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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、電磁場與電磁波、橫向與縱向電磁場、真空中的電磁場、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；2.等離子體描述與等離子體模型，包括分布函數(shù)與矩、從單個粒子到動理學(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.碰撞單個粒子到支理學(xué)的描述無碰撞，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、無碰撞阻尼、不穩(wěn)定性；6.非線性效應(yīng)、激波與湍流，包括無碰撞激波與間斷、湍流、非線性動力學(xué)物理； 7.流動與粒子加速過程，包括流加速、文丘里效應(yīng)、恒星風(fēng)、磁重聯(lián)、磁層中的動力加速；8.宇宙射線的加速與遷移，包括磁場：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.動理學(xué)流體二重性（The Kinetic Fluid Duality），包括太陽風(fēng)與行星風(fēng)膨脹、小幅彈道波動、大幅彈道波動等。

附錄：1.符號，包括1.1向量與張量；1.2導(dǎo)數(shù)；1.3符號列表。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.福克-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是無碰撞介質(zhì)及其在流體理論與動力學(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、太陽風(fēng)的動力學(xué)以及日冕與過渡區(qū)等天文學(xué)方面的研究；第3作者Fabrice Mottez專注于無碰撞太空等離子體、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個量級，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［5］等方面具有重要應(yīng)用，因此已成為近幾年來人們研究的熱點(diǎn)［6－10］．目前，已提出等離子體通道形成機(jī)制的3個模型:運(yùn)動焦點(diǎn)模型、自引導(dǎo)模型和空間動態(tài)補(bǔ)償模型［11］．Theberge等［12，13］指出，一定條件下激光可延長等離子體通道壽命．王海濤等［14］指出，不同形式和注入時間的激光脈沖對高密度等離子體通道有較大影響．等［15］指出，相對論效應(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，單脈沖能量、脈寬和束腰半徑等對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量級時，非線性Compton散射開始顯現(xiàn)．可見，該散射對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)動方向夾角和光子散射角;N、c、m、h=2π別為與電子同時作用光子數(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，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為入射激光場和波束及其擾動;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;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;ωp=(4πq2n/m)1/2和Δωp=(4πq2Δn/m)1/2為等離子體頻率及其擾動，n和ν及Δn和Δν為電子密度和碰撞頻率及其相應(yīng)擾動;χ、Q和ΔQ分別為線性極化率、無量綱拉曼振蕩函數(shù)及其擾動;δn為等離子體密度擾動;式兩端第二項(xiàng)為散射擾動項(xiàng)．對空氣中傳輸激光，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．等式右端為非線性項(xiàng)及其擾動，包括Kerr效應(yīng)、電子相對論效應(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)，故可得近似計算模型為式兩端第二項(xiàng)為散射擾動項(xiàng)．對式(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振幅及其擾動、耦合激光束腰半徑和脈寬、功率及其擾動．多光子電離中電子數(shù)密度隨時間的演化為式兩端第二項(xiàng)為散射擾動項(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、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E0=p0τ0(π/2)1/2和ΔE0=(Δp0τ0+p0Δτ0)(π/2)1/2，發(fā)生自聚焦時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為I0=4.5×1020W/m2和ΔI0=0.5×1020W/m2;波長及其擾動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，半徑約為0.4mm．與散射前相比，密度峰值增大1個量級，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，電子縱向動量(或速度)各向異性分布加劇，產(chǎn)生的自生磁場使電子縱向動量(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，該電場的電場強(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)的分裂加劇．這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)生了二級和三級電離，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)用提供了一種簡單易行的技術(shù)途徑．

參考文獻(xiàn):

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［10］［高海林，郝東山.超強(qiáng)激光照射三維時變等離子體散射新機(jī)制［J］.原子與分子物理學(xué)報，2014，31(5):759］

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［15］［郝東山.Compton散射對短脈沖強(qiáng)激光在次臨界等離子體中自聚焦的影響［J］.光學(xué)技術(shù)，2014，40(1):50］

［16］［劉勇，劉三秋.橫等離激元與對等離子體的非線性作用［J］.核聚變與等離子體物理，2011，31(1):19］

［17］［張寧，金韜，鄧圓.空氣中激光等離子體通道的演變和控制［J］.強(qiáng)激光與粒子束，2010，22(8):1939］

［18］［郝東山.康普頓散射對飛秒光絲中等離子體密度時演特性的影響［J］.中國激光，2014，41(5):0505002］

［19］［郝東山.Compton散射對激光等離子體通道壽命的影響［J］.原子與分子物理學(xué)報，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．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)與無外加磁場的鞘層相比較其結(jié)構(gòu)不同，數(shù)值模擬工作研究了塵埃粒子在有磁場的等離子體鞘層中的運(yùn)動特性，討論了塵埃粒子初始位置、初始速度對塵埃粒子運(yùn)動狀態(tài)的影響．模擬結(jié)果顯示在等離子體磁鞘中，磁場能夠調(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;等離子體鞘層

