聚变与等离子体研究所

聚变等离子体中的湍流和输运

徐国盛，万宝年，张炜，凌必利，李亚东，林士耀

中国科学院等离子体物理研究所，合肥市1126信箱，邮编230031

摘要：过去二十年对等离子体约束的研究已经显示出等离子体横越磁场的输运主要是由低频漂移波湍流所驱动的。本文简要综述了在磁约束聚变领域中对湍流和输运研究的历史和现状。从上个世纪60年代，初步的等离子体湍流理论的建立至今，伴随着全世界范围内的磁约束聚变能研究，已经发展了大量的理论模型和数值模拟代码，并积累了丰富的实验结果。对于低频等离子体湍流所造成的横越磁场的粒子、热能和动量输运已经获得了较为深刻的理解。未来要实现聚变反应堆的高经济性能，需要我们对等离子体输运获得完全的理解，并找到有效的控制手段。以往用来预测未来聚变装置中等离子体约束性能，主要是通过经验定标率外推。这些是不够的，目前迫切需要的是在已经获得的理解的基础上建立全面的可用来做预测的输运理论模型以及相应的数值模拟代码。获得可预测能力对于耗资巨大的聚变能发展来说是至关重要。各种空间不均匀性都可能成为不稳定性的驱动源，相应的产生了大量的微观不稳定性理论模型，在不同的等离子体参数范围、不同时空尺度、不同的输运通道适用不同的模型，至今没有一个适用于各种情况下

等离子体Vlasov描述：一定温度等离子体粒子以不同轨道随机运动，带电粒子对电磁场的响应依赖粒子轨道，必须采用统计描述。定义粒子分布函数f(x,p,t)，则有Vlasov方程

如果考虑库仑碰撞，有

双流体描述：研究等离子体波的运动（色散关系等），需要使用双流体描述，既考虑电子又考虑离子。

三种波的色散关系、

朗缪波的色散关系：ve为平均速度，

离子声波的色散关系：存在条件

临界密度：ωpe是光波在等离子体中的传播的最小频率，利用ωpe=ω，定义光波可以穿透的最大的等离子体密度n????，称之为临界密度。 (斜入射反转点的密度)n??=n????????????

S、P极化：入射光波的电矢量在入射面内，我们称这种光为P极化光，入射光波的电矢量在入射面外，我们称这种光为S极化光。

WKB近似：场的空间变化很缓慢，等离子体密度变化足够缓慢的近似。 碰撞吸收（逆韧致吸收）：激光在等离子体传播过程中最简单的一种吸收机制是碰撞吸收，又称逆韧致吸收。电子在高频激光电场作用下，快速抖动，这种抖动能量是波的能量的一部分。当电子在抖动过程中与离子发生库伦碰撞时，电子离开波，等离子体从波中得到能量，等离子体的这种吸收机制称为逆韧致吸收。

当这种碰撞时与离子以声波形式

等离子 加速器

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l9 p 第 1 97年 2期等离子阵应用技术快报

9

览可 .分氮压增加，当时于由离等子体密度的变化 极，电位加增溅困射产额随氰分压阴

加增而降低，况积率 降下。故沉积 T的薄N膜的构极结大依地于赖氮分压 i几乎有所iT薄 N膜部具有沿 1 ()向的优先向取+ 1 1但方是在 3 1 mbr氮分压下制备的I薄 T膜显示也× OaN出 0 (射峰。()1 )的强度 随分压的氯增加 而减 Ti薄小膜也具有致密柱的状 构 2结 0衍11峰 N随氯着分压 增到加 1 2bm r以上，样品表面和垂直于品样表面方向 的晶粒尺寸都增× O沿a加 T i膜光学的性和特电 特性也与氮分压密切相关。在的高分氮压下制备的Ti膜具 N有

高 N射反和低率电阻率。薄膜电阻率的变化与薄 结膜构和化学计量的变化有关。具有 ( 1衍高射峰 强度的薄 有膜高的电阻 .具有率学化量计结构薄的膜具有 的低电阻率 。 ) u而卫冰 摘译自 Sara deCa g i"h eo oy9 9 76:ufc n ot se nllg,1 9 0;众丁4板 n '’

襄.

