物理学的新技术(等离子体技术)课件

第十八章物理学与新技术

18—1等离子体与受控核聚变第十八章物理学与新技术

18—1等离子体与受控核聚变1主要内容

等离子体物理及学科等离子体概念和基本性质等离子体物理学科发展史及研究领域

等离子体主要应用领域低温等离子体应用冷等离子体应用－热等离子体应用－军事与高技术应用聚变等离子体磁约束聚变－惯性约束聚变主要内容等离子体物理及学科2主要内容

等离子体物理及学科等离子体概念和基本性质等离子体物理学科发展史及研究领域

等离子体主要应用领域低温等离子体应用冷等离子体应用－热等离子体应用－军事与高技术应用聚变等离子体磁约束聚变－惯性约束聚变空间与天体等离子体主要内容等离子体物理及学科3什么是等离子体由大量的带电粒子组成的非束缚态的宏观体系处于电离状态的气体。电子的负电荷总数和离子的正电荷总数数值上相等，宏观上呈电中性。整个宇宙约有99.9%以上的物质处于等离子体状态。什么是等离子体由大量的带电粒子组成的非束缚态的宏观体系4等离子体是物质第四态固体

冰液体

水气体

水汽等离子体

电离气体温度00C1000C100000C等离子体是物质第四态固体液体气体等离子体温度00C1000C5电离气体是一种常见的等离子体放电是使气体转变成等离子体的一种常见形式

等离子体电离气体普通气体等离子体放电需要有足够的电离度的电离气体才具有等离子体性质。 “电性”比“中性”更重要(电离度>10-4)电离气体是一种常见的等离子体放电是使气体转变成等离子体的一种6地球上，人造的等离子体也越来越多地出现在我们的周围。日常生活中：日光灯、电弧、等离子体显示屏、臭氧发生器典型的工业应用：等离子体刻蚀、镀膜、表面改性、喷涂、烧结、冶炼、加热、有害物处理高技术应用：托卡马克、惯性约束聚变、氢弹、高功率微波器件、离子源、强流束、飞行器鞘套与尾迹宇宙中99％物质处于等离子体态人类的生存伴随着水，水存在的环境是地球文明得以进化、发展的的热力学环境，这种环境远离等离子体物态普遍存在的状态。因而，天然等离子体就只能存在于远离人群的地方，以闪电、极光的形式为人们所敬畏、所赞叹。由地球表面向外，等离子体是几乎所有可见物质的存在形式，大气外侧的电离层、日地空间的太阳风、太阳日冕、太阳内部、星际空间、星云及星团，毫无例外的都是等离子体。地球上，人造的等离子体也越来越多地出现在我们的周围。宇宙中97密度(cm-3)温度(度)太阳核心磁约束聚变霓虹灯北极光火焰闪电日冕氢弹星际空间荧光气体

液体

固体

人类居住环境惯性聚变星云太阳风等离子体参数空间密度(cm-3)温度太阳核心磁约束霓虹灯北极光火8等离子体分类冷等离子体

Te≠Ti,Ta热等离子体

Te＝Ti,Ta电弧、碘钨灯极光、日光灯电子温度100000C1eV聚变、太阳核心高温

等离子体低温

等离子体等离子体分类冷等离子体

Te≠Ti,Ta热等离子体

Te＝9等离子体特性磁场冻结效应等离子体内感应电流的磁场可抵消或补偿外部磁场引起的变化，从而保持等离子体内磁场不变。等离子体等离子体特性磁场冻结效应等离子体10磁镜效应带电粒子具有被推向磁场较弱区域的趋势磁镜效应11等离子体物理学科发展简史19世纪30年代起放电管中电离气体，现象认识建立等离子体物理基本理论框架20世纪50年代起受控热核聚变空间技术等离子体物理成为独立的分支学科20世纪80年代起气体放电和电弧技术发展应用低温等离子体物理发展等离子体物理学科发展简史19世纪30年代起12等离子体物理主要研究领域低温应用等离子体冷等离子体热等离子体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主要研究领域低温应用等离子体13冷等离子体应用等离子体的化学过程刻蚀化学气相沉积（成膜）等离子体材料处理表面改性灭菌消毒表面冶金光源冷光源（节能，线光谱）气体激光器等离子体显示器低温等离子体应用