0引言

近年來，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)動過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外加磁場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)動及溫度特性．2012年吳靜等人［5］采用穩(wěn)態(tài)無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，還有很過研究工作［6-9］研究了無外加磁場作用下的塵埃等離子體鞘層的玻姆判據(jù)．考慮外加磁場的作用，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)動情況．2006年以及2014年，我們在研究工作中［13-14］用利用流體模型數(shù)值研究了外加斜磁場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對塵埃粒子的作用力，沒有考慮磁場對離子流的影響，也沒有討論磁場大小對塵埃粒子的影響．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)動特性．同時考慮外加磁場對離子流和塵埃的作用．詳細(xì)討論磁場大小、塵埃粒子初始位置、初始速度對塵埃粒子運(yùn)動狀態(tài)的影響．希望得到的結(jié)果有助于利用外加磁場調(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B位于(x，z)平面內(nèi)，與x軸正方向夾角θ．磁場方向單位矢量為B^0=cosθx^+sinθz^．在鞘層邊界x=0處，靜電勢=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)動滿足流體的連續(xù)性方程和運(yùn)動方程:•(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，把塵埃看成是質(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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．塵埃粒子的充電時間非常短，在充電時間內(nèi)可以忽略塵埃粒子的位移．因而，塵埃粒子穩(wěn)態(tài)時靜電流為零，即Ii+Ie=0(6)根據(jù)軌道理論對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，Ke(qd)=exp［eqd/(RTe)］;當(dāng)qd＞0時，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^．為了簡化方程，引入下列無量綱量: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)過無量綱化處理，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)動情況．

2分析和討論

在數(shù)值計算中，取氬等離子體為研究對象，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)，包含了無量綱化以后的電子密度、離子密度和電勢的分布．與沒有外加磁場的鞘層相比，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，無量綱化電勢分布曲線上升也更為迅速，鞘邊的電場強(qiáng)度更強(qiáng)，作用于塵埃粒子上的電場力更大．圖3顯示了塵埃粒子在磁鞘中的x軸方向的運(yùn)動．取塵埃粒子初始位置x0=5λD，初始速度udx0=cds．外加磁場對運(yùn)動的塵埃粒子產(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間振動之后懸浮在鞘層中某個位置．從圖3可以看出，隨著磁場磁感應(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)磁場足夠強(qiáng)時(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°時塵埃粒子在磁鞘中的運(yùn)動軌跡．對比兩種狀況B=0．05T和B=0．10T，隨著磁場增強(qiáng)，塵埃粒子會遠(yuǎn)離基板．塵埃粒子在x方向振動的同時，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．磁場越強(qiáng)，偏移越明顯．圖5顯示了B=0．3T，θ=30°時，塵埃粒子在磁鞘中的運(yùn)動軌跡．在x軸方向塵埃粒子振動之后擁有相對固定的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)動的塵埃粒子具有不同的初始位置或者不同的初始速度時，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)時會受到較大的電場力，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，塵埃粒子在洛倫茲力作用下可能離開鞘層．

3結(jié)論

本文建立了一個外加斜磁場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．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“懸浮”在鞘層中的某個平面，即x軸坐標(biāo)固定;

(2)隨著外加磁場的增強(qiáng)，這個“懸浮”位置將遠(yuǎn)離基板，同時塵埃粒子會在“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，在洛倫茲力的作用下，它可能離開鞘層．因此，可以利用磁場改變塵埃粒子的運(yùn)動方向，使之偏移遠(yuǎn)離基板，甚至離開鞘層區(qū)域．

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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)。看似“神秘”的等離子體，其實(shí)是宇宙中一種常見的物質(zhì)，在太陽、恒星、閃電中都存在等離子體，它占了整個宇宙的99%。等離子體具有很高的電導(dǎo)率，與電磁場存在極強(qiáng)的耦合作用,利用經(jīng)過巧妙設(shè)計的磁場可以捕捉、移動和加速等離子體。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)研究的起步時期。1879年英國的W.克魯克斯采用“物質(zhì)第四態(tài)”這個名詞來描述氣體放電管中的電離氣體。美國的I.朗繆爾在1928年首先引入等離子體這個名詞，等離子體物理學(xué)才正式問世。1929年美國的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）。

