1、等离子体物理,Plasma Physics,等离子体概述,等离子体的概念,等离子体的存在形式,等离子体描述方法,等离子体的发展历史,等离子体分类及特点,等离子体应用研究领域,绪论,等离子体分类及特点,等离子体分类,1eV11600K,低温等离子体 冷等离子体 热等离子体 高温聚变等离子体 磁约束聚变 惯性约束聚变 空间和天体等离子体,等离子体物理学的研究内容：,理论研究 应用研究,等离子体概述,等离子体的形成及碰撞 等离子体的准电中性 徳拜屏蔽 等离子体鞘层及电位 等离子作振荡 等离子体中的基本参数 等离子体判据,等离子体的形成及碰撞,低温等离子体的产生方法,辉光放电,电晕放电,介质阻挡放电,
2、射频放电,电子回旋共振放电,微波放电,激光沉积LAD,化学汽相沉积CVD,电化学沉积(template),等离子体化学汽相沉积PCVD,金属有机化学汽相沉积MOCVD,分子束外延（MBE),磁控溅射,材料的制备,蒸发镀,蒸发镀,激光沉积LAD,等离子体化学汽相沉积PCVD,金属有机化学汽相沉积MOCVD,碰撞过程,离子注入,磁控溅射,极其复杂非常有用,光子,等离子体中的碰撞,电子与中性原子、分子间的 基元(elementary)碰撞过程1) 弹性（ elastic ) 碰撞过程， 仅有平动能交换 2) 非弹性（ inelastic ) 碰撞过程， 包含内能(振动、转动、电子态）变化 3) 电离
3、（ionization) 碰撞e + A A+ + 2e 4) 附着( attachment ) 碰撞 （当A具有正电子亲合势时） e + A + M A- + M 反应 ( reactive) 碰撞， 如解离反应：e + AB A + B + e 6) 复杂 碰撞过程， 如： 解离电离 e + AB A+ + B + 2e解离附着 e + AB A- + B,等离子体中的碰撞,Dissociation（离解） Ionization（电离） Excitation（激发） Recombination（复合）,等离子体中的碰撞,Gas molecules are broken down into
4、smaller fragments called “Free Radicals”: M + e- = M1 + M2 + e- Free radicals are high-energy chemical species. Although they are electrically neutral, they are unstable. They readily react with other substances in order to achieve a more stable configuration.,Dissociation（离解）,(plasma chemistry),In
5、the example shown, the free radical Cl is generated. The stable state of chlorine is Cl2. Since Cl (by itself) is unstable, it readily reacts with aluminum as follows: Al(s) + 3Cl(g) AlCl3 (g) This is an aluminum etch process.,Dissociation（离解）,Free Radicals are the useful products of a plasma that a
6、re used in: Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) outcome of the chemical reaction is a solid Plasma Etching and Plasma Cleaning outcome of the chemical reaction is a vapor,Dissociation（离解）,PECVD,Al(s) + 3Cl(g) AlCl3 (g),SnCl4 + O2 SnO2+Cl2 (g),刻 蚀,CF4 + e CF+3 + F*+2e Si + 4F* SiF4 SiO2
