激光等离子体基础.doc

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1、I激光等离子体基础一.基木参数21.激光的基木参量22.等离了体的独立参量23.朗道长度24.粒子平均间距35.徳拜长度36.等离了体特征响应时间及等离了体频率47.等离了体的形成及维持58.色散关系59.临界密度和临界曲610.折射指标611.有质动力7二•基木研究方法9%1.Vlasov方稈10%1.矩方程10%1.等离子体的双流体描述13%1.等离了体波14%1.Landau阻尼17一.基本参数1•激光的基木参量激光的基木参数主要有激光强度Il=El/St.激光功率Pl=El/t.激光波长人、激光频率⑵、焦斑大小％。其中E

2、/.是入射到靶面的激光能量，S是激光辐照在靶上的面积（焦斑），？■是激光的脉冲宽度（半高全宽FWHM）。匚也称为激光的辐照度，或者称为激光功率密度，单位是W/cm20激光功率的单位是W或者J/s。2.等离了体的独立参量等离了体的密度n（=nc=^Ztn.）和温度是等离了体的独立变量，他们可以独立改变，而其他参量可以通过独立变量表现出来。等离子体的…个基本特点就是等离子体是准屮性的傀=匸厲,这里，％是电了（数）密度，叫是离子（数）密度,乙离子电荷数，求和符号是对所有粒了种类进行的。正负电荷的任何明显不平衡只有极强的电场才能维持。

3、例如在人=1.053yrn的激光等离了体的临界血处，偏离电屮性仅1%而引起的电场强度就达4/7CE

4、=_=6x109r（V/cm）o若取r=lcm,这个电场强度造成电了的加速度约IO25cm/s2,所以这种电荷不平衡通过电了的快速传递，很快成为准中性了。与等离了体密度相关的参量还有等离子体靶的密度标长厶=（-—）-1。ndx除了粒了密度以外，另一个参量是温度。在等离了体内部首先是带电粒了分别达到热力学平衡，这时等离了体的温度有电子温度7；和离子温度G只有当等离了体达到整体热力学平衡后，才有统一的等离子体温度T。3.朗道长度等离子

5、体的朗道长度表示为：Ald==1.67x10-5ZaZ.（F[°K]-[）o这里4庇点訐£0=1O7/W=(1/36^)x10-9［C-/h］是真空介电常数，Pb=L38x1O也［丿/K］是玻尔兹曼常数，T是温度,乙’和Z”是G和0类带电粒了的电荷数，6?=1.6xlO'19[C]是电子电量。人。是一个"类粒子和一个0类粒了碰撞时二者的最接近距离；在这个距离下，两个相碰粒了的库仑相互作用势能Z///4亦孙bT等于粒了的热运动特征动能kJ°根据朗道长度，可以给出库仑近碰撞（一次碰撞产生的偏转角在90。以上）截面的一个粗略估计：心,

6、近=龙九二。2.粒子平均间距设«表示等离子体每单位体积屮所含电子的个数，想象把一个单位体积划分成个相等的斤小立方体，每个小立方体（体积为1/斤）中认为平均只有一个粒子，得到粒子的平均间距是：〃=矿庐。为了把朗道长度和粒了平均间距作个比较，引入比值：=1.67xl（rZZ0何加W（T［°K］）T,并给出与此相关的近碰撞的平均自由程:兀a：=l.lxl09Z；2Z^2（T［^］）2（4m-3］）_，在高温低密度等离了体屮，弘:,近的值是非常巨大的，因此库仑近碰撞出现的机会就非常稀少。3.徳拜长度等离了体由由”的带电粒了组成，如同金属

7、对静电场的屏蔽一样，对任何试图在等离了体屮建立电场的企图，都会受到等离了体的阻1上，这就是等离了体的德拜（Debye）屏蔽效应，相应的屏蔽层称为等离子体鞘层。假如在等离了体屮插入一带正电的电极，试图在等离了体屮建立电场。在这样的电场下，等离了体屮电了将向电极处移动，离了则被排斥。结果由电极所引入的电场仅局限在较小的尺度的鞘层屮，若等离了体的温度为零（冷等离子体），则足够多的电子可以接近于电极（设电极表面敷以介质，表面不收集电流，也不产生复合），屏蔽层的厚度将趋于零，电场则完全被屛蔽。若等离子体的温度不是零，那么屏蔽后在电势满足⑷

8、［T严1的位置，电了可以挣脱此势阱而逃逸出，电势不能完全被屏蔽掉，有人/丘量级的电势将延伸进入等离子体中，但是屏蔽层的厚度也是冇限的。下面简要的分析这种静态的徳拜屏蔽过稈。静电场满足泊松（Poisson）方程：（1.1）（1.2）这里，耳、代分别为离了和电子的数密度，在热平衡状态下，它们满足玻尔兹曼分布:叫=%）exp（-砂/£）,%=4）exp（-q>/7；）,其屮7；和7；是离了和电了的温度，禺是远离扰动电场处（电势为零）的等离了体密度（电子与离子密度相等）。将（1.2）式代入（1.1）式，可以得到关于电势的方稈，这是一个典

9、型的非线性方程,一般没有解析解。由（1.2）式可以看出，当

10、妙/勒口1时,%口傀,即电了将被捕获而大量积累，离了则被排空，这些电了产生的电场屏蔽了大部分的电势。如果不考虑接近于电极处电势较大的区域，只考察电势满足

11、^/7；

12、D1的空间，则可以将玻尔兹曼分布作泰勒