對空間等離子體的探索，也在20世紀(jì)初開始。1902年英國的O.亥維賽等為了解釋無線電波可以遠(yuǎn)距離傳播的現(xiàn)象，推測地球上空存在著能反射電磁波的電離層。這個假說為英國的E.V.阿普頓用實(shí)驗(yàn)證實(shí)。英國的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年英國的S.查普曼和V.C.A.費(fèi)拉羅認(rèn)為太陽會發(fā)射出高速帶電粒子流，粒子流會把地磁場包圍，并使它受壓縮而變形。

從20世紀(jì)30年代起，磁流體力學(xué)及等離子體動力論逐步形成。等離子體的速度分布函數(shù)服從福克－普朗克方程。蘇聯(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)電流體處在磁場中，會產(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研究弛豫過程。1946年朗道證明當(dāng)朗繆爾波傳播時，共振電子會吸收波的能量造成波衰減，這稱為朗道阻尼。朗道的這個理論，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ⅰ⒚馈⑻K等國開始大力研究受控?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)時英國的阿特金森和奧地利的豪特曼斯提出設(shè)想，太陽內(nèi)部輕元素的核之間的熱核反應(yīng)所釋放的能量是太陽能的來源，這是天然的自控?zé)岷朔磻?yīng)。1957年英國的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題由蘇聯(lián)的V.D.沙弗拉諾夫等解決。美國的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)狀磁場中的等離子體的輸運(yùn)系數(shù)首先由聯(lián)邦德國的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，獲得很多觀測和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這極大地推動天體和空間等離子體物理學(xué)的發(fā)展。1959年美國的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年美國的E.N.帕克提出了太陽風(fēng)模型。1974年美國的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年美國伊利諾斯大學(xué)就成功研制出了等離子顯示平板，但那時等離子顯示器為單色。現(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，同時這些象素又包含有三種次級象素，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態(tài)的顏色，每種由一個先進(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。每個等離子對應(yīng)的每個小室內(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產(chǎn)生紫外光，從而激勵平板顯示屏上的紅綠藍(lán)三基色熒光粉發(fā)出可見光。每個離子管作為一個像素，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)出來的色彩種類也要更豐富。液晶電視大多數(shù)都是1667萬種顏色，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)時間短：等離子具有最寬的可視角，也就是說，觀眾在不同的位置，看到圖像的亮度、對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)動圖像時，等離子電視的拖尾時間短，動態(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)的亮度是沒有液晶高，但它隨平均圖像電平(APL)的變化而變化，對比度則是更高的，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。

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，在其傳播過程中要想提高其傳播質(zhì)量，滿足其傳播要求，就要對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。基于HPM電磁波的傳播需要，等離子體對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)納秒級的時間，―指單個脈沖中一個小脈沖的持續(xù)時間。

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，由于功率是功對時間的導(dǎo)數(shù)，且波峰處場強(qiáng)值很大、波峰的持續(xù)時間為一個點(diǎn)，所以，實(shí)際中的脈沖功率是對峰值的一個臨域內(nèi)的功率的平均。平均功率是一個小脈沖內(nèi)的平均功率。但基本所有問題采用的功率均是脈沖功率。另外一個用功率電平定義功率的方法，以一毫瓦為零分貝的計數(shù)單位。

HPM的傳播特性主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1.HPM作為一種電磁波，在傳播過程中容易受到周圍環(huán)境的影響

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

2.HPM對傳播載體的要求較高

通過HPM的實(shí)際傳播來看，HPM需要傳播載體具有一定的傳播能力，同時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對傳播載體的要求相對較高，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

電磁波在傳播過程中不但容易受到環(huán)境影響，同時也會影響周邊環(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最基本的參量。對于實(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，電子密度近似地等于離子密度ne ni=n0。可以用參量“電離度”來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弱電離的等離子體對于實(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，同時也減少了電磁波在傳播過程中的損失，提高了電磁波的傳輸效果。對于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傳播過程中電磁波損失和干擾問題，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)際傳播來看，等離子體對HPM傳播特性的影響主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

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)成分和粒子特性來看，等離子體對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。由此以來對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。通過對等離子體的分析，等離子體具有這樣的特點(diǎn)，對滿足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

通過本文的分析可知，HPM作為一種特殊的電磁波，在傳播過程中對傳播介質(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)對等離子體的特性及其對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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