电子能量（eV）

远大于

分子键能（0.1eV）非热平衡等离子体，背景温度低，电子温度高，存在大量的活性粒子冷等离子体应用等离子体的化学过程低温等离子体应用电子14纳米尺度上

针尖状表面特征类金刚石表面制造实验室与日本原子力所先进科学研究中心合作，开展了非平衡薄膜表面制造的研究，成功地制备了纳米尺度的针状表面、波纹表面，树枝状表面、正弦表面等表面结构，其中波纹表面，是应用薄膜生长过程的自组织过程中直接形成的。（J.Chem.Phys.116,10458，2002）纳米尺度上

波纹状表面树枝状表面大面积正弦表面低温等离子体应用纳米尺度上

针尖状表面特征类金刚石表面制造实验室与日本原子力15毫米级厚金刚石片制备研究

应用PCVD方法开展金刚石模制备研究开展了多年，对制备过程中物理化学及工艺过程进行了系统研究。可以稳定地制备高质量毫米量级厚度的金刚石片，并用金刚石膜加工成金刚石电子热沉片，热导率高达7.6W/(k·cm)，可用于大功率电子器件。（PhysicsofPlasma,5,1541,1998、J.Phys.D,31,3327,1998、J.Vac.Sci.Tech.A，20,941,2002）纯金刚石片（直径30mm）半透纯金刚石

热沉片10x10mm2

带Si衬底的金刚石厚膜金刚石质量表征低温等离子体应用毫米级厚金刚石片制备研究应用PCVD方法开展16等离子体军事及高技术应用军事应用等离子体天线、等离子体隐身、等离子体减阻、等离子体鞘套、等离子体诱饵高技术大功率微波器件、X射线激光、强流束技术、等离子体推进低温等离子体应用等离子体军事及高技术应用军事应用低温等离子体应用17等离子体离子推进器军事及高技术应用等离子体离子推进器军事及高技术应用18VASIMR等离子体推进技术军事及高技术应用VASIMR等离子体推进技术军事及高技术应用19AnodexenonmagneticcircuitElectronsIonsCathodemagneticfieldlinesElectricfieldcoilsceramicchannelHallthrusters霍尔等离子体推进军事及高技术应用AnodexenonmagneticElectronsIo20等离子体天线军事及高技术应用等离子体天线军事及高技术应用21聚变与裂变能裂变D3He4HeTULi聚变聚变能裂变能原子质量平均结合能Fe聚变等离子体聚变与裂变能裂变D3He4HeTULi聚变聚变能裂变能原子质22核聚变反应D+T=n+4HeD+T=p+3He聚变等离子体核聚变反应D+T=n+4He聚变等离子体23受控热核聚变

