等离子体化工导论讲义
前言
等离子体化工是利用气体放电的方式产生等离子体作为化学性生产手段的一门科学。因其在原理与应用方面都与传统的化学方法有着完全不同的规律而引起广泛的兴趣，自20世纪70年代以来该学科迅速发展，已经成为人们十分关注的新兴科学领域之一。
特别是，近年来低温等离子体技术以迅猛的势头在化工合成、材料制备、环境保护、集成电路制造等许多领域得到研究和应用，使其成为具有全球影响的重要科学与工程。例如：先进的等离子体刻蚀设备已成为21世纪目标为0.1μm线宽的集成电路芯片唯一的选择，利用等离子体增强化学气相沉积方法制备无缺陷、附着力大的高品位薄膜将会使微电子学系统设计发生一场技术革命，低温等离子体对废水和废气的处理正在向实际应用阶段过渡，农作物、微生物利用等离子体正在不断培育出新的品种，利用等离子体技术对大分子链实现嫁接和裁剪、利用等离子体实现煤的洁净和生产多种化工原料的煤化工新技术正在发展。可以说，在不久的将来，低温等离子体技术将在国民经济各个领域产生不可估量的作用。
但是，与应用研究的发展相比，被称为年轻科学的等离子体化学的基础理论研究缓慢而且较薄弱，其理论和方法都未达到成熟的地步。例如，其中的化学反应是经过何种历程进行，活性基团如何产生等等。因此，本课程力求介绍这些方面的一些基础理论、研究方法、最新研究成果以及应用工艺。
课程内容安排：
1、等离子体的基本概念
2、统计物理初步
3、等离子体中的能量传递和等离子体的性质
4、气体放电原理及其产生方法
5、冷等离子体中的化学过程及研究方法
6、热等离子体中的化学过程及研究方法
7、当前等离子体的研究热点
8、等离子体的几种工业应用
学习方法：
1、加强大学物理和物理化学的知识
2、仔细作好课堂笔记，完成规定作业
3、大量阅读参考书和科技文献
第一章等离子体的概念
1．等离子体的定义
a．通过气体放电的形式，将电场的能量传递给气体体系，使之发生电离过程，当电离程度达到一定的时候，这种物质的状态就是等离子体状态。
b．简单说来，等离子体是由气体分子、原子、原子团、电子、离子和光子组成的体系，是物质的第四态。
2．等离子体的一些基本性质
a．高焓、高内能状态的物质，可以非常容易地为化学反应的体系提供活化能。
b．等离子体是一种导电流体，因此这种流体容易与电场和磁场发生相互作用，从而将电场能量转化为自己的内能，为化学反应的体系提供活化能。
3．等离子体的用途
a．能源领域：受控核聚变
b．空间物理及天体物理
c．材料领域：材料的改性：例如增加四氟乙烯表面的浸润性。
材料的合成：高分子材料：通过等离子体增强它的接枝与聚合。
合成超细粉末：例如合成纳米粉体：SiC,AlN,TiO2……
d．在天然气化工方面：天然气制乙炔、合成气
4、等离子体的描述
1）等离子体的密度：
n e n
i
n
g
单位m-3 cm-3
2) 电离度的概念
α=n e/(n g+n e) 0<α≤1单位体积中的电子云密度与原来气体密度的比值。无量纲
3) 等离子体的温度
T
e ，T
g
，T
i
……T
p
一般情况下，温度由K,℃来描述，但在等离子体物理中，用eV（电子伏特）描述：
1eV=1.602*10-19焦耳=11600K
体系温度T
p =(T
e
n
e
+T
g
n
g
+T
i
n
i
)/(n
e
+n
g
+n
i
)
4）等离子体的分类
a．高温等离子体 T＞106 K
b．低温等离子体：T
p
≤104K
热等离子体：中性气体温度等于电子温度；
冷等离子体：T
e ≥T
i
,T
g
4．等离子体的压强：P=nKT, P
e ,P
g
,……P
i
P p = P
e
+ P
g
+ P
i
作业
1、在辉光放电等离子体中，气体的压强为20 Pa，电离度α＝10－4，电子温度T
e
＝1eV，重粒子温度350K。试确定放电管中的等离子体宏观温度，这种等离子体是热等离子体还是冷等离子体。
2、在弧光放电等离子体中，电子密度为1014cm－3，中性气体密度为1017cm－3，电子温度与重粒子温度同为0.5eV，试计算这种等离子体的压强。（作理想气体近似
3、一般情况下，等离子体中存在几种基本粒子？试简述这些基本粒子的主要特征。
第二章微观粒子热运动速率和能量统计分布律
一麦克斯韦速率分布（见图2）
只要粒子通过充分的碰撞，发展形成平衡态，该体系粒子性质服从麦氏分布
f(v)＝
22
2
3
2exp 24v kT
mv kT m ???
? ??-??
? ??
ππ 式中m （kg ）为被统计粒子的质量，k=1.38X 10-23J/K 为玻尔兹曼常数，T （K ）为粒子的温度。分布函数的意义：分布在单位速率区间内粒子的数目与总数目之比。
设系统的粒子总数为N 0，利用分布函数可以非常方便地得到速率在
v v v d ~+内的粒子数目
()dv v f N dN 0=，
注：()?dv v f =1……归一化条件 分布函数的归一化：()?∞
0dv v f =1
分布函数的意义：
1、若长时间地跟踪某一粒子，其处于dv v ~区间内的几率由分布函数表示。
2、若在某一瞬间把整个系统的粒子速度固定，那么处于dv v ~区间内粒子的数目占整个系统粒子数目的比值即它所占的分率。
利用分布函数，也可以对微观粒子所体现的宏观量进行统计计算。 单个微粒的内能：KT 23=
ε 理想气体单位体积的内能：KTn 2
3
=υ ()dv x f mv E ?
∞
=0
2
2
1 =
dv v e kT m mv kT
mv 222
30
222421-∞
?
??
? ??ππ
=
kT m kT kT m m 2328342212
52
3
=??
? ????? ??πππ k :波尔兹曼常数； T ：被统计粒子的温度 (v)
图2 分布函数的图象
注： dx e
x ?
∞
-=0
n
2
x f(n)λ
二、麦氏能量分布函数
如果将统计参量设定为粒子的动能，则分布函数的形式为
()()
2
12
32214εππεεkT
e
kT f -??
?
??=
式中ε表示粒子的动能，K 、T 意义同前。如果被统计的粒子处在保守力场中，上式中粒子的能量应用动能和势能来代替，即ε= εk +εp .
()()
2
12
32214k εππεεεkT
p
e
kT f +-??
?
??=
作业：1、利用能量分布函数计算一摩尔单原子理想气体分子的内能。
2、速率分布函数的意义是什么？试说明下列各量的意义：
Nf(v)dv
2
1
()v v Nf v dv
?
2
1
()v v vf v dv
?
三、麦氏速度分布函数
以上讨论的是粒子按速率分布的规律，对粒子的速度的方向未作任何确定。下面进一步介绍粒子按速度分布的规律。
()???
? ??++-??? ??=kT v v v m kT m v v v f z y x z y x 2)(exp 2,,2
222
3
π= ???? ??-??? ??????
? ??-??? ??????? ??-??? ??kT mv kT m kT mv kT m kT mv kT m z y
x
2exp 22exp 22exp 222
122
12
21πππ= f(v x ) f(v y ) f(v z )
利用速度分布函数，可以对与粒子速度关联的物理量进行统计求得其宏观量。 例： 计算粒子对容器壁的压强。
分析：离子对容器的压强，实质上是微观粒子在单位时间内传递给容器壁单位面积的动量。设容器内粒子密度为n ，在器壁上取一面元dA 为底面积，以v x dt 为高作一柱体垂直于dA, 在柱形体积中，在dt 内速度在v x -v x +dv x 的粒子传递给器壁的动量为 x x mv dtdA v 2)nf(v dp x = △()x x x x dv mv dtdA v v nf p ?∞
?=02
()??
∞
∞
???
? ??-??? ????==0
22
2
10
2
2exp 2122x x x x x
x dv v kT mv kT m n dtdA mdtdAdv v v nf π ?∞???
? ?????? ??-??? ????? ??=02
22
122exp 21222kT mv d kT mv v m kT kT m dtdAnm x x x π ???
????????? ??-+???????????? ??--??? ????? ??=?∞∞
02022
1
2exp 2exp 21222x x x x dv kT mv kT mv v m kT kT m dtdAnm π ?
∞
???
?
??-?
??
