等离子体物理：课程总结课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,等离子体物理,课程总结,等离子体物理课程总结,课程内容,绪 论,基础理论,应 用,等离子体导论,等离子体物理概述,单粒子轨道运动,磁流体力学,等离子体中的波,等离子体中碰撞与输运,核聚变等离子体,等离子体平衡与稳定性,动力学理论方程,低温等离子体技术,等离子体应用,空间等离子体,课程内容绪 论基础理论应 用等离子体导论单粒子轨道运动低温等,绪论,等离子体,的概念,等离子体的存在形式,等离子体,描述方法,等离子体,的,发展历史,等离子体分类及,特点,等离子体,的概念,等离子体,研究领域,等离子体导论,绪论等离子体的概念等离子体的存在形式等离子体描述方法等离子体,所谓等离子体就是被激发电离气体，达到一定的电离度，气体处于,导电状态,，这种状态的电离气体就表现出,集体行为,，即电离气体中每一带电粒子的运动都会影响到其周围带电粒子，同时也受到其他带电粒子的约束。由于电离气体整体行为表现出电中性，也就是,电离气体内正负电荷数相等,，称这种气体状态为,等离子体态,。由于它的独特行为与固态、液态、气态都截然不同，故称之为,物质第四态,。,由大量处于非束缚态的带电粒子组成的表现出集体行为的准中性宏观体系,.,什么是等离子体,?,所谓等离子体就是被激发电离气体，达到一定的电离度，气体处于导,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体,(,李定等：等离子体物理学，高等教育出版社,),A plasma is a,quasineutral gas,of charged and neutral particles which exhibits,collective behavior,.,F.F.Chen,Introduction to Plasma Physics and Controlled Fusion,Plenum Press,1984,定义,自由电荷构成、表现出集体行为的准中性多粒子系统,.,什么是等离子体,?,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,固体,冰,液体,水,气体,水汽,等离子体,电离气体,温度,0,0,C,100,0,C,10000,0,C,等离子体是物质第四态,除固体、液体、和气体状态 之外的第四种状态,以水为例,固体液体气体等离子体温度00C1000C100000C等离子,冷等离子体,T,e,T,i,T,a,热等离子体,T,e,T,i,T,a,电弧、碘钨灯,极光、日光灯,电子温度,10000,0,C,1eV,聚变、太阳核心,高 温等离子体,低 温等离子体,等离子体分类,1eV,11600K,冷等离子体TeTi,Ta热等离子体TeTi,Ta,1.,单粒子轨道理论,2.,磁流体动力学理论,3.,等离子体动理学理论,4.,计算物理,等离子体的参数空间非常宽广，而且等离子体的性质比普通流体更加复杂。但一般来说等离子体是一个经典的非相对论的体系，所以等离子体的基本描述方法可以适用范围很大的等离子体体系。,等离子体,描述方法,1.单粒子轨道理论2.磁流体动力学理论3.等离子体动理,徳拜屏蔽,根据上面所述，德拜长度的物理意义为：,一方面它是静电作用的屏蔽半径；,另一方面，它又是局域性电荷分离的空间尺度。在德拜球内，正负电荷是分离的，在球内各点,徳拜长度,徳拜屏蔽根据上面所述，德拜长度的物理意义为：徳拜长度,在,D,定义中使用的是电子温度,，这是因为：,电子比粒子更容易迁移，电子移动时通常会产生负电荷过剩或不足，从而产生屏蔽作用。,利用德拜长度能够计算出,“,徳拜球,”,中的粒子数,N,D,：,集体行为还要求,在 D 定义中使用的是电子温度，这是因为：电子比粒子更容易,等离子作振荡,等离子在热平衡时是准电中性的,.,若等离子体内部受到某种扰动而使其中一些区域内电荷密度不为零,就会产生强的静电恢复力，使等离子体内的电荷分布发生振荡这种振荡主要是由电场和等离子体的流体运动相互制约所形成的,cm,-3,等离子作振荡 等离子在热平衡时是准电中性的.