10克氘＋15克氚

＝>人一生所需能源500升海水含10克氘无环境污染及长寿命放

射性废料聚变等离子体受控热核聚变10克氘＋15克氚

＝>人一24聚变需要亿度高温劳逊判据（Q＝1）T>10keV（1亿度）nt>3x1020m-3s聚变需要亿度高温聚变等离子体聚变需要亿度高温劳逊判据（Q＝1）聚变需要亿度高温聚变等离子25实现聚变的三种途径聚变等离子体实现聚变的三种途径聚变等离子体26主要参数Pf=500MWQ>10T=500sR=6.2mA=2.0mIp=15MAB=5.3TV=837m3S=678m2Pin=73MW46亿美元聚变等离子体ITER：我们的托卡马克聚变实验堆主要参数46亿美元聚变等离子体ITER：我们的托卡马克聚变27法国人的梦想聚变等离子体2005年6月28日ITER：Cadarache法国人的梦想聚变等离子体2005年6月28日28磁约束聚变研究进展磁约束聚变研究进展聚变等离子体磁约束聚变研究进展磁约束聚变研究进展聚变等离子体29磁约束受控聚变研究进展30年聚变三乘积提高10万倍平均每1.8年翻一番磁约束受控聚变研究进展30年聚变三乘积提高10万倍30美国Nova激光聚变装置1985年建成，10路45000焦耳，1纳秒2倍频/3倍频聚变等离子体美国Nova激光聚变装置1985年建成，10路聚变等离子体31美国国家点火（NIF）激光聚变装置2003年建成,192束180万焦耳，3纳秒500TW，近紫外光聚变等离子体美国国家点火（NIF）激光聚变装置2003年建成,19232激光聚变电站聚变等离子体激光聚变电站聚变等离子体33国内有关装置环流器1号环流器2号国内有关装置环流器1号环流器2号34神光II、星光II激光聚变装置神光II、星光II激光聚变装置35空间等离子体形态空间天体等离子体重联区域空间等离子体形态空间天体等离子体重联区域36北极光空间天体等离子体北极光空间天体等离子体37星系：巨大的聚变反应堆

空间天体等离子体星系：巨大的聚变反应堆空间天体等离子体38总结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。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。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。总结等离子体科学涵盖了受控热核聚变、低温等离子体物理及3918—2光导纤维光纤通信系统特点大宽带信息容量大，可用于宽带、高速通信中继距离长低传输损耗，中继距离长，减少线路设备量和成本抗电磁干扰可用于强电磁干扰环境下的通信无串扰没有感应和辐射，不产生串扰，保密性好线径细重量轻便于敷设和空间的利用节约金属材料二氧化硅丰富，节约金属材料18—2光导纤维光纤通信系统特点40一.光纤光纤是“光导纤维”的简称,是一种介质园柱光波导。光波导：能够约束并导引光波在其内部或表面附近沿轴线方向传播的传输介质。按其截面形状可分为：平板波导、矩形波导、园柱波导。一.光纤41光纤的结构光纤波导是以各种导光材料制成的纤维丝，其基本结构包括：纤芯和包层。

纤芯：高折射率，光波的传输介质

包层：较低折射率，与纤芯共同组成光波导，形成对传输光波的约束作用。在正常情况下，大部分光能沿纤芯传输，在包层中也有沿径向衰减的光波存在。因此，光纤的纤芯和包层材料都必须是低损耗的。光纤的结构42纤芯包层纤芯包层43光纤的分类（按折射率分布）阶跃光纤：纤芯和包层的折射率都是常数，且呈突变分布。这种光纤的带宽较窄，适于小容量短距离通信渐变光纤：纤芯折射率是渐变的，中心最大为n1，逐渐下降到包层处的n2

，包层仍为常数折射率n2。这类光纤带宽较宽，适于中容量中距离通信。光纤的分类44物理学的新技术(等离子体技术)课件45按传输模式多模光纤纤芯内传输多个模式的光波大尺寸的阶跃光纤和渐变光纤均属这种类型。单模光纤纤芯内仅传输1个最低模式的光波它的结构可以是突变或渐变形式，但尺寸很小。单模光纤带宽极宽，适用于大容量长距离通信系统。按传输模式46标准光纤结构典型值对于1µm左右的光波长而言，单模光纤的直径为1-10µm；多模光纤的芯径已标准化为50-60µm；为了实用化的方便，光纤的外径都做成125µm。标准光纤结构典型值47子午光线:只在一个包含光纤轴线的平面内不断反射前进。倾斜光线:它向前反射传输的过程不与轴线相交，而是绕轴线反射前进。若从光纤的端面观察时，它是一组按一定方向旋转的折线轨迹。子午光线:只在一个包含光纤轴线的平面内不断反射前进。48子午光线的传播斜光线的传播θm子午光线的传播斜光线的传播θm49数值孔径反映光纤传光性能的一个重要参数，表示光纤接受入射光的能力θmn0n1n2φc数值孔径θmn0n1n2φc50光纤的损耗吸收损耗、散射损耗、辐射损耗、插入损耗、连接损耗、错位损耗等常用波长：850nm、1310nm光纤的损耗51光纤的应用通讯、传感器等领域O/E/O光缆EMUX光发送再生中继再生中继EDMUX电复用

