等离子体物理及应用 刘 万 东 科大，2002年12月14日 中国科学技术大学近代物理系 各位领导、各位专家，大家好！ 我现在就“等离子体隐身机理研究”这一个研究课题，从课题申请的角度，作进一步的陈述和说明。 科大，2002年12月14日

什么是等离子体？ 由大量的带电粒子组成的非束缚态的宏观体系 非束缚性：异类带电粒子之间相互“自由”，等离 子体的基本粒子元是正负荷电的粒子（电子、离 子），而不是其结合体。 粒子与电磁场的不可分割性：等离子体中粒子的运 动与电磁场（外场及粒子产生的自洽场）的运动紧 密耦合，不可分割。 集体效应起主导作用：等离子体中相互作用的电磁 力是长程的。

等离子体是物质第四态 固体 冰 液体 水 气体 水汽 电离气体 00C 1000C 100000C 温度 等离子体 Plasma consists of a collection of free-moving electrons and ions - atoms that have lost electrons. Energy is needed to strip electrons from atoms to make plasma. The energy can be of various origins: thermal, electrical, or light (ultraviolet light or intense visible light from a laser). With insufficient sustaining power, plasmas recombine into neutral gas. Plasma can be accelerated and steered by electric and magnetic fields which allows it to be controlled and applied. Plasma research is yielding a greater understanding of the universe. It also provides many practical uses: new manufacturing techniques, consumer products, and the prospect of abundant energy. 00C 1000C 100000C 温度

电离气体是一种常见的等离子体 放电 需要有足够的电离度的电离气体才具有等离子体性质。 普通气体 等离子体 放电 需要有足够的电离度的电离气体才具有等离子体性质。 “电性”比“中性”更重要 ( 电离度 >10-4 ) 放电是使气体转变成等离子体的一种常见形式 等离子体  电离气体

宇宙中90％物质处于等离子体态 人类的生存伴随着水，水存在的环境是地球文明 得以进化、发展的的热力学环境，这种环境远离 等离子体物态普遍存在的状态。因而，天然等离 子体就只能存在于远离人群的地方，以闪电、极 光的形式为人们所敬畏、所赞叹。 由地球表面向外，等离子体是几乎所有可见物质 的存在形式，大气外侧的电离层、日地空间的太 阳风、太阳日冕、太阳内部、星际空间、星云及 星团，毫无例外的都是等离子体。

宇宙中90％物质处于等离子体态 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

等离子体参数空间 温度 (度) 密度(cm-3) 气体 液 体 固 体 人类居住环境 惯性聚变 氢弹 磁约束 聚 变 星 云 太阳核心 日冕 聚 变 霓虹灯 北极光 火 焰 闪电 日冕 氢弹 星际空间 荧光 气体 液 体 固 体 人类居住环境 惯性聚变 星 云 太阳风 等离子体参数空间

等离子体物理学科发展简史 19世纪30年代起 20世纪50年代起 20世纪80年代起 放电管中电离气体，现象认识 建立等离子体物理基本理论框架 20世纪50年代起 受控热核聚变 空间技术 等离子体物理成为独立的分支学科 20世纪80年代起 气体放电和电弧技术发展应用 低温等离子体物理发展

等离子体物理研究领域 低温应用等离子体 高温聚变等离子体 空间和天体等离子体

等离子体分类 高 温 等离子体 低 温 等离子体 电子温度 100000C 1eV 冷等离子体 Te≠Ti, Ta 电弧、碘钨灯 极光、日光灯 聚变、太阳核心 高 温 等离子体 低 温 等离子体 电子温度 100000C 1eV

等离子体特性 德拜( Debye )屏蔽 ＋ － 在等离子体中引入电场，经过一定的时间……..

