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等離子體物理范文第1篇

本書共有9章：1.引言，包括本書的目標(biāo)、天體物理學(xué)中的等離子體、電磁場(chǎng)與電磁波、橫向與縱向電磁場(chǎng)、真空中的電磁場(chǎng)、等離子體中的電磁波、平面等離子體波的電磁分量、帶電粒子的運(yùn)動(dòng)；2.等離子體描述與等離子體模型，包括分布函數(shù)與矩、從單個(gè)粒子到動(dòng)理學(xué)的描述、數(shù)值方法、流體編碼、混合編碼；3.磁化等離子體，包括理想電磁流體力學(xué)（MHD）、建立MHD模型、量綱分析與等離子體特征尺度；4.碰撞單個(gè)粒子到支理學(xué)的描述無(wú)碰撞，包括等離子體物理中碰撞的概念，有平均自由程、德拜長(zhǎng)度、克努森數(shù)等；損耗的概念，有能量轉(zhuǎn)移與損耗、可反轉(zhuǎn)性、熵等；5.等離子體中的波，包括MHD波、波引起的輸送、高頻率波、哨聲模式、流體理論中的碰撞阻尼、無(wú)碰撞阻尼、不穩(wěn)定性；6.非線性效應(yīng)、激波與湍流，包括無(wú)碰撞激波與間斷、湍流、非線性動(dòng)力學(xué)物理； 7.流動(dòng)與粒子加速過(guò)程，包括流加速、文丘里效應(yīng)、恒星風(fēng)、磁重聯(lián)、磁層中的動(dòng)力加速；8.宇宙射線的加速與遷移，包括磁場(chǎng)：遷移阻礙、宇宙射線的遷移方程、宇宙射線的費(fèi)米加速等；9.動(dòng)理學(xué)流體二重性（The Kinetic Fluid Duality），包括太陽(yáng)風(fēng)與行星風(fēng)膨脹、小幅彈道波動(dòng)、大幅彈道波動(dòng)等。

附錄：1.符號(hào)，包括1.1向量與張量；1.2導(dǎo)數(shù)；1.3符號(hào)列表。2.漸近展開與絕熱不變量，包括2.1多尺度展開；2.2絕熱不變量；2.3引導(dǎo)中心方程的推導(dǎo)擴(kuò)展。3.?？?普朗克方程，首階項(xiàng)。

本書由五位作者共同撰寫，其中第1作者Gerard Belmont是無(wú)碰撞介質(zhì)及其在流體理論與動(dòng)力學(xué)理論上的描述方面的專家；第2作者Roland Grappin主要致力于流體與等離子體中的湍流、太陽(yáng)風(fēng)的動(dòng)力學(xué)以及日冕與過(guò)渡區(qū)等天文學(xué)方面的研究；第3作者Fabrice Mottez專注于無(wú)碰撞太空等離子體、地球與木星磁氣層、基礎(chǔ)等離子體物理與數(shù)值模擬。

本書簡(jiǎn)單易懂，意在成為等離子物理方面的教科書。雖然書中例子大多是空間物理或太陽(yáng)風(fēng)領(lǐng)域，但概念是通用的，實(shí)驗(yàn)室等離子體，特別是核聚變磁約束方面的研究者，也適合閱讀本書。

等離子體物理范文第2篇

摘要:

應(yīng)用多光子非線性Compton散射模型、空間動(dòng)態(tài)補(bǔ)償模型、非線性薛定諤方程和數(shù)值模擬方法，研究了Compton散射對(duì)超強(qiáng)飛秒激光等離子體中通道的影響，提出了將Compton散射光作為形成等離子體通道的新機(jī)制，給出了超強(qiáng)飛秒激光脈沖在等離子體中傳播和電子密度隨時(shí)間變化的非線性修正方程，并進(jìn)行了數(shù)值模擬．研究發(fā)現(xiàn):散射使等離子體中電子密度峰值增大1個(gè)量級(jí)，半徑增大1mm．激光最大功率密度被限制在1018W/m2以下，隨傳輸距離增大緩慢衰減．傳輸初始階段，單脈沖衰減能量較散射前增大2%，之后衰減較平緩．通過(guò)增加超強(qiáng)飛秒激光脈沖輸入功率，能有效地增加電子密度峰值，有利于等離子體通道的形成．并對(duì)所的結(jié)論給出了初步物理解釋．

關(guān)鍵詞:

等離子體;超強(qiáng)飛秒激光;等離子體通道;電子密度峰值;自聚焦;非線性Compton散射

1引言

由于超強(qiáng)超短激光脈沖與空氣作用產(chǎn)生的等離子體通道具有很強(qiáng)的導(dǎo)電特性［1］，在高壓放電控制［2］、質(zhì)子加速［3］、激光自聚焦和自成絲［4］、等離子體通道天線設(shè)計(jì)［5］等方面具有重要應(yīng)用，因此已成為近幾年來(lái)人們研究的熱點(diǎn)［6－10］．目前，已提出等離子體通道形成機(jī)制的3個(gè)模型:運(yùn)動(dòng)焦點(diǎn)模型、自引導(dǎo)模型和空間動(dòng)態(tài)補(bǔ)償模型［11］．Theberge等［12，13］指出，一定條件下激光可延長(zhǎng)等離子體通道壽命．王海濤等［14］指出，不同形式和注入時(shí)間的激光脈沖對(duì)高密度等離子體通道有較大影響．等［15］指出，相對(duì)論效應(yīng)使等離子體中激光脈沖自聚焦效應(yīng)減緩，Compton散射能加速自聚焦效應(yīng)．劉勇等［16］指出，橫等離激元與對(duì)離子等離子體非線性作用產(chǎn)生的坍塌將產(chǎn)生小尺度密度空穴．張寧等［17］指出，激光波長(zhǎng)，單脈沖能量、脈寬和束腰半徑等對(duì)等離子體通道有顯著影響．郝東山［18］提出了將Compton散射光作為改變等離子體電子密度峰值的新機(jī)制．近期，等［19］指出，Compton散射是影響等離子體輻射阻尼和通道壽命的關(guān)鍵因素之一．應(yīng)指出，在對(duì)超強(qiáng)激光等離子體通道演化的研究中，以上研究并未考慮非線性Compton散射因素．實(shí)驗(yàn)表明［20］:等離子體內(nèi)光強(qiáng)達(dá)1016W/cm2量級(jí)時(shí)，非線性Compton散射開始顯現(xiàn)．可見，該散射對(duì)等離子體通道的影響是不能忽略的．本文基于多光子非線性Compton散射模型、空間動(dòng)態(tài)補(bǔ)償模型、非線性薛定諤方程和數(shù)值模擬方法，討論了Compton散射對(duì)等離子體通道演化的影響．

