等离子体物理

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等离子体物理范文第1篇

关键词:等离子体物理，汤姆孙散射，动力学形状因子，等离子体参数

Thomsonscattering:apowerfuldiagnostictoolofplasmaphysics

ZHENGJianYUChang\|Xuan

(KeyLaboratoryofBasicPlasmaPhysics,ChineseAcademyofSciences,DepartmentofModernPhysics,UniversityofScienceandTechnologyofChina，Hefei230026,China)

AbstractThomsonscatteringistheprocessinwhichalow\|energyphotonscattersfromafreeelectron.Whenalaserpulsepropagatesthroughaplasma,thespectrumofthescatteredlightduetotheThomsonscatteringisproportionaltothepowerspectrumoftheelectrondensityfluctuations,i.e.,dynamicformfactor,fromwhichvariousplasmaparameterscanbeinferred,suchaselectrontemperatureandplasmaflowvelocity.Afteryearsofdevelopment,Thomsonscatteringhasnowbecomeapowerfuldiagnostictoolofplasmaphysics.

Keywordsplasmaphysics,Thomsonscattering,dynamicformfactor,plasmadiagnostics

1引言

精确测量等离子体的状态参数是深入研究等离子体物理过程的基本前提之一.对于高温高密度的等离子体，由于受到可接近性的限制，实验室常用的主动诊断手段（如探针）是无法接近需要探测的等离子体的.当然也有其他被动诊断方式可以提供众多等离子体参数的测量手段，如X射线能谱测量.相对被动诊断手段，汤姆孙散射作为一种主动诊断手段有其独特的一面：它可以高时空分辨地测量等离子体参数，且实验结果的解释相对简单，即散射光谱以比较直接的方式与等离子体参数有关.后者特别重要，因为有些诊断方法严重依赖于对实验数据的解释和处理，导致获得的等离子体参数的置信度较低.经过多年的发展，特别是由于激光技术以及高速高灵敏度探测器的进步，汤姆孙散射已经逐渐演化成为惯性约束聚变等离子体的标准诊断手段，成为精确研究等离子体行为的强大工具.

2汤姆孙散射的基本原理

汤姆孙散射是低能光子（光子能量远远小于0.511MeV）与低能自由电子之间的弹性散射.该过程的经典物理图像是，在入射电磁波场中振荡的电子发射电磁波——散射电磁波.若电子有一运动速度v，散射电磁波的频率将不同于入射电磁波的频率，其差别为

这里k=ks-k0是散射波的波矢与入射电磁波的波矢之差，称为散射差矢.由这个简单的公式可以看到，散射电磁波携带了电子的运动信息，这就是汤姆孙散射可以用来诊断等离子体的基本原因.当然，当我们采用汤姆孙散射诊断等离子体时，我们测量到的散射光谱来自许多电子产生的散射电磁波的相干叠加.叠加的结果是，散射光谱与电子密度涨落功率谱成正比，d2PdωdΩ=NeI0r2esin2θS(k,ω)

这里S(k,ω)就是所谓的动力学形状因子，它是电子密度涨落自相关函数的谱密度；I0是入射电磁波的功率密度；Ne是发生汤姆孙散射的电子数；re是经典电子半径；θ是入射电磁波的极化方向与散射波矢之间的夹角.若电子彼此之间是完全无关的，那么散射光谱就是各个电子散射光谱的简单相加，此时散射光谱反映了电子在散射差矢方向上的速度分布.若等离子体中存在集体运动，电子之间不是彼此完全相互无关的，干涉效应会导致散射光谱在相应于等离子体集体运动模式的频率和波矢处出现尖锐的极大值.对于无磁化的等离子体，我们知道等离子体中的集体运动模式有两个：高频的电子等离子体波和低频的离子声波.这两种集体运动模式的色散关系为

ω2epw=ω2pe(1+3k2λ2De),ω2ia=11+k2λ2DeZTemi+3Timi,

这里ωpe是朗谬尔振荡频率，λDe是电子德拜长度，Te,i是电子/离子温度，Z是离子电荷数，mi是离子温度.经过适当的实验安排，以满足k2λ2De1，那么我们就能够从散射光谱中获得电子密度ne以及电子密度与离化态乘积ZTe的信息.此外，散射光谱的宽度与集体运动模式的阻尼有关，而阻尼也取决于等离子体的状态参数，因此通过散射光谱的宽度，原则上也可以推断出等离子体的参数.例如，通过电子等离子体波的散射光谱的宽度，可以测量电子温度Te.

3汤姆孙散射实验结果

中国科学技术大学基础等离子体物理重点实验室的研究小组与中国工程物理研究院激光聚变研究中心的同事们同心协力，先后在“星光II”装置［1—3］和“神光II”装置［4,5］上完成了汤姆孙散射实验.图1是“星光II”装置上的实验安排示意图［3］.实验中，我们采用波长为351nm的激光脉冲辐照金平面靶，产生等离子体,采用波长为526.5nm的激光脉冲作为汤姆孙散射探测束.主激光的能量在100J左右，探针束的能量在10J左右.

我们得到的典型汤姆孙散射光谱如图2(a)所示.由于采用了具有高时间分辨的探测设备，得到的是随时间的演化汤姆孙散射光谱，由此我们可以得到等离子体参数随时间的演化.

在“神光II”装置上，我们进一步利用汤姆孙散射测量了腔靶等离子体的状态参数［5］.实验安排如图3所示.在圆柱形腔靶的侧壁上，我们开设了一个探针光注入口，散射光由圆柱的端面出射.由于封闭的几何位形，腔靶内等离子体的离子温度一般要远远高于平面靶产生的等离子体的离子温度.导致汤姆孙散射光谱严重展宽，以至于两个离子声波散射峰融合，如图4所示.

4总结

本文回顾了中国科学技术大学等离子体物理学科点在汤姆孙散射方面的实验研究工作的主要结果.对于该项诊断技术的掌握，使我们对激光聚变等离子体的演化有了更加深入的了解，有助于我们精确预言激光等离子体的行为.

致谢本文报告的工作是多人共同努力协作的结果.作者对以下人员的贡献表示感谢：白波、王哲斌、蒋小华、李文洪、刘永刚、曹柱荣、丁永坤、郑志坚等，同时感谢中国工程物理研究院激光聚变中心的制靶人员，“星光II”装置全体运行人员，以及“神光II”装置全体运行人员.