德拜( Debye )屏蔽 特征响应时间：tp＝ lD/vT＝1/wp 屏蔽层厚度：德拜长度 lD 等离子体特性 德拜( Debye )屏蔽 特征响应时间：tp＝ lD/vT＝1/wp ＋ － 屏蔽层厚度：德拜长度 lD 在等离子体中引入电场，经过一定的时间，等离子体中的电子、离子将移动，屏蔽电场——德拜屏蔽

等离子体特性 准中性 ＋ － 在等离子体内部，正、负电荷数几乎相等——准中性 ne  ni

等离子体基本条件 空间尺度要求 ：等离子体线度远大于德拜长度 lD << L 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 t >> tp 集合体要求：在德拜球中粒子数足够多，具有 统计意义 ND ＝ ne (4 plD3 /3 ) >> 1

非磁化等离子体中波动 离子声波：离子运动，低频，与普通声波类似，纵波 电子等离子体波：电子运动，高频，纵波 电磁波：横波，等离子体可视为介质，折射率 n<1 ，小于等离子体频率的波不能传播

等离子体波 无线电波在电离层的反射 截止层： f = fc = 9 ne1/2

磁化等离子体中波动 Alfen 波：低频波，等离子体与磁场冻结在一起，相当于弹性介质： 平行于磁场传播的波：左旋偏振波、右旋偏振波 等离子体波 磁化等离子体中波动 Alfen 波：低频波，等离子体与磁场冻结在一起，相当于弹性介质： 平行于磁场传播的波：左旋偏振波、右旋偏振波 垂直于磁场传播的波：寻常波、异常波

低温等离子体应用 冷等离子体应用 等离子体的化学过程 刻蚀 化学气相沉积（成膜） 等离子体材料处理 表面改性 表面冶金 光源 冷光源（节能）

特征类金刚石表面制造 纳米尺度上 针尖状表面 纳米尺度上 波纹状表面 树枝状表面 大面积正弦表面 实验室与日本原子力所先进科学研究中心合作，开展了非平衡薄膜表面制造的研究，成功第地制备了纳米尺度的针状表面、波纹表面，树枝状表面、正弦表面等表面结构，其中波纹表面，是应用薄膜生长过程的自组织过程中直接形成的。（J. Chem.Phys. 116, 10458，2002）

毫米级厚金刚石片制备研究 金刚石质量表征 带Si衬底的金刚石厚膜 纯金刚石片 （直径30mm） 半透纯金刚石 热沉片10x10 mm2 应用PCVD方法开展金刚石模制备研究开展了多年，对制备过程中物理化学及工艺过程进行了系统研究。可以稳定地制备高质量毫米量级厚度的金刚石片，并用金刚石膜加工成金刚石电子热沉片，热导率高达7.6W/(k·cm)，可用于大功率电子器件。（ Physics of Plasma, 5, 1541, 1998、 J. Phys. D, 31, 3327, 1998、J. Vac. Sci. Tech. A，20, 941, 2002） 金刚石质量表征

低温等离子体应用 热等离子体应用 高温加热 冶金、焊接、切割 材料合成、加工 陶瓷烧结、喷涂、三废处理 光源 强光源

等离子体军事及高技术应用 军事应用 高技术 等离子体天线、等离子体隐身、等离子体减阻、等离子体鞘套、等离子体诱饵 低温等离子体应用 等离子体军事及高技术应用 军事应用 等离子体天线、等离子体隐身、等离子体减阻、等离子体鞘套、等离子体诱饵 高技术 大功率微波器件、X射线激光、强流束技术、等离子体推进

低温等离子体应用

空间天体等离子体 什么保护了我们地球：等离子体

北极光 空间天体等离子体

空间天体等离子体 我们的太 阳 A Galaxy of Fusion Reactors. This picture shows the inner region of the m100 Galaxy in the Virgo Cluster, imaged with the Hubble Space Telescope Planetary Camera at full resolution. (Courtesy of NASA)"Every time you look up at the sky, every one of those points of light is a reminder that fusion power is extractable from hydrogen and other light elements, and it is an everyday reality throughout the Milky Way Galaxy." --- Carl Sagan, Spitzer Lecture, October 1991 For centuries, the way in which the sun and stars produce their energy remained a mystery to man. Only during this century have scientists discovered that they produce their energy by the fusion process. Einstein's theory that mass can be converted into energy provided the basis for understanding fusion. This theory was further explored by other physicists who discovered two practical methods for achieving this conversion. One method is fission in which heavy atoms, such as uranium, are split, thus releasing the internal energy that holds the atom together. Fission energy is now being used commercially in the United States and elsewhere to produce electricity. The other method of transforming mass into energy is fusion in which light atoms, such as those of hydrogen, are fused or joined