7、 + 4F* SiF4+O2,硅烷的分解,分解过程不同的产物依据电子的能量,等离子体（增强）化学汽相沉积 P（E）CVDPlasma Enhanced Chemical Vapor Deposition,Dissociation（离解）,Electron(s) are knocked loose from a neutral atom or molecule M + e- = M+ + 2e- The resultant positively charged particles are called “ions.” Since they carry an electric charge, io
8、ns can be manipulated by an electric field.,Ionization（电离）,Magnetron sputtering,Argon,As an example, in a typical sputtering operation, Argon (Ar) gas is introduced into a vacuum chamber. A plasma is then ignited. The ionization process that occurs is described by the equation: e- + Ar 2e- + Ar+ The
9、 positive argon ions are attracted to the negatively charged target in a sputtering system. When they strike the target, a vapor is created that deposits on the wafer.,溅射,Ionization:,Ions are the useful products of a plasma that are used in: Sputter Deposition Reactive sputter Deposition Reactive Io
10、n (highly directional) Etching Ion Implantation（半导体，表面改性等）,Following electron impact, the molecules hold together, but they absorb energy and enter an excited state. Valence electrons are bumped up to a higher energy level (shell). After a few nanoseconds, these excited electrons relax back to the v
11、alence band. This is called “Relaxation”. The additional energy acquired is “dumped”, and a photon of light is emitted. This is what gives a plasma its glow.,等离子体为什么会发光？,Excitation（激发）,If they are not “used up” in other chemical reactions, the free radicals will spontaneously recombine to resume the