参考文献

［1］BaiB,ZhengJ,YuCXetal.Chin.Phys.Lett.,2001,18：936

等离子体物理范文第2篇

关键词：量子等离子体中波 色散关系 朗道阻尼 研究

中图分类号：O534 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2017）02-0158-02

一、等离子体的应用

当前人们对等离子体的物理发生过程，以及相关机理等进行深入的探讨和研究，很多领域已经成功应用了等离子体，如微电子、化工、环保等领域，而且还形成了一个新兴的工业，即等离子体处理工业。等离子体应用在平板显示屏中可以显示屏具有高解析度，变得更加细巧。等离子体另外可以利用化学、物理沉积技术形成一种新型功能的薄膜材料。等离子体应用在微电子工业中可以利用等离子体刻蚀技术加工超大规模的集成电路。等离子体在化工工业中的应用则是表现在，利用等离子体聚合技术制备高分子薄膜材料。另外其在制造微电路、冶金、微波源等方面都有着广泛的应用。

二、量子等离子体中波的色散关系

1.量子等x子体中波色散关系的理论依据

等离子体是一个统计系统，它是由大量带电粒子构成的集合。部分电子被剥夺后的原子以及原子被电离之后所产生的正负电子，进而形成了离子化的气体状物质。光学的色散现象最早是牛顿在1666年所提出，自此人们对色散现象进行了更加深入的研究。物质运动形式中波动现象比较常见。而波动过程则具备了明显的时空特性。这种特性可以用波矢量k和角频率ω表示，色散关系就是一种表示角频率与波矢量之间的函数关系，也就是ω=f（k）。利用这个函数关系可以将波动的时间特点和空间特点更好的联系起来。但是如果波在通过一定的介质时，ω/k=常数，此种情况下的介质就代表的是非色散介质。非色散介质可以使不同频率的波具有相同的相速度，此时不会发生色散现象。但如果ω/k≠常数，这种波则表示色散波，相应的介质则被称作是色散介质[1]。

2.量子等离子体中波色散关系的研究现状

等离子体是由带电的离子构成的气体。经典等离子体一般存在着三个方面的力，分别是磁力、热压强梯度和磁力。在等离子体中，热压强会引起相应的声波，除此之外也会产生各种电磁波和静电波，或者是这两种波的混合体。研究等离子体中波色散关系对于深入了解量子等离子体的物理性质具有重要的意义。量子等离子体中的量子效应在离子间和带电粒子德布罗意波长之间的间距想当时，会对等离子体动力学研究具有重要价值。研究量子等离子体中波的色散关系，可以使用相关方程进行深入研究。

公式（4）是等离子体色散关系的一般表示形式，Ren等相关的学者以量子流体力学作为研究基础，近似的研究出了量子等离子中波所呈现的色散关系，但是量子流体力学也有一定的局限性，它对粒子热运动对波动过程所产生的影响无法进行有效处理，所以这种理论近乎已经失效，为了可以对量子等离子体中波的色散关系进行更加准确的描述，研究者开始寻找新的理论，之后采用动力学理论来研究量子等离子体中波的色散关系，动力学理论与量子流体力学相比更具有可行性。动力学理论中对于无碰撞等离子体中粒子的行为用函数来表示，分别是fα（r，v，t）动力学方程如下：

对于普通的经典等离子体，公式（5）中的F所表示的就是电磁力，F=qα（E+V×B）。但是对于量子等离子而言，除了需要考虑到普通的电磁力之外，还需要考虑到量子力，此种情况下需要引入到新的因素，即量子势。关于量子势的相关概念有Bohm提出，其量子等离子体中离子分布的函数方程如下所示：

在公式（6）中，Bohm所提出的量子势是用h2/2m2Δ{ Δ }进行表示的。在这个公式中可以体现出量子势对量子效应的贡献。对于电子等离子体波和高频的电磁波，电离子相应的难度比较大，它们构成比较均匀的正电荷。在不考虑外加电流和电磁场以及相应的电荷密度情况下，可以得到量子等离子体的线性方程：

根据以上公式的汇总，可以发现量子效应可以对电子等离子体波的色散关系进行一定的修正，但是对于不同的电磁波会产生不同的作用。比如对于电磁波的横波不会产生影响，但是对于纵波则会产生量子效应[2]。在本次对量子等离子体中波的色散关系研究中所采用的是动理学理论，其更加精确，在具体的研究过程中还考虑到了粒子热运动对波动过程所产生的影响，所以需要在研究的过程中使用到长波段电子的等离子体波朗道阻尼率[3]。

在公式（10）中，德拜波数用KD表示，而公式（10）右边的第一项也就是朗道阻尼率，而公式右边中的第二项则是表示量子效应对朗道阻尼率的修正情况。

三、朗道阻尼相关研究

1.朗道阻尼研究现状

1946年朗道提出了朗道阻尼，指出朗道阻尼属于一种无碰撞的阻尼，它是通过共振进而引起的阻尼。最开始人们并不愿意相信朗道阻尼的存在，指导后来朗道阻尼在物理学上被证实提出和证实，此时人们才普遍接受朗道阻尼的存在。Dawson是第一个站在物理学角度提出朗道阻尼的人，为其以后的发展奠定了理论基础[4]。

在粒子和波发生了共振作用之后，波本身所具有的能量就传递给了粒子，而且两者在经过共振的作用之后，波的振动幅度不断增加，能量也到很大程度的增加，此时不稳定特征就被激发起来了。在物理学上，朗道阻尼是一种比较重要的现象，其产生的原因主要是朗道工作上的一个不足。当时朗道提出朗道阻尼理念时，人们并没有立刻接受，而是只把它当做是一个简单的数学结果，但是在这个理念沉寂十五年之后，Dawson从能量角度给出了和朗道相同的表达式，这就极大程度上证明了朗道阻尼现象是却是存在的，消除了人们对其存在性的怀疑。

2.朗道阻尼的具体内容

关于朗道阻尼的具体内容有不少学者进行了专门的研究，本文关于朗道阻尼的研究以Bingham在1997年的研究成果为基础，进而研究量子效应对朗道阻尼所产生的修正作用。Bingham指出光子的朗道阻尼是由于热辐射所引起的，而且发现光子的行为和粒子的行为十分相似。