2理論分析

若激光脈沖與等離子體作用發(fā)生多光子非線性Compton散射(簡(jiǎn)稱散射)，則散射光頻為［19］η=|γ－γf|/(γ－1)為散射非彈性參量，γ=［1－(υc－1)2］－1/2=(1－β2)－1/2和γf=［1－(υc－1)2］－1/2=(1－β2f)－1/2、υ和υf分別為電子散射前后洛侖茲因子、速度;θ為電子和光子運(yùn)動(dòng)方向夾角;θ'1和θ'為電子靜止系中電子與散射光子運(yùn)動(dòng)方向夾角和光子散射角;N、c、m、h=2π別為與電子同時(shí)作用光子數(shù)、真空中光速、電子靜質(zhì)量、普朗克常數(shù)．入射光和散射光形成的耦合光在等離子體中傳輸時(shí)，散射光必然引起等離子體參數(shù)變化．耦合超強(qiáng)飛秒激光脈沖在等離子體中傳播演化過(guò)程可用非線性薛定諤方程描述為式中，A和k及ΔA和Δk為入射激光場(chǎng)和波束及其擾動(dòng);α1、α2、α3及Δα1、Δα2、Δα3分別為衍射和色散等線性項(xiàng)展開系數(shù)及相應(yīng)擾動(dòng);n0、Ui0n、n2和Δn2分別為線性折射率、特征分子能量、非線性折射率及其擾動(dòng);ωp=(4πq2n/m)1/2和Δωp=(4πq2Δn/m)1/2為等離子體頻率及其擾動(dòng)，n和ν及Δn和Δν為電子密度和碰撞頻率及其相應(yīng)擾動(dòng);χ、Q和ΔQ分別為線性極化率、無(wú)量綱拉曼振蕩函數(shù)及其擾動(dòng);δn為等離子體密度擾動(dòng);式兩端第二項(xiàng)為散射擾動(dòng)項(xiàng)．對(duì)空氣中傳輸激光，n0=(1+4πχ)1/2≈1，則χ=0．因散射效應(yīng)主要使等離子體中非線性成分增大，故式(2)線性項(xiàng)及擾動(dòng)可用經(jīng)典模型取代［21］，即一階導(dǎo)數(shù)系數(shù)為0，二階導(dǎo)數(shù)項(xiàng)為kk'2A/c2t2+Δkk'2A/c2t2+(kΔk'2A/c2t2+kk'2ΔA/c2t2)，其中k'和Δk'為群速色散系數(shù)及其擾動(dòng)．等式右端為非線性項(xiàng)及其擾動(dòng)，包括Kerr效應(yīng)、電子相對(duì)論效應(yīng)、等離子體波、激光能損和分子受激拉曼散射等．可見，散射使使等離子體中線性成分略有增大．非線性顯著增大．因A對(duì)傳輸方向z的二階導(dǎo)數(shù)遠(yuǎn)小于一階導(dǎo)數(shù)，故可得近似計(jì)算模型為式兩端第二項(xiàng)為散射擾動(dòng)項(xiàng)．對(duì)式(3)做柱坐標(biāo)(r，φ，z)變換．設(shè)耦合激光為在空氣中準(zhǔn)直傳輸?shù)母咚姑}沖，且忽略其在φ方向的變化，則式(3)可寫作其中A0=(2p0/πr20)1/2和ΔA0≈(2Δp0/πr20)1/2、r0和τc、p0和Δp0分別為散射前激光電場(chǎng)振幅及其擾動(dòng)、耦合激光束腰半徑和脈寬、功率及其擾動(dòng)．多光子電離中電子數(shù)密度隨時(shí)間的演化為式兩端第二項(xiàng)為散射擾動(dòng)項(xiàng);μ和Δμ、K、nat分別為多光子電離引起的離焦效應(yīng)系數(shù)及其擾動(dòng)、光子數(shù)、空氣中性分子密度．