若,等离子体判据,等离子体存在满足下面三个条件,第一个条件：,第二个条件：,第三个条件：,即等离子体的德拜长度大于粒子间的平均距离，德拜屏蔽效应是大量粒子的统计效应，统计条件要求德拜球内有大量的粒子，为此必须满足此条件。,即德拜长度远小于等离子体特征长度，由于在德拜球内不能保证此电中性。所以不满足这个条件，就不可能把等离子体看作电中性的物质聚集态。,c,是碰撞频率，是热运动阻碍恢复电中性的因素，当,p,c,时，电子来不及通过碰撞耗散振荡能量，则振荡能维持，保证了等离子体维持电中性。,等离子体判据 等离子体存在满足下面三个条件第一个条件：第二,单粒子轨道运动,单个粒子在电场和磁场中具有怎么样的行为？,非均匀,E,场,随时间缓慢变化的,E,场,随时间缓慢变化的磁场,绝热不变量（寝渐不变量）,非均匀磁场,均匀的电场和磁场,单粒子轨道运动单个粒子在电场和磁场中具有怎么样的行为？非均匀,引导中心漂移公式汇总,特点！,区别！,引导中心漂移公式汇总特点！,单粒子轨道运动,带电粒子的电场,/,重力漂移,带电粒子的梯度漂移,带电粒子的曲率漂移,第一个绝热不变量,第二个绝热不变量,J,第三个绝热不变量,漂移,绝热不变量（寝渐不变量）,拉莫尔回转,周期运动,粒子在磁镜间反跳,周期运动,粒子在地球磁场中漂移,准,周期运动,特点！,区别！,漂移的物理根源是什么？,单粒子轨道运动带电粒子的电场/重力漂移第一个绝热不变量 第,磁镜效应,有限拉莫半径效应,泄漏锥问题,费米加速问题,范艾仑辐射带问题,极光形成问题,效应,问题,磁镜效应 有限拉莫半径效应泄漏锥问题费米加速问题范艾仑辐射带,磁镜效应,磁力线的收敛和发散，存在分量,B,r,，这个分量能引起在磁场中俘获或捕集粒子的力。,磁场强,磁场弱,磁镜就象一个笼子，把电荷粒子约束在笼子里,磁阱,?,磁镜效应 磁力线的收敛和发散，存在分量Br，这个分量能引起在,泄漏锥问题,式定义了速度空间的一个边界区域，这个边界有圆锥形状，叫做,泄漏锥,。位于其内的粒子是不受约束的。,R,m,是磁镜比,/,0,的粒子能穿越磁颈,泄漏锥问题式定义了速度空间的一个边界区域，这个边界有圆锥形状,费米加速问题,不变,考虑磁镜两端缓慢靠近,由于两磁镜的缓慢运动,粒子能量增加,!,可以解释,宇宙高能粒子,的存在,费米加速问题不变考虑磁镜两端缓慢靠近由于两磁镜的缓慢运动,粒,磁流体力学,1),拉格朗日法,（随体法）,基本原理：是力学中质点运动描述方法在流体力学中的推广。它研究流场中个别,流体质点,在不同的时间其位置、流速、压力的变化。即把流体细分为大量的流体质点，着眼于流体质点运动的描述，设法描述出每个质点,自始至终,的运动状态。所有质点的运动规律知道后，整个流场的运动规律就清楚了。,2,）欧拉法（局部法、当地法）,研究思路：着眼点不是流体质点，而是,空间点,，研究每一个空间点上流体,流过,时的速度（压力、密度等）随时间的变化情况或是在某一时刻各空间点上流体速度分布。,磁流体力学 1)拉格朗日法（随体法）基本原理：是力学中质,质点导数,对质点的运动要素,A,：,时变导数,位变导数,A:,物理量,可以是标量、矢量或者张量,加速度、密度、压强、,温度等物理量,质点导数对质点的运动要素A：时变导数位变导数A:物理量可,完整的磁流体力学方程组：,连续性方程,运动方程,能量方程,欧姆定律,麦克斯韦方程组,状态方程,边界条件求解！