?????? ??=0
2
2
12exp 22122x x dv kT mv kT m m kT dtdAnm π
dtdAnKT =
四、微观粒子按自由程分布规律
粒子在任意两次连续碰撞之间通过的路程称为粒子的自由程，用λ表示。由于粒子随机运动，这些自由程有长有短，具有偶然性。这些自由程的平均值称为
粒子的平均自由程，用A λ表示。在研究体系的全部粒子中，人们往往需要知道自由程介于任一给定长度区间λ--λ+d λ的粒子数有多少、自由程大于某一给定长度λ的粒子数有多少等问题。即研究粒子按自由程的分布情况。
0()exp()()(1exp())1()exp()
f f n f λ
λλλ
λ
λλλ
λ
λλλ
=-=--'=-（自由程大于时的粒子数）
（自由程小于时的粒子数）
自由程分布函数的物理意义：
1、当长时间跟踪一个粒子时，发现该粒子自由程有长有短，具有偶然性。该函数表示粒子在多次碰撞中自由程大于或小于某一数值的几率。
2、在一个大数量粒子组成的系统中，发现各粒子自由程有长有短，具有偶然性。该函数表示在任一时刻自由程大于或小于某一数值的粒子数与总数目之比。 作业：
a.利用速度分布函数计算打到器壁单位面积上的粒子数.
()?∞
=0x
x x dtdAdv v v nf N
?∞
????
? ??-??? ??=02
2
12exp 2x x x dtdAdv v kT mv T k m n π
?
∞
???
? ??-??? ??-?????? ??-?
?
?
??=0
2
22
122122exp 2kT mv d m kT kT mv kT m ndtdA x x π ∞
???????????? ??-???? ??-??? ??=0
22
1
2exp 2212kT mv m kT kT m ndtdA x π
()1022122
1-??
??? ??-??? ??=m kT
kT m ndtdA π
2
1
2?
?
?
???=m kT dtdAn π
b.用速率分布函数计算粒子的平均速率.
()dv v kT mv kT m v dv v vf v 20
22
30
2exp 24?
?∞
∞?
??
? ??-???
???==ππ ?
∞
???
? ??-?
?
?
??=0
23
2
3
2exp 24dv kT mv v kT m ππ （由积分公式()?∞=-022
321exp λλdv v v ） 2
122
22
38224??? ?
??=???? ?
??
??
??=m kT m T k kT m πππ
第三章 等离子体的性质
等离子体的性质包括等离子体的准中性条件、等离子体振荡、等离子体鞘层、等离子体在电磁场中的运动、等离子体辐射等。这些性质非常重要，并构成等离子体区别于其他物质形态的特殊性。同时也使等离子体本生极其应用形成一系列新的规律。
3.1 等离子体准中性条件
3.1.1 概述
由于正离子和电子的空间电荷相互抵消，使等离子体在宏观上呈电中性。但是这种电中性只有在特定的空间尺度和时间尺度上才成立。事实上，由于受内部粒子热运动的扰动或外界干扰等作用，等离子体内处处时时都有可能出现电荷分离，即偏离电中性的现象。等离子体对电中性的破坏是非常敏感的，它具有强烈维持电中性的特征。可以说，偏离和恢复电中性总是存在于等离子体中，故称为准电中性。 3.1.2 德拜屏蔽
若由于某种扰动在等离子体内某处出现了电量为q 的正电荷积累，则由于该
电荷的静电势场作用，其周围一定会吸引电子而排斥正离子，结果出现一个带净负电荷的球状“电子云”。从远离该正电子的“云外”来看，电子云的包围削弱了积累起来的有效电荷，也削弱了它对远处带电粒子的库仑力。这种现象在物理学中称为静电屏蔽，也叫做德拜屏蔽。经过屏蔽后该正电荷德静电势场叫做屏蔽库仑势。
设待求的电势分布为()r φ，则对空间任意一点的()r φ满足泊松方程
()()r r ρεφ0
21
-
=?
式中，()r ρ为正电荷中心周围r 处的空间电荷密度分布。0ε是真空介电常数。由于屏蔽作用的存在，()r ρ应由r 处的正负电荷密度之差决定 ()()()[]e r n r n r e i ?-=ρ
式中， ()r n i ，()r n e 分别为r 处正负带电粒子的数密度。本来，当等离子体中没有空间电荷积累时，电子和离子时均匀分布的，并且0n n n e i ==。积累空间电荷后，()r n i ，()r n e 就不在均匀分布了。假定质量小的电子先达到热平衡，且()r n e 服从麦克斯韦分布，而质量大的正离子则由于其惯性，在远离正电荷中心处仍呈原来的致中性正电荷背景。即
()()()exp exp e e e e e e e V r q r n r n n kT kT φ?????=?-=?- ? ????
?
()i i n r n ≈
式中，()r V e 为电子在势场中的势能。考虑到对等离子体来说，平均热运动动能远大于平均位能，即kT ＞＞φe ，故可把 kT e φ 当成小量而对玻尔兹曼因子作泰勒展开，并只取前两项作二级近似。注意到q =-e, 得
()()????
??+?≈e e e kT r e n r n φ1
则 ()()r kT en r e
φρ0
-
= 代入泊松方程，得 ()()()20202
D e r r kT e n r λφφεφ==? （其中 20ne kT e D ελ= ） 将边界条件：∞→r ，()0=r φ ；0→r ，()∞→r φ 代入 解得： ()???
?
??-?=
D
r
r q r λπεφexp 40
这就是所求的屏蔽库仑势，由此可见，屏蔽库仑势等于真空库仑势()r q 040πεφ=乘上一个衰减因子()D r λ-ex p ，这表明等离子体中积累电荷q 的电位分布将随距该电荷距离r 的增加而迅速下降，下降趋势要比在真空中快的多。屏蔽库仑势的有效作用力程大致上可以用德拜半径D λ来表示。假定以D λ为半径，围绕电荷中心作一球，一般称为德拜球，那么在λ＜D λ的德拜球内，库仑作用虽被电子云削弱了，但仍然存在。在λ＞D λ的德拜球外，静电势场便减弱得可以忽略了。
德拜长度是描述等离子体空间特性的一个重要参量，它的物理意义如下：
1.等离子体对作用于它的电势具有屏蔽能力，D λ即为静电相互作用的屏蔽距离或曰屏蔽半径。
2. 德拜长度是等离子体中电中性条件成立的最小空间尺度。在距某个电荷中心的距离λ＜D λ的范围内，存在着该电荷产生的静电势场，因此就这个范围来看，等离子体并不是电中性的，只是从λ＞D λ的空间尺度来看，等离子体才是电中性的。也就是说，德拜长度是等离子体中因热运动或其它扰动电荷分离的最大允许尺寸限度。
3. 德拜长度还可以作为等离子体宏观空间尺度的下限。德拜屏蔽要想得以实现，等离子体的空间尺度L 就必须远大于德拜半径。这就是说，一个电离气体若称得上物质第四态的等离子体，其存在的空间条件应为：L ＞＞ D λ。否则，它就不成其为等离子体，而仍属于气体。
若将各常数值代入，可得下列两种常用公式： n
T e
D 9
.6=λ (cm) (式中，e T 的量纲为绝对温度K ，n cm -3) 或 n
T ev
D 2
104.7?=λ （cm ） （此式中，ev T 的量纲为电子伏特, n cm -3 ）
3.1.2 等离子体频率（朗谬尔振荡）
当等离子体由于热运动涨落等原因出现电荷分离时，将产生强大的电场，
因而使其具有恢复宏观电中性的强烈趋势。等离子体中最普遍，最快的集体运动
是由电子运动引起的。假设只考虑一维方向运动。如右图所示，设由于偶然的热运动涨落，某一区域内的电子忽然间都以相同的速度沿x 方向移动，产生位移δ。假定在电子群移动之前，此区域内的正负电荷正好完全抵消，则电子集体定向移动必然引起空间电荷分离。一方负电荷过剩，另一方便正电荷过剩。这将导致产生一个空间电场E 。该电场的方向是要把电子拉回平衡位置，以恢复电中性。然而，由于运动的惯性，电子不可能停留在平衡位置，而是会冲过平衡位置。这样一来，由引起了反
方向的电荷分离，产生反向电场E ’。当电子达到另一边最大位移后，会再次被拉回，并由因惯性而冲过平衡位置。如此往复，电子于是再平衡位置附近来回作集体振荡。就如同弹簧振子的简谐振荡似的。而离子则由于质量远大于电子，对于电场的交替变化来不及响应，以致可以认为是近似不动的，仍作为均匀的正电子本底。
这种电中性被破坏时产生的空间电荷振荡现象首先被朗谬尔所发现，故叫做
朗谬尔振荡。即等离子体振荡，它是等离子体的固有特征之一，总是要在等离子体各处互不相关地发生的。其振荡频率叫做等离子体振荡频率或朗谬尔频率。
设等离子体的电子密度为n e ，当偏离位移δ时，则面电荷密度为 σ＝ n e ?e δ
由此形成的面电荷电场为：ο
οεδ
εσe n E e ?==
则电子在该电场中所受的电场力为： δεο
2
e n eE F e ?-
=-=
其运动方程为： δωεδδ?-=?-=222
2e e e m n e dt
d ο （ 其中.
