等离子体物理及其的应用34页PPT

• 碰撞项。带电粒子紧邻的局部电磁场迥异于平均电磁场 引起的效应。在速度空间分布函数有显著改变，记为：
( ft)c ftv xfm F vf
20
满足动理论方程的平衡分布
• 麦克斯韦分布。多次碰撞后，分布趋向于
f(v)n02pmT3/2exp(2m kvT2)
• 显然满足动理论方程。 • 波尔兹曼分布。有静电势时，
• 相空间取空间坐标和速度坐标均为自变量。分布函数 f(t,x,v) 是相空间的粒子密度。
• 动理论方程是相空间的连续性方程，x、v相互独立：
f t
x(fv)v(fa)0
f t
vxf
m Fvf
0
D Dft f(xvvm F)D Dft
f t
ddxt xf
ddvt vf
0
Fq[E(t,呈准电中性
• 等离子体整体呈电中性。
– 如果等离子体中有净电荷存在的话，会导致静电场产 生，这与等离子体中不存在电场的假设相违背。
• 热运动引起电荷的随机涨落，电中性被破坏
– 由于等离子体具有一定的温度，带电粒子的热运动会 引起电荷的随机涨落，时时会破坏电中性条件，而净 电荷产生的静电场不断试图使等离子体保持净电荷分 布处处为0的电中性。
– 金尚宪 徐家鸾 等离子体物理学，原子能出版社，1980 – Nicholas A. Krall, ,Alvin W. Trivelpiece, Principles of Plasma Physics, 有
中文译本。
– Chen, F. F. Introduction to Plasma Physics. 2nd ed. Plenum Press, 1984. 有中文译本。
• 准电中性

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正、负电晕放电随电压(diànyā)变化的图像
5 mm
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5 mm
介质阻挡 放电（ (zǔdǎng) DBD)
• 也叫无声放电。结合(jiéhé)了辉光放电和电晕放电的优点，可以在大气压 条件下产生大面积低温等离子体[32]，且体系温度与活性粒子的密度 均适中。将绝缘介质插入两个电极之间，防止电极的直接击穿形成 火花弧光放电，从而形成均匀稳定的大面积等离子体。
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电除尘
• 电除尘器是利用电晕放电产生的大量离子(lízǐ)使得粒子荷电，并使荷电 粒子在电场力的驱动下移向集尘板，从而将微粒从气流中分离出来的 装置。用电除尘的方法分离、捕集气体中的尘粒。
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空气净化
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臭氧 发生器 (chòuyǎng)
• 臭氧(chòuyǎng)是一种氧化和杀菌性能极高的氧化剂，被广泛用于食品加工存 储与保鲜、医疗卫生及餐具消毒和水处理等行业。臭氧(chòuyǎng)易分解为氧， 不便于收集贮存，必须在常温或低温下现场生产。臭氧(chòuyǎng)的主要生产
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Influent gas
NTP/Catalyst
Effluent gas
Influent gas
NTP
Catalyst
Effluent gas
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高压 放电水处理 (gāoyā)
• 水下高压放电是在由尖端电极极不均匀电场中产生的。还可向溶液通 入气体，促进局部放电和等离子体通道的形成、增加活性物质数量， 从而处理(chǔlǐ)难降解有机废水和水体消毒灭菌。
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辉光 放电 (huī ɡuānɡ)

