1、从宇宙起源到纳米光学 等离子体科学及其应用,王晓钢浙江大学聚变理论与模拟中心2006年12月8日,OUTLINE,宇宙天体的磁场起源等离子体空间科学等离子体信息技术等离子体航天技术纳米光学与等离子学,宇宙天体的磁场起源,OUTLINE,问题的提出Dynamo理论存在的挑战,问题的提出,2005年重大科学新闻之一： Voyager飞出日球层的Terminate Shock太阳磁场的边界宇宙中天体存在自身磁场 银河系也具有自身磁场 甚至银河系际空间也有磁场从哪里来？大爆炸时就有了，还是后来形成的？,Dynamo理论,宇宙中充满等离子体 等离子体的运动可以看成流体的湍动而磁场,Dynamo理论,从磁
2、感应方程我们称平均的感应电场为dynamo在线性近似下,Dynamo理论,在线性理论中，dynamo是指数增长的；增长系数是等离子体的流体湍流场的关联；等离子体的微观（小尺度）湍动产生宏观（大尺度）的磁场,存在的挑战,非线性效应 推导出的dynamo本身是准线性近似 现有的平均场指数增长是线性的结果 Back reaction非理想等离子体效应 电阻的影响 Hall dynamo时间尺度是否足够长？,等离子体空间科学,OUTLINE,空间天气与空间环境国际空间天气计划国家地球空间双星探测计划行星际空间夸父探测计划,空间天气与空间环境,空间天气的主要形式是:CME: Coronal Mass E
3、jection Solar Wind Space Weather: Geospace Storms & Substorms 地球空间天气和空间环境直接影响航天飞行、卫星发射与运行、通讯和高纬度区电网 空间天气预报是空间开发的第一步,国际空间天气计划,ISTP：International Solar-Terrestrial Physics ILWS: Living with Stars ESA：European Space Agency Cluster II NASA，Japan Polar， Geotail， Wind, ,双星 Cluster计划,我国第一次科学研究卫星计划 2003年12月
4、发射TC-1，2004年7月发射TC-2 赤道星TC-1：磁层顶，磁尾电流片 极轨星TC-2：极间区，极光现象 与Cluster II配合，第一次地球空间六点观测,夸父计划,计划要点： 2012年发射，L1+极轨三星探测计划 Kuafu-A卫星在第一Lagrange 点 Kuafu-B1 & B2在极轨共轭点 多层成像观测CME的发展和Substorm全球图象日地Lagrange 点,夸父计划,主要突破 轨道配置：L1+双极轨三星分布 14点联合探测：太阳周围，Solar Orbiter（1）， Solar Wind Sentinels （4）；+地球周围，RBST（2），MMS（4）；+ K
5、uafu （4） 观测特性：连续极光和环电流观测，CME三维图象,等离子体信息技术,OUTLINE,等离子体天线技术 等离子体天线原理 等离子体电子对抗 等离子体宽带技术等离子体隐身技术 等离子体隐身原理 等离子体隐身应用,等离子体天线原理,金属中存在自由电子 金属表面产生电磁波 与表面电磁波的耦合：信号的发射和接收 等离子体由离子与自由电子组成 等离子体表面电磁波 等离子体表面波发生装置：Surfatron 等离子体天线,等离子体电子对抗,等离子体天线的隐身性能 无金属天线 功率转换效率高：体积小，容易携带 等离子体天线的载波特性 频率连续可调 频率切换时间短（微秒） 等离子体天线的自身防护
6、 方向性好、主频率单色性好 无金属接收部分，与“后方”完全绝缘,等离子体宽带技术,等离子体的宽带特性 主载频的连续可调（特征时间：微秒） 等离子体运动模式多样性：自身宽带特性 等离子体参数变化容易控制：频率可直接控制，省去“后方”庞大电子线路等离子体3G技术 宽带特性 宽波束特性,等离子体隐身原理,等离子体中存在各种频率的运动模式 高频电磁波与电子运动模式耦合将能量传给等离子体 高速运动的电子与中性粒子碰撞将运动能量转换为热 等离子体的电磁波吸收,等离子体隐身应用,飞行器的等离子体隐身（雷达波段：GHz） 作战飞机的战场隐身：防预警 导弹发射阶段的隐身：突破TMD地面与水面目标的等离子体隐身：