e e e m n e οεω22
=） 此方程为一振动方程，若用ωpe 表示电子振荡频率，用ωpi 表示离子振荡频率，则有: e e pe
m e n ??=οεω2 , i
i pi m e n ??=οεω2
电中性区
E
由于m i 远大于m e ，所以ωpe 远大于ωpi ，故一般即把等离子体中的电子振荡频率当作等离子体振荡频率。若将各常数值代入，即可得到两种简化的频率公式： e p n 4106.5?=ω(弧度/秒) 或 e p n 3109.8?=ω（1-s ）
等离子体振荡周期p τ（即1-p ω）的物理意义为：
1.等离子体对于因热运动等引起的涨落有阻止能力，1
-p ω即可看作是涨落引
起的电子定向运动被阻止，并转入等离子体振荡这种固有运动模式所需的最短时 间。
2.振荡周期p τ可作为等离子体电中性条件成立的最小时间尺度。当任一个时间间隔τ＜p τ时，由于等离子体振荡总是存在着的，因而体系中任一处的正负电荷总是分离的。同时建立起使带电粒子作周期性振荡的空间电场。只有τ＞p τ时，可能产生的空间电荷和空间电场在这段大于振荡周期的时间间隔内，平均效应才都会归于零。这时方可从时间尺度上把等离子体看成是宏观电中性的。
3.振荡周期可看作是等离子体存在的时间尺寸下限。这就是说，作为等离子体，其存在时间必须足够长，以便使大量带电粒子有充分的相互作用时间，来消除由偶然发生的涨落所造成的影响。换句话说，只有当其存在的持续时间τ远大于p τ时，它才能成为具备自己特有性质和行为的等离子体。反之，如果一个带电粒子系的存在时间τ＜p τ，则该体系的性质将会依赖于所含粒子涨落造成的偶然状态。那么便会是变化多端的，当然也就不可能具有等离子体应有的典型性质和运动规律。
作业：一般情况下，等离子体中存在几种基本粒子？试简述这些基本粒子的主要特征。
3.1.3 等离子体鞘层.
1.概念.
在放电的器壁、电极或探针附近，由于电子运动速度较大，它将先于离子到达器壁，因此器壁会带负电。负电荷积累所产生的电场，将拒斥电子而吸引正离子，最后，电子和离子以相等的流密度沿同一方向扩散，使固体壁的电位数值不再改变。这样就在紧靠器壁处形成一负电位的非中性薄层，把等离子体包围了起来。这一薄层称为等离子体鞘层。
离子鞘模型及其电位分布
低气压下离子鞘的简单模型如上图所示。设等离子体电位位V P ，若把平板导体电极插入等离子体，并使其相对于等离子体具有负电位V ，则只有离子电流流过电极。在这种情况下，导体电极旁将形成三个不同的区域。即图中所示的等离子体区，准中性等离子体区和离子鞘区。
在距电极较远的地方，由于未受外电势扰动，仍然保持等离子体。但从过C 点的界面开始，导体电极电位V f 的影响显露出来并越来越显著，形成负电场。不过在这个区域里负电场还并不太强，故电子密度只减少很小一点。另一方面，离子也因被加速而有某种程度减少，因此仍然保持i e n n 的状态。通常把这一部分称为准中性等离子体区。准中性区一直延伸到过B 点的界面处。在由B 点开始靠近导体电极的区域中，电位梯度急剧增大，形成很强的负电场。受此强电场作用，大部分电子被排斥，变成e n 远小于i n ，因而形成离子鞘。就电位而言，稳定的离子鞘是在比等离子体电位V P 稍稍负一点的地方来使产生的，其后鞘层随负
电位的增大而展宽。处于鞘界面上的B 点电位B V 由电子温度e T 决定，其值为
e
kT V e
B 2=
即稳定离子鞘是在电位相当于电子温度一半的界面处开始形成.V B 的取值称为离子鞘的生成条件，或曰离子鞘形成的Bohm 判据。若导体电极的负电压增加，离子鞘的厚度d 也随之逐渐增大，但相当于V B 值的一部分往往“泄漏”到鞘外，由此产生的电场叫做渗透电场。 2.浮置电位.
在C 点右方的等离子体区内，离子是作随机热运动的，流经等离子体界面的是热扩散电流()0i I ，但从过C 点的界面开始，将产生离子密度梯度。因此，这里的热扩散电流()0i I 比通常的平均热运动电流要大一些。但因其数值与离子温度，流入处的密度梯度以及扩散系数等多种因素有关，因而无法简单计算。
当进入准中性区后，由于受BC 间渗透电场加速，离子电流急剧增大并通过B 点处的鞘层界面进入鞘内。假设在低气压下，离子与中性粒子在BC 间的碰撞可以忽略，则流入鞘界面渗透点处加速电流0I （离子流）可如下求出：
设鞘界面处的离子速度为i v ，假如离子温度i T 比eV B 值小因而可以不考虑，那么鞘层界面处的离子能量只取决于V B ，则由
222
2
12121i i i i i i B v m v m v m eV =-= 且 e kT V e B 2=
得 2
1???
?
??=i e i m kT v
因此，流入鞘界面的离子电流0I 应为 ()S v e B n I i i ???=0
式中，()b n i 表示过B 点鞘界面处的离子密度，B-C 间仍然保持准中性状态，即
()()B n B n e i =。而()B n e 可由电子遵从的麦克斯韦分布求出：
()i e e e B
e e n n n kT
eV n B n 61.061.021exp exp ==??? ??-=???
? ??-=
得 S m
kT e n I i e
i ????
? ?????=2
1061.0 电子电流同样也可以求出，由单位时间、面积内电子对器壁的碰撞次数N 可得
()0e
e r I
n e V S
==???
S m kT e kT
eV n e
e e f
e ????
?
????????? ?
?-?=2
18exp π
S 为鞘层界面的面积。当鞘层达到稳态时，单位时间内到达器壁的电子数目和离子数目相等，由0I ＝e I ，
得： K e kT m m e kT V e e
i e
f ln 654.0ln 2
1=????
?
?????
???
? ???= （2
1654.0???
?
??=e
i m m K ） 对确定的等离子态物质来说，浮置电位f V 的大小只取决于电子的温度e T 而与其它参数无关，当电子温度以电子伏特为单位时，浮置电位便可直接取电子温度的lnK 倍.
