等离子体物理学共120页
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。
等离子体及其物理特性
o(3)宏观上是电中性的。
虽然等离子体宏观上是电中性的， 但是由于电子的热运动，等离子体局部会偏离电中性。 电荷之间的库仑相互作用，使这种偏离电中性的范围不能无限扩大， 最终使电中性得以恢复。偏离电中性的区域最大尺度称为德拜长度λD。 当系统尺度 L＞λD时，系统呈现电中 强，当 L<λD时，系统可能出现非电中性。
用实验方法测定等离子体参量的技术。诊断的方法有探针法、微波法、激光法、光谱法、光学法和粒子束法，其中光学法的原理可参见风洞测试仪器；粒子束法的应用不如前五种普遍。诊断的参量包括微观参量（如碰撞频率）和宏观参量（如密度、温度、压力等热力学参量，以及粘性、扩散、热导率和电导率等输运系数）。一般表征部分电离等离子体特性的参量主要是电子密度、电子温度和碰撞频率。电子密度和电子温度的范围不同，所用的测量方法也不同（图1、图2）。 等离子体诊断技术是随着等离子体科学的进展而发展起来的。20世纪初，开始观测宇宙等离子体。20年代，为了研究气体放电，开创了实验室等离子体诊断。从50年代起，在受控热核反应和空间技术研究的推动下，等离子体诊断的研究进入全盛时期。下面将等离子体诊断应用的各种方法作一介绍。
2.等离子体的主要参量
描述等离子体的一些主要参量为：
1. (l)电子温度Te0它是等离子体的一个主要参量，因为在等离子体中电子碰撞电离是主要的，而电子碰撞电离与电子的能量有直接关系，即与电子温度相关联。
2.(2)带电粒子密度。电子密度为ne，正离子密度为ni，在等离子体中ne≈ni。
3.(3)轴向电场强度 EL0表征为维持等离子体的存在所需的能量。
电导率探针由磁场线圈和探测线圈组成。它利用磁场和等离子体相互作用原理来确定等离子体的电导率。电导率探针有电导率计（图7)和射频电导率探针（图8）等类型。对于电导率计，当高速运动的等离子体切割其磁场线圈的磁力线时，等离子体中便产生感应电流。这又在探测线圈中造成磁通量的变化并感生出电动势。在已知等离子体运动速度的情况下，测量探测线圈中的感应端电压，可以得到等离子体的电导率。射频电导率探针是把磁场线圈和探测线圈合成一个。它利用振荡器产生高频振荡，并通过电介质窗口传输到等离子体中，从而感应出涡流，涡流又影响线圈的阻抗。测量线圈的品质因数（Q值）或谐振频率的变化,可以确定等离子体的高频电导率。 微波法利用电磁波频谱中的微波与等离子体相互作用的原理来测量等离子体参量的方法。微波在等离子体中传播时,会使微波器件的工作状态发生变化（如Q值下降等），并发生吸收、相移以及反射、折射、散射等过程。相应的衰减量、相移量和反射量等物理量可由实验测定，而它们对等离子体的电子密度、碰撞频率等参量的依赖关系则可由理论分析给出。基于这类现象的诊断称为微波传输测量，它分为空腔法和自由传播法两种。图9给出自由传播法的三种基本方法，可进行衰减测量、反射测量和相移测量等。另一类微波法是测量等离子体的微波辐射（如黑体辐射、轫致辐射、回旋辐射和相干辐射等），从而获得有关等离子体温度、不稳定性等特性的信息。
等离子体物理学
等离⼦体物理学等离⼦体物理学（plasma physics）是研究等离⼦体的形成、性质和运动规律的物理学分⽀学科。
等离⼦体是宇宙中物质存在的主要形式，太阳及其他恒星、脉冲星、许多星际物质、地球电离层、极光、电离⽓体等都是等离⼦体。
简况 等离⼦体内部存在着很多种运动形式，并且相互转化着，⾼温等离⼦体还有多种不稳定性。
因此等离⼦体研究是个⾮常复杂的问题。
虽然知道了描述等离⼦体的基本数学⽅程，但这组⽅程⾮常难解，⽬前还很难⽤以准确预⾔等离⼦体的性质和⾏为。
等离⼦体的实验研究，因为因素复杂多变，所以难度也很⼤，⽬前精确度还不⾼。
现在正在⼤⼒进⾏这⽅⾯的研究，以期能够发展出⼀套⽅法，使等离⼦体的温度升⾼到⼀亿度以上，并能控制它的不稳定性,在⾜够长的时间内，将它约束住,使热核反应得以⽐较充分地进⾏下去。
从1928年I.朗缪尔⾸先引⼊等离⼦体的名词以来，伴随着⽓体放电、天体物理和空间物理、受控热核聚变以及低温等离⼦体技术应⽤（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）的研究，作为它们的实验和理论基础的等离⼦体物理学迅速发展，逐渐成为⼀个独⽴的学科。