空间天体等离子体 星系：巨大的聚变反应堆 A Galaxy of Fusion Reactors. This picture shows the inner region of the m100 Galaxy in the Virgo Cluster, imaged with the Hubble Space Telescope Planetary Camera at full resolution. (Courtesy of NASA)"Every time you look up at the sky, every one of those points of light is a reminder that fusion power is extractable from hydrogen and other light elements, and it is an everyday reality throughout the Milky Way Galaxy." --- Carl Sagan, Spitzer Lecture, October 1991 For centuries, the way in which the sun and stars produce their energy remained a mystery to man. Only during this century have scientists discovered that they produce their energy by the fusion process. Einstein's theory that mass can be converted into energy provided the basis for understanding fusion. This theory was further explored by other physicists who discovered two practical methods for achieving this conversion. One method is fission in which heavy atoms, such as uranium, are split, thus releasing the internal energy that holds the atom together. Fission energy is now being used commercially in the United States and elsewhere to produce electricity. The other method of transforming mass into energy is fusion in which light atoms, such as those of hydrogen, are fused or joined

聚变等离子体 聚变与裂变能 平均结合能 U 裂变能 4He Li 裂变 T 聚变能 3He 聚变 D 原子质量

聚变等离子体 核聚变反应 D + T = n + 4He D + T = p + 3He

聚变等离子体 受控热核聚变 10克氘＋15克氚 ＝> 人一生所需能源 500升海水含10克氘 无环境污染及长寿命放 射性废料

聚变需要亿度高温 聚变等离子体 劳逊判据（Q＝1） T>10keV （1亿度） nt > 3x1020m-3s

实现聚变的三种途径 聚变等离子体

聚变等离子体 托卡马克装置( JET )

How Fusion Energy is Produced 聚变等离子体 How Fusion Energy is Produced 磁约束聚变研究进展 To recreate the conditions of the sun and stars for the production of fusion energy on earth, scientists must accomplish three major tasks. They have already passed the first test by achieving the necessary temperatures. In some cases, they have attained temperatures as high as 510 million degrees, more than 20 times the temperature at the center of the sun. Second, they need to demonstrate sustained reactions where substantial amounts of energy are produced. The third major milestone for fusion would be operation of a demonstration fusion power plant.

美国Nova激光聚变装置 1985年建成，10路 45000焦耳，1纳秒 2倍频/3倍频

美国国家点火（NIF）激光聚变装置 2003年建成, 192束 180万焦耳，3纳秒 500TW，近紫外光

激光聚变电站

神光II、星光II激光聚变装置

总 结 等离子体科学涵盖了受控热核聚变、低温等离子体物理及应用、国防和高技术应用、天体和空间等离子体物理等分支领域。 总 结 等离子体科学涵盖了受控热核聚变、低温等离子体物理及应用、国防和高技术应用、天体和空间等离子体物理等分支领域。 等离子体科学在能源、材料、信息、环保、国防、微电子、半导体、航空、航天、冶金、生物医学、造纸、化工、纺织、通讯等领域有广泛的应用。 等离子体研究领域对人类面临的能源、材料、信息、环保等许多全局性问题的解决具有重大意义。

有一位“哲人”曰： 我经常将等离子体人性化，她的许多表现酷似于我们人类，常常不需要牵强的联想，就可以用我们日常的经验，甚至是我们内心的感受来理解她的行为 等离子体中的两性： 相互独立又相互扶持，平和时若即若离，逃逸时则携手并肩。 等离子体中的相互作用： 长则绵绵，短则眈眈，远可及周天之外，近可抵唇齿之间。 等离子体的集体行为： 自由与束缚兼得，温和与暴虐并存。 等离子体的自洽禀性： 可以欺之以妩媚，不可催之以强蛮，若以力，人人奋愤可兵，以弱，则诺诺列队而从。

谢谢大家！