这其中特别是欧洲的JET已经实现了氘、氚的聚变反应。1991年11月，JET将 含有14%的氚和86%的氘混合燃料加热到了摄氏3亿度，聚变能量约束时间达2秒。 反应持续1分钟，产生了1018个聚变反应中子，聚变反应输出功率约1.8兆瓦。 1997年9月22日创造了核聚变输出功率12.9兆瓦的新记录。这一输出功率已达到 当时输入功率的60%。不久输出功率又提高到16.1兆瓦。
核能----未来能源的选择
矿物能源不仅造成各种污染和“温室效应”，而且大约在200年之内，石油、 煤和天然气资源都有枯竭之虞。从长远来看，核能将是继石油、煤和天然气之后 的主要能源，人类将从“石油文明”走向“核能文明”。
世界上的每一种物质都处于不稳定状态，有时会分裂或合成，变成另外的物质。 物质无论是分裂或合成，都会产生能量。由两个氢原子合为一个氦原子，就叫核聚 变，太阳就是依此而释放出巨大的能量。大家熟悉的原子弹则是用裂变原理造成的， 目前的核电站也是利用核裂变而发电。
世界上第一个全超导托卡马克 EAST
由于核心装置都是全超导非圆截面托卡马克，我们的EAST被同行们称为“小 ITER”。
未来的核聚变电站
人类的发展，即是追求梦想的旅程。 不久的将来，一颗“人造小太阳”将在地球上冉冉升起。
蓝湖绿岛
欢迎您再次参观美丽的科学岛
l 1升海水 = 300升汽油 l 1克氘氚 = 8 吨 汽油 l 地球表面海水含氚1018吨
可控核聚变研究
核聚变要在粒子的温度要达到1～2亿度才行，这
地球上原子弹爆炸时可以达到这个温度。用核聚变原理造出来的氢弹就是靠先 爆发一颗核裂变原子弹而产生的高热，来触发核聚变起燃器，使氢弹得以爆炸。
中国科学院等离子体物理研究所中国科学院等离子体物理研究所科研简介中国科学院等离子体物理研究所科研简介遵照敬爱的周恩来总理关于受控热核反应研究应当两条腿走路百家争鸣的指示中国科学院于1973年2月建立了合肥受控热核实验站并于1978年9月成立了等离子体物理研究所成为中国科学院唯一从事核聚变研究的大科学工程性研究所

高温等离子体：高度电离的等 离子体，离子温度和电子温度 都很高。
3
4
2、怎样产生等离子体？
等离子体的形成
固体 液体 气体 等离子体
能量
能量
能量
物质的四种状态
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方法1：对于气态的物质，温度升高到几千度 时，由于物质分子的热运动的加剧，相互间的 碰撞就会使气体的分子产生电离，这样的物质 就变成正离子和电子组成的混合物等离子体。 方法2：
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等离子体隐身技术
方法一：是利用等离子体发生器产生等离子体，即在 低温下，通过电源以高频和高压的形式提供的高能量 产生间隙放电、沿面放电等形式，将气体介质激活、 电离形成等离子体。 方法二：是在兵器特定部位（如强散射区）涂一层放 射性同位素，它的辐射剂量应确保它的a射线电离空气 所产生的等离子体包层具有足够的电子密度和厚度， 以确保对雷达波有最强的吸收。与前者相比，后者比 较昂贵且维护困难。
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独特的优点:
(1)吸波频带宽、吸收率高、隐身效果好．使用简便、 使用时间长、价格极其便宜； (2)俄罗斯的实验证明，利用等离子体隐身技术不但不 会影响飞行器的飞行性能．还可以减少30%以上的飞 行阻力。
存在难点:
(1)飞行速度对等离子体的影响; (2) 等离子体是一项十分复杂 的系统工程，涉及到大 气等离子体技术、电磁理论与工程、空气功力学、机 械与电气工程等学科，具有很强的学科交叉性。
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各种等离子体的密度和温度
7
等离子体工业生产模型
低温等离子体的建立系统;水平式和垂直式
产生低温等离子体系统
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等离子体主要用于以下3方面：
•离子体冶炼：用于难于冶炼的材料，例如高熔点的锆(Zr) 、钛(Ti)、钽(Ta)、铌(Nb)、钒(V)、钨(W)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 等离子体获得Zr、Mo、Ta和Ti；可开发硬的高熔点粉末， 如碳化钨-钴。 •等离子体喷涂：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（部件）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、等离子体响应时间： 静态等离子体的德拜长度，主要取决于低温成分的德 拜长度。在较快的过程中，离子不能响应其变化，在 鞘层内不能随时达到热平衡的玻尔兹曼分布，只起到 常数本底作用，此时等离子体的德拜长度只由电子成 份决定。 等离子体的响应时间： 1)、建立德拜屏蔽所需要的时间 2)、等离子体对外加电荷扰动的响应时间 3)、电子以平均的热速度跨越鞘层空间所
)1/ 2 , lD
(lD2i
l ) 2 1/ 2 De
提示：
A1：是的，排空同号电荷，调整粒子密度 A2: 低温成份(稳态过程)、
由电子德拜长度决定(短时间尺度运动过程)
4、德拜屏蔽是一个统计意义上的概念，表现在上述推导过程
中使用的热平衡分布特征，电势的连续性等概念成立的前
提是： 德拜球内存在足够多的粒子
德拜屏蔽概念的几个要点： 1、电屏蔽、维持准中性 2、基本尺度：空间尺度 3、响应时间：时间尺度 4、统计意义：等离子体参数
等离子体概念成立的两个判据： 时空尺度、统计意义
后面还有一个，共同保障集体效应的发挥！
三、 等离子体Langmuir振荡： 等离子体振荡示意图
x=0
物理图像：密度扰动电荷分离（大于德拜半径尺度）电场 驱动粒子(电子、离子)运动“过冲”运动 往返振荡等离子体最重要的本征频率： 电子、离子振荡频率
1. 捕获与约束 逃逸与屏蔽 (反抗约束) 由自由能与捕获能平衡决定! 德拜长度: 1、随数密度增加而减小，即更 小范围内便可获得足够多的屏蔽用的粒子
2、随温度升高而增大：温度代表粒子 自由能，零温度则屏蔽电子缩为薄壳
德拜屏蔽是两个过程竞争的结果: 约束与逃逸 (反抗约束) 屏蔽与准中性 由自由能与相互作用能平衡决定!
消除流行的错误的温度概念: 荧光灯管内的电子温度为20,000K 日冕气体温度高达百万度,却烧不开一杯水