12、ir more stable states: CCl3 + Cl CCl4,If they are not absorbed by the wafer or target, the ions will spontaneously recombine to become neutral atoms again. e- + Ar+ Ar,Recombination（复合）：,The reverse process of Dissociation is called Recombination.,The reverse process of Ionization is also called Rec
13、ombination.,在自持放电等离子体中，电离和复合之间最终达到平衡,小结：,Plasma Formation,等离子体概述,等离子体的形成及碰撞 等离子体的准电中性 徳拜屏蔽 等离子体鞘层及电位 等离子体振荡 等离子体中的基本参数 等离子体判据,等离子体是电准中性气体,等离子体在宏观上保持电中性,电子、阳粒子、阴离子、各种中性粒子。,为什么等离子体总是表现出宏观的电中性呢？,如果一种气体中所含电子和离子（单电荷）的数目不相等，则存在一个净电荷密度， 。,无论哪种带电粒子多于另一种都会使电荷受到静电作用力，即，如果nine，则电场E会促使ni减少，ne增加，而总电荷量趋于减少。这种静电恢复
14、力是极强的。,对于一维情况,泊松方程,例如：电子密度为 氢等离子体中，突然有一个 半径为1cm 的球形区域内的电子的万分之一移到球外， 试求过剩的正电荷在距离球心为1cm 处电场强度。,列举一个例子,产生电场强度,n=10-510+20 0= 8.8510-12 e=1.6 10-19 R=r=10-2,电子在这样电场中 得到的加速度为,集体行为 自调节,在等离子体内部，正、负电荷数几乎相等准中性,ne ni,电中性的范围多大？,考察某一个电荷或者,正电荷电位高-吸引负电荷 负电荷电位低-吸引正电荷,徳拜屏蔽,正电荷周围聚集负电荷 负电荷周围聚集正电荷,屏蔽,等离子体概述,等离子体的形成及碰撞
15、 等离子体的准电中性 徳拜屏蔽 等离子体鞘层及电位 等离子体振荡 等离子体中的基本参数 等离子体判据,等离子体和普通的气体有很大区别，中性气体分子之间只有范德瓦尔斯力，而等离子体中是电荷粒子，除了范德瓦尔斯力之外还有静电力，通常范德瓦尔斯力忽略不计。,静电力德拜屏蔽,对于等离子体中任何一个电荷：,每个带电粒子附近都存在电场，该电场被周围粒子形成的电荷云完全“屏蔽”时，在一定空间区域外呈现电中性。 这种屏蔽称为徳拜屏蔽，屏蔽粒子场所占的空间尺度成为徳拜长度 D。 显然，在r D的微观尺度内，电中性的概念是无效的。,一般来讲：任何带电物体都存在德拜屏蔽现象！,徳拜屏蔽现象,德拜屏蔽与德拜长度,德拜
16、屏蔽的空间尺度D是多少？电荷附近势能是如何分布的？,假设一个带负电荷q的离子位于坐标原点，在热力学平衡状态下，由于电子的静电吸引作用，负离子周围将出现过量的正电荷，随着距电荷q的距离r增大时，过剩电荷逐渐减小到0，离子周围的电势应满足泊松方程,r,库仑势,假设电子和离子服从波尔兹曼分布：,该分布的意义： 远离q处的数密度等于未扰数值n电势为正时，电子数密度增加，即电子将被捕获，离子被排空,泊松方程,这里n是非扰动区域（在此，等离子体是电中性的，即 ne=ni=n）的带电粒子密度。在离电荷足够远的位置有 ， 将指数函数按级数展开, 保留到一次项，得到：,电荷密度为,代入泊松方程,单次电离,德拜长
17、度,当,可由上式得到相应的德拜长度简化公式。,现在考虑电子或者离子的德拜长度,假设离子是不动的，它们仅构成密度均匀的正电背景，这时,电子的德拜长度：,电子的德拜长度,重要,电子的运动速度远远大于离子的运动速度，它们仅构成密度均匀的负电背景，这时,离子的德拜长度：,单次电离,离子的德拜长度,德拜长度,电子的德拜长度：,离子的德拜长度：,德拜势 (the Debye potential)：,线性方程的通解为,A=?, B=?,式中A、B由边界条件确定。当,德拜势,德拜势等于库仑势乘衰减因子e-r/D；随着距离的增加，德拜势的降落比库仑势快得多。,德拜势,库仑势,在距离带电粒子为德拜长度的球面（德拜