3.1.4 带电粒子在电磁场中的运动 1.只有磁场的情况（稳定磁场）
如图所示，在t = 0 时，在x = 0, y = 0, z = 0处有一带电粒子以初速度V进入稳定磁场B中运动时，将受到洛仑兹力的作用: f = q (V×B)
式中q为粒子所带电量，V为粒子运动速度，则粒子的运动方程为
m (dV／dt) ＝q (V×B)
式中m为电子质量。若将粒子速度分解为平行分量v∥和垂直分量v⊥，则运动方程可改写为：m (d v∥／dt) = 0 (1)
m (d v⊥／dt) = q (v⊥×B) (2)
那么，由（1）式可知，v∥＝0，即粒子沿磁场方向的速度分量是一个常数。同时由（2）式可知，带电粒子在平面内受到洛仑兹力作用，且该力垂直于磁场B 和垂直速度分量v⊥。洛仑兹力只能在垂直于磁场B的平面内改变带电粒子的运动方向，而不能改变其速度的大小，即提供了带电粒子作圆周运动的向心力。
由此可知，带电粒子在稳定磁场中的运动是由两部分运动合成的，即在沿磁场方向作匀速运动的同时又环绕磁力线作匀速圆周运动，通常把这种运动称为回旋运动或拉摩运动，而把粒子回旋中心的轨迹叫做引导中心。
设带电粒子作匀速圆周运动的轨道半径为r c，则由洛仑兹力所产生的向心加速度为：dv⊥／dt = v⊥2／r c
故在数值上，（2）式可记为m（v⊥2／r c）= qv⊥B
得r c = mv⊥／qB
r c即称为回旋半径或拉摩半径，令拉摩运动得角频率为ωC，则
ωC =v⊥／r c
得拉摩角频率公式为：ωC = qB／m
由上述公式可知，电子回旋得比离子快得多，而回旋半径则比离子的小得多。电子的回旋半径数量级大概为10-3mm。
2.即有磁场又有电场时
若在上述稳恒磁场内，还存在一个恒定的电场E，且其方向与磁场方向垂直，则带电粒子在此正交电磁场中的运动方程为：
m (dV／dt) =q (v×B)＋qE
若只考虑垂直于磁场的运动分量，则方程变为
m (dv⊥／dt) = q (v⊥×B)＋qE
由于存在电场力的缘故，当离子回旋经过底部转而向上时，所受的电场力为加速力，以致在速度增加的同时，回旋半径也不断增加，到达顶部时，回旋半径最大。继而越过顶部转而向下运动时，所受电场力变为减速力，在速度减小的同时回旋半径也不断减小，到达底部时，回旋半径最小。正因为回旋半径的这种变化，使离子回旋一周后未能回到原来的位置，就又开始下一周的回旋。如此进行下去，其结果使每次回旋一周便向左漂移一段相等的距离。这实质上相当于作拉摩运动的引导中心沿E×B的方向作匀速漂移。
对电子而言，由于所受的电场力方向相反，因而在离子受加速力的半周内，电子受的是减速力，但漂移的方向却是一致的。
综上所述，带电粒子在正交稳恒电磁场中的运动方式是：在环绕磁力线作拉摩运动的同时又叠加了一个沿E×B的方向的漂移运动。并可导出漂移速度V D
为：V D＝
2
B B
E
即带电粒子在正交稳恒电磁场中发生漂移运动时，其漂移方向即垂直于电场又垂直于磁场。漂移速度的大小与粒子所带电荷的符号无关，也与粒子的质量无关，在数值上因等于E／B。也就是说，电子和离子均以相同速度朝着同一方向漂移。
高等等离子体物理（一）线性理论 （研究生教材） 王晓钢
北京大学物理学院2009年2月
等离子体的流体理论 1. 等离子体的流体描述 1.1 等离子体的双流体模型 1.2Hall磁流体（Hall-MHD）模型1.3 电子磁流体（E-MHD）模型1.4 理想磁流体力学（MHD）方程组1.5 位力定理 1.6 变分原理 2. 理想磁流体平衡 2.1 磁场与磁面 2.2 Z-箍缩与 -箍缩 2.3 一维平衡与螺旋箍缩 2.4 Grad-Shafrano方程 3. 等离子体的理想磁流体稳定性3.1 能量原理 3.2扭曲模与交换模 3.3 一维稳定性，直柱托卡马克 4. 磁流体力学波 4.1 线性磁流体（MHD）方程 4.2 非磁化等离子体中的磁流体波4.3 磁化等离子体中的磁流体波
5. 均匀等离子体中的波（双流体理论）5.1 双流体模型 5.2 介电张量与色散关系 5.3 静电波简介 5.4 准静电波与准电磁波 5.4 电磁波简介
1. 等离子体的流体描述 1.1 等离子体的双流体模型 等离子体是由大量带电粒子组成的物质状态。一般意义上的等离子体由带正电的离子和带负电的电子组成。由于带电粒子之间的Coulomb 长程相互作用，等离子体呈整体电中性，即总的正电荷与负电荷相等。因此，除特殊的非中性（一般是强耦合的）等离子体之外，我们可以用带负电的电子流体和带正电的离子流体组成的“双流体”模型来描述等离子体的宏观行为。这种近似牵涉到等离子体时空尺度的讨论，我们在后面将进一步详细论述。 基于流体力学的图像及其近似，或者从统计物理的分布函数及其满足的方程（如Vlasov 方程或者Fokker-Planck 方程等，取决与碰撞项的形式，这里用类Markov 过程的碰撞项00()/()f f f f τν-≡-）出发，我们得到“双流体”方程组： 连续性方程（统计方程的零阶矩） ()0n n t ααα?+??=?u ， (I-01) 动量方程（力平衡方程，统计方程的一阶矩） n m t ααααα???+??= ???? u u u p n q n m c αααααβαααβν???=-?++-????∑u B E u ， (I-02) 状态方程（对统计方程各阶矩的“不封闭链”（Hierarchy ）的一种截断） p p p t αααααγ?+??=-???u u ； (I-03) Coulomb 定律（Poisson 方程） 4n q αααπ??=∑E ， (I-04)
精密空调的组成和工作原理 一、蒸气压缩式制冷原理 蒸气制冷是利用某些低沸点的液态制冷剂在不同压力下汽化时吸热的性质来实现人工制冷的。 在制冷技术中，蒸发是指液态制冷剂达到沸腾时变成气态的过程。液态变成气态必须从外界吸收热能才能实现，因此是吸热过程，液态制冷剂蒸发汽化时的温度叫做蒸发温度，凝结是指蒸汽冷却到等于或低于饱和温度，使蒸汽转化为液态。 在日常生活中，我们能够观察到许多蒸发吸热的现象。比如，我们在身上擦一些酒精，酒精很快蒸发，这时我们感到擦酒精部分反应很凉。又如常用的制冷剂氟利昂R-22液体喷洒在物体上时，我们会看到物体表面很快结上一层白霜，这是因为R-22的液体喷到物体表面立即吸热，使物体表面温度迅速下降(当然这是不实用的制冷方法，因为制冷剂R-22不能回收和循环使用)。 蒸气压缩式制冷是利用液态制冷剂汽化时吸热，蒸汽凝结时放热的原理进行制冷的。 二、制冷循环 压缩机是保证制冷的动力，利用压缩机增加系统内制冷剂的压力，使制冷剂在制冷系统内循环，达到制冷目的。开始压缩机吸入蒸发制冷后的低温低压制冷剂气体，然后压缩成高温高压气体送冷凝器；高压高温气体经冷凝器冷却后使气体冷凝变为常
温高压液体；当常温高压液体流入热力膨胀阀，经节流成低温低压的湿蒸气，流入蒸发器，从周围物体吸热，经过风道系统使空调房间温度冷却下来，蒸发后的制冷剂回到压缩机中，又重复下一个制冷循环，从而实现制冷目的。 三、制冷剂在制冷系统中状态 从压缩机出口经冷凝器到膨胀阀前这一段称为制冷系统高压侧；这一段的压力等于冷凝温度下制冷剂的饱和压力。高压侧的特点是：制冷剂向周围环境放热被冷凝为液体，制冷剂流出冷凝器时，温度降低变为过冷液体。 从膨胀阀出口到进入压缩机的回气这一段称为制冷系统的低压侧，其压力等蒸发器内蒸发温度的饱和压力。制冷剂的低压侧段先呈湿蒸气状态，在蒸发器内吸热后制冷剂由湿蒸气逐渐变为汽态制冷剂。到了蒸发器的出口，制冷剂的温度回升为过热气体状态。过冷液态制冷剂通过膨胀阀时，由于节流作用，由高压降低到低压(但不消耗功、外界没有热交换）；同时有少部分液态制冷剂汽化，温度随之降低，这种低压低温制冷剂进入蒸发器后蒸发（汽化）吸热。低温低压的气态制冷剂被吸入压缩机，并通过压缩机进入下一个制冷循环。 四、制冷量
机房精密空调概述目录 一、空调基本原理 二、机房精密空调特点 三、机房精密空调基本系统构成 四、机房精密空调的类型 五、机房精密空调送风方式 六、机房精密空调的主要指标 七、机房热负荷的估算 八、常用单位换算表