7、防精确打击,小结,等离子体作为电磁介质的“材料特性”等离子体与电磁波相互作用研究,等离子体航天技术,OUTLINE,航天飞行器的空间环境地球空间环境与空间天气 航天飞行器的空间环境航天器的等离子体推进 等离子体推进介绍 等离子体推进器（Plasma thrusters）,航天飞行器的空间环境,航天飞行器的等离子体环境 表面充电（太阳能电池板的充电对探测一号的影响） 鞘层、屏蔽、尾流效应等对卫星通信和控制的影响（GALELIO号的尾流影响） 航天飞行器的能量辐照环境 热环境的影响 高能量粒子的轰击 中子辐照,有效载荷的电磁环境,有效载荷与卫星的整体电磁相容性 表面电荷存在对仪器读数的影响 表面鞘
8、层的影响 尾流对输出的影响 感生磁场的影响,空间风暴对卫星的影响,控制系统甚至卫星本身遭到损坏探测二号的姿控计算机（四个）全部打坏因为强电磁干扰而导致仪器失灵空间风暴导致卫星通信完全中断空间风暴对辐射带的填充直接影响间谍卫星工作,航天飞行器的防护,根据空间天气预报预防改变轨道“躲避”空间风暴因为空间风暴而引起轨道改变 需要小功率定位推进器 对航天飞行器直接进行防护需要数值与地面物理模拟材料的表面改性,航天飞行器空间环境的 数值与地面物理模拟,根据空间天气预报预防改变轨道“躲避”空间风暴因为空间风暴而引起轨道改变 需要小功率定位推进器 对航天飞行器直接进行防护需要数值与地面物理模拟材料的表面改性
9、,航天飞行器的轨道推进,先进化学推进器 combined-cycle, pulsed-detonation engine, NASA,航天飞行器的轨道推进,先进等离子体推进器 适用于深空探测的大功率、高比冲等离子体推进器,航天器的等离子体推进,功率变化范围广 几十到几千瓦 高效率、高比冲 效率超过65%，比冲1000-5000秒 长寿命 可以工作上万小时，相当与10年的卫星寿命，东方红四号卫星平台的首选推进方式,等离子体推进器,稳态等离子体推进器 SPT Hall thrusters (1600 - 5000 s) 脉冲等离子体推进器 PPT 电弧等离子体推进器 Arcjets ( 3000
10、s) 微米推进器 MEMS Thrusters,Hall thrusters,Ion engines,纳米光学与等离子学Plasmonics,OUTLINE,等离子体表面波表面等离子 Surface Plasmon (SP)SP的性质及应用 Plasmon Optics, Plasmonics,Surface Plasmon (SP),存在于金属导体电介质界面，只能沿着金属表面传播偏振垂直于金属表面的电磁波E 激发，诱导金属表层自由电子随E(t)电场振动同时，诱发表面Langmuir波（声子）沿k方向随E(x,t1) 波动，波矢量为ksp表层自由电子是SP电磁波的载体 SP在表面法线方向呈指数
11、衰减，形成隐失场(Evanescent wave) ，与自由电子声子耦合,SP的性质及应用,研究隐失光的光学就是近场光学，因为隐失光有“仅存在于近场”特征。Plasmon 有耦合的隐失光，属于近场光学研究的范围。电偶极子也有隐失光，因而，隐失光光学的内涵将比Plasmon Optics大一些。由于共振自由电子可使隐失光增强、汇聚，和金属表面可以设计、裁剪等特点， Plasmon Optics具有开发纳米光学器件的巨大潜力。Plasmon Optics 只能通过近场光学（隐失光）来做实验, Polariton（极化声子）实验表征非常困难。,SP的性质及应用,设P为物发射光子的动量， P n0 h
12、/l （1） Px为横向光子动量分量，则|Px| |P| sinq （2） 光子发射Px和X的不确定性尺度分别为Px和X， 海森伯测不准原理： X Px h （3） Px不确定性的尺度为: Px 2 Px （4）可传输光发射角 q900， 得： Xl/2The only possibility to break the condition: |Px| |P|, then Px has to be imaginary, an evanescent wave with q 900,总结,等离子体科学具有广泛的应用前景从宇宙天体、外层空间、到聚变能源、纳米光学都需要等离子体理论等离子体科学是一个很好的交叉学科的结合点,