由于等离⼦体种类繁多，现象复杂，应⽤⼴泛，等离⼦体物理学正从实验研究、理论研究、数值计算三个⽅⾯，互相结合地向深度和⼴度发展。
对于天体、空间和地球上的各种天然等离⼦体，主要通过包括⾼空飞⾏器和⼈造卫星在内的各种观测⼿段，接收它们发射的各种辐射和粒⼦进⾏研究。
根据⼤量观测结果，结合天体物理、空间物理和等离⼦体物理的理论研究，进⾏分析综合，逐步深⼊地了解天然等离⼦体的现象、性质、结构、运动以及演化规律。
在受控热核聚变中，研究的⽬的是利⽤处于等离⼦体状态的轻核，实现聚变反应，以获取⼤量的能量。
内容 等离⼦体物理学的理论研究包括粒⼦轨道理论，磁流体⼒学和等离⼦体动⼒论3个⽅⾯，前两者是近似⽅法，后者是严格的统计⽅法。
粒⼦轨道理论 把等离⼦体看成由⼤量独⽴的带电粒⼦组成的集体，只讨论单个带电粒⼦在外加电磁场中的运动，⽽忽略粒⼦间的相互作⽤。
等离子体物理-第三章-1
第三章 等离子体的流体模型
主要内容：（1）等离子体的介质特性；（2）
流体运动方程；（3）等离子体流体方程组； （4）垂直于磁场的流体漂移；（4）平行于 磁场的流体漂移。 主要要求：本章采用流体模型将等离子体处 理成连续流体介质。掌握Maxwell方程在等 离子体中和在真空中有什么不同之处；为什 么等离子体原则上可以作为电介质而不宜看 成磁介质？掌握流体运动方程组。
4 n ( B1 B2 ) B1t B2t (is is 0 ) c
2 2
iso为外加的面电流, is为感应的面电流 1 D 1 E i dx ( j ) dx 4 t 4 t
s 1 1
jdx
1
2
§3.1等离子体的介质特性
x x (t ; x, y , z ) y y (t ; x, y, z ) z z (t ; x, y, z ) t; x,y,z为欧拉变数。
1）如果t可变，而x,y,z为常数，不同的t得到的是不同 时刻经过空间确定点的不同流体元的速度。 2）如果t为常数，而x,y,z为变数，则为确定时刻空间 流体元的速度分布。
p
t
??成立否
原则上讲，等离子体可以等价成为电介质，而且在很 多情况下，确实可以具体找出 例如：讨论粒子在时间缓变电场中漂移时，得到极化 电流为：
n m M E j B2 t
1
4n(m M ) B
2
(3.18)
§3.1等离子体的介质特性
流体元的坐标，表示 流体元的标号
矢径r不是空间坐标的 函数，而是流体元标 号的函数
§3.2处理流体运动的基本方法
等离子体物理一
（6）
2 m 2 v B2 vB c 4 (v// ) B ( ) qB 2 2
（7）
3. B // B
B 0
r
思考：赤道环电流的形成？
1 B (rBr ) z 0 r体：
由大量正负带电粒子组成（可能还有中性粒子）、在空间尺度 l D 和时间尺度 1/ pe 具有准电中性、在电磁及其他长程力作用下粒 子的运动和行为是以集体效应为主的体系。
等离子体物理学：
等离子体的整体形态和集体运动规律等离子体与电磁场及与其他形态 物质的相互作用。基本问题有：波与粒子相互作用，等离子体加热、 湍流和输运，边界层，磁重联等。。 受控核聚变，宇宙空间（磁层、电离层、行星际、太阳和导 航）。
qB
（2）
FB vF qB2
对力F：电场力、重力、磁场梯度力，q=±e
vE EB B2 mg B qB2
电场力 重力
不产生电流 产生电流
（3）
vg
（4 ）
磁场梯度力
1 2 B FB B mv 2 B 1 1 B B2 2 B B 2 vB m v m v ( ） （5） 3 4 2 qB 2 qB 2 2 2 m v// Rc B 2. 磁力线弯曲 F m v// R vc 2 2 c 2 qB R R c
L D
德拜半径是等离子体系统的基本长度单位，可以粗略地认为，等离子 体由许多德拜球组成。在德拜球内，粒子之间存在着以库仑碰撞为特
征的两体相互作用；在德拜球外，由许多粒子共同参与的集体相互作
用。
等离子体振荡与振荡频率 模型：
等离子体物理第五章等离子体中的电磁波全文
g
d
dk
0
5.2.1 零磁场情况
横波( B0 0 )
色散关系
k
2
2
c2
0
N2
k 2c2
2
1
(
2 pe
2 pi
)
/
2
1
2 pe
/
2
等价表述
k2
2
c2
2 p
c2
0
1
即
2
2 p
k 2c2
(p2 k 2c2 ) 2
5.2.1 零磁场情况
N2
1
2 pe
/2
N2
纵向
1
(p2 k 2c2 ) 2
定义色散张量
D
kk
k
2
1