根据一系列的方程计算，可以得到以下结论：若是不考虑波和粒子相互作用对波动过程产生的影响，依据动力学方程所得到的结果和依据量子流体动力学方程所得到的结果是一致的，量子效应可以使朗道增长，使光子朗道阻尼系数得到进一步的减少。

四、讨论和结论

本文将以实验室研究为条件，进而确定等离子体的相关参数，以此来估算量子效应所产生的贡献。温度控制在300K，电子数密度则是控制在n0-1019cm-3，文中图一所表示的是量子效应对朗道阻尼和电子等离子体波频率的修正曲线。图中的实线所表示的是量子效应对电子等离子体波频率的修正效果，而虚线则表示的是对朗道阻尼系数的修正效果。根据图1量子效应的修正效果来看，其对于朗道阻尼的修正可以达到δ-10-4.具体修正效果如图1所示：

总结

随着学者对等离子体的研究进一步深入，对其有了更加深入的了解，为等离子体在人们生活和生产中的具体应用奠定了理论基础。本文首先对等离子体的产生和应用进行论述，继而对量子等离子中波的色散关系和朗道阻尼问题进行了详细阐述。最后以实验室验证所得结论。等离子体作为新兴起的研究领域，已经引起了人们的广泛关注，相信随着科学技术的不断进步，量子等离子体会在以后的生活中得到更大范围的应用。

参考文献

[1]陈小昌. 非广延分布等离子体中波的色散特性及完全Zakharov方程研究[D].南昌大学，2014.

[2]邱慧斌. 非广延尘埃等离子体中朗道阻尼及不稳定性研究[D].南昌大学，2013.

等离子体物理范文第3篇

【关键词】大气压等离子体射流 空气放电 便携 射流阵列

从1996年美国弗吉尼亚老道明大学的Laroussi M博士首次提出大气压等离子体射流可用于医学杀菌以来，对大气压等离子体射流装置的研究和改进受到了人们的格外的关注。与传统的低气压放电相比，大气压等离子体放电具有更加广阔的应用前景，由于它是在大气压下放电，所以去除了昂贵且极其繁琐的真空系统，这使得它的应用成本大大降低。同时传统低气压放电的放电间隙仅限于毫米到几厘米量级，会使得狭小空间内的带电粒子的活性和寿命受到巨大的影响，而且处理样品的尺寸也受到巨大的限制，这使得早期的等离子体射流无法得到广泛的应用，仅仅停留在实验室阶段。大气压等离子射流可以直接接触皮肤，有很强的安全性，在材料、医学、环境、化工等领域也都得到了应用。在国内，华中科技大学的卢新培教授制作了世界上唯一一种能放入牙齿根管内对根管进行杀菌的等离子体射流装置。在国际上，一些学者用其来处理慢性感染伤口和皮肤的螨虫。

最近几年，研究者们开始对等离子体射流进行大尺度的扩展，以多个小尺度的射流为基本单元，通过不同的排列方式，可以得到更大面积的等离子体射流，成为射流阵列。因为射流阵列具有更大放射面积，等离子体射流阵列可以适应不同面积和不同体积的处理对象，更加灵活而且使用。本文主要介绍了一种便携式大气压等离子体射流阵列，本装置电路结构简单，便于携带和使用，同时输出使用了阵列结构，更加具有实用性。

1 作品结构及设计

1.1 总体介绍

该便携式空气等离子体射流阵列的外观是手电筒形，内部电路全部放入了电筒外壳中，发射部分由3*3阵列组成，可以发射出均匀的等离子体射流。整体小巧、便携，改善了以往发生装置过于复杂，庞大的问题，更加有利于等离子体射流装置的普及和推广。本作品无需外接电源电路和放电气体供气系统，重量较轻（≤5kg），尺寸较小（≤20cm×8cm×5cm），能够在开放的空气环境中产生较为均匀的大面积（≥2.25cm2）大气压等离子体射流。本项目采取仿真模拟、实验研究和理论分析相结合的方式，通^研制电源与中间电路、测量放电等离子体电气特性和探讨电路参数对等离子体射流的影响，做出符合要求的大气压等离子体射流装置，电路参数将经过理论的计算和反复的调试更加精确。

1.2 电源模块

供电模块首先采用一个交流220V转交流17V的变压器，然后通过一个整流、滤波模块，该模块采用优质、高效的整流二极管和大容量、高耐压值的电容，最后为稳定输出又采用高效的三端稳压器 LT1083CP得到稳定的17V直流电压。为了便于调节输入电压，进而改变等离子体射流的强弱，在该模块后又添加了一个可调的DC―DC降压模块，该模块通过精密可调电阻实现1.25V―36V连续可调，并通过数码管实时显示输出电压的数值，保证了整体装置的稳定性。

1.3 升压模块

本模块是一个ZVS驱动电路，用来驱动高压包，功率大、发热低、可靠性高，电压约为输入电压的800倍左右。采用IRFP260N为功率管，电流大、内阻小、功率超强。然后输出又通过二次升压高压包，进一步升高电压，最后在得到高压的次级电压。

1.4 射流阵列模块

传统的等离子体射流装置产生的等离子体体积小，不适合大面积处理。对单极的射流进行一维、二维上的扩展形成阵列结构（图d），可产生大面积等离子体，具有更强的处理灵活性和实用性。本装置通过升压模块得到的次级电压，最后接一直径为2cm厚度为1mm的金属圆盘，在圆盘上有序放置9个长度为4cm的金属针，用来实现等离子体射流。为了使输出的等离子体射流更加弥散和均匀，在升压模块和放电电极之间又加了一个5MΩ的玻璃釉电阻，使整个电路更加稳定。

2 实验测试结果分析

本装置的升压模块采用ZVS驱动模块，ZVS驱动电路的最低驱动电压为12V，所以实验测试从14V开始测试，当电压比较小时，等离子体射流很弱，逐渐升高电压，在22V左右时本装置可以输出最强的等离子射流，此时的射流仍会有伴有很少的丝状放电。在固定输入电压为23V时，输出电阻选取5MΩ的玻璃釉电阻时，可以得到最强的等离子体射流，并且此时放电更加均匀，更加弥散。

3 总结与展望

本文首先说明了大气压等离子体射流的研究背景，总结了不同发射装置的优缺点，为了改善传统的发射装置的弊端，本文介绍了一种新型的等离子体发生装置，并给出了部分电路参数的实验室数据。本装置与传统大气压等离子体射流装置相比，具有电路结构简单，无需强气流把等离子体吹出，便携等优点，输出能够基本达到要求。但是在输入电压变化的情况下，输出的等离子体仍会伴有很少的丝状放电，而且因为是在空气中直接实现射流，所以射流的长度受限，因此有必要针对这些问题，展开进一步的研究，不断完善装置，以达到更好的效果。

参考文献

[1]张冠军，詹江杨，邵先军等.大气压氩气等离子体射流长度的影响因素[J].高电压技术，2011，37（06）：1432-1438.