一、空调基本原理 1.热力学基本定律 1.1热力学第一定律 能量即不能消灭，也不能创生，它只能从一种形式转变为另一种形式，这是大家熟知的能量守恒和转换定律。这个定律应用在热和功之间的转换时，就称为热力学第一定律。 空调的制冷并不是真正制造出了冷量，只是把热量进行了转移。 1.2热力学第二定律是说明热量传递规律的一条定律。即热量能自动地从高温物体向低温物体传递，而不能自动地从低温物体向高温物体传递。 所谓热量不能自动从低温物体传向高温物体，?其含意是不能直接传递，必顺借助某种循环动作的机器，消耗一定的电能或机械能，使热量间接地从低温物体传向高温物体。制冷设备就是在消耗一定外功的条件下，利用制冷剂的状态变化，而将热量由低温物体传向高温物体中去，从而达到制冷目的。 2. 蒸发、沸腾和冷凝 物体由液态变为气态的过程叫气化。气化有两种方式，即蒸发和沸腾。 2.1蒸发 在任何温度下，液体表面发生的气化现象叫蒸发。液体的温度越高，表面越大，蒸发进行得越快。 2.2沸腾 对液体加热，当液体达到一定温度时（例如水烧开时），液体内部便产生大量气泡，气泡上升到液面破裂而放出大量蒸气，这种在液体表面和内部同时进行的剧烈气化的现象叫沸腾。液体沸腾时的温度叫沸点。在相同压力下，各种液体的沸点是不同的。?如在一个大气压下，水的沸点为100℃，制冷剂R22的沸点为－40℃。对同一液体来说，压力减小，沸点降低。 2.3蒸发与沸腾的区别 ⑴在一定压力下，蒸发可以在任何温度下进行，而沸腾只能在一定温度下发生。 ⑵蒸发是液体表面的气化，?而沸腾是液体表面和内部同时气化。制冷剂在蒸发器内吸收了被冷却物体的热量后，由液态气化为蒸气，这个过程是沸腾。当蒸发器内压力一定时，制冷剂的气化温度就是其对应的沸点。在制冷技术中，习惯上称为蒸发温度。 2.4冷凝 物质从气态变为液态的现象，称为冷凝或液化。气体的冷凝或液化过程，一般为放热
等离子体物理学讲义 No. 4 马 石 庄 2012．02．29．北京
第4讲 动理学理论和矩方程 教学目的：学习从动理学方程建立等离子体宏观模型的方法，建立粒子轨道与等离子体整体行为之间的联系，熟悉双流体模型的基本特征，从等离子体的广义Ohm定律认识磁化等离子体的各向异性。 主要内容： §1 分布函数 (4) 1.1 Maxwell分布 (5) 1.2 动理学方程 (9) 1.3 速度矩 (13) §2 流体模型方程 (17) 2.1 双流体方程 (17) 2.2磁流体模型 (22) 2. 3流体漂移 (27) §3 等离子体输运 (31) 3.1 BGK方程 (32) 3.2 双极扩散 (38) 3.2 经典扩散 (40) 习题4 (42)
在等离子体中，实际情形要比粒子轨道理论描述的复杂得多。电场和磁场不能事先给定，而应由带电粒子本身的位置和运动来确定，必须解一个自洽问题（self‐consistent problem），寻找这样一组随时间变化的粒子轨道和场，使得粒子沿着它们的轨道运动时产生场，而场使粒子在它们的确切轨道上运动。 典型等离子体密度可以达到每立方米包含10 10 个离子—电子对．每个粒子都遵循一条复杂的轨道，跟踪每一条轨道导出等离子体的行为将是一个无望的工作，幸好这通常是不必要的。出人意外的是，一个看似粗糙的模型能解释实际实验中所观察到的80%的等离子体现象，这就是流体力学的连续介质模型，它忽略了个别粒子的本性，而只考虑流体质点的运动，粒子间的频繁碰撞使得流体质点中的粒子一起运动．在等离子体情形中，流体还要包含电荷，这样一个模型适用于一般不发生频繁碰撞的等离子体。 流体模型能用于等离子体的一个原因是：在某种意义上磁场起到了碰撞的作用．例如，当粒子被电场加速时，如果许可粒子自由流动，就会连续地增加速度．当存在频繁的碰撞时，粒子就达到一个与电场成正比的极限速度，磁场通过使粒子以Larmor轨道回旋，能限制粒子自由流动．等离子体中的电子也以正比于电场的速度一起漂移．在这个意义上，一个无碰撞等离子体的行为类似于一个有碰撞流体．当然，粒子可以沿着磁场方向自由运动，流体模型对此并不特别合适．对于垂立于磁场的运动，流体理论是一种很好的近似．
PLASMONICS: FUNDAMENTALS AND APPLICATIONS
PLASMONICS: FUNDAMENTALS AND APPLICATIONS STEFAN A.MAIER Centre for Photonics and Photonic Materials Department of Physics,University of Bath,UK
Stefan A.Maier Centre for Photonics&Photonic Materials Department of Physics University of Bath Bath BA27A Y United Kingdom Plasmonics:Fundamentals and Applications Library of Congress Control Number:2006931007 ISBN0-387-33150-6e-ISBN0-387-37825-1 ISBN978-0387-33150-8e-ISBN978-0387-37825-1 Printed on acid-free paper. c 2007Springer Science+Business Media LLC All rights reserved.This work may not be translated or copied in whole or in part without the written permission of the publisher(Springer Science+Business Media LLC,233Spring Street,New York,NY10013,USA),except for brief excerpts in connection with reviews or scholarly https://www.doczj.com/doc/af18091591.html,e in connection with any form of information storage and retrieval, electronic adaptation,computer software,or by similar or dissimilar methodology now know or hereafter developed is forbidden. The use in this publication of trade names,trademarks,service marks and similar terms, even if the are not identi?ed as such,is not to be taken as an expression of opinion as to whether or not they are subject to proprietary rights. 987654321 https://www.doczj.com/doc/af18091591.html,
版权所有，违者必究！！ 中文版低温等离子体作业 一. 氩等离子体密度103 210n cm -=?, 电子温度 1.0e T eV =, 离子温度0.026i T eV =, 存 在恒定均匀磁场B = 800 Gauss, 求 （1） 德拜半径； （2） 电子等离子体频率和离子等离子体频率； （3） 电子回旋频率和离子回旋频率； （4） 电子回旋半径和离子回旋半径。 解：1、1/2302 ( )8.310()e i D e i T T mm T T ne ελ-==?+， 2、氩原子量为40， 221/21/2 00()8.0,()29pe pi e i ne ne GHz MHz m m ωωεε====， 3、14,0.19e i e i eB eB GHz MHz m m Ω= =Ω== 4、设粒子运动与磁场垂直 2 4.210, 1.3e e i i ce ci m v m v r mm r mm qB qB -===?=== 二、一个长度为2L 的柱对称磁镜约束装置，沿轴线磁场分布为22 0()(1/)B z B z L =+，并满 足空间缓变条件。 求：（1）带电粒子能被约束住需满足的条件。 （2）估计逃逸粒子占全部粒子的比例。 解：1、由B(z)分布，可以求出02m B B =，由磁矩守恒得 22001122m m mv mv B B ⊥⊥ = ，即0m v ⊥⊥= （1） 当粒子能被约束时，由粒子能量守恒有0m v v ⊥≥，因此带电粒子能被约束住的条件是在磁镜 中央，粒子速度满足002 v v ⊥≥ 2 、逃逸粒子百分比20 1 sin 129.3%2P d d π θ ?θθπ = ==?? （2）