2
c2
(注意和电位移矢量 D 区分)
则色散方程为
DE 0
D xx D xy D xz Ex
D yx Dzx
D yy Dzy
D yz Dzz
E E
y z
0
非零解要求行列式 det D 0 得到k和的关系
5.1.1 简单情况: 各向同性媒质
1 1 取 k 为z方向,写出色散张量
mi
5.2.1 零磁场情况
总的介电常数
tot
1
i
0
(
e
i
)
1 ( neqe2
0 me
ni qi2
0 mi
)
1
2
1
(
2 pe
2 pi
)/
2
5.2.1 零磁场情况
等离子体振荡的简单推导
取离子静止, 使电子位移距离x来扰动等离子体
等离子体物理-第六章-3
§8•1 等离子体微观不稳定性概述
一、基本特征
所谓等离子体不稳定性，是指等离子体中正在增长着的集体
运动。对于处于热力学平衡状态的等离子体而言，其中出现 的集体振荡模式一般是稳定的。如果等离子体偏离了热力学 平衡状态，集体模式就可能变成不稳定。 等离子体偏离热力学平衡其形式包括有两类方式： 一类是等离子体宏观参数如密度、温度、压强或其它热力学 量的空间局部化或不均匀性；这种不稳定性中等离子体通常 以整体形式在空间改变其形状，是等离子体作为整体时的宏 观运动，因而称为宏观不稳定性 一类是等离子体的速度空间分布函数偏离麦克斯韦分布。这 种原因产生的不稳定性是等离子体内部的高频短波波长振荡， 即振荡波的波长接近Debye长度的量级，称为微观不稳定性。
令ωb=0,得到静止等离子体中波的色散方程：
2 p 1 pe 2 0
令ωpe=0,得到运动的电子束中静电波的色散方程 b2 b 1 0 2 ( kb ) 在该系统中不稳定性是由等离子体本征振荡与电子束中的 静电振荡）相互耦合产生的 耦合的色散方程表明，在ω ＝kvb点，即波的相速 vp= ω /k=vb时，将产生较强的不稳定性
v分布函数的等离子体存在静电不稳定性由于k为实数k大于零且为实数如果并使得v代表的等离子体存在着不稳定的静电振荡视离子为静止不动的正电荷背景则该束等离子体系统的电子速度分布函数可写由潘罗斯penrose判据表明该系统是不稳定的存在增长的静电模式其的相速phdvdvdfpekvpe0得到运动的电子束中静电波的色散方程在该系统中不稳定性是由等离子体本征振荡与电子束中的静电振荡相互耦合产生的pe时上式的右端始终大于0不存在虚根系统是稳定的pe时右端小于0存在虚根设k为复数为实数得到k为
等离子体物理学
等离子体物理学等离子体物理学是一门研究等离子体性质和行为的学科，它涉及到等离子体的产生、演化和应用。
等离子体是物质的第四态，由离子和自由电子组成，具有很多独特的性质和行为。
1. 等离子体的产生等离子体可以通过多种方法产生。
其中一种常见的方式是在高温下加热气体，使其分子电离，并激励电子进入高能级状态。
这样产生的等离子体称为热等离子体。
另一种方式是使用强电场或强激光束将气体分子电离，产生等离子体。
这样产生的等离子体称为非热等离子体。
等离子体的产生过程在工业中有着广泛的应用，例如等离子体刻蚀技术、等离子体喷涂技术等。
2. 等离子体的性质和行为等离子体具有许多独特的性质和行为，使其成为研究和应用的重要领域之一。
2.1 等离子体的导电性由于等离子体中带有自由电子和离子，它具有良好的导电性。
在外加电场的作用下，等离子体中的电子和离子会受到电场力的驱动，形成电流。
这种导电性使等离子体在等离子体技术和能量传输方面有着广泛的应用。
2.2 等离子体的自激振荡和波动性等离子体中的电子和离子会受到外界的激励，进而发生自激振荡。
这种自激振荡可以产生电磁波，例如等离子体激光器中的激光。
此外，等离子体还可以支持多种波动，包括电磁波和物质波。
这些波动现象在等离子体波动理论和等离子体诊断中被广泛研究和应用。
2.3 等离子体的聚变与束缚在高温和高密度条件下，等离子体中的核反应可以产生聚变能量。
聚变是太阳和恒星的能量来源之一，也是人类进行核聚变能研究的重要方向。
此外，借助强磁场的约束，等离子体还可用于磁约束聚变实验和聚变堆的研究。
3. 等离子体物理学的应用等离子体物理学在许多领域有着广泛的应用。
3.1 等离子体技术等离子体技术被广泛应用于微电子制造、半导体工艺、涂层和材料处理等领域。
等离子体技术可以通过控制等离子体的性质和行为来改变材料表面的性质，提高材料的硬度、附着力和防腐蚀性能等。
3.2 等离子体诊断等离子体诊断是研究等离子体属性和行为的重要手段。