[2]董丽芳，毛志国，冉俊霞.氩气介质阻挡放电不同放电模式的电学特性研究[J].物理学报，2005.54（07）：3268-3272.

[3]尹增谦，柴志方，董丽芳等.大气压氩气放电中的斑图形成[J].物理学报，2003，52（04）：925-928.

[4]罗海云，冉俊霞，王新新.大气压不同惰性气体介质阻挡放电特性的比较[J].高电压技术，2012，38（05）：1070-1077.

[5]布卢姆.脉冲功率系统的原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2008.

等离子体物理范文第4篇

Abstract： Taking into account the quark-gluon plasma temperature changes with time， the rapidity distribution of dilepton production in the quark-gluon Plasma is derived， according to the Bjorken fluid dynamics model.

关键词： 夸克-胶子等离子体；双轻子；快度

Key words： quark-gluon plasma；dilepton；rapidity

中图分类号：O53 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）24-0219-01

1 温度不变情况下的双轻子产率

夸克-胶子等离子体是一种新的物质形态，是物理学研究的一个热门的前沿问题。这种新的物质形态可能在极高温度条件存在，但是一旦产生便会迅速冷却膨胀，恢复到强子态，因此实验无法直接观测，人们只能通过研究其冷却后的产物来认识它。夸克-胶子等离子体冷却后，正反夸克湮灭能够产生双轻子。文献[1]研究了温度为T的等离子体中双轻子的产率。利用正反夸克湮灭产生双轻子的反应截面，考虑动量分布满足玻尔兹曼分布e-E/T的夸克-胶子等离子体，在假设夸克和轻子的质量为零的情况下，双轻子的产率与等离子体温度的四次方成正比，即：

■=■ （1）

然而，这一结论是在假设等离子体温度不变的情况下推导出来的，在实际等离子体中，温度是随固有时间而降低的，我们必须考虑温度变化的因素。

2 考虑温度变化时的双轻子产率

温度随固有时的演化，普遍认为遵循Bjorken的流体动力学模型[2]，设T0为初始固有时τ■重离子碰撞形成的等离子体的初始温度，在固有时τc时，温度降至相变临界温度Tc。若固有时τ>τc，即温度低于Tc，系统将不再处于等离子体相而处于混合相。在Bjorken模型中，温度T由下式决定：T（τ）=T■■■ （2）

利用这一关系式，我们可将固有时从τ0到τc积分，从而得到等离子体相产生轻子对的全部贡献[3]。为此，我们写出四维时空体积元为[4]：d■x=dx■τdτdy

其中，τ表示固有时；y表示快度变量：y=■ln■

dx■为横向面积元，对dx■积分得πR■■，为等离子体的横向面积，其中RA为碰撞核半径.因此，（1）式变为：

■=■ （3）

为了计算方便，同时也为了在最后结果中用更能说明热力学性质的变量T0，Tc代替固有时变量τc，我们把积分变量τ换成T，根据（2）式，有：dτ=-3τ■T■■T■dT，

代人（3）式，对温度积分，积分限取T0到Tc，即：

■=-■■T■dT

最终结果为：

■=■T■■T■■-T■■ （4）

从上式我们看出，高能碰撞形成的夸克-胶子等离子体中产生双轻子数对快度的分布与核半径平方成正比，与初始固有时平方成正比，与等离子体初始温度和等离子体临界相变温度有关。并且可以看出，等离子体的初始温度T0越高，临界相变温度Tc越低，产生的轻子对数就越多。如果人们能够测定来自于夸克-胶子等离子体相的双轻子分布，将有助于揭示等离子体相的热力学性质。

参考文献：

[1]王栋，李剑波.夸克-胶子等离子体中的双轻子产率[J].广西工学院学报，2010，3：67-69.

[2]J.D.Bjorken， Highly relativistic nucleus-nucleus collisions： The central rapidity region[J].Phys.Rev.D27，140（1983）.

等离子体物理范文第5篇

【关键词】等离子体；隐身技术；电磁波

一、等离子体概述

等离子体是气体电离形成的第4态物质，具有数密度近似相等的自由电子和正离子。由于未电离原子、分子对电子的吸附，在等离子体中也有少量负离子。在电离度低于10-4的弱电离等离子体中，中性粒子占绝大多数。高空核爆炸、放射性核素的射线、燃料中掺有铯、钾、钠等易电离成份的火箭和喷气飞机的射流、高超音速飞行器的激波以及电弧放电和微波，可以形成弱电离等离子体。等离子体是不同于空气的另一种媒质，对电磁波的传播有很大的影响。在一定条件下，等离子体能够反射电磁波；在另一条件下，又能吸收电磁波并能改变电磁波的传播方向。它还能造成射频信号频谱离散和假调制，所以等离子体成为新型电子干扰和隐身物质[1]。

二、等离子体隐身技术的优点

吸波频带宽、吸收率高、隐身效果好、使用简便、使用时间长、价格极其便宜；由于等离子体是宏观呈电中性的优良导体，极易用电磁的办法加以控制，还可以扰乱敌方雷达波的编码，使敌方雷达系统测出错误的飞行器位置和速度数据以实现隐身无需改变飞机等装备气动外形设计，由于没有吸波材料和涂层，维护费用大大降低；俄罗斯的实验证明，利用等离子体隐身技术不但不会影响飞行器的飞行性能，还可以减少30%以上的飞行阻力。改变了常规隐身技术的被动实现手段，采取主动控制方法实现隐身，使隐身系统便于维护。等离子体的隐身效果随雷达波波长的增加而增加，而涂层隐身材料的隐身效果随波长的增加而降低。这种隐身技术不仅解决了吸波涂层厚度和质量方面的局限性，具有吸波频带宽、吸收率高、隐身因素多且效果好等优点，而且能满足高反射局部需求，尤其适用于导弹的隐身。

