低温等离子体低温等离子体.doc

文章一 定义　　低温等离子体是继固态、液态、气态之后的物质第四态，当外加电压达到气体的着火电压时，气体分子被击穿，产生包括电子、各种离子、原子和自由基在内的混合体。放电过程中虽然电子温度很高，但重粒子温度很低，整个体系呈现低温状态，所以称为低温等离子体。低温等离子体降解污染物是利用这些高能电子、自由基等活性粒子和废气中的污染物作用，使污染物分子在极短的时间内发生分解，并发生后续的各种反应以达到降解污染物的同的。 等离子体物理理论《等离子体物理理论》是中国科学技术大学等离子体物理专业本科生的专业基础课，授课对象是已经选修过《等离子体物理导论》的高年级本科生。作为专业基础课，《等离子体物理理论》的讲授内容自然应该比《等离子体物理导论》更深一些，但毕竟是为本科生开设的课程，又不能过于专门化。等离子体物理是现代物理学中的一门交叉学科，它自身并没有什么特别的基础理论，它的基础就是经典力学、电动力学、流体力学、统计物理，以及动理论等物理学基本理论。等离子体存在的参数范围非常宽广，想要了解和掌握等离子体的性质，就必须从各个不同的角度来研究等离子体的各种性质，为此，需要灵活地运用物理学基础理论并采用适当的方法来处理和解决等离子体物理的各种问题。根据以往的教学经验，学生们在学习过程中常常会遇到两个困难：一是如何将所学到的基础物理理论灵活地运用于等离子体物理学；二是如何采用适当的近似方法来简化复杂问题，使之能够解析处理，从而得到定量或定性的结果。基于这样的看法，再结合自己对等离子体物理的体会，我从众多的参考书中摘取了部分内容，经过多次讲授，逐渐汇成了这本讲义，供上课的同学参考。讲义涵盖了等离子体的单粒子运动理论、等离子体的流体力学描述、等离子体的热力学性质以及等离子体的动理学理论等内容。目前讲义共分为十二章，其主要内容如下。　　第一章是绪论。我们首先介绍了等离子体的研究内容和研究方法。受控聚变、空间物理和低温等离子体应用是当前等离子体物理研究的热门领域，而计算机技术的高速发展，使数值模拟成为等离子体物理研究的三大支柱之一。为方便同学们使用讲义，我们在这一章还给出了一些等离子体物理方面的参考书目、矢量微积分、曲面微商、高斯单位制与国际单位制之间的转换关系等内容。　　尽管等离子体存在的参数范围极为宽广，但刻画等离子体基本性质的参数却不多，这些参数是描述和理解等离子体行为的出发点。在第二章，我们介绍描述等离子体基本性质的若干重要基本参数，并对等离子体进行分类。　　当等离子体充分稀薄时，在短时间尺度内，我们可以忽略电荷之间的相互作用，仅考察单电荷在外场中的运动就可以得到高温稀薄的若干重要基本性质，这就是所谓的单粒子轨道理论。在第三章里，我们用了相当大的篇幅回顾了拉格朗日力学和哈密顿力学在解决单粒子运动问题方面的应用。这样做的一个目的就是让同学们重新温习经典力学。在接下来的第四章里，利用经典电动力学的辐射理论，我们在电荷运动轨迹已知的前提下考察等离子体中的若干辐射现象，详细计算了等离子体中的轫致辐射、磁化等离子体的回旋辐射以及电磁波在等离子体中的汤姆逊散射。　　我们可以将等离子体中的粒子作无限分割，同时保持等离子体的能量密度、质量密度不变，这样等离子体可以视为连续流体。在第五章中，我们给出等离子体流体力学描述的方程组。在第六章中，我们用理想磁流体力学方程来研究等离子体的若干宏观缓变性质，主要是等离子体的磁流体力学平衡和稳定性。　　等离子体也是一种特殊的电磁介质，当然必须满足电磁介质的一般性质。在第七章里，作为讨论等离子体波的基础，我们讨论了电磁介质的一般性质，主要讨论了描述介质电磁响应的介电函数的一般性质，这些性质是等离子体必须满足的。在第八章，我们在流体理论的框架内在讨论等离子体中的线性波。　　等离子体中的非线性波动现象在等离子体物理学中占有重要地位。在第九章中，我们在流体理论的框架内讨论了等离子体中若干种非线性现象，主要有非线性朗谬尔振荡及波破、相对论性电磁波，以及离子声孤立波，等。　　电磁波与等离子体相互作用是激光聚变研究中的重要研究课题。第十章中，我们对电磁波在等离子体中的传播、参量不稳定性，以及尾波场的产生等问题进行了简要的讨论。　　等离子体是带电粒子组成的多粒子系统，其热力学性质曾经是统计力学的一个重要研究对象。在第十一章里，我们对等离子体的热力学性质进行了讨论。通过近似求解双粒子分布函数，我们可以得到高温稀薄等离子体的各种热力学量相对于理想气体的偏离。　　对等离子体的最完全描述的理论应该是动理学理论。动理学理论研究的是系统微观粒子的分布函数的演化。它构成了等离子体的微观描述和宏观描述之间的桥梁。我们在第十二章里给出等离子体动力学基本方程，并讨论等离子体物理中最著名的现象：朗道阻尼。　　本讲义从头至尾采用了高斯单位制