编辑本段机房专用精密空调特点 精密空调机，通常具有如下一些性能特点： 大风量、小焓差 与相同制冷量的舒适性空调机相比，机房专用精密空调机的循环风量约大一倍，相应的焓差只有一半，机房专用精密空调机运行时通常不需要除湿，循环风量较大将使得机组在空气露点以上运行，不必要像舒适性空调机那样为应付湿负荷而不得不使空气冷却到露点以下，故机组可以通过提高制冷剂的蒸发温度提高机组运行的热效率，从而提高运行的经济性。根据经验，显热比为1.0的机组的单位制冷量的能耗仅是显热比为0.6的机组的60%左右。同样，机房要求温湿度指标相对稳定，较大的循环风量将有利于稳定机房的温湿度指标，显然，在制冷量一定的情况下，风量的增大将导致焓差的减少，因而通常机组只能在显热比相当高的工况下运行，这恰恰与机房的负荷特点相适应。通常舒适性空调冷负荷中有30%是为了消除潜热负荷，有70%是为了消除显热负荷。对机房来讲，其情况却大不相同，机房主要是设备散出的显热，室内工作人员散出的热负荷及夏季进入房间的新鲜空气的热湿负荷（仅占总负荷的5%）。并且冬季是需要加湿而不是减湿，即使在冬季机房仍需要消除热负荷，特别是程控机房更是如此。鉴于以上特点，如将一般舒适性空调机组用于机房，则会造成能量浪费。例如一个热负荷为7056kcal/h的机房，若使用机房专用空调机组，则总耗电量为2.7kw，而舒适性空调机组则需耗电8.1kw，即多耗电两倍。同样制冷量的空调机其风量各异，舒适性空调机的风量与冷量比为1:5，而恒温恒湿机风量与冷量比为1:3.5，机房专用精密空调机具有大风量、小焓差、高显热比的特点，通常焓差为2kcal/kg左右。也就是说，机房的热负荷90%～95%是显热负荷，同样的热负荷显热比越高要求送风量越大。这就要求机房的空调系统能够提供较大的送风量，所以一般机房送风量要比通常舒适性空调房间所需的送风量大1.6～2倍。 机房的热负荷变化幅度较大 通常要在10%～20%之间变动，这是由于主机设备所处的工作状态不同，消耗的功耗不同所造成的。因此，机房精密空调系统必须能够适应这种负荷的变化，以使电子元器件工作在所要求的环境条件之中，保证电路性能的可靠性。 送回风方式多样 由于要与电子通信设备的冷却方式相适应，机房的空调系统的送风回风方式是多种多样的：有上送风、下送风，有上回风、下回风、侧回风等，生产企业一般是利用标准化手段开发一系列机型，以满足用户的不同需要。机房专用精密空调机送风形式多为上送下回和下送上回式。机房中铺设防静电活动地板，机房专用精密空调采用下送上回式送风，使冷气直接进入活动地板下，这样使地板下形成静压箱，然后通过地板送风口，把冷气均匀地送入机房内，送入设备机柜内。为此，机房专用精密空调应有足够的风量把机房中的热量带走。采用这种送风形式可大大提高空调效率，
等离子体物理 等离子体物理学是研究等离子体形成及其各种性质和运动规律的学科。宇宙中的大部分物质都存在于等离子体中。例如，当太阳中心的温度超过1000万度时，太阳的大部分质量处于等离子体状态。地球上空的电离层也处于等离子体状态。19世纪以来对气体放电和20世纪初以来电离层的研究推动了等离子体的研究。自20世纪50年代以来，为了利用轻核聚变反应解决能源问题，等离子体物理的研究蓬勃发展。 1图书信息 书名: 等离子体物理 作者：郑春开 出版社：北京大学出版社 出版时间：2009-7-1 ISBN: 9787301154731 开本：16开 定价: 25.00元 2内容简介 本书比较系统地介绍了等离子体物理的基本概念、基本原理和描述问题及处理问题的方法。书中着重突出物理概念和物理原理，也有必要的数学描述和推导。全书共7章，内容包括：聚变能利用和研究进展、等离子体基本性质及相关概念、单粒子轨道理论、磁流体力学、等离子体波、库仑碰撞与输运过程和动理学方程简介。这些内容都是
从事核聚变和等离子体物理及相关学科研究人员所必需的，也是进一步学习核聚变与等离子体物理及相关学科专业课程的重要基础。为教学使用和学生学习方便，本书编有附录和习题，供查阅选用。 本书适合于核聚变、等离子体物理、空间物理以及基础和应用等离子体物理方向的高年级本科生、研究生和研究人员使用。 3图书目录 第1章聚变能利用和研究进展 1.1 聚变反应和聚变能 1.聚变反应的发现 2.聚变的燃料资源丰富 3.聚变反应是巨大太阳能的来源 1.2 聚变能利用原理 1.聚变能利用的困难 2.受控热核反应条件——劳森判据与点火条件 1.3 实现受控热核反应的途径 1.磁约束——利用磁场约束等离子体 2.惯性约束——激光核聚变 1.4 磁约束原理及其发展历史 1.磁镜装置 2.环形磁场装置 3.托卡马克装置进展 1.5 惯性约束——激光核聚变
火是物质燃烧产生的光和热。必须有可燃物、燃点、助燃气体（不一定是氧气）并存才能生火。三者缺任何一者就不能生火。 火是很泛的概念，基本包含两大元素：发光（光子的产生）和产热（如氧化、核反应所致）。在生活中，火可以被认为是物质发生某些变化时的表征。很多物质都能在某些特定的变化或说反应中产生光和热，两者共同构成我们所说的“火”。 譬如以蜡烛为例，蜡烛燃烧时当然产生了火。但我们到底该认为谁是火呢？是蜡，还是二氧化碳、水，甚至是炭或蜡分解出的小分子有机物？ 水和二氧化碳是无法独自产生火的，可排除此可能性；我们在蜡烛燃烧时看到黑烟，说明炭还好好的存在着，并未发生反应，所以这种可能性亦不存在，至于其他杂分子，也是燃烧的副产物，既然称为产物，则不会在我们所讨论的反应过程中发生变化了，排除。只剩下蜡了。蜡是火？确实荒谬。不错，蜡本身绝不是火，但火源自蜡，而非上述任何其他物质，这是肯定的。蜡产生了火，而火却不是此反应中的任何反应物或生成物本身！火就是火自己！但火实际上确是一种物质，但又不仅仅是物质。 或许我们也会问“闪电是什么物质？”，有人可能会回答道“闪电是一种现象，不是一种物质”，这样的答复没什么意义。其实这个问题颇值得思考。闪电产生于空气中，更准确地说，是云（以水为主）中。书本告诉我们闪电是电中和所致，但这并不直击问题要害。相信某人说“闪电是一种大自然的现象”没人会反驳，但我提出的闪电与他说的闪电是两个不同的词。我说的是一个物质名词，他说的是一个动名词！举个例子，我说的闪电好比雪snow，而他所说的闪电好比下雪fall of snow OR snowing。对于火的理解，也有相同的理解分歧。但是，我们要清楚一点，任何自然现象都是物质的。客观存在的是物质本身，而其现象只是人脑中的反映，或说人的感知及后继的理性思考。 在火中，光既是物质又是能量，这不难接受。而对于热，大多数人认为热仅仅是能量，但实际上，热辐射作为一种电磁辐射，在量子物理中亦有物质性，其和光的本质是同一的。更深层上，物质与能量是统一的，可等价的。只是当代物理学界倾向于将物质统一于能量——受限的能量。所以火的本质既是同具光波和热辐射的电磁波，是物质，也是同具光能、热能的能量。 电子离开原子核，这个过程就叫做“电离”。这时，物质就变成了由带正电的原子核和带负电的电子组成的，一团均匀的“浆糊”，人们称它离子浆。这些离子浆中正负电荷总量相等，因此又叫等离子体。 火是物质吗?如果是,是什么物质?
在强激光等离子体相互作用中正电子束的发射 第一个测量强激光产生正电子束的装置已经制成。在不同的激光产生条件下通过测量不同的正电子能量峰值下的正电子发散和源尺寸得到发射值。对于其中一个激光产生条件，我们使用了一个空间paper-pot 技术来改善发射值。相比于使用在现在加速器上的正电子源，在100和500mm.mard之间激光产生正电子有一个几何发射。在5-20Mev能量范围中，每束 1010-1012个正电子中，这种低的束流发射度是准单能的，这可能在未来加速器中能作为替代正电子源。 最近的实验表明，在FWHM中大约20-40度的发散角下，用强短脉冲激光照射富含高Z的目标靶可以产生数量众多的准单能兆电子伏特的正电子。这个实验表明了可以使用激光产生正电子作为直线加速器中的替代源的可能性。使用激光产生正电子作为新的替代源取决于一些潜在的优势，大大减小的物理尺寸，更少的成本和束流品质的提高比如每个脉冲的粒子数，能量范围，束流发射度。这些优势正是基于激光尾场的电子加速器概念所追求的。 传统的正电子源通常包含高能量的电子束和富含Z的目标靶。例如，SLC使用了一个120 Hz, 30 GeV, 30kW的电子束和一个24mm厚，水冷却式W(90%)-Rh(10%)目标靶来产生正电子。一个两千米长的直线加速器需要产生电子驱动束。在2-20 MeV范围内，大约500mm.mrad的几何发散度下，在加速系统中 可以捕捉到每束5×1010的正电子束。在被放进加速器之前，被收集到的正电子 束要先被加速到 1.2 GeV并且被传送到一个发射制动环中。 用强激光产生正电子的同时会在高Z目标靶中产生相似的电子。用一个持续 的非常短强激光脉冲照射一个1mm厚，直径2mm的金制目标靶，产生1010-1012个 5-20MeV的准单能正电子。既然这是总电子能量其中包含了决定正电子产量的兆电子伏特电子，所以激光的功率会比激光的强度更重要。相同的物理过程在基于正电子源的的加速其中是有优势的。在BH过程中，激光产生热电子制造能产生和原子核相互作用的正负电子对的轫致辐射光子。考虑到对比每个脉冲的粒子数和粒子能量，这篇文章会阐述激光产生正电子束的几何发射度，和与在SLC 中~500mm.mard的比较结果。 几何发散度 ，被定义为，其中x和x'表示在x轴上的 粒子的位置和发散，代表一束中粒子的平均数。发散角的上限，其中和分别是原尺寸和发散角度的平方根。这篇文章说明了四个驱动激光正 电子能量6,12,17,28MeV的发射度上限。我们展示的发散度是通过1-D方法得到的。 考虑到非常小的激光焦点的结合和在20至40度范围内测量正电子束的发散，可能会预期正电子发射度可能小于10mm.mard。然而，实际的源尺寸和激光产生正电子束的发散度比预想的更大，如图1a所示。在激光中产生的热电子通过目标靶传送，所以，在目标靶任意深度中，正电子构成的区域都会比激光中焦点区域大。小部分有足够动能的正电子可以跃出目标靶并且成为有用的作为正电子源。跃出表面的正电子在目标靶背面的横向分布决定了原尺寸大小。源