3數(shù)值模擬結(jié)果及討論

散射前后單脈沖輸入能量與功率及擾動(dòng)E0=p0τ0(π/2)1/2和ΔE0=(Δp0τ0+p0Δτ0)(π/2)1/2，發(fā)生自聚焦時(shí)耦合功率大于臨界功率pcr≈(λ20+2λ0Δλ0)/2πn2．以紫外光為例進(jìn)行數(shù)值模擬．選取激光脈沖參數(shù):r0=3.1mm和Δr0=－0.1mm;τ0=130fs和Δτ0=－10fs;峰值功率密度及擾動(dòng)為I0=4.5×1020W/m2和ΔI0=0.5×1020W/m2;波長(zhǎng)及其擾動(dòng)λ0=248nm和Δλ0=－8nm;n2=7.5×10－23m2/W和Δn2=0.5×10－23m2/W;μ(3)=10－29m2k－3•W1－k和Δμ(3)=1×10－30m2k－3•W1－k;k'=1.21×10－28s2/m和Δk'=－0.21×10－28s2/m;多光子電離中吸收光子數(shù)K=3;自聚焦臨界功率及其擾動(dòng)pcr0=0.12GW和Δpcr0=－0.039GW．電子密度徑向分布隨傳輸方向變化關(guān)系如圖1所示．由圖1知，中心軸上電子密度峰值在1024/m3量級(jí)，半徑約為0.4mm．與散射前相比，密度峰值增大1個(gè)量級(jí)，半徑增大1mm．這是由于散射使等離子體中的粒子碰撞頻率增大，電子縱向動(dòng)量(或速度)各向異性分布加劇，產(chǎn)生的自生磁場(chǎng)使電子縱向動(dòng)量(或速度)增大的緣故．激光強(qiáng)度通量徑向分布隨傳輸距離的變化關(guān)系如圖2所示．由圖2知，與散射前相比，激光強(qiáng)度通量橫向分布的寬度明顯縮小，激光能量的橫向成絲現(xiàn)象增強(qiáng)．這是由于散射使激光中的非線性成分明顯增大，橫等離激元與等離子體的非線性作用中形成的坍塌效應(yīng)在小尺度密度空穴區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生了更強(qiáng)的電場(chǎng)，該電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度加速了等離子體中的非線性發(fā)展的緣故．不同傳輸距離處激光強(qiáng)度通量截面圖如圖3所示．由圖3知，與散射前相比，激光能量較快地衰減，向兩側(cè)的分裂加?。@是由于散射使等離子體中的電子密度發(fā)生了劇烈的變化，電子速度(或動(dòng)量)的橫向各向異性分布加劇，使橫等離激元調(diào)制不穩(wěn)定性加劇，從而導(dǎo)致橫等離激元與等離子體非線性作用時(shí)的坍塌加劇的緣故．激光最大功率密度隨傳輸距離變化關(guān)系如圖4所示．由圖4知，與散射前相比，最大功率密被限制在1018W/m2以下，隨傳輸距離增大緩慢下降．這是由于散射使等離子體中有較多粒子發(fā)生了二級(jí)和三級(jí)電離，從而消耗了更多能量的緣故．單脈沖能量隨傳輸距離變化關(guān)系如圖5所示．由圖5知，單脈沖能量傳輸初始階段下降較快，之后下降較平緩，傳輸5米后，大約衰減了12%．與散射前相比，衰減能量約增加2%．這是因超強(qiáng)短脈沖激光在空氣中傳播的初始階段就發(fā)生了非線性Compton散射，使局部空氣迅速形成了等離子體，之后階段形成等離子體幾率大大減小的緣故。

4結(jié)論

本文基于多光子非線性Compton散射模型，研究了超強(qiáng)激光等離子體中激光能量變化對(duì)等離子體通道的影響．結(jié)果表明:散射使等離子體中電子密度峰值顯著增大，自聚焦效應(yīng)增強(qiáng)，激光最大功率密度隨傳輸距離增大衰減較慢．采用超強(qiáng)激光脈沖在空氣中能形成自聚焦傳輸，通過(guò)增加輸入功率或能量，能有效增加電子密度峰值，有利于自聚焦和等離子體通道的形成，為今后等離子體通道的應(yīng)用提供了一種簡(jiǎn)單易行的技術(shù)途徑．

參考文獻(xiàn):

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［19］［郝東山.Compton散射對(duì)激光等離子體通道壽命的影響［J］.原子與分子物理學(xué)報(bào)，2015，32(1):125］

等離子體物理范文第3篇

摘要:

采用單粒子模型數(shù)值研究了塵埃粒子在等離子體磁鞘中的運(yùn)動(dòng)．鞘層模型包含熱電子、冷離子、中性粒子和塵埃粒子．等離子體磁鞘結(jié)構(gòu)與無(wú)外加磁場(chǎng)的鞘層相比較其結(jié)構(gòu)不同，數(shù)值模擬工作研究了塵埃粒子在有磁場(chǎng)的等離子體鞘層中的運(yùn)動(dòng)特性，討論了塵埃粒子初始位置、初始速度對(duì)塵埃粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響．模擬結(jié)果顯示在等離子體磁鞘中，磁場(chǎng)能夠調(diào)節(jié)塵埃粒子與基板間的距離，使塵埃粒子偏移遠(yuǎn)離基板．

關(guān)鍵詞:

塵埃粒子;磁場(chǎng);等離子體鞘層

0引言

近年來(lái)，隨著等離子體材料加工技術(shù)的廣泛應(yīng)用，塵埃等離子體物理［1-18］倍受關(guān)注，成為比較活躍的一個(gè)研究領(lǐng)域．在半導(dǎo)體器件刻蝕、薄膜沉積等工藝中，在放電器壁或材料表面的等離子體鞘層區(qū)域不可避免地會(huì)產(chǎn)生塵埃粒子．這些塵埃粒子常常聚集在鞘層區(qū)域，污染被加工的材料，嚴(yán)重地影響加工產(chǎn)品的質(zhì)量．因此，為了控制消除等離子體鞘層中塵埃粒子，必須了解塵埃粒子在鞘層中的運(yùn)動(dòng)特性．帶電的塵埃粒子與其它粒子相比，其具有比較可觀的質(zhì)量和電量，因此在研究塵埃粒子的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中需要考慮到靜電力、重力、中性氣體粘滯力和洛侖茲力等．許多研究工作［1-5］研究了塵埃粒子在無(wú)外加磁場(chǎng)作用下的等離子體邊界鞘層中的受力、輸運(yùn)以及分布等情況．2000年Liu等人［1］分別使用單粒子模型和流體模型研究了鞘層中的塵埃粒子特性．結(jié)果顯示塵埃粒子在鞘層中的密度分布曲線出現(xiàn)了震蕩，攜帶負(fù)電荷的塵埃粒子可以懸浮在鞘層內(nèi)，位置由粒子的大小和受力等因素決定．同年，劉德泳等人［2］使用動(dòng)力學(xué)方法研究了塵埃粒子在直流輝光放電的陰極鞘層中的運(yùn)動(dòng)狀況，并討論了塵埃粒子的電量、受力及懸浮位置等．2007年段萍等人［3］采用柱槽狀電極的流體模型，數(shù)值模擬了等離子體鞘層及塵埃粒子的分布結(jié)構(gòu)．2010年劉金遠(yuǎn)等人［4］數(shù)值研究了磁約束聚變環(huán)境中塵埃粒子的帶電、運(yùn)動(dòng)及溫度特性．2012年吳靜等人［5］采用穩(wěn)態(tài)無(wú)碰撞的塵埃等離子體鞘層模型，研究了塵埃等離子體中塵埃顆粒以及其它粒子的密度分布特性．此外，還有很過(guò)研究工作［6-9］研究了無(wú)外加磁場(chǎng)作用下的塵埃等離子體鞘層的玻姆判據(jù)．考慮外加磁場(chǎng)的作用，在1999，2003兩年，Baishya［10-11］在工作中采用了均由玻爾茲曼分布來(lái)描述的離子和電子密度分布．基于流體近似的研究結(jié)果表明帶電塵埃粒子的存在影響了極板附近的等離子體鞘層區(qū)的形成和特性，鞘層的厚度隨著磁場(chǎng)傾斜角度增加而增加．在2005年，奚衍斌等人［12］利用流體模型，數(shù)值模擬了在調(diào)制磁場(chǎng)作用下的圓柱形等離子體發(fā)生器中的電子、離子及塵埃粒子的運(yùn)動(dòng)情況．2006年以及2014年，我們?cè)谘芯抗ぷ髦校?3-14］用利用流體模型數(shù)值研究了外加斜磁場(chǎng)中的塵埃等離子體鞘層，分析討論了塵埃粒子密度的分布．近期國(guó)內(nèi)外還有一些研究工作［15-18］利用流體模型數(shù)值研究塵埃等離子體磁鞘．2007年Duan等人［19］，使用單粒子模型數(shù)值模擬外加磁場(chǎng)作用下等離子體鞘層的特性，他們的研究工作只考慮了磁場(chǎng)對(duì)塵埃粒子的作用力，沒(méi)有考慮磁場(chǎng)對(duì)離子流的影響，也沒(méi)有討論磁場(chǎng)大小對(duì)塵埃粒子的影響．本文使用單粒子模型數(shù)值研究塵埃粒子在鞘層中的運(yùn)動(dòng)特性．同時(shí)考慮外加磁場(chǎng)對(duì)離子流和塵埃的作用．詳細(xì)討論磁場(chǎng)大小、塵埃粒子初始位置、初始速度對(duì)塵埃粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響．希望得到的結(jié)果有助于利用外加磁場(chǎng)調(diào)控和消除等離子體鞘層中的塵埃粒子．

