等离子体物理实验.ppt

一、等离子体-物质第四态如果给物质施加显著的高温或通过加速电子、加速离子等给物质加上能量，中性的物质就会被离解成电子、离子和自由基。

不断地从外部施加能量，物质被离解成阴、阳荷电粒子的状态称为等离子体。

将物质的状态按从低能到高能的顺序排列依次为固体、液体、气体,等离子体。

等离子体是宇宙中物质存在的一种状态,称为物质第四态.其中含有电子、离子、激发态粒子、亚稳态粒子、光子等,既有导电性又可用磁场控制,而且能为化学反应提供丰富的活性粒子,总体上是电中性的导电气体。

自然界中，等离子体普遍存在，地球大气外层的电离层、太阳日冕、恒星内部、稀薄的星云和星际气体都存在等离子体，地球上自然存在的等离子体虽不多见，但在宇宙中却是物质存在的主要形式，估计宇宙中有99%以上的物质以等离子体的形式存在。

二、等离子体的产生获得等离子体的方法和途径是多种多样的。

通常把在电场作用下气体被击穿而导电的物理现象称之为气体放电，如此产生的电离气体叫做气体放电等离子体。

人们对气体放电的研究己有相当长的一段历史，目前世界各国有很多研究者正从各个方面研究和发展气体放电。

现代气体放电的研究大致可分为两个发展时期:第一个时期是1930年左右，人们从理论上集中对各种气体放电的性质进行了分析和研究，Langmuir首次提出等离子体(plasma)的概念[1] Tonks L, Langmuir I. Oscillations in ionized gases. Phys.Rev., 1929, 33(2):195-210，即由电子、离子和中性原子组成的宏观上保持电中性的电离物质;第二个时期是1950年左右，人们对受控热核反应的研究。

近年来，随着微电子、激光、材料的合成与改性等高新技术的发展，气体放电得到了越来越广泛的研究与应用。

运用气体放电获得等离子体是一种直接、有效的方法。

迄今为止，人们在实验室和生产实践中产生了各式各样的气体放电形式。

按工作气压的不同，气体放电可分为低气压放电和高气压放电;按激励电场频率的不同，可分为直流放电、低频放电、高频放电和微波放电;按放电形式及形成机制可分为汤森放电、辉光放电、弧光放电、电晕放电和介质阻挡放电等。

等离子体物理实验等离子体物理实验是研究等离子体性质和行为的重要手段。

通过模拟和观察等离子体的特性，科学家们可以深入探索等离子体的基本原理，以及其在能源、天体物理、材料科学等领域的应用。

本文将介绍等离子体物理实验的基本原理、常用实验装置以及一些实验应用案例。

1. 实验原理等离子体是一种由正负电荷载体（离子与电子）构成的高度电离气体。

在等离子体中，因为粒子存在高度离散性，电子与离子之间的碰撞频率较高，从而产生了等离子体特有的物理化学性质。

等离子体物理实验的基本原理是通过提供足够的能量，将一部分气体原子或分子电离成正离子和电子，从而形成等离子体。

2. 实验装置（1）等离子体发生器：等离子体发生器是产生等离子体所必需的设备。

常见的等离子体发生器包括离子注入器、等离子体泵、等离子体枪等。

这些装置可以通过提供高能电子束或离子束来电离气体，进而产生等离子体。

（2）等离子体诊断仪器：等离子体物理实验中，准确地测量和监测等离子体的参数是十分重要的。

常用的等离子体诊断仪器有等离子体探测器、光谱仪、电子能量分析仪等。

这些设备可以用于测量等离子体的温度、密度、成分等参数。

（3）真空系统：等离子体物理实验需要在真空环境中进行，以确保等离子体的稳定性和减少气体分子与等离子体之间的碰撞。

真空系统包括真空泵、真空阀门等设备，用于将实验装置中的气体抽取出来，创建合适的真空环境。

3. 实验应用（1）能源研究：等离子体在磁约束核聚变技术中有重要应用。

通过利用高温等离子体的特性，可以实现核聚变反应，从而释放出巨大的能量。

这一能源形式被广泛研究，被认为是未来清洁能源的可能选择之一。

（2）材料科学：等离子体处理技术在材料表面改性、薄膜沉积等方面有广泛应用。

例如，通过等离子体刻蚀技术，可以制备微纳米级别的器件结构；而利用等离子体喷涂技术，则能获得高质量的涂层。

（3）天体物理学：等离子体在恒星、星际介质等天体物理中起着重要作用。

通过模拟和实验，科学家们可以探索等离子体在星际空间中的行为，从而揭示宇宙中的等离子体物理过程。

一、等离子体-物质第四态如果给物质施加显著的高温或通过加速电子、加速离子等给物质加上能量，中性的物质就会被离解成电子、离子和自由基。

不断地从外部施加能量，物质被离解成阴、阳荷电粒子的状态称为等离子体。

将物质的状态按从低能到高能的顺序排列依次为固体、液体、气体,等离子体。

等离子体是宇宙中物质存在的一种状态,称为物质第四态.其中含有电子、离子、激发态粒子、亚稳态粒子、光子等,既有导电性又可用磁场控制,而且能为化学反响提供丰富的活性粒子,总体上是电中性的导电气体。