电解复用光接收光电混合型光纤传输系统光纤的应用通讯、传感器等领域O/E/O光缆E光发送再生再52我国光纤通信的现状1986年建立了国内第一条光缆干线宁汉光缆1999年建成8纵8横光纤骨干网，覆盖了除台湾外所有省会城市和75％地市。目前，我国长途骨干网的光缆长度达到了17万公里，并经中美、中日、中韩等海缆和欧亚大陆桥光缆与国际光缆网连接。我国总的光缆线路总长度超过100万公里，居世界前列。我国光纤通信的现状53FLAG－FiberOpticLink aroundtheGlobe架空光缆直埋光缆北京上海至欧洲至日本FLAG至韩国至朝鲜至俄罗斯我国光缆骨干网分布图至东南亚FLAG－FiberOpticLink架空光缆直埋光缆54物理学的新技术(等离子体技术)课件55第十八章物理学与新技术

18—1等离子体与受控核聚变第十八章物理学与新技术

18—1等离子体与受控核聚变56主要内容

等离子体物理及学科等离子体概念和基本性质等离子体物理学科发展史及研究领域

等离子体主要应用领域低温等离子体应用冷等离子体应用－热等离子体应用－军事与高技术应用聚变等离子体磁约束聚变－惯性约束聚变主要内容等离子体物理及学科57主要内容

等离子体物理及学科等离子体概念和基本性质等离子体物理学科发展史及研究领域

等离子体主要应用领域低温等离子体应用冷等离子体应用－热等离子体应用－军事与高技术应用聚变等离子体磁约束聚变－惯性约束聚变空间与天体等离子体主要内容等离子体物理及学科58什么是等离子体由大量的带电粒子组成的非束缚态的宏观体系处于电离状态的气体。电子的负电荷总数和离子的正电荷总数数值上相等，宏观上呈电中性。整个宇宙约有99.9%以上的物质处于等离子体状态。什么是等离子体由大量的带电粒子组成的非束缚态的宏观体系59等离子体是物质第四态固体

冰液体

水气体

水汽等离子体

电离气体温度00C1000C100000C等离子体是物质第四态固体液体气体等离子体温度00C1000C60电离气体是一种常见的等离子体放电是使气体转变成等离子体的一种常见形式

等离子体电离气体普通气体等离子体放电需要有足够的电离度的电离气体才具有等离子体性质。 “电性”比“中性”更重要(电离度>10-4)电离气体是一种常见的等离子体放电是使气体转变成等离子体的一种61地球上，人造的等离子体也越来越多地出现在我们的周围。日常生活中：日光灯、电弧、等离子体显示屏、臭氧发生器典型的工业应用：等离子体刻蚀、镀膜、表面改性、喷涂、烧结、冶炼、加热、有害物处理高技术应用：托卡马克、惯性约束聚变、氢弹、高功率微波器件、离子源、强流束、飞行器鞘套与尾迹宇宙中99％物质处于等离子体态人类的生存伴随着水，水存在的环境是地球文明得以进化、发展的的热力学环境，这种环境远离等离子体物态普遍存在的状态。因而，天然等离子体就只能存在于远离人群的地方，以闪电、极光的形式为人们所敬畏、所赞叹。由地球表面向外，等离子体是几乎所有可见物质的存在形式，大气外侧的电离层、日地空间的太阳风、太阳日冕、太阳内部、星际空间、星云及星团，毫无例外的都是等离子体。地球上，人造的等离子体也越来越多地出现在我们的周围。宇宙中962密度(cm-3)温度(度)太阳核心磁约束聚变霓虹灯北极光火焰闪电日冕氢弹星际空间荧光气体