1理論模型和基本方程

建立一個(gè)平板型等離子體下鞘模型，即等離子體中的基板水平放置，包含一維坐標(biāo)空間三維速度空間，如圖1所示．假設(shè)鞘層中含有熱平衡的電子、冷的離子、中性粒子、以及帶負(fù)電的塵埃粒子．外加斜磁場(chǎng)B位于(x，z)平面內(nèi)，與x軸正方向夾角θ．磁場(chǎng)方向單位矢量為B^0=cosθx^+sinθz^．在鞘層邊界x=0處，靜電勢(shì)=0．鞘層系統(tǒng)中的電子，處于熱平衡狀態(tài)，滿足玻爾茲曼分布，不考慮磁場(chǎng)的影響［10-14，19］，電子的數(shù)密度為:ne=ne0exp(e/Te)(1)式中:Te是電子溫度．冷離子的運(yùn)動(dòng)滿足流體的連續(xù)性方程和運(yùn)動(dòng)方程:•(nivi)=0(2)mi(vi•)vi=－eφ+evi×B/c(3)式中:ni，mi，vi分別是離子的數(shù)密度，質(zhì)量和速度．描述塵埃粒子的動(dòng)力學(xué)方程為:mddvd/dt=－qd+fotx^+qdvd×B/c(4)式中:md，vd和qd分別為塵埃粒子的質(zhì)量，速度以及電量．fot=fg+fn，其中fg=4πR3ρdg/3是塵埃粒子的重力，在x軸方向上，把塵?？闯墒琴|(zhì)量均勻分布的球形粒子，半徑為R，ρd是塵埃物質(zhì)的質(zhì)量密度;fn=－6πηeffRVd是中性氣體粘滯力［5-7、19］，ηeff=0．68RP/V—n，P是氣體壓強(qiáng)，V—n=(8Tn/πmn)1/2是平均熱速度，Tn和mn分別是中性氣體的溫度和質(zhì)量．塵埃表面勢(shì)d=qd/R．系統(tǒng)滿足泊松方程:2/x2=－4π［e(ni－ne)+qdδ(x)］(5)在鞘邊x=0處，由準(zhǔn)中性條件ne0=ni0．在低溫等離子體中，塵埃粒子攜帶電荷的原因是由于收集電子和離子．塵埃粒子的充電時(shí)間非常短，在充電時(shí)間內(nèi)可以忽略塵埃粒子的位移．因而，塵埃粒子穩(wěn)態(tài)時(shí)靜電流為零，即Ii+Ie=0(6)根據(jù)軌道理論對(duì)塵埃粒子充電的電子電流和離子電流為［5-7，19］:Ie=－neπR2e［8Te/(πme)］1/2Ke(qd)(7)Ii=πR2enivi［1－2eqd/(Rmiv2i)］(8)當(dāng)qd＜0時(shí)，Ke(qd)=exp［eqd/(RTe)］;當(dāng)qd＞0時(shí)，Ke(qd)=1+eqd/(RTe)．考慮鞘層厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其它空間尺度，取物理量只有x方向的空間變化，即(/x)x^．為了簡(jiǎn)化方程，引入下列無(wú)量綱量:Φ=－e/Te，ξ=x/λD，Zd=qd/e，Φd=ed/Te，ui=vi/cis，ud=vd/cds，Ne=ne/ne0，Ni=ni/ni0，f0=zTe/λD，τ=t/τ0，τ0=λD/cds．其中:λD=(Te/4πn0e2)1/2是電子德拜長(zhǎng)度，cis=(Te/mi)1/2為離子聲速，cds=(zTe/md)1/2為塵埃粒子聲速，z=RTe/e2．經(jīng)過(guò)無(wú)量綱化處理，由式(1)～(8)可以得到:Ne=exp(－Φ)(9)Ni=Mi/uix(10)uixui/ξ=Φ/ξx^+γiui×B^0(11)dud/dτ=(ΦdΦ/ξ+Fot)x^+Φdγdud×B^0(12)2Φ/ξ2=Ni－Ne－zΦdΔ(ξ)(13)其中:式(10)中Mi=vix0/cis為離子馬赫數(shù)，式(11)中γi=ωic/ωpi為離子回旋頻率和離子等離子體頻率的比值．離子回旋頻率ωic=eB/mic，離子等離子體頻率ωpi=(4πni0z2e2/mi)1/2．式(12)中Fot=fot/f0．γd=(zmi/md)1/2γi．由式(9)～(13)我們可以數(shù)值模擬等離子體磁鞘結(jié)構(gòu)以及塵埃粒子在磁鞘中的運(yùn)動(dòng)情況．

