从宇宙起源到纳米光学——等离子体科学及其应用.ppt

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 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？ 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 Ejection ? 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）；+ Kuafu （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 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：防精确打击 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