液体

固体

人类居住环境惯性聚变星云太阳风等离子体参数空间密度(cm-3)温度太阳核心磁约束霓虹灯北极光火63等离子体分类冷等离子体

Te≠Ti,Ta热等离子体

Te＝Ti,Ta电弧、碘钨灯极光、日光灯电子温度100000C1eV聚变、太阳核心高温

等离子体低温

等离子体等离子体分类冷等离子体

Te≠Ti,Ta热等离子体

Te＝64等离子体特性磁场冻结效应等离子体内感应电流的磁场可抵消或补偿外部磁场引起的变化，从而保持等离子体内磁场不变。等离子体等离子体特性磁场冻结效应等离子体65磁镜效应带电粒子具有被推向磁场较弱区域的趋势磁镜效应66等离子体物理学科发展简史19世纪30年代起放电管中电离气体，现象认识建立等离子体物理基本理论框架20世纪50年代起受控热核聚变空间技术等离子体物理成为独立的分支学科20世纪80年代起气体放电和电弧技术发展应用低温等离子体物理发展等离子体物理学科发展简史19世纪30年代起67等离子体物理主要研究领域低温应用等离子体冷等离子体热等离子体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主要研究领域低温应用等离子体68冷等离子体应用等离子体的化学过程刻蚀化学气相沉积（成膜）等离子体材料处理表面改性灭菌消毒表面冶金光源冷光源（节能，线光谱）气体激光器等离子体显示器低温等离子体应用

电子能量（eV）

远大于

分子键能（0.1eV）非热平衡等离子体，背景温度低，电子温度高，存在大量的活性粒子冷等离子体应用等离子体的化学过程低温等离子体应用电子69纳米尺度上

针尖状表面特征类金刚石表面制造实验室与日本原子力所先进科学研究中心合作，开展了非平衡薄膜表面制造的研究，成功地制备了纳米尺度的针状表面、波纹表面，树枝状表面、正弦表面等表面结构，其中波纹表面，是应用薄膜生长过程的自组织过程中直接形成的。（J.Chem.Phys.116,10458，2002）纳米尺度上

波纹状表面树枝状表面大面积正弦表面低温等离子体应用纳米尺度上

针尖状表面特征类金刚石表面制造实验室与日本原子力70毫米级厚金刚石片制备研究

应用PCVD方法开展金刚石模制备研究开展了多年，对制备过程中物理化学及工艺过程进行了系统研究。可以稳定地制备高质量毫米量级厚度的金刚石片，并用金刚石膜加工成金刚石电子热沉片，热导率高达7.6W/(k·cm)，可用于大功率电子器件。（PhysicsofPlasma,5,1541,1998、J.Phys.D,31,3327,1998、J.Vac.Sci.Tech.A，20,941,2002）纯金刚石片（直径30mm）半透纯金刚石

热沉片10x10mm2

带Si衬底的金刚石厚膜金刚石质量表征低温等离子体应用毫米级厚金刚石片制备研究应用PCVD方法开展71等离子体军事及高技术应用军事应用等离子体天线、等离子体隐身、等离子体减阻、等离子体鞘套、等离子体诱饵高技术大功率微波器件、X射线激光、强流束技术、等离子体推进低温等离子体应用等离子体军事及高技术应用军事应用低温等离子体应用72等离子体离子推进器军事及高技术应用等离子体离子推进器军事及高技术应用73VASIMR等离子体推进技术军事及高技术应用VASIMR等离子体推进技术军事及高技术应用74AnodexenonmagneticcircuitElectronsIonsCathodemagneticfieldlinesElectricfieldcoilsceramicchannelHallthrusters霍尔等离子体推进军事及高技术应用AnodexenonmagneticElectronsIo75等离子体天线军事及高技术应用等离子体天线军事及高技术应用76聚变与裂变能裂变D3He4HeTULi聚变聚变能裂变能原子质量平均结合能Fe聚变等离子体聚变与裂变能裂变D3He4HeTULi聚变聚变能裂变能原子质77核聚变反应D+T=n+4HeD+T=p+3He聚变等离子体核聚变反应D+T=n+4He聚变等离子体78受控热核聚变

