1、等离子体论文学 院：理学院班 级：09 物理学 号：200902050215姓 名：段江盛2等离子体论文学号：200902050215 姓名：段江盛 学院：理学院 班级：09 物理 摘要：等离子体又叫做电浆，是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，它广泛存在于宇宙中，常被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。等离子体是一种很好的导电体，利用经过巧妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。等离子体的发展为材料、能源、信息、环境空间，空间物理，地球物理等科学的进一步发展提新的技术和工艺。引言： 所谓等离子体，就电气技术而言，它指的是一种拥有离子、电子和核心
2、粒子的不带电的离子化物质。等离子体包括有，几乎相同数量的自由电子和阳极电子。在一个等离子中，其中的粒子已从核心粒子中分离了出来。因此，当一个等离子包括大量的离子和电子，从而是电的最佳导体，而且它会受到磁场的影响，当温度高时，电子便会从核心粒子中分离出来了。近几年来等离子平面屏幕技术支持下的 PDP 真可谓是如日中天，它是未来真正平面电视的最佳候选者。其实等离子显示技术并非近年才有的新技术，早在 1964 年美国伊利诺斯大学就成功研制出了等离 。关 键 字 ： 等 离 子 体 ， 应 用 ， 发 展 ， 研 究 。一：等离子体的发展19 世纪以来对气体放电的研究;19 世纪中叶开始天体物理学及
3、20 世纪对空间物理学的研究；1950 年前后开始对受控热核聚变的研究；以及低温等离子体技术应用的研究，从四个方面推动了这门学科的发展。19 世纪 30 年代英国的 M.法拉第以及其后的 J.J.汤姆孙、J.S.E.汤森德等人相继研究气体放电现象，这实际上是等离子体实验研究的起步时期。1879 年英国的 W.克鲁克斯采用“物质第四态”这个名词来描述气体放电管中的电离气体。美国的 I.朗缪尔在 1928 年首先引入等离子体这个名词，等离子体物理学才正式问世。1929 年美国的 L.汤克斯和朗缪尔指出了等离子体中电子密度的疏密波（即朗缪尔波） 。对空间等离子体的探索，也在 20 世纪初开始。190
4、2 年英国的 O.亥维赛等为了解释无线电波可以远距离传播的现象，推测地球上空存在着能反射电磁波的电离层。这个假说为英国的 E.V.阿普顿用实验证实。英国的 D.R.哈特里(1931)和阿普顿(1932)提出了电离层的折射率公式，并得到磁化等离子体的色散方程。1941 年英国的 S.查普曼和 V.C.A.费拉罗认为太阳会发射出高速带电粒子流，粒子流会把地磁场包围，并使它受压缩而变形。从 20 世纪 30 年代起，磁流体力学及等离子体动力论逐步形成。等离子体的速度分布函数服从福克普朗克方程。苏联的 .朗道在 1936 年给出方程中由于等离子体中的粒子碰撞而造成的碰撞项的碰撞积分形式。1938 年苏
5、联的 A.A.符拉索夫提出了符拉索夫方程，即弃去碰撞项的无碰撞方程。朗道碰撞积分和符拉索夫方程的提出，标志着动力论的发端。1942 年瑞典的 H.阿尔文指出，当理想导电流体处在磁场中，会产生沿磁力线传播的横波(即阿尔文波)。印度的 S.钱德拉塞卡在 1942 年提出用试探粒子模型来研究弛豫过程。1946 年朗道证明当朗缪尔波传播时，共振电子会吸收波的能量造成波衰减，这称为朗道阻尼。朗道的这个理论，开创了等离子体中波和粒子相互作用和微观不稳定性这些新的研究3领域。从 1935 年延续至 1952 年，苏联的 H.H.博戈留博夫、英国的 M.玻恩等从刘维定理出发，得到了不封闭的方程组系列，名为 B
6、BGKY 链。由它可导出符拉索夫方程等,这给等离子体动力论奠定了理论基础。1950 年以后，因为英、美、苏等国开始大力研究受控热核反应，促使等离子体物理蓬勃发展。热核反应的概念最早出现于 1929 年，当时英国的 R.de 阿特金森和奥地利的 F.G.豪特曼斯提出设想，太阳内部轻元素的核之间的热核反应所释放的能量是太阳能的来源，这是天然的自控热核反应。1957 年英国的 J.D.劳孙提出受控热核反应实现能量增益的条件，即劳孙判据。50 年代以来已建成了一批受控聚变的实验装置，如美国的仿星器和磁镜以及苏联的托卡马克，这三种是磁约束热核聚变实验装置。60 年代后又建立一批惯性约束聚变实验装置。环状