”非常非常热的“射频等离子体
利用等离子体的高温，可以加工地球上几乎所以的材料。 ▪等离子“球化”加工后的粉末
我们为什么需要这些“小球”呢？
分享完毕， 感谢聆听！
是的，火焰中也有等离子态。例 如：当我们点燃蜡烛时，固体的 蜡烛就会先融化成液体，然后被 吸入灯芯，在顶端被加热成气体。 这些气体在遇到空气中的氧气时 就会发生化学反应，产生水和二 氧化碳等物质，并且放出大量的 热能和光能。这些热能和光能就 会使周围的空气被激发和电离， 从而形成了等离子态的火焰。
耀眼的电焊
神秘的火焰
我们知道了物质有四种形态：固 体、液体、气体和等离子态。你 有没有想过，火焰到底属于哪一 种呢？它看起来像液体，流动自 如，但是又没有固定的体积和形 状；它也像气体，可以随风飘散， 但是又有明显的颜色和温度；它 更像固体，可以燃烧和发光，但 是又不能触摸和抓住。火焰究竟 是什么呢？
点燃的蜡烛
拥有强大能量的 “等离子体”
目录
1. 等离子体是什么 2. 身边的等离子体 3. 等离子体的分类 4. 等离子体技术和应用
PLASMA
1.究竟什么是 “等离子体”
电影《流浪地球》里的“等离子体-地球发动机”
人类修建了1.2万台 等离子体-地球发动机， 以岩石中的硅等元素为 燃料，成功推动地球逃 出了太阳系。
PLASMA
3.“等离子体” 如何分类
按照“类型”分类
1
天体 等离子体
2
空间 等离子体
3
人造 等离子体
按照“温度”分类
1
高于1000C
高温等离子体 （聚变等离子体）
低于1000CC
低温等离子体 （热等离子体）
2
低温等离子体 （冷等离子体）

解释等离子体发光的物理原理
等离子体的基本性质
电磁性质
• 等离子体在电场和磁场下的行为 • 等离子体的电导率和介电常数
动力学性质
• 等离子体的输运过程 • 等离子体的热力学性质
等离子体在天体物理中的应用
恒星爆炸中的等离子体
讨论等离子体在恒星爆炸和体的研究
探索行星际空间中等离子体的特性和影响
2 等离子体在新能源领域的应用
讨论等离子体技术在太阳能和风能等新能源技术中的应用
3 等离子体在生物医学中的应用
介绍等离子体在癌症治疗和生物材料领域的发展和研究进展
结语
展望等离子体物理学的未来，谢谢阅读！
等离子体物理学课件
本课件将介绍等离子体的基本概念、产生方式、基本性质，以及在天体物理、 实验室研究和前沿领域中的应用。
等离子体的基本概念
• 解释等离子体的概念 • 比较等离子体与其他物态的差异
等离子体的产生
1 切割/焊接技术中的等离子体
探讨等离子体在金属切割和焊接过程中的作用和产生方式
2 等离子体的发光现象
等离子体的实验室研究
1
实验室设备简介
介绍用于研究等离子体的实验室设备，
等离子体实验的基本技术
2
包括等离子体发生器和诊断工具
讨论实验中的主要技术，如等离子体
控制和诊断方法
3
等离子体实验的数据分析方法
介绍分析实验数据的常见方法，以及 结果的解释
等离子体学的前沿领域
1 等离子体在核聚变中的应用
探索等离子体在核聚变反应中的重要性，并解释其在未来能源领域的潜力