等离子体基础知识总结 冷等离子体是等离子体一种近似模型。它假定等离子体的温度为零，用来讨论热效应可以忽略的物理过程。例如，等离子体中的波，当其相速度远大于平均热速度、同时回旋半径远小于垂直于外磁场方向的波长时，热效应不重要，便可用冷等离子体模型来讨论（这种波称为冷等离子体波）。在实际处理中，冷等离子体模型也可用于高温等离子体。 在等离子体中同时存在三种力：热压力、静电力和磁场力。它们对于等离子体粒子的扰动都起着弹性恢复力的作用。因此等离子体不像一般的弹性体，波动现象非常丰富，存在着声波（热压力驱动）、纵波（静电力驱动）、横波（电磁力驱动）以及它们的混杂波。 热压力的存在会产生类似中性气体中声波的“离子声波”，静电力的存在会产生静电波，电磁力的存在会产生电磁波。这些波又不是单独产生的，常常还同时产生形成混杂波。 等离子体中的波基本形式通常分为三类：静电波、电磁波和磁流体力学波。 群速度不能超过光速，因为群速度表示波所携带“信息”在空间的传播快慢。而相速度可以超过光速，相速度是常相位总移动速度，不携带任何信息。 波群在色散系统中传播是，组成该波群的不同频率的单色波具有不同的相速，在传播过程中各单色波之间的相位关系将发生变化，从而导致信号的失真，这就是色散。 “色散”两字的本省意思实际上指信号的失真（或称畸变），它是由于组成波群的各单色波因频率不同因而相速不同引起的，所以把这种相速随频率改变的现象也叫做色散。 如果两列波具有相同的速率（相速度），则最终形成的波的包络也具有和原来两列波相同的速率（群速）：无色散 如果两列波速率（相速度）略有不同，则最终形成的波的包络和原来两列波相同的速率（群速）不相同：存在色散 波的偏振即是波的极化，是指空间固定点的波矢量E 的端点在2π/w 时间内的轨迹，对于电磁波是指电磁波中的电场矢量的端点轨迹 如果等离子体中的电子与均匀的粒子本底有个位移，将会建立电场，它将把电子拉回到原来的位置。由于惯性，电子将冲过平衡位置，并以特征频率围绕它们的平衡轴振荡。这个特征频率被认为是等离子体频率(plasma frequency)。 非磁化等离子体中的静电波 假定：（1）不存在磁场；B=0；（2）不存在热运动（kT=0）；（3）离子以均匀分布固定在空间中；（4）等离子体的大小为无限大。（5）电子只在x 方向运动。因此，不存在涨落磁 场，这是一种静电振荡。 得到等离子体的振荡频率是 该频率称之为电子静电振荡或者朗缪尔振荡。这个频率取决于等离子体的密度，它是等离子体的基本参量之一。因为m 很小，等离子体频率通常是很高的。上式告诉我们，发生等离子体振荡时，必定有一个只取决于n 的频率。尤其，ω与k 无关，所以，群速度d ω/dk 为零。 2/1020???? ??=e pe m e n εω
等离子的概念及其应用 （一）等离子的概念 如果温度不断升高，气体又会怎样变化呢？科学家告诉我们，这时构成分子的原子发生分裂，形成为独立的原子，如氮分子会分裂成两个氮原子，我们称这种过程为气体中分子的离解。如果再进一步升高温度，原子中的电子就会从原子中剥离出来，成为带正电荷的原子核和带负电荷的电子，这个过程称为原子的电离。当电离过程频繁发生，使电子和离子的浓度达到一定的数值时，物质的状态也就起了根本的变化，它的性质也变得与气体完全不同。为区别于固体、液体和气体这三种状态，我们称物质的这种状态为物质的第四态，又起名叫等离子态。 （二）特点 （三）用途 等离子体的用途非常广泛。从我们的日常生活到工业、农业、环保、军事、医学、宇航、能源、天体等方面，它都有非常重要的应用价值。 （1）切割机 在工业上的应用有等离子切割机，等离子切割配合不同的工作气体可以切割各种氧气切割难以切割的金属，尤其是对于有色金属（不锈钢、铝、铜、钛、镍）切割效果更佳；其主要优点在于切割厚度不大的金属的时候，等离子切割速度快，尤其在切割普通碳素钢薄板时，速度可达氧切割法的5~6倍、切割面光洁、热变形小、几乎没有热影响区。 (2)焊机 离子弧是离子气被电离产生高温离子气流，从喷嘴细孔中喷出，经压缩形成细长的弧柱，其温度可达1，高于常规的自由电弧，如：氩弧焊仅达5000-8000K。由于等离子弧具有弧柱细长，能量密度高的特点，因而在焊接领域有着广泛的应用。 等离子焊机具有以下明显特点： 1.高效高质量的等离子焊接工艺方法，利用等离子电弧良好的小孔穿透的能力，在保 证单面焊双面成型的同时，尽量提高焊接速度，是TIG焊接效率的5~7倍。 2.采用等离子与TIG复合焊，等离子打底，TIG盖面，可以更加有效提高焊接质量和 效率。TIG焊的自由电弧有良好的履盖能力，再配合上适量的填充金属重熔，达到正面成形美观的效果，是单枪等离子焊接效率的1.3-1.5倍。 3.主要针对薄壁3~10mm不锈钢板、钛合金板等材料容器的纵环缝焊接。 4.对于壁厚8mm以下不锈钢板、壁厚10mm以下钛合金板不开坡口可实现单面焊双面 成型。
等离子体物理 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。例如：太阳中心区的温度超过一千万度，太阳中的绝大部分物质处于等离子体状态。地球高空的电离层也处于等离子体状态。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。 本书比较系统地介绍了等离子体物理的基本概念、基本原理和描述问题及处理问题的方法。书中着重突出物理概念和物理原理，也有必要的数学描述和推导。全书共7章，内容包括：聚变能利用和研究进展、等离子体基本性质及相关概念、单粒子轨道理论、磁流体力学、等离子体波、库仑碰撞与输运过程和动理学方程简介。这些内容都是从事核聚变和等离子体物理及相关学科研究人员所必需的，也是进一步学习核聚变与等离子体物理及相关学科专业课程的重要基础。为教学使用和学生学习方便，本书编有附录和习题，供查阅选用。 本书适合于核聚变、等离子体物理、空间物理以及基础和应用等离子体物理方向的高年级本科生、研究生和研究人员使用。 第1章聚变能利用和研究进展 本章先介绍聚变反应、聚变能利用原理、聚变能利用条件、
实现聚变能利用的途径、方法和当前研究的进展，为学习等离子体物理提供一个背景和讨论的平台。然后介绍等离子体的性质、特点和研究方法。 1.1 聚变反应和聚变能 1.聚变反应的发现 19世纪末，放射性发现之后，太阳能的来源很快地被揭开。英国化学家和物理学家阿斯顿(Aston)利用摄谱仪进行同位素研究，他在实验中发现，氦-4质量比组成氦的2个质子、2个中子的质量之和大约小1％(质量亏损)。这一质量亏损的结果为实现核聚变并释放能量提供了实验依据。同一时期，卢瑟福也提出，能量足够大的轻核碰撞后，可能发生聚变反应。 1929年英国的阿特金森（R.de Atkinson）和奥地利的胡特斯曼（F.G.Hout-ersman）证明氢原子聚变为氦的可能性，并认为太阳上进行的就是这种轻核聚变反应。 1932年美国化学家尤里（Urey）发现氢同位素氘（重氢，用D表示），为此，1934年他获得诺贝尔化学奖。
机房精密空调的种类有：风冷型、水冷型、双冷源型及自由制冷型。对于精密空调的制冷，不管是以上哪一种，都是通过精密空调内的制冷剂的状态变化从外界吸收热量或向外界释放热量。除非精密空调的部件或者铜管泄露，不然制冷剂是处在一个密闭的环境里，制冷剂就在压缩机、冷凝器、压力膨胀阀、风机和铜管之间循环，同时改变制冷剂自身的状态，即气态变为液态，液态变为气态，这就是所谓的内循环。 一、风冷型机房精密空调 风冷，即空调的制冷剂通过风来冷却，安装在室外的冷凝器（精密空调室外机）将冷凝剂的热量带走，使制冷剂放出热量。风冷型冷凝器，主要由若干组铜管和风机组成，由于空气的传热性能很差，通常会在铜管外增加肋片，以增加空气侧的传热面积，同时用风机来加速空气流动，增加散热效果，其中风机的速度有恒速的，有可调的，或者恒速+可调。根据不同厂家设备的要求，室内机与室外机之间铜管的距离，即室内外机之间的高度差也有要求，在选型时要与实际情况相结合。 风冷型一般采用下送风，上回风，由于大多数数据中心均采用防静电地板，把防静电地板（离楼板高度一般为40~45cm之间）下的空间作为空气静压箱，在设备机柜吸气方向设置出风口，冷风经过设备机柜后变成热风，再通过回风管或顶部吊顶回风或者直接返回精密空调的回风口（一般采用热风直接返回，因此精密空调的摆放位置很重要）。因此，风冷型精密空调的应用较为广泛。 风冷型机房精密空调存在一些缺点： 1、外机的噪声和发热大，对周边环境的影响。 2、在夏季高温期，室外机可能因为散热不良导致高压报警。 3、室外机肋片容易积累灰尘，不经常清洗，会影响空调的制冷效果。 4、制冷效率较低，低于水冷型。 5、在严寒地区应用效果不佳。 6、室内外机之间铜管长度级室内外机之间高度差的要求。 二、水冷型机房精密空调 水冷型机房精密空调的结构跟风冷型的差别不大，主要的差别是：水冷型机房精密空调在室内机设置水冷板式冷凝器（跟风冷型精密空调相比，制冷剂的内循环只在室内机，压缩机的工作压力就要小得多），制冷剂在经过水冷板式冷凝器时放出热量，而水冷板式冷凝器的冷水吸收热量后经水泵（一般安装在精密空调外部）排到大楼冷却塔，再由冷却塔将热量排放