,其中,完整的磁流体力学方程组：连续性方程运动方程能量方程欧姆定律麦,双磁流体力学方程组,16,个方程,16,个未知数,磁场应力及磁扩散与冻结,等离子体中的波,等离子体平衡与稳定性,等离子体中碰撞与输运,双磁流体力学方程组16个方程磁场应力及磁扩散与冻结,磁压力,磁张力,磁扩散,磁冻结,磁漂移,利用双磁流体力学方程组讨论以下问题：,磁压力利用双磁流体力学方程组讨论以下问题：,磁压力与磁张力,作用于某流体元的磁力等效于：,各向同性的磁压力,沿着磁感应线方向的磁张力,磁压力与磁张力作用于某流体元的磁力等效于：各向同性的磁压力沿,均匀磁场中的小立方体受磁力情况,均匀磁场中的小立方体受磁力情况,磁扩散与磁冻结,磁扩散效应,磁粘滞系数,方程的解：,穿透深度,plasma,特征时间为：,没有流动和对流,磁扩散,=,磁衰减,磁扩散与磁冻结磁扩散效应磁粘滞系数方程的解：穿透深度plas,磁冻结效应,该方程的意义：,磁场的变化如同磁力线粘附于流体质元上，或者说，磁力线被冻结在导电流体中。所以上面的方程叫,冻结方程,。,冻结方程,任意流体曲面中的磁通不随时间改变，也就是说，处于导电流体中的磁力线与流体质元黏附在一起，随着流体一起运动，或者：磁力线被冻结在导电流体中。,命题：,理想的导电流体,磁冻结效应该方程的意义：磁场的变化如同磁力线粘附于流体质元上,垂直于,B,的流体漂移,物理原因,通过任何体积元向下的运动的离子比向上的离子多,向下的离子：来自高密度区,向上的离子：来自低密度区,结果,:,产生一个向下的漂移,抗磁漂移,垂直于B的流体漂移物理原因通过任何体积元向下的运动的离子比向,等离子体中的波,4.3,磁流体力学波,4.1,等离子体双流体方程组,4.2,有关波动的几个概念,4.4,等离子体振荡与朗缪尔波,4.5,离子声波,4.6,磁化等离子体中的静电波,4.7,磁化等离子体中的高频电磁波,等离子体中的波4.3 磁流体力学波4.1 等离子体双流体方程,有关波动的几个概念,相速度,群速度为：,瑞利群速公式,色散关系,有关波动的几个概念相速度群速度为：瑞利群速公式色散关系,磁应力和热应力同时起作用,磁流体力学波,阿尔芬波,磁声波,*,声波,只有磁应力,只有热应力,磁应力和热应力同时起作用磁流体力学波阿尔芬波只有磁应力只有热,非磁化等离子体中波：,电磁波,离子声波,朗缪尔波,色散关系,静电波：朗缪尔波是高频波，不涉及离子运动；,静电波：离子是低频波，受电子运动影响；,电磁波：有扰动磁场，且存在,截至频率,非磁化等离子体中波：电磁波离子声波朗缪尔波色散关系静电波：朗,高混杂波,磁化等离子体静电波,平行传播的静电波,离子声波,离子回旋波,电子回旋波,对于近似垂直的波,垂直传播的静电离子波,电子,离子,高混杂波磁化等离子体静电波平行传播的静电波离子声波离子回旋波,对于寻常波,色散关系,非寻常波,色散关系,O,波,X,波,磁化等离子体中的高频电磁波,寻常波，,E,1,B,0,非寻常波,E,1,B,0,显然 发生截止,右旋截止,左旋截止,对于寻常波,色散关系非寻常波,色散关系O波X波磁化等离子体中,聚变反应,约束聚变技术,磁约束聚变研究,D+D T(1.01MeV)+p(3.03MeV),D+D ,3,He(0.82MeV)+n(2.45MeV),D+T ,4,He(3.52MeV)+n(14.06MeV),D+,3,He,4,He(3.67MeV)+p(14.67MeV),主要聚变反应,劳逊判据,T10keV,（,1,亿度）,n,310,20,m,-3,s,ITER,约束方式,:,引力约束、惯性约束和磁约束,惯性约束与激光核聚变,磁约束与托卡马克核聚变装置,聚变反应磁约束聚变研究D+D T(1.01M,等离子体物理：课程总结课件,粒子分布函数,六维相空间中代表点的密度,or,称为粒子,速度分布,函数,各向同性的情况下,麦克斯韦速度分布,麦克斯韦速率分布,粒子分布函数六维相空间中代表点的密度or称为粒子速度分布函数,2,、方均根,速率,3,、平均,速率,4,、沿着某一方向的平均,速率,1,、平均速度,任何物理量的平均值：,5,、平均碰壁数,2、方均根速率3、平均速率4、沿着某一方向的平均速率1、平均,波耳滋曼方程,波耳滋曼方程则简单地说明：除了有碰撞以外，,d,f,/,dt,是零,即相空间粒子数守恒。,弗拉索夫,(Vlasov),方程,足够