三、反等离子体隐身技术原理分析

如果目标采用等离子体发生器来生成等离子体，发生器部位将无法隐身。采用多基地雷达或无源雷达的合理部署，将可能利用这个部位散射的电磁波而发现目标。目标的通信、导航、敌我识别、雷达及电子干扰机等电子设备总会在一定时间、一定空域辐射出特定的电磁信号。若部署一定数目的无源雷达，将会接收到这些电磁信号，就可以对目标进行探测、定位和跟踪。飞行器在空中飞行时，都会对电视、调频广播讯号的传输产生扰动，如果无源雷达对这种扰动而产生的讯号混乱情况进行连续的侦测，那么只要有电视、广播信号存在，无源雷达就可以将隐身目标识别出来。从探测系统来分析光电探测设备是工作在可见光频段的电子设备，其工作频率比较高，比常用的雷达工作频段要高得多。等离子体对可见光的吸收非常小，因此可使用光电探测设备来有效地探测等离子体隐身目标。若光电探测设备和双多基地雷达、无源雷达、脉冲冲击雷达等组成多方位、多频段的探测网，则探测效果会更好。

四、等离子体隐身技术的应用

（一）用于弹道导弹中段隐身

弹道导弹在助推段末段实现弹头与弹体的分离后，处行中段的弹头在飞行过程中将会长时间暴露在雷达的监视之下，不对其进行隐身处理，势必会增大其被拦截的概率。通常采用的方法有利用假目标从波幅和形体等方面来模拟真弹头的目标特性，以及千方百计阻止雷达取得弹头的目标特征信息，并破坏其形成特征信号的规律。由于利用假目标逼真地模拟真弹头难度较大，通常采用后一种方法，即采取一定的措施衰减入射的雷达信号，使反射信号变得十分的微弱。利用等离子体实现弹头隐身在弹头的表面粘贴放射性同位素涂层，并利用充有特殊气体的椭圆形气囊将弹头前部包裹起来，这样可利用同位素射线来电离气囊内的气体形成等离子体。放射性同位素应选择发射极少量或不发射 β，γ 射线而只发射 α 射线的元素，如 Po210和 Cm242 。因为α 射线与另两种射线相比，电离能力最强而对人体辐射影响最小。同时，同位素的半衰期不宜太短，否则会增加维护费用。气囊内的气体宜采用易电离且化学物理性能稳定、对气囊和弹头表面无腐蚀的气体，如惰性气体 Ar，Xe 等[2]。

（二）用机隐身

飞机的等离子体隐身技术是目前等离子体隐身应用研究最热门的方面，世界各军事强国均为此投入了大量的人力物力，并已经取得了一定的成果，开始转入实用化阶段。飞机的等离子体隐身主要是针对其前向的RCS值，即减弱机头方向的雷达、座舱和进气道三大强散射元的散射，同时应考虑其正下方、后方和侧面散射。因为外挂武器会极大地增加飞机下方对雷达波的反射，飞机后方的尾喷口也是强散射元，而当飞机处于敌纵深时其侧面反射的雷达波也会降低其生存概率。在进行飞机隐身设计时，可考虑在这些强散射元部位形成等离子体，即前向范围内的机头、进气口、机翼、平尾以及垂尾；下方的武器外挂处；侧向的机翼与机身、垂尾与后机身、后机身与平尾构成的角反射器等处。飞机隐身用等离子体可以根据位置的不同采用多种方法来实现。由于考虑到通信、导航以及敌方识别信号的传送，在机头方向应采用能适时产生等离子体的方法，如利用等离子体射流；在进气口和尾喷口，可以采用涂敷放射性同位素的方法；对于其它位置也可以采用等离子体射流或局部引入磁场、采用沿面放电等方法来产生等离子体[3]

参考文献：

[1]袁忠才，时家明，许波. 用于目标隐身的等离子体参数的选择[J].电子对抗技术，2004（3）：39-42.

[2]易瑔，梁新宇，等. 浅谈等离子体隐身技术在武器装备上的应用[J].火力与指挥控制，2006（6）：45-47.

[3]曹金祥.等离子体技术在军事中的应用[J]. 自然杂志，2000（1）：41-43

等离子体物理范文第6篇

【关键词】：地滚雷；监测预警；雷电防护；

[Abstract]: This paper explains the causes to rolling thunder, generating phenomena, physical function and harm, and makes a comparative analysis on thunderstorm, put forward lightning monitor and early warning method and lightning protection measures of rolling thunder, comprehensive prevention.

[Key words]: rolling thunder; lightning protection; monitoring and early warning;

引言

雷电是一种自然现象，其巨大能量所造成的轰鸣、强光和破坏，从古至今令人生畏而又难以预测。雷电能造成人员伤亡，能使建筑物起火、击毁，能对电力、电话、计算机及其网络等设备造成严重破坏。而且随着城市高楼大厦的崛起，雷电危害造成的损失越来越坏的情况有日益严重的趋势，中国每年有三四千人因雷击伤亡，造成财产损失50亿至100亿元。而地滚雷在雷击破坏中约占14%左右，尤其对建在高山上的通信、雷达、气象站，更应重点作好对地滚雷的防范。

一、成因分析

地滚雷也叫球形闪电、电光火球、球形雷等。球形雷是由某种特殊的带电流体形成的，它以一种发光球形出现，直径一般不超过30厘米，随着地面形状在低空滚动呈漂浮状态，持续时间大多只有几秒种，但它常会具有上千摄氏度的高温火焰，有数百万伏的电压，数千安培的电流。球形雷的发生概率较低，但其危害破坏作用大，而且无孔不入，可通过烟囱、门窗缝隙入室或沿线路穿孔进入室内，这种火球碰到人会造成人员严重的烧伤或死亡，对用电设备、电子产品极具破坏力。当它接触到某些可燃物体或可燃气体的时候,能够引起火灾爆炸，当它接触到某些金属物体时,甚至可以将金属部件熔化，造成严重破坏。

雷雨云中大量带有正负电荷的微粒分离，在云中形成若干个正负电荷中心。随着电场的增大,就会产生云层间和云地间的放电，使电介质-空气击穿，随即产生强大的电流，电流经过的通道产生高温等离子体，并将等离子激发至高能态放出强光，强电流传导通道就形成闪电，随着高温而产生的高压等离子体因急剧膨胀而消散，产生强烈的纵波向周围扩散造成巨大的雷声，这就是雷电产生的机理。