7、磁约束等离子体的平衡问题由苏联的 V.D.沙弗拉诺夫等解决。美国的 M.克鲁斯卡和沙弗拉诺夫导出了最重要的一种等离子体不稳定性，即扭曲不稳定性的判据。1958 年美国的 I.B.伯恩斯坦等提出分析宏观不稳定性的能量原理。处在环状磁场中的等离子体的输运系数首先由联邦德国的 D.普菲尔施等作了研究(1962)，他们给出在密度较大区的扩散系数，苏联的 A.A.加列耶夫等给出了密度较小区的扩散系散(1967)，这一理论适用于托卡马克这类环状磁约束等离子体中的输运过程被命名为新经典理论。自从苏联在 1957 年发射了第一颗人造卫星以后，很多国家陆续发射了科学卫星和空间实验室，获得很多观测和实验数据，这极
8、大地推动天体和空间等离子体物理学的发展。1959 年美国的 J.A.范艾伦预言地球上空存在着强辐射带，这一预言为日后的实验证实，即称为范艾伦带。1958 年美国的 E.N.帕克提出了太阳风模型。1974 年美国的 D.A.格内特根据卫星资料，证认出地球是一颗辐射星体，辐射千米波。在此期间，一些低温等离子体技术也在以往气体放电和电弧技术的基础上，进一步得到应用与推广，如等离子体切割、焊接、喷镀、磁流体发电，等离子体化工，等离子体冶金，以及火箭的离子推进等，都推动了对非完全电离的低温等离子体性质的研究。二：等离子体分类按存在分类；1. 天然等离子体宇宙中 99%的物质是以等离子体状存在的, 如恒星
9、星系、星云，地球附近的闪电、极光、电离层等。如太阳本身就是一个灼热的等离子体火球。2. 人工等离子体如：日光灯、霓虹灯中的放电等离子体。等离子体炬（焊接、新材料制备、消除污染）中的电弧放电等离子体。气体激光器及各种气体放电中的电离气体。按电离度分类： 1. 完全电离等离子体 2. 部分电离等离子体 3. 弱电离等离子体 按系统温度分类：1. 高温等离子体 2. 低温等离子体 1). 热等离子体 2). 冷等离子体三、等离子体和表面的相互作用等离子体和固体表面接近或接触时，等离子体和周围气相、表面相、固相之间交换能量、物质和信息的过程。等离子体和表面的相互作用，例如溅射，已发现了一个世纪以上，但
10、只有这一领域和受控热核聚变研究相结合，才得到迅速发展。在受控热核聚变研究的早期阶段，就已发现并研究了单极弧、气体循环等现象。但当时等离子体参量比较低，这些研究并未引起足够的重视。20 世纪 70 年代，由于受控热核聚变、特别是托卡马克的进展，逐渐认识到杂质问题的重要性，对这一课题投入越来越多的工作，发展成为受控热核聚变研究的一个分支。因此，作为一个研究领域，等离子体和表面的相互作用主要指受控热核聚变装置中的高温等离子体和表面的相互作用。4等离子体和表面相互作用是一个边缘研究领域，它和等离子体物理、表面物理、等离子体化学、原子物理、分子物理等学科都存在密切的关系。由于等离子体可以划分为低温等离子
11、体和高温等离子体，等离子体和表面的相互作用也可划分为两个方面。低温等离子体和表面的相互作用主要发生在等离子体切割、焊接、冶炼和表面处理，磁流体发电机的器壁和电极，以及当运载火箭通过大气层时在火箭外壳表面形成的等离子体和外壳之间，等等。这种等离子体的温度约为 103104 K，密度较高，压强接近一大气压。高温等离子体和表面的相互作用主要发生在受控热核聚变的实验装置，以及未来的聚变反应堆的反应室的第一壁（即等离子体直接照射的固体壁） 、偏滤器、孔阑以及磁镜装置的能量直接转换器表面。在这些表面附近,也存在着温度比较低的等离子体,即所谓边界层。但在反应室的中心存在着几百万度以至于几千万度、几亿度以上的
