等离子体和等离子体动力学

等离子体：装置和应用

带电运动粒子的运动特性和行为 →\to 开发利用等离子体能量和力传递特性的装置。

Plasma: 血浆 or 等离子体

Langmuir 发明了用于诊断等离子体电子温度、浓度、空间电位的静电探针：Langmuir 探针。

等离子体：准中性。宏观上不带电，但微观上可能带电。因此它是电中性的电离气体，但是同时也受到电磁力的支配。因此等离子体的动力学需要同时求解 Navier-Stokes 方程（流体）和 Maxwell 方程组（电磁）。

定义：是部分电离的气体。如何制造？加热，让原子分裂，分成离子和电子。

太阳等离子体：核心处 1033p/m3,107K10^{33} p/m^3, 10^7K，极光区 109p/m3,105K10^9 p/m^3, 10^5K.

应用：太阳风；聚变；光刻/等离子体蚀刻；电推；…

等离子体推进：VASIMR！

等离子体产生方法：

  • 直流放电：辉光；空心阴极；电弧；直流脉冲
  • 交流放点：电容电感耦合等

等离子体的基本性质

德拜屏蔽：λD=ϵ0kTee2Ne\lambda_D=\sqrt{\dfrac{\epsilon_0kT_e}{e^2N_e}}

德拜长度 λD\lambda_D 是等离子体形成的最小的空间尺度。L≫λDL\gg\lambda_D 才能保证绝大部分等离子体处于准中性状态。

电子震荡（Langmuir 震荡）：ωpe=Ne2ϵ0me\omega_{pe}=\sqrt{\dfrac{Ne^2}{\epsilon_0m_e}}

离子震荡：ωpi=Ne2ϵ0mi\omega_{pi}=\sqrt{\dfrac{Ne^2}{\epsilon_0m_i}}

电子震荡频率远大于离子震荡频率。因此以一个周期的 Langmuir 震荡为 特征时间，即 τ=1ωpe\tau=\dfrac 1{\omega_{pe}}，这段时间是等离子体维持准中性状态的最小时间下限。

碰撞截面 σ~=πbmax2\tilde{\sigma}=\pi b_{\text{max}}^2.

平均自由程 λ=1nσ~\lambda=\dfrac{1}{n\tilde{\sigma}}

电子温度不等于离子温度！因为不平衡。但是离子密度和电子密度相等（电中性）。