18、球）上各点，电势已将落到库仑势的1/e，在球外可以基本上不存在，所以在等离子体内部一个电荷产生的静电场，被附近其他电荷屏蔽着的，其影响所及不超过德拜半径的范围。,D,静电作用的屏蔽半径； 等离子体中电荷局部偏离电中性的空间尺度，在球内各点.,徳拜长度及德拜屏蔽,讨论：,根据上面所述，德拜长度的物理意义为：,若使电离气体成为宏观电中性等离子体，仅当它的空间限度L远大于德拜长度时，才能成为等离子体，即,上面导出德拜长度时，使用了统计分布规律，这只有在德拜球内存在大量的正负带电粒子是可行的。也就是说要求的德长度远大于粒子之间的平均距离，即,等离子体判据之二!,等离子体判据之一!,重要,当密度增加时，
19、由于每层等离子体包含了较多的电子，所以D 减小。此外，D 还随着KTe 的增加而增加，若没有热骚动，电荷云会收缩为一无限薄的层。,电中性的范围多大？,r,0,徳拜屏蔽尺度,徳拜屏蔽尺度D的物理意义：,1. D是静电作用屏蔽的半径,2. D 是局域性电荷分离 的空间尺度,3. D 是等离子体中电中性条件成立的最小空间,重要,在 D 定义中使用的是电子温度，这是因为：电子比粒子更容易迁移，电子移动时通常会产生负电荷过剩或不足，从而产生屏蔽作用。,德拜长度有如下两种有用形式：,利用德拜长度能够计算出“徳拜球”中的粒子数ND：,重要,等离子体概述,等离子体的形成及碰撞 等离子体的准电中性 徳拜屏蔽及等
20、离子体屏蔽 等离子体鞘层及电位 等离子体振荡 等离子体中的基本参数 等离子体判据,等离子体鞘层及电位,把一金属球放入等离子体放中，会发生什么现象？,等离子体应用过程中一个非常重要的问题,等离子体鞘层,把一团等离子体放在固体壁构成的容器中，会发生什么现象？,就会看到等离子体与固体壁接触处，形成一个暗区（不发光区），带负电的薄层区，它把等离子体包围起来，这一薄层明显地偏离电中性，我们把这一薄层称为等离子体鞘层。,等离子体鞘层,Sheath,偏离电中性,偏离电中性,深入到等离子体内部的任何物体表面附近都会有一个鞘层，和德拜屏蔽相同。,我们知道，电子质量比离子质量小得多，而热运动的平均动能一般却是电子
21、的比离子的大得多。即使两者平均能量相等：,因为离子质量比电子质量大得多，所以电子的均方根速度比离子的均方根速度大得多。,鞘层的产生,这样流向固体器壁的电子流大大超过离子流，从而使固体壁负电荷过剩，这样就得到一个负电位，这个负电位反过来又会阻碍电子流的扩散，使离子流加速，最终会使电子和离子的扩散速度相同，这时电子流和离子流达到平衡，使固体壁上负电位数值不再改变，在固体壁到电中性的等离子体之间，形成一个电位逐渐过渡到零的“边界电位过渡层”，这就是鞘层。,鞘层的产生,PLASMA,Plasma sheath,下面我们来求鞘层稳定形成以后，电位 (y) 的分布和鞘层的厚度。,Sheath struct
22、ure,鞘层厚度,设鞘层中电子密度和离子密度，在位场 (y) 作用下按波尔兹曼分布：,而 (y) 满足泊松方程：,如果考虑,设,考虑到边界条件：,方程的解为：,由于0是负的，上式表明电位分布是从0指数上升到零。其中鞘层的厚度,鞘层厚度rs和德拜长度D相同，即rs=D。,综上所述可见，温度越高，导致使电荷分离的粒子热运动动能越大，所以鞘层的厚度越大。另外，粒子密度越大，鞘层越薄。在一般放电管中，粒子的密度是足够大的，鞘层的厚度远小于放电管的半径，所以管内主要部分为电中性的等离子体。,等离子体电位,等离子体应用 等离子体诊断,电位0的计算,在等离子体内放置一固体，会有什么现象出现？,会有大量的电荷