12、高温等离子体，从中辐射出高能粒子和各个频段的电磁波。在聚变堆中，还有像高能中子以及 粒子等这样的热核反应产物。这些粒子和辐射到达固体表面，产生各种形式的作用。在受控热核聚变实验装置和聚变堆中，这种等离子体和表面的相互作用产生两方面的影响。首先，这一相互作用使大量不能参加核反应的杂质离开表面，进入等离子体，造成污染。这不但降低了反应粒子的浓度，而且冷却了等离子体，使反应速率降低，甚至停止。其次，这一相互作用对反应室的器壁造成损伤，缩短其使用寿命。因此，必须对这种相互作用过程进行研究和控制四：等离子体的应用1. 等离子体隐身技术隐身技术作为提高武器系统生存能力和突防能力的有效手段，受到世界各主要军
13、事国家的高度重视。等离子体隐身技术作为一种全新的隐身概念，具有吸波频带宽、效率高、使用简便、价格便宜等优点，特别是应用于飞行器隐身时无须改变飞行器的外形，解决了隐身措施与气动性能的矛盾，日益受到国内外国防决策机构和军事专家的关注。等离子体是气体电离形成的第四态物质，除未电离的中性粒子外，还含有密度近似相等的自由电子和正离子，因此当电磁波与等离子体相互作用时，体现出不同于一般导体或介质的特性。就目标电磁隐身而言，主要从两个方面理解：等离子体作为色散媒质对电磁波的折射； 电子与中性粒子碰撞造成对电磁波吸收。近年来，等离子体隐身技术在俄罗斯取得了突破性进展，其研究领先于美国，据报道，在 1999 年
14、早些时候俄罗斯克尔德仆研究中心开发出第一代和第二代等离子体发生器，并在飞机上进行了试验，获得了成功。第一代产品是等离子体发生片，其厚度为0507mm，电压为几千伏，电流为零点几毫安，将该发生片贴在飞行器的强散射部位，电离空气即可产生等离子体。第二代产品是等离子体发生器，在等离子体发生器中加入易电离的气体，经过“脉冲电晕” ，气体由高温转为低温，即可产生等离子体。第二代产品的重量不到 100kg，已经全面进行了地面和飞行试验，它不仅能减弱雷达反射信号，还能通过改变反射信号的频率以实现隐身。目前，克尔德仆研究中心正在应用新的物理知识研制效果更好的第三代产品，据推测，第三代产品可能利用飞行器周围的静
15、电能量来减小飞行器的雷达截面。俄罗斯未来的 142 隐身战斗机样机并没有进行像美国那样的隐身外形设计，其隐身能力是利用他们称之为“自己开发的减少雷达特征的方法”来实现的，这很可能包括等离子体隐身技术。隐身技术发展到 F 一 22 这一代，已经从过去的以牺牲飞机的气动性能为代价，发展到今天的使隐身性能和机动性能产较好地统一，同时隐身技术正向着低成本，易维护的方向发展。从隐身手段来看，由过去主要采用隐身外形、隐身材料、隐身结构等技5术逐渐向等离子体隐身技术方向发展2：材料表面改性利用等离子体与材料表面相互作用可以改变材料表面的特性，如增加金属材料的表面硬度、耐腐蚀、耐摩擦、耐疲劳性能等，增加聚合物
16、表面的硬度、亲水性、印刷性能、粘接性能等人造器官的应用越来越普遍，实验表明，适当的等离子体处理可以改善人造器官表面与人体的亲合性1991年，李家全等 将磁镜等离子体源用于离子注入这也许是我国最早的有关研究通常的等离子体浸没离子注入是脉冲式的浸没于等离子体中的工件加负高压后，正离子向工件注入由于这一过程非常迅速，等离子体中的离子不能得到及时的补充，当工件周围的等离子体鞘层扩张到真空室壁后，将不再有离子流注入离子注入时间受鞘层扩张到真空室壁所需时间的限制为了在两次注入之间使等离子体恢复到平衡态，脉冲间隔时间一定要大于等离子体弛豫时间李家全等提出磁阱等离子体源单位管元的旋转供料法可以稳定地提供离子，
17、获得准直流的离子注3：生物样品处理利用等离子体对生物体辐照可造成基因变异与化学方法比较，等离子体诱导基因转变具有较小的生物毒性，对环境的影响较小这一技术目前在我国已被大量地应用于生物品种的改良和转基因技中中国科学院等离子体研究所的余增亮先生是这技术的先驱者，他们在上世纪80年代开始用等离子体产生的离子注入水稻种子，对水稻品种进行了改良其后，国内多个研究小组进行了类似的研究，并将这种方法应用于棉花、烟草、西红柿、甜菊、小麦、玉米、大豆、茶树、甘薯、谷子等各种农作物的品种改良这种利用离子辐照改良植物品种的研究还被扩展到了微生物和动物4：等离子体显示器中的应用 等离子显示屏（下简称 PDP）是采用近