2分析和討論

在數(shù)值計(jì)算中，取氬等離子體為研究對(duì)象，等離子體濃度為n0=1015m3，Te=3eV，塵埃粒子半徑為R=3×10－6m，密度為ρd=2×103kg/m3，鞘邊電場(chǎng)取Φ/ξ|ξ=0=0．01，離子馬赫數(shù)Mi=1．相應(yīng)的氣體壓強(qiáng)為13．33Pa，溫度為290K．圖2顯示了鞘層的結(jié)構(gòu)，包含了無(wú)量綱化以后的電子密度、離子密度和電勢(shì)的分布．與沒(méi)有外加磁場(chǎng)的鞘層相比，磁鞘(B=0．5T，θ=30°)的結(jié)構(gòu)有明顯的不同［19］．由于洛倫茲力的存在，離子密度和電子密度分布曲線下降更為迅速，無(wú)量綱化電勢(shì)分布曲線上升也更為迅速，鞘邊的電場(chǎng)強(qiáng)度更強(qiáng)，作用于塵埃粒子上的電場(chǎng)力更大．圖3顯示了塵埃粒子在磁鞘中的x軸方向的運(yùn)動(dòng)．取塵埃粒子初始位置x0=5λD，初始速度udx0=cds．外加磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)的塵埃粒子產(chǎn)生洛倫茲力，加上磁鞘結(jié)構(gòu)的變化使塵埃粒子受到的電場(chǎng)力也發(fā)生改變．在合力的作用下，在x軸方向上，塵埃粒子仍能在一段時(shí)間振動(dòng)之后懸浮在鞘層中某個(gè)位置．從圖3可以看出，隨著磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度增強(qiáng)，塵埃粒子的懸浮位置靠近鞘邊，即遠(yuǎn)離基板．當(dāng)磁場(chǎng)足夠強(qiáng)時(shí)(B=0．6T)，塵埃粒子在合力的作用下可以離開鞘層．圖4顯示了θ=30°時(shí)塵埃粒子在磁鞘中的運(yùn)動(dòng)軌跡．對(duì)比兩種狀況B=0．05T和B=0．10T，隨著磁場(chǎng)增強(qiáng)，塵埃粒子會(huì)遠(yuǎn)離基板．塵埃粒子在x方向振動(dòng)的同時(shí)，向y軸和z軸正半軸方向產(chǎn)生位置的偏移，這是由于洛倫茲力的作用．磁場(chǎng)越強(qiáng)，偏移越明顯．圖5顯示了B=0．3T，θ=30°時(shí)，塵埃粒子在磁鞘中的運(yùn)動(dòng)軌跡．在x軸方向塵埃粒子振動(dòng)之后擁有相對(duì)固定的x軸坐標(biāo)，即滿足受力平衡．在洛倫茲力作用下，塵埃粒子向z軸負(fù)半軸方向漂移．同樣大小的塵埃粒子在x軸方向受力平衡的位置應(yīng)該相同．當(dāng)在磁鞘中運(yùn)動(dòng)的塵埃粒子具有不同的初始位置或者不同的初始速度時(shí)，從圖6和圖7可以看出，大多數(shù)情況塵埃粒子還是“懸浮”于同一x軸坐標(biāo)平面．但是也有例外，在圖6中，當(dāng)塵埃粒子離鞘邊較遠(yuǎn)時(shí)會(huì)受到較大的電場(chǎng)力，被加速后的塵埃粒子在洛倫茲力作用下可能離開鞘層．在圖7中，當(dāng)具有較大初始速度時(shí)，塵埃粒子在洛倫茲力作用下可能離開鞘層．

3結(jié)論

本文建立了一個(gè)外加斜磁場(chǎng)作用下的等離子體鞘層模型，數(shù)值模擬了塵埃粒子在磁鞘中的運(yùn)動(dòng)．得到以下結(jié)論:

(1)帶電的塵埃粒子在磁鞘中x軸方向受力平衡后會(huì)“懸浮”在鞘層中的某個(gè)平面，即x軸坐標(biāo)固定;

(2)隨著外加磁場(chǎng)的增強(qiáng)，這個(gè)“懸浮”位置將遠(yuǎn)離基板，同時(shí)塵埃粒子會(huì)在“懸浮”平面內(nèi)漂移，方向由洛倫茲力決定;

(3)當(dāng)塵埃粒子在鞘邊具有較大速度時(shí)，在洛倫茲力的作用下，它可能離開鞘層．因此，可以利用磁場(chǎng)改變塵埃粒子的運(yùn)動(dòng)方向，使之偏移遠(yuǎn)離基板，甚至離開鞘層區(qū)域．

參考文獻(xiàn):

［2］劉徳泳，王德真，劉金遠(yuǎn)．塵埃粒子在直流輝光放電陰極鞘層中的運(yùn)動(dòng)及懸?。跩］．物理學(xué)報(bào)，2000，49(6):1094-1097．

［3］段萍，劉金遠(yuǎn)，宮野，等．等離子體鞘層中塵埃粒子的分布特性［J］．物理學(xué)報(bào)，2007，56(12):7090-7099．

［4］劉金遠(yuǎn)，陳龍，王豐，等．聚變等離子體中塵埃雜質(zhì)的帶電和運(yùn)動(dòng)特性及溫度變化研究［J］．物理學(xué)報(bào)，2010，59(12):8692-8700．

［5］吳靜，劉國(guó)，姚列明，等．等離子體鞘層附近塵埃顆粒特性的數(shù)值模擬［J］．物理學(xué)報(bào)，2012，61(7):075205．

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［12］奚衍斌，張宇，王曉剛，等．調(diào)制磁場(chǎng)清除柱形等離子體發(fā)生器中的塵埃顆粒［J］．物理學(xué)報(bào)，2005，54(1):164-172．

