第十八章 物理学与新技术 181等离子体与受控核聚变,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 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,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。,等离子体是物质第四态,00C,1000C,100000C,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,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 ),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。,等离子体参数空间,等离子体分类,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。,磁镜效应 带电粒子具有被推向磁场较弱区域的趋势,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,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,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,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/(kcm)，可用于大功率电子器件。（ Physics of Plasma, 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10x10 mm2,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,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,等离子体离子推进器,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,Hall thrusters 霍尔等离子体推进,军事及高技术应用,等离子体天线,军事及高技术应用,聚变与裂变能,聚变等离子体,核聚变反应,D + T = n + 4He D + T = p + 3He,聚变等离子体,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,聚变需要亿度高温,劳逊判据（Q1） T10keV （1亿度） nt 3x1020m-3s,聚变需要亿度高温,聚变等离子体,实现聚变的三种途径,聚变等离子体,主要参数 Pf = 500MW Q 10 T = 500 s R = 6.2 m A = 2.0 m Ip = 15 MA B = 5.3 T V = 837 m3 S = 678 m2 Pin= 73 MW,46亿美元,聚变等离子体,ITER：我们的托卡马克聚变实验堆,法国人的梦想,聚变等离子体,2005年6月28日 ITER：Cadarache,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,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,美国国家点火（NIF）激光聚变装置,聚变等离子体,激光聚变电站,聚变等离子体,国内有关装置,环流器1号,环流器2号,神光II、星光II激光聚变装置,空间等离子体形态,空间天体等离子体,北极光,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,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。,182 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,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。,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。,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。,标准光纤结构典型值 对于1m左右的光波长而言，单模光纤的直径为1-10 m；多模光纤的芯径已标准化为50-60 m； 为了实用化的方便，光纤的外径都做成125 m。,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。,子午光线的传播,斜光线的传播,m,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,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,光纤的应用,通讯、传感器等领域,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。,