中国科学院力学研究所研发成功等离子体生活垃圾气化发电技术

我国生活垃圾处理方式主要是填埋和焚烧。填埋不仅侵占大量土地，还污染地下水，是不得已而为之的选择。尽管如此，对于土地资源紧张的地区已没有多少场地可供填埋使用。焚烧法虽然减容比高，并能回收能量，但却因二噁英等污染问题遭到公众强烈反对，急需发展新一代的绿色环保、节能降耗的替代焚烧技术。 等离子体是物质第四态，具有许多异于固态、液态和气态的独特的物理化学性质，如温度和能量密度都很高、可导电和发光、化学性质活泼并能加强化学反应等，环保性能优良。通过电弧放电产生高达7000?C的等离子体，将垃圾加热至很高的温度，从而迅速有效地摧毁废物。可燃的有机成分充分裂解气化，转化成可燃性气体，可以用于能源回收，一般称为“合成气”（主要成分是CO+H2）。不可燃的无机成分经等离子体高温处理后成为无害的渣体。

采用等离子体处理垃圾是目前减容效果最显著、无害化最彻底、资源化程度最高的绿色环保技术。与焚烧法相比，等离子体技术最突出的优点有： （1）处理温度高：有害物质摧毁更彻底，二噁英前驱体被彻底破坏分解； （2）可采用还原性气氛或部分氧化性气氛，采用电能作为外加热源，二次污染物排放比焚烧低2-3个数量级，裂解底渣是

等离子体推动器

一、 为什么要使用电推动器？

1.传统化学推进剂的缺点：

（a）在深空探测中，化学推进剂占航天器重量的绝大部分，有效载荷小，效

率低，造价高。

（附：肼（联氨）-----一种无色发烟的、具有腐蚀性和强还原性的液体化合物NH2－

NH2 [hydrazine],它是比氨弱的碱,通常由水合肼脱水制得, 燃烧热较大主要用作火箭和喷气发动机的燃料,用在制备盐(如硫酸盐)及有机衍生物中）

在探索更远的星球时，化学燃料推动已不可行。

（b）通信卫星长寿命增加（15 年）,为保持轨道定点位置,所需的推进剂越来

越多（使用次数愈来愈多）,大量挤占了有效载荷的重量。因此,大型通信卫星的推进系统改用电推进已势在必行。

目前航天领域广泛使用的化学火箭发动机，对于完成航天器从地面向空间轨道的发射任务，还难以用其它动力装置代替。但由于化学推进的比冲偏小，最大不超过4.6kN*s/kg，所以，如果对于航天器的轨道转移、轨道修正、姿态控制、对接交会、位置保持、南北轨控和星际航行等特殊任务仍然采用化学动力装置，那么就会使一直昂贵的航天器发射成本居高不下，而且也会严重影响其使用寿命。

2.电推进器的优缺点

优点：

（a）效率高―――喷射离子速度远高

中国科学院力学研究所研发成功等离子体生活垃圾气化发电技术

我国生活垃圾处理方式主要是填埋和焚烧。填埋不仅侵占大量土地，还污染地下水，是不得已而为之的选择。尽管如此，对于土地资源紧张的地区已没有多少场地可供填埋使用。焚烧法虽然减容比高，并能回收能量，但却因二噁英等污染问题遭到公众强烈反对，急需发展新一代的绿色环保、节能降耗的替代焚烧技术。 等离子体是物质第四态，具有许多异于固态、液态和气态的独特的物理化学性质，如温度和能量密度都很高、可导电和发光、化学性质活泼并能加强化学反应等，环保性能优良。通过电弧放电产生高达7000?C的等离子体，将垃圾加热至很高的温度，从而迅速有效地摧毁废物。可燃的有机成分充分裂解气化，转化成可燃性气体，可以用于能源回收，一般称为“合成气”（主要成分是CO+H2）。不可燃的无机成分经等离子体高温处理后成为无害的渣体。

采用等离子体处理垃圾是目前减容效果最显著、无害化最彻底、资源化程度最高的绿色环保技术。与焚烧法相比，等离子体技术最突出的优点有： （1）处理温度高：有害物质摧毁更彻底，二噁英前驱体被彻底破坏分解； （2）可采用还原性气氛或部分氧化性气氛，采用电能作为外加热源，二次污染物排放比焚烧低2-3个数量级，裂解底渣是

等离子体物理学导论ppt课件

Introduction to Plasma Physics 等离子体物理学导论 第四讲 主讲: 陈 耀 主讲: 山东大学空间科学研究院 2009.3 – 2009.6课件: 课件:ftp://219.231.169.37 /download

等离子体物理学导论ppt课件

上讲小结: 上讲小结: 1.4 等离子体物理学基本概念: 等离子体物理学基本概念: 德拜屏蔽, 德拜屏蔽,Langmuir振荡 振荡

1.4 库仑碰撞 库仑碰撞频率 1.5 等离子体物理学研究和描述方法

等离子体物理学导论ppt课件

回顾:德拜屏蔽与德拜势的物理意义: 回顾:德拜屏蔽与德拜势的物理意义: ( 约束与反抗) 约束与反抗 1),德拜屏蔽至少有两个物理效果: ,德拜屏蔽至少有两个物理效果: 抹杀等离子体个体的行为,保证集体行为作为 抹杀等离子体个体的行为 保证集体行为作为 等离子体表现自身的主要方式 保证在大尺度上系统满足准中性 2),德拜长度是基本等离子体时空尺度 , 球内外具有不同的粒子相互作用模式 库仑碰撞 与 集体相互作用 等离子体响应时间 3),德拜屏蔽概念成立的前提是: 德拜球内 ,德拜屏蔽概念成立的前提是: 概念成立的前提是 存

