等离子体物理学

等离子体物理学的方法二. 等离子体的物理特性 等离子体定义为包含大量正负带电粒子、而又不出现净空间电荷的电离气体。 等离子体有一系列不同于普通气体的特性： （1）高度电离，是电和热的良导体，具有比普通气体大几百倍的比热容。 （2）带正电的和带负电的粒子密度几乎相等。 （3）宏观上是电中性的。 描述等离子体的一些主要参量为： （1）电子温度。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）带电粒子密度。电子密度为，正离子密度为，在等离子体中。（3）轴向电场强度。表征为维持等离子体的存在所需的能量。（4）电子平均动能。 （5）空间电位分布。 本实验研究的是辉光放电等离子体。1.21带电粒子在均匀恒定磁场和电场中的电漂移（如图3所示）：由电漂移速度公式知，带电粒子漂移方向垂直于磁场B 和电场E ，漂移速度的大小与粒子电荷的符号以及粒子的质量都无关，因此，所有正负带电粒子都以相同的速度朝同一方向漂移，不会引起电荷分离，也就不会出现漂移电流。图2:均匀磁场中带电粒子的回旋图 图3：带电粒子电漂移1.22带电粒子在均匀恒定磁场中重力漂移（如图4所示）：它是由于粒子在重力场中得到和损失能量时所引起的回旋半径的变化。重力漂移速度与粒子电荷符号有关，正负电荷朝相反的方向漂移，因此会产生电荷分离，引起漂移电流。其他非电性力也有同样的性质。另外，重力漂移速度大小与粒子质量有关，粒子质量越大，漂移速度越大。在许多情况下，重力引起的漂移是可以忽略不计的。图4： 重力漂移1.3带电粒子在非均匀恒定电磁场中的运动【12】变化的磁场是指磁场空间分布的非均匀性和磁场随时间的变化，这时粒子的运动方程为：由于 B 是空间坐标和时间的函数，方程是非线性的，在一般情况下难于求得解析解。然而，如果当回旋半径，螺旋轨道的螺矩远小于非均匀性的特征长度，带电粒子回旋周期远小于场变化的特征时间，即满足所谓的缓变条件能近似地求解运动方程。所以，只要弄清引导中心的漂移运动的性质，就能了解粒子运动的整体特性。这样一种近似处理方法叫做漂移近似。人们广泛利用这种近似来描述强磁场中等离子体的行为。带电粒子在变化磁场中的运动中主要有梯度漂移，曲率漂移：1.31由磁场梯度引起的梯度漂移（如图5所示）梯度漂移速度与粒子横向动能w有关，同时，与电荷符号有关，正负电荷将沿相反方向漂移，引起电荷分离，并产生漂移电流。 图5：梯度漂移 1.32带电粒子的曲率漂移（图6所示）设磁力线有轻微的弯曲，磁力线的曲率半径 R 远大于粒子的回旋半径 ，且满足缓变条件，带电粒子以速度沿磁力线运动，同时绕着磁力线做回旋运动。所以粒子将感受到一个惯性离心力的作用，其方向沿曲率半径向外。由一般力场的漂移公式可得漂移速度为:即曲率漂移速度与粒子纵向动能和电荷符号有关。正负带电粒子朝相反的方向漂移，导致电荷分离，且产生漂移电流。1.4带电粒子在随时间缓变均匀电磁场中的漂移:(如图7所示)1.41磁场B随时间缓变，根据法拉第定律，变化的磁场产生感应电场E，带电粒子在磁场B和电场E的作用下作漂移运动【13】，感应电场的力线是轴对称区域中的圆周。E的方向是圆周的切线方向，于是粒子沿半径方向漂移图6：曲率漂移图7：磁场随时间缓变1.42磁场B随空间坐标缓变，磁矩是守恒的(如图8)1.43变化电场中的极化漂移【14】（如图9所示）:设均匀恒定磁场沿z轴，电场E指向x轴方向,它在 y 轴方向按余弦方式变化这里 E0为电场振幅, 它是常量; k 为波数, 相应的波长为：这种空间分布的电场是由相同波长的电荷密度扰动所造成的。