23、撞击固体表面，由于电子的速度远大于离子的速度，这样流向固体器壁的电子流大大超过离子流， 到底有多少电荷撞击固体表面呢？,首先计算射向固体壁表面的粒子流密度（e为电子流密度， i 为离子流密度），即单位时间通过单位面积的粒子数。先计算电子流（y方向）：,式fe()为电子的麦克斯韦速度分布函数。对于没有外场的热力学平衡体系，麦克斯韦分布,热速度,很显然这个分布函数满足归一化条件，因为：,积分限y0是这样确定的：并非所有飞向固体壁的电子都能达到固体壁表面，只有能量大到足以克服固体壁负电位所产生的位势的电子，才能到达固体壁，因此到达固体壁的最小动能为：,由于离子不受固体壁“浮动”电位阻碍，所以没有积分
24、下限vy0的限制，同理得离子流密度为：,达到平衡时：,电子的温度越高，则 0 的绝对值越大。,等离子体鞘层及电位,深入到等离子体内部的任何物体(任何形状)表面附近都会有一个鞘层，和德拜屏蔽相同。,静电探针诊断(低温等离子体),电子的温度,密度 离子密度等,等离子体概述,等离子体的形成及碰撞 等离子体的准电中性 徳拜屏蔽及等离子体屏蔽 等离子体鞘层及电位 等离子作振荡 等离子体中的基本参数 等离子体判据,等离子作振荡,等离子在热平衡时是准电中性的.若等离子体内部受到某种扰动而使其中一些区域内电荷密度不为零 ,就会产生强的静电恢复力，使等离子体内的电荷分布发生振荡这种振荡主要是由电场和等离子体的流
25、体运动相互制约所形成的,Langmuir在1928年研究气体放电时首次发现Langmuir振荡,物理图像：密度扰动电荷分离（大于德拜半径尺度）电场驱动粒子(电子、离子)运动“过冲”运动往返振荡等离子体最重要的本征频率：电子、离子振荡频率,等离子体频率,考虑厚度为L的片状等离子体，粒子数密度为n。 假设其中的电子相对于离子运动了很小的距离x 近似：把两个电荷过剩区域设想为很薄的面电荷区，只考虑电子的运动 （也可直接推导电子/质子的运动，再近似）,等离子体振荡示意图,等离子体电子振荡的简单数学模型：,电磁学：面电荷区产生电场，试图消除电荷分离，,等离子体振荡示意图,设电子的质量为me，于是电子的运
26、动方程（在没有外磁场时）就是：,面密度,每个电子的运动方程,简谐振荡方程,等离子体振荡示意图,振荡的角频率为：,这里pe称作电子等离子体频率,上面讨论了等离子体中电子振荡，事实上我们可以用同样的方法讨论等离子体中离子振荡。因为如果电子是灼热的，则在离子完成一个振荡的时间内，电子依靠热运动，可以在空间实现均匀分布，所以有理由假设离子振荡是在均匀的电子背景中产生的，所以离子振荡频率可以完全按照导出电子振荡频率那样得到,等离子体振荡示意图,讨论电子振荡时认为离子是不动的或讨论离子振荡时，认为电子是均匀的，选取相对运动坐标，可得相对运动振荡频率，称等离子体振荡频率。相对运动方程形式上和 pe 式一致，
27、但是以折合质量,等离子体振荡频率,重要,振荡频率的物理意义,假设在等离子体中某处发生扰动,即电中性被破坏.,电场 驱动粒子(电子、离子)运动 “过冲”运动 往返振荡,等离子体对内部扰动作出反应的速度 等离子振荡频率高，表明等离子体对电中性偏离的响应快.,等离子体振荡频率,目的:恢复电中性 结果:产生振荡,集体行为.,等离子体的特征响应时间,等离子体的另一个重要特征参数是等离子体的时间响应尺度。我们已经知道，等离子体能够将任何空间的（电）干扰局域限制在德拜长度量级的鞘层之中,建立这种屏蔽需要一定的时间，显然，我们可以用电子以平均热速度跨越鞘层空间所需要的时间作为建立一个稳定鞘层的时间尺度，这就是
28、等离子体对外加扰动的特征响应时间.,问题:,等离子体内部的这种通过振荡方式恢复电中性会不会受到干扰（破坏）?,等离子体振荡,碰 撞,恢复力来源于作用势,碰撞中的能量交换消耗作用势,恢复电中性的能力减弱或者消失,等离子体消失,简谐振荡方程,注意c为碰撞阻尼频率，它是热运动阻碍恢复电中性的因素，即维持电荷分离的因素。而p为恢复电中性的因素。,如果碰撞频率 比等离子体频率小得多,即表示来不及通过碰撞耗散振荡能量，则等离子振荡能维持， 上述条件也可以写成：,等离子体振荡是等离子体集体行为的一种体现，因此振荡频率也成为等离子体存在的判据。,等离子体判据之三!,重要,p是表征等离子体特性的一个重要的物理量