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 ⑵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： ⑶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） 有关，同时，与电荷符号有关，正负电荷梯度漂移速度与粒子横向动能w ⊥ 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υ沿磁力线运动，同时绕着磁力线
精密空调名词解释、概念、定义 1、显热与潜热显热：物体在加热或冷却过程中，温度升高或降低而不改变其原有相态所需吸收或放出的热量，称为“显热”。它能使人们有明显的冷热变化感觉，通常可用温度计测量出来。（如将水从20℃的升高到80℃所吸收到的热量，就叫显热。潜热：物质发生相变（物态变化），在温度不发生变化时吸收或放出的热量叫作“潜热”。物质由低能状态转变为高能状态时吸收潜热，反之则放出潜热。例如，液体沸腾时吸收的潜热一部分用来克服分子间的引力，另一部分用来在膨胀过程中反抗大气压强做功。熔解热、汽化热、升华热都是潜热。潜热的量值常常用每单位质量的物质或用每摩尔物质在相变时所吸收或放出的热量来表示。 2、显热比（SHR） 热负荷分为两部分：显热和潜热。显热的消除或增加会导致干球温度计的温度发生相应变化。潜热与空气湿度的增加或减少有关。空调系统的总制冷量为调节处理潜热和显热能力的总和。显热比为显冷量在总制冷量中所占的比例。即显热比（SHR）=显冷量/总制冷量 3、能效比（EER/COP） 空调好不好，关键看"能效"。现在空调市场上"能效比"呼声高涨，那么，什么是空调的"能效比"？能效比就是一台空调用一千瓦的电能产生多少千瓦的制冷/热量。分为制冷能效比EER 和制热能效比COP。 例如，一台空调的制冷量是4800W，制冷功率是1860W，制冷能效比(EER)是：4800／1860≈2.6；制热量5500W，制热功率是1800W，制热能效比COP(辅助加热不开)是：5500／1800≈3.1。显然，能效比越大，空调效率就越高，空调也就越省电。从学术上说，能效比是一个相对值，它随空调运行的具体条件而变化。一般地说，环境温度越高，空调的能效比就越低。但从产品标准上说，能效比又是一个绝对值。 据了解，目前，我国市场上空调平均能效比较低，仅为2.6。中国空调去年产量3165万台，已占全球总产量的50%以上。据估计，去年全球所销售的空调，能效比低于2.8的约4000万台中有3 000万台以上是中国生产的。国内市场上销售的空调，平均每销售100台，仅有3台能效比可以达到3.0。美国现行的空调能效标准颁发于2000年。根据该标准，输出功率介于2300W到4100W，即小1匹到1.5匹的空调，能效比达2.8即为合格品；能效比达3.2即达到能源之星标准；而能效比低于2.8,不准在美国市场销售。欧洲的能效标准，空调能效水平分为A、B、C、D、E、F、G共7个级别。其中A级最高，能效比为3. 2以上；D级居中，介于2.8～2.6之间；E 级以下属于低能效空调。目前我国绝大多数空调处于欧洲E级水平。而在日本国内的空调器的能效比现在一般都在4.0～5.0左右。 目前，我国家用空调年耗电量已逾400亿千瓦时，即使只将现有空调的能效比提高10%，全国每年至少也可节省37亿千瓦时的电量，相当于一个中等省份城镇居民全年的用电量。提高空调能效比的任务迫在眉睫。即将出台的空调能效国家标准，空调将按能效等级分为五级，一级为最高标准，能效指标3.4,五级为最低标准，能效指标2.6。以1.5匹壁挂式空调为例，其每小时最高耗电量不能超过1.35千瓦时，否则将不允许上市。在这种情势下，空调行业将面临洗牌。 简单归纳如下：
机房专用精密空调和普通空调的区别 ⑴、舒适性空调的显热比低 1Kg的水从30℃加热到80℃，水吸热了209.38kj(50kal) 物体吸热或放热后，只改变物体的温度，而不改变物体的相态，这种热量称显热。是物质分子运动的能量，它可以通过温度计进行测量。 对某个房间来说，显热比即该房间的热负荷中显热负荷占总热负荷的大小。 1Kg的水从100℃改变成100℃的水蒸气需吸热了2257.3kj 物体吸热或放热时，只改变物体的状态，而不改变物体的温度，这种热量称潜热。是物质分子分离或重组放出（吸收）的能量，它不能通过温度计进行测量。 电子计算机房均属高发热机房，一般发热量约在230－350W/m2（200－ 300Kcal/ m2/h），在这类机房中几乎无潜热源，所以产生潜热量很小，显热比相当高，这就需要及时地、大量地排出显热，精密空调大风量、小焓差的设计思想正是顺应了这种特殊要求，由于风量大、焓差小，它的主要能量被用来制冷，排除显热，而不是去湿，它的显热能量约占总能量的90％以上，而一般舒适性空调的显热能量只占总能量的60－70％，由此可见，舒适性空调去除显热的能力只是精密空调的70％左右，如果要去除同等能量的显热，就必须配用更大能量档次的空调设备，才能满足要求，但随着制冷能力的加大，湿度的下降也在所难免，为维持恒温恒湿要求，还必须另外补充加湿装置，这样对节约能源是非常不利的。
⑵、普通空调不能满足机房对风量及换气次数的要求 电子计算机房的单位容积发热量很大，随着科学技术的不断进步，各种精密电子设备愈来愈趋于小型化，各类电子元器件的紧密排布，对散热效果提出了越来越高的要求，为了保证电子元件的及时排出显热及整个机房的温度梯度变化率≤1℃/10分钟，这就对空调机的风量及换气循环次数提出了严格要求，以目前使用较多的3万大卡左右能量的空调为例，作为精密空调它的风量应该≥10000m3/h，换气次数≥30次/h，而一般舒适性空调的风量只有6000－6500 m3/h，换气次数只能达到10次/h，远远不能满足机房的要求。
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。例如：太阳中心区的温度超过一千万度，太阳中的绝大部分物质处于等离子体状态。地球高空的电离层也处于等离子体状态。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。 本书比较系统地介绍了等离子体物理的基本概念、基本原理和描述问题及处理问题的方法。书中着重突出物理概念和物理原理，也有必要的数学描述和推导。全书共7章，内容包括：聚变能利用和研究进展、等离子体基本性质及相关概念、单粒子轨道理论、磁流体力学、等离子体波、库仑碰撞与输运过程和动理学方程简介。这些内容都是从事核聚变和等离子体物理及相关学科研究人员所必需的，也是进一步学习核聚变与等离子体物理及相关学科专业课程的重要基础。为教学使用和学生学习方便，本书编有附录和习题，供查阅选用。 本书适合于核聚变、等离子体物理、空间物理以及基础和应用等离子体物理方向的高年级本科生、研究生和研究人员使用。 受控热核聚变研究旨在探索新能源，因此它是当代备受世人瞩目的重大研究课题。半个多世纪以来，经过世界各国科学家的努力探
索，磁约束核聚变装置（托卡马克）现在已进入能源开发工程的实验阶段。特别是2006年11月21日，中国、欧盟、美国、俄罗斯、日本、韩国和印度七方代表在巴黎正式签署了《国际热核聚变实验堆（International Yhermonuclear Experimental Reactor，ITER）联合实施协定》，这标志着ITER计划进入了正式实施和开工建设阶段。 为满足核聚变研究发展的新形势和我国参加ITER国际合作计划的需要，大力培养核聚变和等离子体物理人才是一项非常紧迫的任务。为此，北京大学决定在物理学院恢复、重建等离子体物理学科，2009年1月6日北京大学研究生院正式批准在物理学一级学科下设立等离子体物理二级学科博士点。为国家能源发展战略、空间研究与开发以及参加ITER国际合作计划培养高素质人才。 早在1959年秋，北京大学原子能系（后来改称技术物理系）在系主任、我国著名核科学家胡济民先生领导下，就着手筹建核聚变和等离子体物理学科，并积极与原子能所（现中国原子能研究院）14室开展合作，加速学校核聚变和等离子体物理学科建设。胡济民先生与理论物理学家、原子能所14室主任王承书先生共同指导，在14室组织我国第一批参加核聚变研究的年青科技人员，学习等离子体物理，为我国培养了第一批核聚变和等离子体物理研究人才，并积极开展核聚变研究工作。作者也有幸与原子能所14室年青科技人员一起，在胡济民、王承书两位物理学家（后来都当选中科院院士）关怀、指导下，共同学习等离子体物理，开展核聚变研究工作。