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• 从哪里来？大爆炸时就有了，还是后来形成的？

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0u = u + u 00, 0 u u = u

0 B B B 00, 0 B B B

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

t

B = u B 0

t

B = u B

ε u B

0 0 0 013 ε u u B u u B B B

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

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？

等离子体空间科学

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

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

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, …

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

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

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

等离子体信息技术

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

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

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

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

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

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

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

等离子体航天技术

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 ）

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

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

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

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

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

航天飞行器的轨道推进•先进化学推进器

– combined-cycle, pulsed-detonation engine, NASA

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

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

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

Hall thrusters

Ion engines

纳米光学与等离子学 － Plasmonics

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

Surface Plasmon (SP)1. 存在于金属导体——电介质界面，只能沿着金属表面传播2.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3.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

4.表层自由电子是 SP 电磁波的载体 5. 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

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。

SP 的性质及应用• 设 P 为物发射光子的动量， P＝ n0 h/ （ 1 ）• Px为横向光子动量分量，则 |Px| ＝ |P| sin （ 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 ≤900 ， 得： △X≥/2• The only possibility to break the condition: |Px| > |P|, then Px has to be imaginary, an evanescent wave with >

900

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