18、几年来高速发展的等离子平面屏幕技术的新代显示设备，它起源于上个世纪六十年初的美国。PDP 的基本原理技术与其它显示系统不同，它是利用阵距（Matrix）模式来显示影像，它的画面是由无数的像素（点）所组成，它的前后两片特种玻璃之中注有一些惰性气体，通过后玻璃基层的地址电极和前玻璃基层的透明地址电极向每一像素点注入电压，被注入电压的像素点会因此而发出紫外光（Ultra Violet） ，引起每个像素点上的红、绿、蓝三原色荧光粉作出相应的反应，从而产生出各种颜色的可见光。 PDP 自 60 年代问世以来，其发展令人瞩目。由于注入的电压分为交流 AC 和直流 DC 两种，因此 PDP 也分为交流 PD
19、P 和直流 PDP 两种，当前，交流 PDP(AC-PDP)技术已日趋成熟，并实现了商品化；而直流 PDP(DC-PDP)技术也在发展。与 AC-PDP 相比，DC-PDP 因屏结构较AC-PDP 复杂，成本略高于前者，而且它在亮度、寿命效率等方面略逊于 AC-PDP，因此使用范围不如前者广泛。当前全球生产 PDP 厂家主要有日本的富士通、NEC、松下、索尼、东芝、三菱、夏普、荷兰的飞利浦、美国的 Photonic、Plasma 和法国的汤姆逊等公司，国内生产（组装）厂家有 SVA、TCL、海尔等。尽管当前的 PDP 价格仍不是每一个家庭都能负担，而且有功耗大、亮度光效低、工作时会发生像素间串
20、扰等缺点，但它之所以在短短几年内为大众注目，是因为它有着以下的众多优点： （1）外观超薄、重量较轻 自电视机出现以来，CRT 显像管技术一直是显示科技的主流，几十年以来 CRT 显像管虽然在亮度、对比度和解像度等有所改善，但其厚、笨重的特性并没有变化，屏幕越大机子就越严重。一部 38 英寸的 CRT 彩电厚度约 800mm，重量达 90kg，一部 43 英寸（4：3）背投电视机的厚度约为 550mm，相比同尺寸（16：9）的PDP 的厚度不超过 100mm，虽然 42 寸 PDP 重量约 30kg，但和同尺寸的 CRT 电视机相比却只有几分一的重量，厚度也是除了 LCD 液晶屏之外其它显示系统
21、无法比拟，它那轻、薄的特6点，使它们可以挂到墙上、天花板上或是放在一张桌子上，如以挂墙方式使用更节省地方。（2）大画面显示 传统的阴极射线管 CRT 显示器达到 40 英寸（4：3）时其体积和技术已达到极限，而 PDP 由于采用的厚膜技术容易做大尺寸，从而能提供更大的画面，LCD 显示器虽轻薄，但它采用薄膜技术，相对较难做成 30 英寸以上大尺寸。可以说，超过42 英寸以上的大屏幕显示领域是 PDP 的天下，当前的 PDP 技术最大可超过 80 英寸，当然这得视市场需求而生产。 （3）亮度均衡 传统的 CRT 显示器采用扫描方式来产生影像（即画面同一时间只有一部分的位置被照明，由上至下，由左至
22、右） ，由于电子枪扫描画面正中和边角位部分存在不同的距离，所以 CRT 显示器的画面正中的亮度和边角位的亮度有一定差异。正投影机虽然也能够获得大画面，可是影像的素质往往受到现场光线的限制，在较亮的环境中很难发挥应有的图像质素。由于 PDP 中所有的像素点都是在同一时刻被“点”亮的，因此画面每一部分的亮度十分平均，同时没有电子束、背光和光极化现象，画面图像边缘十分清晰明亮，它就算在开着灯非常亮的环境下画面也相当清晰，非常适合用于如会议室、机场等公众信息和其它展示的需要。在这点上，投影机和 CRT 彩显均不是它的对手结论:1: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。2: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。3: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。参考文献：1 葛袁静 张广秋 陈强；等离子体科学技术及其在工业中的应用. 中国轻工业出版社, 2011-01 2 赵青 刘述章 童洪辉. 等离子体技术及应用. 国防工业出版社 20023 郑 春 开 . 等 离 子 体 物 理 .北 京 大 学 出 版 社 ，2 009-7-1
