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从宇宙起源到纳米光学 —— 等离子体科学及其应用

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. 宇宙天体的磁场起源. 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

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从宇宙起源到纳米光学 —— 等离子体科学及其应用

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  1. 从宇宙起源到纳米光学——等离子体科学及其应用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

  2. 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

  3. 宇宙天体的磁场起源

  4. OUTLINE • 问题的提出 • Dynamo理论 • 存在的挑战

  5. 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？

  6. 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

  7. 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

  8. 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

  9. 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？

  10. 等离子体空间科学

  11. 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

  12. 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

  13. 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, …

  14. 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

  15. 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

  16. 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

  17. 等离子体信息技术

  18. 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

  19. 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

  20. 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

  21. 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

  22. 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

  23. 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

  24. 小结 • 等离子体作为电磁介质的“材料特性” • 等离子体与电磁波相互作用研究

  25. 等离子体航天技术

  26. 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）

  27. 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） • 鞘层、屏蔽、尾流效应等对卫星通信和控制的影响（GALELIO号的尾流影响） • 航天飞行器的能量辐照环境 • 热环境的影响 • 高能量粒子的轰击 • 中子辐照

  28. 有效载荷的电磁环境 • 有效载荷与卫星的整体电磁相容性 • 表面电荷存在对仪器读数的影响 • 表面鞘层的影响 • 尾流对输出的影响 • 感生磁场的影响

  29. 空间风暴对卫星的影响 • 控制系统甚至卫星本身遭到损坏 • 探测二号的姿控计算机（四个）全部打坏 • 因为强电磁干扰而导致仪器失灵 • 空间风暴导致卫星通信完全中断 • 空间风暴对辐射带的填充直接影响间谍卫星工作

  30. 航天飞行器的防护 • 根据空间天气预报预防 • 改变轨道“躲避”空间风暴 • 因为空间风暴而引起轨道改变 • 需要小功率定位推进器 • 对航天飞行器直接进行防护 • 需要数值与地面物理模拟 • 材料的表面改性

  31. 航天飞行器空间环境的 数值与地面物理模拟 • 根据空间天气预报预防 • 改变轨道“躲避”空间风暴 • 因为空间风暴而引起轨道改变 • 需要小功率定位推进器 • 对航天飞行器直接进行防护 • 需要数值与地面物理模拟 • 材料的表面改性

  32. 航天飞行器的轨道推进 • 先进化学推进器 • combined-cycle, pulsed-detonation engine, NASA

  33. 航天飞行器的轨道推进 • 先进等离子体推进器 • 适用于深空探测的大功率、高比冲等离子体推进器

  34. 航天器的等离子体推进 • 功率变化范围广 • 几十到几千瓦 • 高效率、高比冲 • 效率超过65%，比冲1000-5000秒 • 长寿命 • 可以工作上万小时，相当与10年的卫星寿命，东方红四号卫星平台的首选推进方式

  35. 等离子体推进器 • 稳态等离子体推进器 SPT Hall thrusters (~1600 - 5000 s) • 脉冲等离子体推进器 PPT • 电弧等离子体推进器 Arcjets (<1000 s) • 微波等离子体推进器 MPT (~2000 - 5000 s) • 离子发动机 Ion engines (> 3000 s) • 微米推进器 MEMS Thrusters

  36. Hall thrusters

  37. Ion engines

  38. 纳米光学与等离子学 －Plasmonics

  39. OUTLINE • 等离子体表面波 表面等离子Surface Plasmon (SP) • SP的性质及应用 Plasmon Optics, Plasmonics

  40. Surface Plasmon (SP) • 存在于金属导体——电介质界面，只能沿着金属表面传播 • 偏振垂直于金属表面的电磁波E┴ 激发，诱导金属表层自由电子随E┴(t)电场振动 • 同时，诱发表面Langmuir波（声子）沿k║方向随E┴(x,t1) 波动，波矢量为ksp • 表层自由电子是SP电磁波的载体 • SP在表面法线方向呈指数衰减，形成隐失场(Evanescent wave) ，与自由电子声子耦合

  41. SP的性质及应用 • 研究隐失光的光学就是近场光学，因为隐失光有“仅存在于近场”特征。 • Plasmon 有耦合的隐失光，属于近场光学研究的范围。电偶极子也有隐失光，因而，隐失光光学的内涵将比Plasmon Optics大一些。 • 由于共振自由电子可使隐失光增强、汇聚，和金属表面可以设计、裁剪等特点， Plasmon Optics具有开发纳米光学器件的巨大潜力。 • Plasmon Optics 只能通过近场光学（隐失光）来做实验, Polariton（极化声子）实验表征非常困难。

  42. SP的性质及应用 • 设P为物发射光子的动量， P＝ n0 h/l（1） • Px为横向光子动量分量，则|Px|＝ |P| sinq（2） • 光子发射Px和X的不确定性尺度分别为△Px和△X， • 海森伯测不准原理： △X △ Px ≥ h （3） • △ Px不确定性的尺度为: △ Px＝2 Px（4） • 可传输光发射角 q≤900，得： △X≥l/2 • The only possibility to break the condition: |Px|> |P|, then Px has to be imaginary, an evanescent wave with q > 900

  43. 总结 • 等离子体科学具有广泛的应用前景 • 从宇宙天体、外层空间、到聚变能源、纳米光学都需要等离子体理论 • 等离子体科学是一个很好的交叉学科的结合点

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