枝状闪电较为平常，而奇特的球状闪电则很少见。从目击者的描述来看，球形雷有许多奇异的特征。球形雷一般为球状，也有环状、柱状的，从拳头到脸盆大小的都有，往往呈橙黄色，像气球一样飘忽不定，但能逆风飘移，常伴有嘶嘶的响声；有的能量非常大，有热辐射效应，能灼伤人体、破坏建筑或引起燃烧；少部分能量很小，没有热感，像冷的物体一样；常有电磁效应，它喜欢沿着导体运动,能使电器设备烧毁短路。

球形雷既神秘又令人费解，目前有化学燃烧论、核反应论、射频论、等离子论等各种解释，由于球形雷比较罕见，目前难以进行实验研究验证，这些解释也只能是一些假说。但从大多数球闪有较强的电磁效应（比如仅使非金属中的金属熔化,容易使其所经之处停电）来看，这说明球形雷是等离子体的观点更为合理些。下面我们就运用电磁学理论结合等离子体特点分析球形雷形成的原因。

雷雨天气中积雨云层底部一般会积累大量的负电荷，并在地面感应出等量的正电荷，因此形成强大的电场。当电场强度达到能电离空气中的大量分子时，空气就不再是绝缘体，放电就要产生，地面和云层分别伸出带有正负电荷的火舌迅速汇合，在电火舌交汇之处产生强大的放电电流。根据安培环路定律该强放电电流必然同时产生强大的磁场。

闪电发生时主闪放电可达1万~10万安培，闪道半径一般为1~5厘米，闪电通道边缘的磁场强度最大，磁感应强度为2000~4000高斯，闪道内的磁场是内弱外强的，起到对等离子体的箍缩作用。

强大的电流使得闪道内的温度可达20000℃，必然使闪道内的空气形成腊肠等离子体，由于电火舌交汇处放电电流最为强大，此处的腊肠等离子体的截面最宽，根据等离子体的腊肠截断效应，腊肠截面较窄的等离子体容易消散，在火舌交汇点的等离子体最易存留。同闪电电流同时产生的磁场先于等离子体存在,磁场就固化在等离子体中。由于闪电电流是瞬间的放电电流，放电后电流必然很快消失，这时如果没有等离子体，其周围的磁场也必然同时消失，但由于等离子体的电磁特性，即便原磁场消失等离子体内也会产生环形感应电流，以保持原来体内的磁场分布，感应电流相当于环形螺线管电流，在内部产生磁场，此磁场应等于原磁场。由最大感应电流总和的数量关系式可知，球闪的内部电流最大可达16万~32万安培！由此可见等离子体内的环形感应电流总和可能十分强大，每个环形电流对其流经的等离子体都有箍缩作用，相邻的环形电流也有相互吸引作用，相当于两个N极S极相邻的小磁针，产生对整体的箍缩作用，箍缩力显然与感应电流强度成正比关系，由于感应电流强度很大，箍缩力就十分巨大，足以同等离子体内的高温膨胀力相平衡，形成天然的球状磁瓶式的等离子约束体，一般来说球闪直径应为闪道直径的2倍，当箍缩力较大时球闪体积就会变小些，当内部膨胀力较大时，球闪的体积就会变大些。由于感应电流的自然减弱，其对等离子体的箍缩力也会降低，但由于热辐射等离子体的压强也会随温度降低而下降，球闪在一定时间内是能够维持动态平衡的，因而体积不会发生明显变化，因此由高温等离子体组成的球形雷可存在10秒钟甚至更长时间。

等离子体物理范文第7篇

关键词： 表面等离子体共振（SPR）； 反射率曲线； Krestchmann； 持率

中图分类号： TN 253； TP 212.14文献标识码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2012.02.016

引 言

在油田开发生产中，持率是油井生产剖面评价的一个重要流动参数，可为优化油气开采方案及提高原油采收率提供科学依据。近年来国内外部分大型油田、高等院校及科研单位对油气水三相流的持率问题开展了广泛研究，取得了卓有成效的研究成果，部分已商品化。目前，测量持率的方法主要包括电容法、伽马射线法、光学法等[1，2]。其中，电容法和伽马射线法适用于低含水油井持水率检测。当前中国油田含水率超过80%，已进入高含水开采阶段。传统的电容法持水率计在高含水油井检测中存在准确性较差、分辨力低等缺点[3，4]；而低能源伽马射线持水率计普遍存在探测范围小、温度稳定性差、对人体伤害大以及环境污染严重等弊端，限制了两者的广泛应用。

表面等离子体共振（SPR）是发生在金属和电介质界面处由入射光场在适当条件下引发金属表面自由电子相干振荡的一种物理现象[57]。自1968年Otto[8]和Kretschmann[9]等人利用衰减全反射（attenuated total reflection，ATR）方法实现光激发表面等离子共振现象以来，棱镜耦合方式的角度调制型表面等离子体共振传感结构成为各国科研工作者关注的热点[1014]。因为表面等离子体共振传感器对附着于金属表面的介质折射率的微小变化极其灵敏，故可用于油水混合流体折射率的测量，极具开发潜力。但是，目前有关表面等离子体共振技术在油田测井领域的应用尚未见报道。现提出采用Kretschman型[9]表面等离子体共振传感器对油水持率进行室内实验研究的新思路，为其在油田测井方面的应用提供前期理论依据。

1 表面等离子体共振的原理

3 结果讨论与分析

4 结 论

文中采用磁控溅射方法在三棱镜表面沉积金膜，制作了Kretschman结构表面等离子体共振传感器，利用传感测试平台测量了不同浓度配比的油水介质的持率，获得主要结论如下：

（1）传感器棱镜的折射率对表面等离子体共振角有较显著的影响，共振角随棱镜折射率的增大而减小，变化规律与理论结果吻合；

（2）当油水介质体积浓度逐渐由5%、15%、25%、35%增大到45%时，表面等离子体共振曲线向右平移，共振角逐渐增大；

（3）不同配比的油水混合液中含油的体积浓度与共振角之间呈线性变化关系，通过含油浓度与共振角之间的图版，可对流体持率进行标定。

参考文献：

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[2] 郭海敏.CDB含水率计非一致性响应的原因及改进[J].测井技术，1993，17（2）：154-160.

[3] 刘军锋，郭海敏，戴家才.水平井油水两相产液剖面解释方法探讨[J].石油地质与工程，2006，20（5）：43-45.