等離子體物理范文第4篇

等離子體（Plasma）是由部分電子被剝奪后的原子及原子被電離后產(chǎn)生的正負(fù)電子組成的離子化氣體狀物質(zhì)，也稱“電漿體”,常被視為是除去固、液、氣外，物質(zhì)存在的第四態(tài)?？此啤吧衩亍钡牡入x子體，其實(shí)是宇宙中一種常見的物質(zhì)，在太陽(yáng)、恒星、閃電中都存在等離子體，它占了整個(gè)宇宙的99%。等離子體具有很高的電導(dǎo)率，與電磁場(chǎng)存在極強(qiáng)的耦合作用,利用經(jīng)過(guò)巧妙設(shè)計(jì)的磁場(chǎng)可以捕捉、移動(dòng)和加速等離子體。等離子體物理的發(fā)展為材料、能源、信息、環(huán)境空間、空間物理、地球物理等科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展提新的技術(shù)和工藝。

19世紀(jì)30年代英國(guó)的M.法拉第以及其后的J.J.湯姆孫、J.S.E.湯森德等人相繼研究氣體放電現(xiàn)象，這實(shí)際上是等離子體實(shí)驗(yàn)研究的起步時(shí)期。1879年英國(guó)的W.克魯克斯采用“物質(zhì)第四態(tài)”這個(gè)名詞來(lái)描述氣體放電管中的電離氣體。美國(guó)的I.朗繆爾在1928年首先引入等離子體這個(gè)名詞，等離子體物理學(xué)才正式問(wèn)世。1929年美國(guó)的L.湯克斯和朗繆爾指出了等離子體中電子密度的疏密波（即朗繆爾波）。

對(duì)空間等離子體的探索，也在20世紀(jì)初開始。1902年英國(guó)的O.亥維賽等為了解釋無(wú)線電波可以遠(yuǎn)距離傳播的現(xiàn)象，推測(cè)地球上空存在著能反射電磁波的電離層。這個(gè)假說(shuō)為英國(guó)的E.V.阿普頓用實(shí)驗(yàn)證實(shí)。英國(guó)的D.R.哈特里(1931)和阿普頓(1932)提出了電離層的折射率公式，并得到磁化等離子體的色散方程。1941年英國(guó)的S.查普曼和V.C.A.費(fèi)拉羅認(rèn)為太陽(yáng)會(huì)發(fā)射出高速帶電粒子流，粒子流會(huì)把地磁場(chǎng)包圍，并使它受壓縮而變形。

從20世紀(jì)30年代起，磁流體力學(xué)及等離子體動(dòng)力論逐步形成。等離子體的速度分布函數(shù)服從?？耍绽士朔匠獭ＬK聯(lián)的Л.Д.朗道在1936年給出方程中由于等離子體中的粒子碰撞而造成的碰撞項(xiàng)的碰撞積分形式。1938年蘇聯(lián)的A.A.符拉索夫提出了符拉索夫方程，即棄去碰撞項(xiàng)的無(wú)碰撞方程。朗道碰撞積分和符拉索夫方程的提出，標(biāo)志著動(dòng)力論的發(fā)端。

1942年瑞典的H.阿爾文指出，當(dāng)理想導(dǎo)電流體處在磁場(chǎng)中，會(huì)產(chǎn)生沿磁力線傳播的橫波(即阿爾文波)。印度的S.錢德拉塞卡在1942年提出用試探粒子模型來(lái)研究弛豫過(guò)程。1946年朗道證明當(dāng)朗繆爾波傳播時(shí)，共振電子會(huì)吸收波的能量造成波衰減，這稱為朗道阻尼。朗道的這個(gè)理論，開創(chuàng)了等離子體中波和粒子相互作用和微觀不穩(wěn)定性這些新的研究領(lǐng)域。

1950年以后，因?yàn)橛?、美、蘇等國(guó)開始大力研究受控?zé)岷朔磻?yīng)，促使等離子體物理蓬勃發(fā)展。熱核反應(yīng)的概念最早出現(xiàn)于1929年，當(dāng)時(shí)英國(guó)的阿特金森和奧地利的豪特曼斯提出設(shè)想，太陽(yáng)內(nèi)部輕元素的核之間的熱核反應(yīng)所釋放的能量是太陽(yáng)能的來(lái)源，這是天然的自控?zé)岷朔磻?yīng)。1957年英國(guó)的J.D.勞孫提出受控?zé)岷朔磻?yīng)實(shí)現(xiàn)能量增益的條件，即勞孫判據(jù)。

環(huán)狀磁約束等離子體的平衡問(wèn)題由蘇聯(lián)的V.D.沙弗拉諾夫等解決。美國(guó)的M.克魯斯卡和沙弗拉諾夫?qū)С隽俗钪匾囊环N等離子體不穩(wěn)定性，即扭曲不穩(wěn)定性的判據(jù)。1958年美國(guó)的I.B.伯恩斯坦等提出分析宏觀不穩(wěn)定性的能量原理。處在環(huán)狀磁場(chǎng)中的等離子體的輸運(yùn)系數(shù)首先由聯(lián)邦德國(guó)的D.普菲爾施等作了研究(1962)，他們給出在密度較大區(qū)的擴(kuò)散系數(shù)，蘇聯(lián)的A.A.加列耶夫等給出了密度較小區(qū)的擴(kuò)散系散(1967)，這一理論適用于托卡馬克這類環(huán)狀磁約束等離子體中的輸運(yùn)過(guò)程被命名為新經(jīng)典

理論。

自從蘇聯(lián)在1957年發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星以后，很多國(guó)家陸續(xù)發(fā)射了科學(xué)衛(wèi)星和空間實(shí)驗(yàn)室，獲得很多觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這極大地推動(dòng)天體和空間等離子體物理學(xué)的發(fā)展。1959年美國(guó)的J.A.范艾倫預(yù)言地球上空存在著強(qiáng)輻射帶，這一預(yù)言為日后的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，即稱為范艾倫帶。1958年美國(guó)的E.N.帕克提出了太陽(yáng)風(fēng)模型。1974年美國(guó)的D.A.格內(nèi)特根據(jù)衛(wèi)星資料，證認(rèn)出地球是一顆輻射星體，輻射千米波。

PDP（Plasma Display Panel）等離子顯示技術(shù)