等离子体中常常会出现这种形式的扰动。即粒子开始静止时，突然加一电场E，则只有当粒子被加速到一定速度后才感受到洛伦磁力的作用并向下运动，如果E为常数，则无进一步的极化漂移速度，只剩下电漂移速度VE .如果E突然改变方向，则回旋轨道的左右两半大小也突然改变，回旋中心就会产生向左的位移，即产生突然向左的极化漂移速度。图8 :磁场随空间坐标缓变图9：随粒子在随时间缓变电场中的漂移1.等离子体冶炼用于冶炼用普通方法难于冶炼的材料，例如高熔点的锆、钛、钽、铌、钒、钨等金属；还用于简化工艺过程，例如直接从ZrCl、MoS、TaO和TiCl中分别获得Zr、Mo、Ta和Ti；用等离子体熔化快速固化法可开发硬的高熔点粉末，如碳化钨-钴、Mo-Co、Mo-Ti-六等离子的应用及发展前景【18-20】Zr-C等粉末 等离子体冶炼的优点是产品成分及微结构的一致性好，可免除容器材料的污染 。2等离子体喷涂许多设备的部件应能耐磨耐腐蚀、抗高温，为此需要在其表面喷涂一层具有特殊性能的材料。用等离子体沉积快速固化法可将特种材料粉末喷入热等离子体中熔化，并喷涂到基体上，使之迅速冷却、固化，形成接近网状结构的表层，这可大大提高喷涂质量。 3.等离子体焊接可用以焊接钢、合金钢；铝、铜、钛等及其合金。特点是焊缝平整，可以再加工,没有氧化物杂质,焊接速度快。用于切割钢、铝及其合金，切割厚度大。 4等离子体刻蚀在半导体制造技术中，等离子体刻蚀是干法刻蚀中最常见的一种方法，等离子体产生的带能粒子在强电场下，朝硅片表面加速，这些例子通过溅射刻蚀作用去除未被保护的硅片表面材料，从而完成一部分的硅刻蚀。 5等离子体隐身在军事应用于飞行器的隐身。 6等离子体核聚变托克马克及ITER装置，都是研究核聚变应用发电的实例7发展前景：等离子体物理学已发展成为物理学的一个十分活跃的分支。在实验上，已经建成了包括一批聚变实验装置在内的很多装置，发射了不少科学卫星和空间实验室，从而取得大量的实验数据和观测资料。在理论上，利用粒子轨道理论、磁流体力学和动力论已经阐明等离子体的很多性质和运动规律，还发展了数值实验方法。最近半个多世纪来的巨大成就，使人们对等离子体的认识大大深化；但是一些已提出多年的问题，特别是一些非线性问题如反常输运等尚未得到完善解决，而对天体和空间的观测的进一步开展，以及受控热核聚变和低温等离子体应用研究的发展，又必定会带来更多新的问题。今后一个相当长的时期内，等离子体物理学将继续取得多方面的进展。也相信经过科学家的努力，等离子体一定会有更广泛的应用。结论:作为宇宙中存在最广泛的等离子体，其密度范围很宽。对于极其稀薄的等离子体，粒子间的碰撞和集体效应可以忽略，可采用单粒子轨道理论研究等离子体在磁场中的运动。对于稠密等离子体，粒子间的碰撞起主要作用，研究这种等离子体在磁场中的运动有两种方法。一是统计力学方法，即所谓等离子体动力论，它从微观出发，把气体当作正、负粒子和中性粒子的混合物，并考虑粒子之间的相互碰撞影响，用统计方法研究等离子体在磁场中的宏观运动；二是连续介质力学方法即磁流体力学，把等离子体当作连续介质来研究它在磁场中的运动。等离子体动力论对等离子体作最基本的描述，分析深刻，而磁流体力学则是它的一种宏观近似。这三个理论将会更广泛的应用于以后的实际中!等离子体将会在实验和理论中得到更大的进展！等离子体物理学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。