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[6] FANO U J.Theory of anomalous diffraction gratings and of quasistationary waves on a metallic surface[J].Opt Soc Am，1941，31：213-222.

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[12] 牟海维，王宏瑾，王 强，等.表面等离子体共振理论仿真研究[J].光学仪器，2011，33（2）：1-6.

等离子体物理范文第8篇

【关键词】激光诱导等离子体；基本原理；研究进展

1.发展概况

激光诱导等离子体光谱分析（1aser-indueed plasma spectroscopy，简称LIPS）自1962年被报道以来，已被广泛地应用到多个领域，如钢铁成分在线分析、宇宙探索、环境和废物的监测、文化遗产鉴定、工业过程控制、医药检测、地球化学分析，以及美国NASA的火星探测计划CHEMCAM等，并且开发出了许多基于LIPS技术的小型化在线检测系统。

LIPS发展可以分为三个阶段：第一个阶段是至自1962年提出到70年代中期，主要是在于研发利用光电火花源产生等离子体的仪器。第二个阶段是从1980年开始，这种技术重新被人们重视，但实际应用仍然受到笨重的仪器阻碍。第三个阶段是1983年迄今，激光诱导等离子体光谱开始以缩写形式LIPS，开始被商业公司开发应用。这种趋势导致分析工作更加集中于发展坚固的、移动的仪器。此时光纤也被应用于LIPS系统中，主要用于将等离子体发射信息和激光脉冲耦合进光谱仪。[1]

近20多年来，LIPS测量技术在各个行业都有不同程度的应用。通过改进实验LIPS装置来提高测量精度。到上个世纪90年代中期开始，一些商业公司便开发出便携式半定量的成品仪器，LIPS仪器开始走向经济型商业化，从而更加有力地深入到各行业的应用中。[2]

2.基本原理

图1 等离子体演化示意图

脉冲激光束经透镜会聚后辐照在固体靶的表面，激光传递给靶材的能量大于热扩散和热辐射带来的能量损失，能量在靶表面聚集，当能量密度超过靶材的电离阈值时，即可在靶材表面形成等离子体，具体表现为强烈的火花，并伴随有响声。激光诱导的等离子体温度很高，通常在10000K以上，等离子体中含有大量激发态的原子、单重和多重电离的离子以及自由电子，处于激发态的原子和离子从高能态跃迁到低能态，并发射出具有特定波长的光辐射，用高灵敏度的光谱仪对这些光辐射进行探测和光谱分析分析，就可以得到被测样品的成分、含量等信息。通常经过聚焦后的激光功率密度达到GW/cm2量级，光斑处物质蒸发、气化和原子化后电离，形成高温、高压和高电子密度的等离子体。[3]等离子体的演化过程如图1所示。

图2 等离子体能级示意图

图2是等离子体能级示意图，能级分为3个区域：在原子的电离能以上的区域为能量连续区，对应电子的自由能级；接近电离能的下方为一准连续区，主要是由于Stark效应使得原子与离子的能级展宽，能级发生重叠所致，等离子体温度越高，电离程度越大，准连续区就越宽；在准连续区域以下对应得则是粒子的束缚能级。等离子体中的束缚―束缚跃迁产生元素的特征光谱，束缚―自由跃迁产生连续谱线。各种靶材激发等离子体所需要的激光功率密度不同，对于任一种样品，都有一个特定的激光功率密度值，当聚焦在样品上的功率密度达到或超过这个值后，才能产生激光等离子体，这个特定的激光功率密度值被称为这种样品物质的电离阈值。经研究发现，产生激光诱导等离子体的烧蚀域值一般都在MW/cm2量级上。如果入射激光能量密度小于电离阈值，无法烧蚀样品产生等离子体，只有当功率密度超过物质的电离域值时，才能形成高温、高压等离子体。在气体中，原子化需要的能量很少，能量主要用于激发，气体中电离的阈值比在固体表面略高，典型的等离子体温度在20000K以上。LIPS方法也可用于液体，在液体表面产生等离子体，若液体相对于激光波长透明，也可烧蚀液体内部长生等离子体。与气体中的等离子体相比，液体中等离子体衰减更快，出现谱线的加宽以及更低的等离子体温度，其数值通常在7000-12000K之间。LIPS技术还可用于空气中的悬浮粒子，这在环境监测上是很高的应用价值。让激光脉冲直接作用于气体，完成烧蚀，蒸发和激发，另一种处理方式，先让过滤器吸附粒子，再让激光脉冲作用与被吸附的粒子，这和激发固体样品过程相同。

3.基本特性

激光诱导等离子体在各科学研究领域应用的潜力越来越被人们所认识。了解和掌握等离子体的形成机理和基本特性，对于正确有效地运用其解决科研和生产中的实际问题，提高科学技术水平具有十分重要的意义。激光与物质相互作用与激光的特性（能量、脉宽、波长、焦斑大小）、材料的性能（光热性能）以及背景气氛和气压都有密切的联系，实验条件的改变对激光与物质相互作用过程会带来很大的影响。

尽管人们对激光诱导等离子体的形成、辐射、电子温度、电子密度、膨胀速度等方面进行了有意义的研究与探讨，取得了长足的进展，但是，全面准确地测定等离子体的基本特性尚需进行仔细的实验研究和理论分析。

4.仪器装置

典型的LIPS光谱探测系统主要由激光光源、光束传输系统、分光系统、信号接收系统、时序控制系统和计算机等组成。系统架构示意图如图3所示。[4]该系统的工作原理为：脉冲激光器输出的脉冲光束经聚焦透镜聚焦到样品表面，样品被烧蚀、蒸发、激发和离化后在样品表面形成高温、高压、高电子密度的等离子体的火花，辐射出包含原子和离子特征谱线的光谱；将等离子体光谱通过光纤导入到分光系统，分光系统后面的信号接收系统采集信号，将光信号转化成电信号输出；经数据处理电路进行滤波、放大、A/D转换、存储等处理过程，然后送入计算机进一步处理。经过上述步骤，即可完成整个光谱的采集过程。通常实验平台中引入时序控制系统，时序控制器控制激光脉冲发出和光信号检测之间的延迟时间，用于时间分辨光谱的研究和谱线信噪比的研究。