29、, 它反映等离子体中的电子对电场扰动的响应的快慢。 对于非磁化等离子体,电磁波（横波）只有当其频率大于p时，才能在等离子体中传播。 在忽略电子热运动与碰撞，即在所谓冷等离子体条件下， p只与电子的数密度、质量、电荷有关。 在冷等离子体中，等离子体振荡是一种局部振荡，不向外传播，不形成波（其群速为零）。 在热等离子体中，即考虑电子的热运动后，等离子体振荡会形成群速不为零、向外传播的纵波（静电波），称为朗缪尔波。,等离子振荡-波,大气中的电离层是稀薄的等离子体，n0为104106cm3它的等离子体频率fp=p/2 = 110MHZ .,相应的线频率为,cm-3,重要,为什么无线电波能越洋传播?,电
30、离层等离子体频率fp=p/2 = 110MHz,无线电波短波,110MHz,无线电波在电离层的反射,截止层： f = fc = 9 ne1/2,无线电波短波,卫星通讯应该用什么波段?,无线电波短波,等离子体概述,等离子体的形成及碰撞 等离子体的准电中性 徳拜屏蔽及等离子体屏蔽 等离子体鞘层及电位 等离子作振荡 等离子体中的基本参数 等离子体判据,等离子体种的基本参数,从上面两式中可以看出，无论是空间特征还是时间特征，都与等离子体密度或温度有着不可分割的内在联系，特别是朗谬振荡频率仅仅依赖于等离子体平衡密度。,等离子体温度,在等离子体热力学中，温度是一个重要的概念。按照经典热力学的定义，当系统处
31、于热力学平衡态时才可用一个系统的温度来表征。温度是平衡态的参量，对于满足Maxwell速度分布函数(已经归一化)的粒子：,粒子的平均动能与温度的定义 (统计力学：分子热运动的一种度量),等离子体温度是粒子平均动能的度量,等离子体温度,电子和离子的质量相差悬殊，二者通过碰撞交换能量，一般比较缓慢，所以在等离子体内部，首先是各种带电粒子成分各自达到热力学平衡状态，这时就有电子温度kTe 和离子温度kTi，只有当等离子体整体达到热力学平衡状态后，他们才有统一的等离子体温度kT。,电子温度Te和离子温度Ti,如日光灯管内形成的等离子体，其中电子温度达到几万度，而离子温度仅在室温附近。这样的等离子体就没
32、有统一的温度，对于这样的等离子体要用二温模型来描述。经常电子和离子各自也没有达到热平衡，可通过平均动能定义温度,由于垂直与磁场方向上的运动受磁场的影响.磁场的出现使得沿着磁场方向和垂直于磁场方向上的速度分布可以截然不同，可认为在不同方向上的等离子体存在不同的温度. 粒子的分布函数为:,垂直温度T和平行温度T /,粒子的平行动能合垂直动能为:,荧光灯管内的电子温度为20,000K 日冕气体温度高达百万度,却烧不开一杯水,关于温度的误解:,除温度之外,还必须考虑热容量 E n kB T 温度 V.S. 能量密度,n010101015m3,kBT=1电子伏=1.61012尔格=1.61019焦尔。,
33、在等离子体物理学中温度通常用能量单位,eV (电子伏特),1eV11,600K,等离子体密度,单位 米-3,由于等离子体作为一个整体是电中性的，因此应该满足宏观电中性条件, 设ni是离子密度，是ne电子密度, 则有,这里n为等离子体密度。等离子体的电离度定义为,这里na 是中性粒子密度,到此为止，我们以主要用四个参数来描述等离子体,两个是独立参数：,电子密度和等离子体温度,其它的参数是这两个参数的函数:,德拜长度和等离子体频率,电子的热运动的平均速度,粒子之间的平均距离:,等离子中的其他参数:,如果等离子体中粒子的密度为n,粒子间平均间距为:,郎道长度:,等离子体中两个电荷粒子能够接近的最小距
34、离.,两个相对运动的电荷粒子的动能全部转化为势能,等离子体参数,德拜屏蔽是一个统计意义上的概念，这暗示了在一个德拜球中应具有足够多的粒子，我们引入等离子体参数.等离子体粒子间平均动能与平均相互作用势能之比的一个度量.,等离子体参量g=1/(nD3)1，平均势能与平均自由能之比的度量,等离子体概述,等离子体的形成及碰撞 等离子体的准电中性 徳拜屏蔽及等离子体屏蔽 等离子体鞘层及电位 等离子作振荡 等离子体中的基本参数 等离子体判据,等离子体判据,等离子体必须满足的三个条件是：,等离子体作为物质的一种聚集状态必须要求其空间尺度远大于德拜长度，时间尺度远大于等离子体响应时间，在此情况下，等离子体的集