等离子体又叫做电浆，是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，常被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。现代科学断言，宇宙中99%以上的物质是处在等离子体状态的，只有像地球这样一些很冷的地方，由于环境特殊，阻碍了等离子体的自然形成。而在第二次世界大战以后，在氢弹试验成功的启发下，许多国家开展了对受控热核反应的研究，这一研究的关键在于对等离子体的研究，极大地推进了等离子体物理这门新科学的发展，至今这门新科学一直是科学研究领域的热点问题。实际等离子体是由大量带电粒子组成的动力学系统，粒子之间存在着库伦相互作用，研究由大量粒子组成的系统，适宜的方法是统计理论，即动力学理论，不过动力学理论比较复杂可以用一些近似模型来简化描述。流体处理方法把等离子体作为连续介质来处理。这一处理方法是基于等离子体的基本特征之一能够传导电流的流动介质。这一特征使得等离子体可用导电流体模型来描述，从而不讨论单个粒子的行为，而把等离子体当做连续介质。这种模型适合于缓慢变化的等离子体现象。缓慢变化是指等离子体的特征长度和特征时间远大于等离子体粒子的平均自由程和平均碰撞时间。在这种情况下，等离子体可近似地看做处于局部热平衡状态，因而可以像通常的流体中那样定义流体的速度、压强、密度、温度等流体力学和热力学参量，并用这些宏观量来描述等离子体的宏观运动。导电流体除了一般流体中的重力、压强、粘滞力等作用外，还有很大的电磁作用。当导电流体在磁场中运动时，流体内部感生的电流要产生附加的磁场，同时电流在磁场中流动导致的机械力又会改变流体的运动。所以导电流体的运动比普通流体复杂得多，研究导电流体在电磁场中运动规律用磁流体力学，综合流体力学和电磁学基本方程，并计入流体和磁场之间的相互作用。磁流体力学适宜于研究稠密等离子体的宏观性质如平衡、宏观稳定性以及冷等离子体中的波动问题.磁流体力学可研究冷等离子体中的波，如寻常波和非常波，回旋波，剪切阿尔文波，哨声等。但由于磁流体力学不考虑粒子的速度空间分布函数，无法揭示波和粒子的相互作用以及微观不稳定性等一系列重要性质。当然，以上的单粒子轨道理论和磁流体力学理论都是近似的理论，使用时都有一定的局限性。统计处理则是把等离子体看成是由大量带电粒子组成的一个集团，应用严格的统计物理学方法来研究着这团粒子的集体行为。这就要结合等离子体动力论，其基本精神是：从假设的物质结构模型出发，在分析单个粒子运动的基础上，应用统计物理学观念和特定的数学工具，来推求大量粒子的统计平均结果。这里的关键是如何求平均，这需要事先知道粒子按状态的分布。但是由于等离子体产生方法和所处的约束条件使它经常偏离热力学平衡状态，不存在普遍适用的分布函数，我们只能找到分布函数随时间而演化的方程，即动力论方程。动力论方程是非线性的积分微分方程，求解非常困难，通常只能求近似解。分布函数不是一个可测量，但是在速度空间中分布函数的矩却是可测的。这些矩联系到了等离子体的质量密度、粒子平均速度、压强、能流密度等等。由此可以得出一组方程，其中只包含可直接测量的宏观量，正好就是磁流体力学中的连续性方程，动量方程和能量方程。等离子体动力论适宜于研究等离子体中的弛豫过程和输运过程以及种类繁多的波和微观不稳定性问题。此外，动力论还可以讨论等离子体中的涨落效应。参考文献等离子体物理理论2023版 郑坚等离子体物理学编著：李定 陈银华 马锦秀 杨维紘 高等教育出版社等离子体物理学 徐家鸾 金尚宪 原子能出版社