早在1964年美國(guó)伊利諾斯大學(xué)就成功研制出了等離子顯示平板，但那時(shí)等離子顯示器為單色?，F(xiàn)在等離子平面屏幕技術(shù)為最新技術(shù)，而且它是高質(zhì)圖像和大純平屏幕的最佳選擇。大純平屏幕可以在任何環(huán)境下看電視，等離子面板擁有一系列像素，同時(shí)這些象素又包含有三種次級(jí)象素，它們分別呈紅、綠色、藍(lán)色。在等離子狀態(tài)下的氣體能與每個(gè)次象素里的磷光體反應(yīng)，從而能產(chǎn)生紅、綠或藍(lán)色。這種磷光體與用在陰極射線管(CRT)裝置(如電視機(jī)和普通電腦顯示器)中的磷光體是一樣的，你可以由此而得到你所期望的豐富有動(dòng)態(tài)的顏色，每種由一個(gè)先進(jìn)的電子元件控制的次象素能產(chǎn)生16億種不同的顏色，所有這些意味著你能在約不到6英寸厚的顯示屏上更容易看到最佳畫面。等離子顯示屏PDP是一種利用氣體放電的顯示裝置，這種屏幕采用了等離子管作為發(fā)光元件。大量的等離子管排列在一起構(gòu)成屏幕。每個(gè)等離子對(duì)應(yīng)的每個(gè)小室內(nèi)都充有氖氙氣體。在等離子管電極間加上高壓后，封在兩層玻璃之間的等離子管小室中的氣體會(huì)產(chǎn)生紫外光，從而激勵(lì)平板顯示屏上的紅綠藍(lán)三基色熒光粉發(fā)出可見光。每個(gè)離子管作為一個(gè)像素，由這些像素的明暗和顏色變化組合，產(chǎn)生各種灰度和色彩的圖像，與顯像管發(fā)光相似。等離子體技術(shù)同其它顯示方式相比存在明顯的差別，在結(jié)構(gòu)和組成方面領(lǐng)先一步。其工作機(jī)理類似普通日光燈，電視彩色圖像由各個(gè)獨(dú)立的熒光粉像素發(fā)光綜合而成，因此圖像鮮艷、明亮、干凈而清晰。另外，等離子電視最突出的特點(diǎn)是可做到超薄，并輕易做到40英寸以上的完全平面大屏幕，而厚度不到100毫米。

PDP（Plasma Display Panel）等離子電視的優(yōu)點(diǎn)

1．色彩更豐富：由于等離子電視是自發(fā)式的，而液晶則是透光式，像素自發(fā)光的色彩飽和度當(dāng)然更好，所等離子表現(xiàn)出來(lái)的色彩種類也要更豐富。液晶電視大多數(shù)都是1667萬(wàn)種顏色，少數(shù)可以達(dá)到10.7億色，但在等離子電視領(lǐng)域，1667萬(wàn)和10.7億色已經(jīng)算是滯后了，而86億色也是非常常見的。雖然過(guò)多的顏色已然是超出人眼所能分辨的顏色數(shù)量，但不可否認(rèn)的是，等離子電視的色彩比液晶更豐富。

2．可視角大、響應(yīng)時(shí)間短：等離子具有最寬的可視角，也就是說(shuō)，觀眾在不同的位置，看到圖像的亮度、對(duì)比度和色度基本上變化不大，也更接近CRT電視機(jī)的可視角，遠(yuǎn)大于液晶電視;在顯示運(yùn)動(dòng)圖像時(shí)，等離子電視的拖尾時(shí)間短，動(dòng)態(tài)清晰度高，這點(diǎn)同樣由于液晶電視。

3．由于不采用背光源，等離子電視機(jī)的亮度是沒(méi)有液晶高，但它隨平均圖像電平(APL)的變化而變化，對(duì)比度則是更高的，圖像層次感也就更強(qiáng)，所能呈現(xiàn)的圖像鮮艷、明亮而自然;色域覆蓋率大，彩色還原特性好，顯示圖像顏色鮮艷飽和度強(qiáng);全屏亮度均勻性好，且不受背光源燈壽命的限制，壽命也更長(zhǎng)。

等離子體物理范文第5篇

【關(guān)鍵詞】等離子體;HPM;傳播特性;影響

一、引言

HPM作為一種特殊的電磁波，在其傳播過(guò)程中要想提高其傳播質(zhì)量，滿足其傳播要求，就要對(duì)其概念和傳播特性有全面深入的了解，并選擇合適的載體進(jìn)行傳播?；贖PM電磁波的傳播需要，等離子體對(duì)HPM傳播具有較大的促進(jìn)作用，從目前等離子體的發(fā)展來(lái)看，等離子體已經(jīng)成為促進(jìn)HPM傳播的重要載體，在HPM傳播過(guò)程中起到了積極的作用，保證了HPM的整體傳播效果。為此，我們應(yīng)對(duì)HPM和等離子體的特性有全面深入的了解，并做好HPM傳播特性的研究工作。

二、HPM的定義和傳播特性

電磁脈沖持續(xù)納秒級(jí)的時(shí)間，―指單個(gè)脈沖中一個(gè)小脈沖的持續(xù)時(shí)間。

頻譜范圍從300MHZ到30GHZ―頻譜主要分布在特高頻（UHF）到超高頻（SHF）間。

脈沖功率從100MW到10GW，或平均功率為1MW以上。―秒沖功率指輻射源的波峰脈沖，由于功率是功對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，且波峰處場(chǎng)強(qiáng)值很大、波峰的持續(xù)時(shí)間為一個(gè)點(diǎn)，所以，實(shí)際中的脈沖功率是對(duì)峰值的一個(gè)臨域內(nèi)的功率的平均。平均功率是一個(gè)小脈沖內(nèi)的平均功率。但基本所有問(wèn)題采用的功率均是脈沖功率。另外一個(gè)用功率電平定義功率的方法，以一毫瓦為零分貝的計(jì)數(shù)單位。

HPM的傳播特性主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.HPM作為一種電磁波，在傳播過(guò)程中容易受到周圍環(huán)境的影響

從HPM的定義來(lái)看，HPM是電磁波的一種，在傳播過(guò)程中，容易受到外界因素的影響，如果環(huán)境中存在干擾因素，將會(huì)導(dǎo)致HPM傳播受到較大影響。因此，HPM對(duì)傳播環(huán)境要求較高。