图3 LIPS系统示意图

（a）激光光源（b）脉冲激光头（c）反射镜（d）聚焦透镜（e）激发工作室（f）样品（g）光束传输收集系统（h）光纤（i）探测触发信号（j）分光系统（k）信号接收系统（l）电脑

5.应用方向

将激光技术应用于工业领域，在国内还是空白时，国外已经如火如荼的进行了。在9・11恐怖袭击后，美国军方开始将该技术应用于各种安检，快速检测分析疑似爆炸物。美国其他的研究机构（如Miziolek）还将该技术应用于持续检测地铁系统空气的成份。

5.1钢铁中元素检测[5]

J.Gruber和J.Heitz等利用LIPS技术，仅用了7s就对液态钢中的合金元素进行了快速、在线的分析了。同时提出根据监测信息远程控制冶金过程的指导思想。Yamamoto等利用LIPS方法对钢铁、土壤和尘埃等样品进行分析钢铁中微量重金属元素和Si的检测极限。另外提出长脉冲对分析固体样品更有利，高输出频率更适用于快速测量或者对大面积样品和不均匀样品的平均测量。Mateo等通过LIPS实验，绘制了不同等级不锈钢中夹杂物成分的空间分布图，同样利用上述方法绘制复杂岩石表面成分的空间分布图。

LIPS技术在冶金成分分析中也发挥出独特的作用。由于炼钢现场条件极其恶劣，伴随着高温、强扰动、高背景的干扰，大大增加了钢液直接分析的难度，而LIPS技术能够做到通过光纤远程传输光谱信号，达到远程在线监测的目的。

5.2 太空探测[6]

应用于星体（月球和火星）表面元素成份探测上有显著的优势：对目标的快速定位，快速采样和遥感探测：几分钟的短积分时间；多元素同步探测；用重复脉冲除去目标表面的尘土和风华层的表面清洁能力；pp量级的探测限和探测灵敏度；高探测精度和准确度：能够探测几乎所有元素（包括H元素）。这些优势综合起来可以使得登陆车在有限的工作时间里返回更多、更有效的探测数据，极大的提高了探测效率。

5.3 水、土、空气等污染领域

G.Arca和A.Ciucci等利用LIPS监测水污染，并对水中矿物元素进行了定量分析并给出定标曲线图。F.Capitelli和F.Colao等人用激光感生击穿光谱测量不同土壤中重金属的含量并与用ICP-AES的测量的平均值进行了比较得误差≤6%。L.Dudragne Ph.Adam和J.Amouroux等仅用20s的操作时间将LIPS定性和定量分析空气中的有害元素。给出了四个元素的检测限和相对精度。同时根据对各原子价态和电子跃迁分析估计出了各分子结构和浓度。利用激光诱导等离子体光谱分析技术的局部分析区域小、空间分辨率高、不破坏分析对象和能分析难溶物质等特点，LIPS在皮肤和骨骼测量、古艺术品鉴定等领域也有着长足的应用。[7]

6.研究进展

LIPS技术由于其自身具有的特点，特别是在其他分析方法无法满足工农业的需要时，受到越来越多的关注，更有不少科研工作者积极参与到这一领域来，推动这项技术向前快速发展。

6.1 国外研究进展情况

1960年世界上第一台红宝石激光器问世，两年后Brech和Cross就实现了固体样品表面的激光诱导等离子体，开启了LIPS技术的历程。1963年，调Q激光器的发明大大促进了LIPS技术的发展。从2000开始至今，每两年举办一次LIPS的专题研讨会，迄今为止已经成功举办了5次有关LIPS的国际会议，有力地促进了LIPS技术的发展。[7]

6.2 国内研究进展

国内的LIPS研究相对滞后些，近些年有更多的研究者关注这一领域，从事LIPS的基础研究和应用产品的开发，如对激光等离子体的产生机理，以及激光脉冲宽度，脉冲能量，环境气体成分，压强大小，延迟时间等试验条件对等离子体的影响等方面进行了一定研究。[8]

例如中国科学技术大学的李静等利用LIPS技术的内定标法对水溶液中的镁、钠、钾含量定量分析，发现各种元素的特征峰强度和含量间有很好的线性关系，测量不锈钢中的铝、锰、钴、镆和钛等微量元素，获得满意的实验结果，对定量化研究不同物质各种元素含量提供了很好的借鉴意义。[5]

钢铁研究总院姚宁娟等研制适用于冶金炉前样品的快速分析的LIPS仪器，是对LIPS技术工业应用一种尝试，具有积极的意义 [9]。

7.展望

综上所述，近年来在国内外光谱工作者的努力之下，激光等离子体光谱分析技术的研究取得了可喜发展。随着科学的不断进步，人们对激光诱导等离子体的认识和仪器设备的改进将不断深入，激光等离子体光谱分析技术会日臻完善，而且其应用范围也会更加广泛，有希望成为鉴别和测定物质成分的重要方法。

参考文献：

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[2]张晓萍，陈金忠，郭庆林，怀素芳，魏艳红.激光等离子体光谱分析技术的发展现状[J].光谱与光谱分析，2008，28（3），656-662.

[3]马妮娜.激光诱导产生等离子体的光谱分析及电子温度的测量[J].光学技术，2005，31：796.

[4]徐国伟，鲁先洋，费腾，杜学维，王声波，王秋平.激光诱导等离子体光谱仪实验装置的构建[J].分析仪器，2010，（04） .

[5]李静，翟超，张仕定，张鉴秋，孟祥儒.激光诱导等离子体光谱法（LIPS）测定不锈钢中微量元素[J].光谱学与光谱分析，2008，4.

[6]亓洪兴，潘明忠，吕刚，何志平，闫志欣，舒嵘.激光诱导等离子体光谱技术应用于月球探测的可行性研究[J].红外与毫米波学报，2009，28（2）.

[7]杨兆瑞.激光诱导等离子体光谱及其特性分析[D].西北师范大学，2012.

[8]赵书瑞，陈金忠，魏艳红，郭庆林.激光诱导等离子体的实验研究及其在光谱分析中的应用[J].光谱学与光谱分析，2004，24（02）.

[9]姚宁娟，陈吉文，杨志军，王海舟.一种用于冶金炉前快速分析的新仪器――激光诱导击穿光谱仪[J].光谱学与光谱分析，2007，27（7）.

作者简介：

赵慧（1986-），女，山东枣庄人，助教，硕士，研究方向为计算机信息管理。