自然界中，等离子体普遍存在，地球大气外层的电离层、太阳日冕、恒星内部、稀薄的星云和星际气体都存在等离子体，地球上自然存在的等离子体虽不多见，但在宇宙中却是物质存在的主要形式，估计宇宙中有99%以上的物质以等离子体的形式存在。

二、等离子体的产生获得等离子体的方法和途径是多种多样的。

通常把在电场作用下气体被击穿而导电的物理现象称之为气体放电，如此产生的电离气体叫做气体放电等离子体。

人们对气体放电的研究己有相当长的一段历史，目前世界各国有很多研究者正从各个方面研究和开展气体放电。

现代气体放电的研究大致可分为两个开展时期:第一个时期是1930年左右，人们从理论上集中对各种气体放电的性质进展了分析和研究，Langmuir首次提出等离子体(plasma)的概念[1] Tonks L, Langmuir I. Oscillations in ionized gases. Phys.Rev., 1929, 33(2):195-210，即由电子、离子和中性原子组成的宏观上保持电中性的电离物质;第二个时期是1950年左右，人们对受控热核反响的研究。

近年来，随着微电子、激光、材料的合成与改性等高新技术的开展，气体放电得到了越来越广泛的研究与应用。

运用气体放电获得等离子体是一种直接、有效的方法。

迄今为止，人们在实验室和生产实践中产生了各式各样的气体放电形式。

按工作气压的不同，气体放电可分为低气压放电和高气压放电;按鼓励电场频率的不同，可分为直流放电、低频放电、高频放电和微波放电;按放电形式及形成机制可分为汤森放电、辉光放电、弧光放电、电晕放电和介质阻挡放电等。

等离子体物理：等离子体物理是研究等离子体的形成及其各种性质和运动规律的学科。

宇宙间的大部分物质处于等离子体状态。

发展历史19世纪以来对于气体放电的研究、20世纪初以来对于高空电离层的研究，推动了等离子体的研究工作。

从20世纪50年代起，为了利用轻核聚变反应解决能源问题，促使等离子体物理学研究蓬勃发展。

研究方法：等离子体物理学已发展成为物理学的一个内容丰富的新兴分支。

由于等离子体种类繁多、现象复杂、而且应用广泛，对这一物质状态的研究，正方兴未艾，从实验、理论、数值计算三个方面，互相结合，向深度和广度发展。

（1）实验研究用实验方法研究等离子体有如下特点。

对于天然的等离子体，即天体、空间和地球大气中出现的等离子体，人们不可能用地面上实验室中的一般方法主动地调节实验条件或加以控制，而主要只能通过各种日益增多的天文和空间观测手段,如光学、射电、X射线以及现代的高空飞行器和人造卫星──“空间实验室”，来接收它们所发射的各种辐射（包括各种粒子）。

根据大量的观测结果，并在天体物理学和空间物理学的认识基础上，依靠已建立的等离子体物理理论和已有的各项基本实验数据，进行分析和综合，方能深入地认识这些天然等离子体的现象、本质、结构、运动和演化的规律。

要研究或利用各种人造的等离子体，必须先把它们制造出来；而要制造任何一种新的等离子体或者扩展它的性能参量，又往往必须对它先有一定的认识。

由此可见，对于人造等离子体，只能采取边制造边研究，研究和制造循环结合、逐步前进的办法。

例如，受控核聚变等离子体的研究，就是通过一代又一代的实验装置，来产生具有特定性能的等离子体，逐步提高它们的温度和约束程度。

而每一代装置的设计，又必须在已有等离子体实验的基础上，通过理论方面的外推和定量演算，加以确定。

特别是较大类型装置的建造，必须立足于各项经过试验的、成熟的工程技术，辅之以必需和能够及时开发出来的单项新技术，例如强流电子束和离子束技术。

装置建成后，实验的第一步是使用各种仪器手段，对装置中产生的等离子体进行测量；测量数据要按照已有的理论进行处理，以得出装置中等离子体具体形成过程和现象细节性质的定性和定量的结果，这些就是等离子体诊断学的内容。