中国科学技术大学：《电磁学》课程教学资源（专题报告）等离子体物理及应用

等离子体物理及应用 刘万东 中国科学技术大学近代物理系 科大，2002年12月14句

等离子体物理及应用 科大，2002年12月14日 刘 万 东 中国科学技术大学近代物理系

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。 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

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。 – 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

等离子体是物质第四态 固体 液体 气体 等离子体 冰 水 水汽 电离气体 00C 1000C 10000C 温度

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 温度 0 0C 1000C 100000C

电离气体是一种常见的等离子体 著通气体 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 性电是使气体转变成等离子体的一种常见形式 “电性等离子线产奥事气体离度>10)

电离气体是一种常见的等离子体 放电是使气体转变成等离子体的一种常见形式 等离子体  电离气体 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 性质。 “电性”比“中性”更重要 ( 电离度 >10-4 )

宇图中0%物质处于等离子体态 人类的生存伴随着水，水存在的环境是地球文明 得以进化、发展的的热力学环境，这种环境远离 等离子体物态普遍存在的状态。因而，天然等离 子体就只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。 由地球表面向外，等离子体是几乎所有可见物质 的存在形式，大气外侧的电离层、日地空间的太 阳风、太阳日冕、太阳内部、星际空间、星云及 星团，毫无例外的都是等离子体

宇宙中90％物质处于等离子体态 ◼ 人类的生存伴随着水，水存在的环境是地球文明 得以进化、发展的的热力学环境，这种环境远离 等离子体物态普遍存在的状态。因而，天然等离 子体就只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。 ◼ 由地球表面向外，等离子体是几乎所有可见物质 的存在形式，大气外侧的电离层、日地空间的太 阳风、太阳日冕、太阳内部、星际空间、星云及 星团，毫无例外的都是等离子体

宇宙中0%物质处于等离子体态 地球上，人造的等离子体也越来越多地出现在我 们的周围。 日常生活中：日光灯、电孤、等离子体显示屏、臭 氧发生器 典型的工业应用：等离子体刻蚀、镀膜、：表面改性、 喷涂、烧结、治炼、加热、有害物处理 高技术应用：托卡马克、惯性约束聚变、氢弹、高 功率微波器件、离子源、强流束、飞行器鞘套与尾 迹

宇宙中90％物质处于等离子体态 ◼ 地球上，人造的等离子体也越来越多地出现在我 们的周围。 – 日常生活中：日光灯、电弧、等离子体显示屏、臭 氧发生器 – 典型的工业应用：等离子体刻蚀、镀膜、表面改性、 喷涂、烧结、冶炼、加热、有害物处理 – 高技术应用：托卡马克、惯性约束聚变、氢弹、高 功率微波器件、离子源、强流束、飞行器鞘套与尾 迹

等窝子体参致空间 温度 (度) 惯性聚变 100,000,000 氢弹 磁约束 星云 聚变 冕 太阳核心 1,000,000 闪电 太阳风 气体 霓虹灯 液体 固 10,000 星际空间 体 荧光 Too cool and too dense for plasmas to exist 北极光 火焰 (Air) (1000 @人类居住环境 100 1010 1020 1030 密度(cm3)

密度(cm-3 ) 温度 (度) 太阳核心 磁约束 聚 变 霓虹灯 北极光 火 焰 闪电 日冕 氢弹 星际空间 荧光 气体 液 体 固 体 人类居住环境 惯性聚变 星 云 太阳风 等离子体参数空间

等离子体物理学科发展简史 ■19世纪30年代起 -放电管中电离气体，现象认识 建立等离子体物理基本理论框架 ■20世纪50年代起 一受控热核聚变 一空间技术 等离子体物理成为独立的分支学科 ■20世纪80年代起 -气体放电和电弧技术发展应用 低温等离子体物理发展

等离子体物理学科发展简史 ◼ 19世纪30年代起 – 放电管中电离气体，现象认识 – 建立等离子体物理基本理论框架 ◼ 20世纪50年代起 – 受控热核聚变 – 空间技术 – 等离子体物理成为独立的分支学科 ◼ 20世纪80年代起 –气体放电和电弧技术发展应用 –低温等离子体物理发展

等离子体物理妍究领域 ■低温应用等离子体 ■高温聚变等离子体 ■空间和天体等离子体 OVETC

等离子体物理研究领域 ◼低温应用等离子体 ◼高温聚变等离子体 ◼空间和天体等离子体

等离子体分关 极光、日光灯 电弧、碘钨灯 冷等离子体 热等离子体 Te扛，Ta Te=Ti Ta 聚变、太阳核心 低温 高温 等窝子体10000C等离子体 电子温度 lev

等离子体分类 冷等离子体 Te≠Ti , Ta 热等离子体 Te ＝Ti , Ta 极光、日光灯 电弧、碘钨灯 电子温度 100000C 1eV 聚变、太阳核心 高 温 等离子体 低 温 等离子体