2.HPM對(duì)傳播載體的要求較高

通過(guò)HPM的實(shí)際傳播來(lái)看，HPM需要傳播載體具有一定的傳播能力，同時(shí)還需要傳播載體能夠在實(shí)際傳播中減少其他干擾。由此可見，HPM對(duì)傳播載體的要求相對(duì)較高，需要特殊的傳播載體才能適應(yīng)實(shí)際需求。

3.HPM的電磁脈沖頻率與其他電磁波存在一定差異

電磁波在傳播過(guò)程中不但容易受到環(huán)境影響，同時(shí)也會(huì)影響周邊環(huán)境。但是HPM電磁脈沖在頻率和功率方面都與其他電磁波存在一定的區(qū)別，因此，HPM電磁波作為一種特殊的電磁波，在傳輸過(guò)程中與其他電磁波存在一定差異。

由此可見，HPM作為一種特殊的電磁波，在整體傳輸上與其他電磁波存在明顯差異，為了保證HPM能夠提高傳播質(zhì)量，滿足HPM的傳播需要，我們應(yīng)立足電磁波研究實(shí)際，重點(diǎn)研究HPM的傳播特點(diǎn)，保證HPM的傳播效果。

三、等離子體特性分析

等離子體的狀態(tài)主要取決于它的化學(xué)成分、粒子密度和粒子溫度等物理化學(xué)參量，其中粒子的密度和溫度是等離子體的兩個(gè)最基本的參量。對(duì)于實(shí)驗(yàn)室中采用氣體放電方式產(chǎn)生的等離子體主要是由電子、離子、中性粒子或粒子團(tuán)組成的。因此，描述等離子體的密度參數(shù)和溫度參數(shù)主要有：電子的密度ne和溫度Te、離子的密度ni和溫度Ti以及中性粒子的密度ng和溫度Tg。在一般情況下，為了保證等離子體的宏觀電中性，要求等離子體處在平衡狀態(tài)時(shí)，電子密度近似地等于離子密度ne ni=n0?？梢杂脜⒘俊半婋x度”來(lái)描述等離子體的電離程度。低氣壓放電產(chǎn)生的等離子體是一個(gè)弱電離的等離子體對(duì)于實(shí)驗(yàn)室中采用低氣壓放電產(chǎn)生的等離子體，電子的溫度Te約為10eV（1eV=11600K），遠(yuǎn)大于離子的溫度Ti（只有數(shù)百K，基本上等于中性粒子的溫度）。有時(shí)稱這種等離子體為冷等離子體（Cold Plasma）。

等離子體作為當(dāng)前一種特殊的傳播載體，在電磁波傳輸中得到了全面應(yīng)用，從等離子體的成分來(lái)看，等離子體主要在化學(xué)成分上與其他載體存在明顯差別，同時(shí)在粒子密度和粒子溫度等方面與其他載體存在一定的差別。因此，等離子體作為一種新型材料，在電磁波傳輸中得到了重要應(yīng)用，不但提高了電磁波的傳輸效果，同時(shí)也減少了電磁波在傳播過(guò)程中的損失，提高了電磁波的傳輸效果。對(duì)于HPM而言，等離子體起到了重要的保障作用，保證了HPM的傳輸效果。

等離子作為一種新型的傳播介質(zhì)，對(duì)HPM的傳播起到了積極的促進(jìn)作用，不但提高了HPM的傳播效果，還解決了HPM傳播過(guò)程中電磁波損失和干擾問(wèn)題，滿足了電磁波傳播需要，為HPM傳播提供了新的參考和幫助。

四、等離子體對(duì)HPM傳播特性的影響

由于等離子體在化學(xué)成分、粒子密度以及粒子溫度上都較其他介質(zhì)有明顯的優(yōu)點(diǎn)，因此等離子體對(duì)HPM的傳播起到了積極的促進(jìn)作用。結(jié)合HPM在等離子體中的實(shí)際傳播來(lái)看，等離子體對(duì)HPM傳播特性的影響主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.等離子體改變了HPM的傳播方式

等離子體的出現(xiàn)，為HPM提供了新的傳播方式，從等離子體的化學(xué)成分和粒子特性來(lái)看，等離子體對(duì)HPM的傳播起到了積極的促進(jìn)，不但使HPM的傳播方式得到了改變，還減少了HPM的傳播損失，為HPM傳播提供了有力的手段支撐，保證了HPM傳播能夠在傳播方式上滿足實(shí)際要求，為HPM傳播提供了有力的手段支持。

2.等離子體提高了HPM的傳播質(zhì)量

由于等離子體在成分和粒子特性上不同于其他的載體，因此等離子體對(duì)HPM傳播質(zhì)量的提高提供了有力的支持，不但在傳播形式上達(dá)到了HPM的要求，還在傳播環(huán)境和載體強(qiáng)度上給與了充分的保證。由此以來(lái)對(duì)HPM的傳播也形成了有力的促進(jìn)，保證了HPM傳播質(zhì)量達(dá)到預(yù)期要求，確保了HPM的傳播質(zhì)量滿足實(shí)際需要。

3.等離子體滿足了HPM的傳播需要

在HPM傳播過(guò)程中，要想達(dá)到傳播技術(shù)指標(biāo)，就需要傳播載體在載體成分、傳播特性和傳播方式上滿足實(shí)際需要。通過(guò)對(duì)等離子體的分析，等離子體具有這樣的特點(diǎn)，對(duì)滿足HPM傳播需要起到了積極的作用，保證了HPM的傳播效果，給了BPM傳播以新的手段，促進(jìn)了HPM的發(fā)展，使HPM的發(fā)展質(zhì)量得到全面提高。

五、結(jié)論

通過(guò)本文的分析可知，HPM作為一種特殊的電磁波，在傳播過(guò)程中對(duì)傳播介質(zhì)和傳播環(huán)境要求較高，等離子體由于在化學(xué)成分和粒子特性上有利于HPM的傳播，因此等離子體成為促進(jìn)HPM傳播的重要手段，保證了HPM的傳播質(zhì)量。因此，我們應(yīng)對(duì)等離子體的特性及其對(duì)HPM傳播特性的影響進(jìn)行深入研究，保證HPM傳播取得積極效果。

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