等离子体物理与技术chp7-1.pptx

等离子体物理与技术Plasma Physics and Technology;本章主要内容;无界等离子体与有界等离子体 “无界”：外太空 有界（边界） 工业 实验室;无界等离子体与有界等离子体 以下三种情形是否主要利用等离子体的边界效应？;等离子体边界的发现 等离子体边界中非电中性 电子耗尽 离子为主 等离子体边界中的物理机制与主等离子体中不同 边界存在的基本物理机制：德拜屏蔽;简化的鞘层(sheath)模型 壁（x=0） 鞘层(-dx0) 鞘层边界(x=-d) 预鞘层 预鞘层边界(x=-λmfp) 主等离子体(x≤-λmfp) 假设：鞘层中离子运动无碰撞（即λmfp d） 鞘层特性 非电中性 一般：离子密度大于电子密度 ;鞘层形成的物理机制/过程 电子运动速度快，一般首先到达器壁，在器壁积累形成负电位?形成局部电场，阻止其它电子、吸引离子?达到平衡;阳极鞘层、阴极鞘层、浮动电位 等离子体周围所有的电极附近都会形成鞘层 浮动电极的电位比等离子体电位 浮动电极表面的电子流、离子流达到平衡时，电极的电位为浮动电位;阳极鞘层、阴极鞘层、浮动电位 案例：左电极接地、右电极浮动(1);阳极鞘层、阴极鞘层、浮动电位 案例：左电极接地、右电极浮动(2);实际中的鞘层 存在复杂的实际因素，前述简化模型并不精确 鞘层附近可能存在的其它物理过程 光电离 二次电子发射 场发射 高温离子（热速度与电子相等）;预鞘层 “罗马非一日建成、也非一日毁灭！” 等离子体行为有强烈的“社会性”！ 从主等离子体到鞘层的过渡：预鞘层 预鞘层准中性（ne≈ni） 预鞘层中，电子、离子密度随位置变化，离子迁移速度不为零 预鞘层的厚度约等于离子的平均自由程(mean free path) ;简化模型(1) 此定律非彼定律，此定律即彼定律！（与真空二极管的Child定律比较） 鞘层的异同 离子的碰撞可忽略 电子的数目少，忽略 鞘层的另一边不是电极！假设为电极 哪些忽略和假设不一定合理？ ;理论推导(1) 一般来说：鞘层两侧的电势差远大于电子热能（V） ?电子的密度分布满足玻尔兹曼分布 电子密度除了在鞘层边缘较大外，其余位置都远小于离子密度，因此忽略。 思路：从动力学分析入手（离子的能量守恒，动能+势能）、再进行电学分析 令 ;理论推导(2) 得到电荷密度分布后，如何确定电位分布？ ;理论推导(3) 最终需要获得电流-电压关系 ;理论推导(4) 最终需要获得电流-电压关系 ;关于鞘层的疑问（用前面C-L定律相关条件难以解释） 电荷强烈偏离准中性，为何电荷扰动不会传入主等离子体（通过离子声波）？ 是什么机制维持鞘层中的电荷不扩散到主等离子体？ Bolm判据的分析入口： 等离子体边缘的电中性平衡崩塌！?形成鞘层且平衡不可恢复 ;稳定平衡与伪势 稳定平衡与不稳定平衡：取决于势分布的二阶导数的正负 ;由鞘层施加的Bohm判据(1) 伪势的二阶导数为负?主等离子体边缘电位分布崩塌?形成鞘层 ;由鞘层施加的Bohm判据(2) 声学解释 Bolm判据：离子流的速度应为超声速，M≥1 电荷层为何不能通过离子声波进入主等离子体？ A：预鞘层不是吃闲饭的！ 预鞘层的某种机制（？？）导致了 鞘层边界：对鞘层离子声波来说，为声屏障 对预鞘层离子声波而言，为全透射 借用信息流的观点：等离子体不知道鞘层的存在！ ;从预鞘层来看Bohm判据(1) 上述Bohm判据：太过宽泛！超声速即可！ 不受其他限制？能得以满足？ 对预鞘层中的离子运动进行分析，（预鞘层中离子获得加速的条件？） 预鞘层的特点：电中性、带电粒子密度随位置变化（Boltzman分布）、存在碰撞(约一个平均自由程厚度) ;从预鞘层来看Bohm判据(2) 离子运动方程（动力学分析） vi≤vB 第二Bolm判据！（结合鞘层内的第一判据）? vi=vB （或M=1） 奇异点分析： 原因：假设了预鞘层中电子密度完全与离子密度相等 电场强度也存在奇异点。 这个较大的值，也正是离子声波“声屏障”存在的原因 ;从预鞘层来看Bohm判据(3) 由Bohm速度进一步获得鞘层边界的离子密度 离子在预鞘层中获得的动能： 鞘层边缘的电位： 该结论是“Langmuir探针”测量等离子体中电子密度、电子温度的理论依据 ;应用实例-离子推进器(1) C-L定律和Bolm判据，都对鞘层边界的离子流给出了限定！（两者可能不一致？） 参数：阴极电位 0，阳极电位 1000V，加速栅网偏压-200V 栅网设计：可以阻挡气体分子， 但离子透过率超过83% 推力估算： 比冲力：地球上单位重量的动量 ???化（燃料效率） ;应用实例-离子推进器(2) C-L定律估算 最大