈现电中性，小尺度则呈现电磁性质(思考， 为何会出现准中性的性质？)
k k
势场中的热平衡气体满足
该分布的意义： (1) 远离q处的数密度等于未扰数值 (2) 电势为正时，电子数密度增加，即电子将被捕获，离子被排空
20
德拜屏蔽 Debye shielding：物理图像
求得德拜半径解析解的办法：泰勒展开，只保留一阶小量 不考虑接近于电极处电势较大的区域，在稍远处电势满足
(r ) 0 exp(
r
lD
), 0
q 4 0 r
23
2. 等离子体基本尺度