时间尺度要求：等离子体碰撞时间、存在时间远大于特
征响应时间
p,p
( D )1/2
kTe/me
等离子体参数：在德拜球中粒子数足够多，具有统计意 义
1 , 4n 0D 2 ( T 3 /n 0 ) 1 /2
.
1.4 等离子体分类
天然等离子体
按存在分类
人工等离子体
完全电离等离子体
.
空间天体等离子体 什么保护了地球：等离子体
.
空间天体等离子体
北极光
.
空间天体等离子体
逃离太阳的等离子体
.
空间天星体系等：离巨子体大的聚变反应堆
.
等离子体参数空间
温度 (度)
星云
太阳风 星际空间
日冕
霓虹灯 荧光
磁约束 聚变
氢弹
惯性聚变
太阳核心 闪电
气体 液体 固体
北极光
火焰
人类居住环境
.密度(cm-3)
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
.
聚变等离子体
一个密度几乎相等，每立方米n0个粒子的电子和单 电荷正离子构成的含能等离子体，在半径为r的球形区域 内，此体积内的静电能由其所包围的剩余电荷量决定， 此球表面的静电位为：
V Q
4 0r .
Q=eδn，为球内静电荷，其中e为电子电荷，此时球表
面的静电位为
V
4r3
3
en
r2en

第35页/共43页
第36页/共43页
等离子显示与液晶显示的性能比较
PDP电视
从工作原理上来说，PDP技术类似普通日光灯和CRT 电视彩色图像，由各个独立的荧光粉像素发光组合 而成，而且是主动发光，不需要多余的背光照明系 统，因此图像鲜艳、明亮、清晰。另外，等离子显 示设备最突出的特点是可以做到很薄，可轻易做出 40英寸以上的大屏幕显示设备，而厚度一般不超过 10厘米。
等离子显示屏的组成、结构特征
Dielectric Layer
Front Glass 前层玻璃
PDP TV
IONs离子
Electrons电极
- - - - ++++
放电Discharge
MgO Layer
X, Y Electrode 电极
Barrier Rib 壁障
Rear Glass 后层玻璃
荧光粉
第41页/共43页
END
第42页/共43页
Phosphor Structure of PDP PDP结构
Address Electrode 寻址电极
PDP放 电 单 元
42”VGA显示屏：852×480（×3个红、绿、蓝像素单元） ，122，6880个灯泡。
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PDP驱动方式
• 由驱动电路、显示控制电路和 电源组成。
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Erase/reset 擦除动作
6/21/2021
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Erase/reset 擦除动作
6/21/2021
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PDP显示与其他显示的 区别
PDP的特征自然与其“发光性”相关联。与其他显示器
比较，定性地讲，PDP具有下述优点：

05 等离子体物理学 的挑战与前景
等离子体物理学的挑战
实验难度大
等离子体物理实验通常需要在极 端条件下进行，如高温、高压、 强磁场等，这给实验设计和实施
带来了很大的挑战。
理论模型复杂
等离子体是一种高度复杂的系统， 其理论模型涉及到多个物理过程和 相互作用，这使得理论分析变得非 常困难。
数值模拟难度高
描述等离子体中粒子的运 动规律。
碰撞理论
等离子体中粒子间的碰撞 过程和碰撞频率的计算。
03 等离子体的产生 与维持
高温等离子体的产生方式
核聚变
利用氢核聚变反应产生 高温等离子体，是实现 可控核聚变的关键步骤
。
核裂变
利用重核裂变反应产生 高温等离子体，是核能 利用的重要方式之一。
电弧放电
通过高电压、大电流产 生电弧放电，使气体加 热至高温等离子体状态
3
等离子体物理与地球科学的交叉
等离子体物理在地球科学中有广泛的应用，如电 离层和磁层的研究、太阳风和地球磁场的相互作 用研究等。
THANKS
感谢观看
等离子体在材料科学中的应用
总结词
等离子体在材料科学中广泛应用于表面处理、材料合成和刻蚀等领域，具有高效、环保 等优点。
详细描述
等离子体通过高能粒子和活性基团对材料表面进行轰击和化学反应，实现表面清洗、刻 蚀、镀膜和合成等功能。与传统的机械或化学方法相比，等离子体处理具有更高的效率
和更好的环保性。在金属、玻璃、塑料等各种材料的表面处理和加工中有广泛应用。
。
激光诱导
利用高能激光束照射气 体，通过激光与气体的 相互作用产生高温等离
子体。
低温等离子体的产生与特性
电晕放电