2(犯年第 1 X 0

卷第 6期总第 9期 3

巢湖学院学报f o o J u m目 o Cha hu Co l

N o 6 V o l 10 2的 8.

.

,

.

.

哪

o e i e e G n司 S r目 N 93.

介质阻挡放电产生等离子体简介朱爱国许雪艳朱仁义程民治(巢湖学院物理与电子科学系安徽,

3 (巢湖 2 80

x〕

摘

要:本文简要地介绍了等离子体的墓本概念和来源较为详细地描述了几种常见的放电,,,。

形式并着重讨论了介质阻挡放电对其徽放电的物理机制也作了细致的表述其中还列出了几个影响徽放电的外在因素

文章的最后是对介质阻挡放电的一些实际应用作了较为详细

的探讨

。

关 I词:等离子体;介质阻挡放电;物理过程;应用:中圈分类号 0 3 5 1

文献标识码: A

:文章编号 1 6 7 2

一

8 8 2X ) 6 2 6《( 8 0 )

e

加5吞刁5

作为自然科学荃石的现代物理学已经发展,

体的电离、、

。

电离的气体可以称之为等离子体它,、

众多的科学分支其中包括许多相对独立的子学

,

是由大量带电粒子 (离子电子 )和中性粒子 (原子分子自由基等 )组成的系统,,

科它们正以前所未有的深度和广度推动人类了解自然从更深更广的层次揭示自然界的秘密,,、、、。

。

。

日常生活中很

难接触

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巢湖学院学报f o o J u m目 o Cha hu Co l

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介质阻挡放电产生等离子体简介朱爱国许雪艳朱仁义程民治(巢湖学院物理与电子科学系安徽,

3 (巢湖 2 80

x〕

摘

要:本文简要地介绍了等离子体的墓本概念和来源较为详细地描述了几种常见的放电,,,。

形式并着重讨论了介质阻挡放电对其徽放电的物理机制也作了细致的表述其中还列出了几个影响徽放电的外在因素

文章的最后是对介质阻挡放电的一些实际应用作了较为详细

的探讨

。

关 I词:等离子体;介质阻挡放电;物理过程;应用:中圈分类号 0 3 5 1

文献标识码: A

:文章编号 1 6 7 2

一

8 8 2X ) 6 2 6《( 8 0 )

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作为自然科学荃石的现代物理学已经发展,

体的电离、、

。

电离的气体可以称之为等离子体它,、

众多的科学分支其中包括许多相对独立的子学

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是由大量带电粒子 (离子电子 )和中性粒子 (原子分子自由基等 )组成的系统,,

科它们正以前所未有的深度和广度推动人类了解自然从更深更广的层次揭示自然界的秘密,,、、、。

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干法体硅加工―― 深反应离子刻蚀技术

干法体硅加工的必要性：

高深宽比微结构是MEMS体系必不可少的特征之一，基于硅的优异机械特性和半导体工业的积累，硅被选择作为MEMS的主要结构材料，但是，湿法刻蚀难以实现任意形状的图形转移，复杂微结构的硅材料在高深宽比硅干法刻蚀获得进展之前是非常困难和有很多限制条件的，因此，人们在硅的深刻蚀加工方面倾注了大量的精力，因此也取得了长足进步，发展称为独具特色的专用加工设备，大有取代湿法刻蚀的趋势。 内容：

等离子体刻蚀技术 硅的刻蚀与高深宽比机制 应用

等离子体刻蚀技术

等离子体的形成

：

当一定量的化学气体进入一定压力的腔体，在上下电极加上高电压，产生电弧放电，生成大量的离子和自由电子，这种由部分离化的气体组成的气相物质被称为等离子体 对于气体分子AB，其等离子体中可能含有： A,B,A,B,AB,A,B,AB，e

其中激发态的粒子会自发放电，产生辉光，称为辉光放电现象。于是：

直流激发的辉光放电被称为直流辉光放电 射频电流激发的放电就称为射频放电

对于直流等离子体反应，其典型气压约在1mTorr，典型装置如下：

+

+

+

*

*

*

平板间距决定了激发电源的电压，大约是5厘米对应500V，10厘米对应1000V的水平