10克氘＋15克氚

＝>人一生所需能源500升海水含10克氘无环境污染及长寿命放

射性废料聚变等离子体受控热核聚变10克氘＋15克氚

＝>人一79聚变需要亿度高温劳逊判据（Q＝1）T>10keV（1亿度）nt>3x1020m-3s聚变需要亿度高温聚变等离子体聚变需要亿度高温劳逊判据（Q＝1）聚变需要亿度高温聚变等离子80实现聚变的三种途径聚变等离子体实现聚变的三种途径聚变等离子体81主要参数Pf=500MWQ>10T=500sR=6.2mA=2.0mIp=15MAB=5.3TV=837m3S=678m2Pin=73MW46亿美元聚变等离子体ITER：我们的托卡马克聚变实验堆主要参数46亿美元聚变等离子体ITER：我们的托卡马克聚变82法国人的梦想聚变等离子体2005年6月28日ITER：Cadarache法国人的梦想聚变等离子体2005年6月28日83磁约束聚变研究进展磁约束聚变研究进展聚变等离子体磁约束聚变研究进展磁约束聚变研究进展聚变等离子体84磁约束受控聚变研究进展30年聚变三乘积提高10万倍平均每1.8年翻一番磁约束受控聚变研究进展30年聚变三乘积提高10万倍85美国Nova激光聚变装置1985年建成，10路45000焦耳，1纳秒2倍频/3倍频聚变等离子体美国Nova激光聚变装置1985年建成，10路聚变等离子体86美国国家点火（NIF）激光聚变装置2003年建成,192束180万焦耳，3纳秒500TW，近紫外光聚变等离子体美国国家点火（NIF）激光聚变装置2003年建成,19287激光聚变电站聚变等离子体激光聚变电站聚变等离子体88国内有关装置环流器1号环流器2号国内有关装置环流器1号环流器2号89神光II、星光II激光聚变装置神光II、星光II激光聚变装置90空间等离子体形态空间天体等离子体重联区域空间等离子体形态空间天体等离子体重联区域91北极光空间天体等离子体北极光空间天体等离子体92星系：巨大的聚变反应堆

空间天体等离子体星系：巨大的聚变反应堆空间天体等离子体93总结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。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。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。总结等离子体科学涵盖了受控热核聚变、低温等离子体物理及9418—2光导纤维光纤通信系统特点大宽带信息容量大，可用于宽带、高速通信中继距离长低传输损耗，中继距离长，减少线路设备量和成本抗电磁干扰可用于强电磁干扰环境下的通信无串扰没有感应和辐射，不产生串扰，保密性好线径细重量轻便于敷设和空间的利用节约金属材料二氧化硅丰富，节约金属材料18—2光导纤维光纤通信系统特点95一.光纤光纤是“光导纤维”的简称,是一种介质园柱光波导。光波导：能够约束并导引光波在其内部或表面附近沿轴线方向传播的传输介质。按其截面形状可分为：平板波导、矩形波导、园柱波导。一.光纤96光纤的结构光纤波导是以各种导光材料制成的纤维丝，其基本结构包括：纤芯和包层。

纤芯：高折射率，光波的传输介质

包层：较低折射率，与纤芯共同组成光波导，形成对传输光波的约束作用。在正常情况下，大部分光能沿纤芯传输，在包层中也有沿径向衰减的光波存在。因此，光纤的纤芯和包层材料都必须是低损耗的。