35、体相互作用起主要作用，在较大的尺度上正负电荷数量大致相当，所谓的准中性条件成立。 准中性条件曾作为等离子体判定性标准。中文“等离子体”的含义就是正负离子相等的带电粒子系统。 准中性条件不成立，等离子体内部存在较强的静电场，但只要体系满足上面的时空要求，以集体相互作用为主的等离子体特征同样可以出现。,等离子体判据,等离子体存在满足下面三个条件,第一个条件：,第二个条件：,第三个条件：,即等离子体的德拜长度大于粒子间的平均距离，德拜屏蔽效应是大量粒子的统计效应，统计条件要求德拜球内有大量的粒子，为此必须满足此条件。,即德拜长度远小于等离子体特征长度，由于在德拜球内不能保证此电中性。所以不满足这个条
36、件，就不可能把等离子体看作电中性的物质聚集态。,c是碰撞频率，是热运动阻碍恢复电中性的因素，当pc 时，电子来不及通过碰撞耗散振荡能量，则振荡能维持，保证了等离子体维持电中性。,对于部分电离气体，体系中除带电粒子外，还存在着中性粒子。当带电粒子与中性粒子之间的相互作用强度同带电粒子之间的相互作用相比可以忽略时，带电粒子的运动行为就与中性粒子的存在基本无关，同完全电离气体构成的等离子体相近，这种情况下的部分电离气体仍然是等离子体。 带电粒子与中性粒子之间的相互作用形式只有近距离碰撞这一种形式，可以用碰撞频率en表示其相互作用的强弱程度。带电粒子之间的相互作用则可以分成两体的库仑碰撞和集体相互作用
37、两部分，我们可以用库仑碰撞频率ee和等离子体频率p来表征这两种作用的大小。因此，如果有，,关于部分电离等离子体,则中性粒子的作用可以忽略，体系处于等离子体状态。 有大量中性粒子存在的情况往往是低温等离子体，通常我们可以用库仑碰撞频率来估计。带电粒子之间的库仑碰撞截面很大，在常规情况下，当电离度为0.1时，实际上就可以忽略中性粒子的作用。 当电离度更小时，电离气体仍然具备一些等离子体的性质，但需要考虑中性粒子的影响。直到中性粒子的碰撞频率大大超越库仑碰撞频率和等离子体频率时，体系的等离子体特征消失，这种微弱电离的气体不再是等离子体。,经典条件,稀薄条件,补充:,等离子体研究过程中常常会使用一些条
38、件对等离子体进行简化.,经典条件,一般等离子体可以用经典理论来处理,但是必须满足一定的条件:粒子的德布罗意波长远小于粒子之间的平均间距!,粒子德布罗意波长,粒子间平均间距,一般的等离子体基本满足这样的条件,但是对于固体等离子体或者恒星内部等离子体,密度很高,所以不满足这个条件,这时需要用量子理论了描述:量子等离子体.,稀薄条件,一般常常把等离子体当作理想气体来处理,但也是必须满足一定的条件:粒子热运动的特征动能远大于粒子之间的库仑作用势能!,满足稀薄条件的等离子体可以看成是理想气体,有,等离子体各参量公式小结：,电子热速度,等离子体振荡频率,等离子体响应时间,德拜长度,德拜势,等离子体参数,作
39、业,1.为什么等离子体为准中性？简述等离子体判据。,2. 计算：等离子体中存在一个带电量为+q的带电体，试求这时带电体之外的空间电位分 布，并给出德拜长度的表达式。说明德拜长度的物理意义。,3、试计算下列参数条件下等离子体的德拜长度D和等离子体振荡频率P。,（1）磁流体发电机：Te2500K及n1020m3。 （2）低压辉光放电：kBTe2eV及n1010cm3。 （3）地球的电离层：kBTe0.1eV及n106cm3。,12、严格稳定条件下，离子和电子都服从玻尔兹曼分布,对于无限大位势位的电荷透明栅，试证明等离子体屏蔽距离近似位：,13、假定两个无限大的平板，分别处于xd，如果平板位势能0，两平板之间均匀充满密度位n，电荷为q的气体。使用泊松公式证明两平板之间的电势分布为,Thanks!,
