理论物理专题讲义：量子力学和统计物理-王虹宇2011.pdf 免费 ...
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2014年5月12日 - 姓名：王虹宇，男，满族，辽宁沈阳人，1975.12生，理学博士，鞍山师范学院教授。 简历：. 1991-1995南开大学物理系。 2000-2002年北京师范大学 ...电离后的那玩意，或者叫等离子体，是不稳定的，它会慢慢衰变，电子和离子复合变回原来的中性物质，你得不断注入能量来保持它的存在，要不然就没了。这个注入能量的设备叫等离子体源。就像你能猜到的那样，等离子源一般都是不稳定的，加小功率的话不起火，加大功率对不起直接烧了或者出现电弧。而且最关键的是，等离子体的密度要求越高，衰变越快，这个源就越难做。
第二个问题更麻烦，你在等离子体上加上电场想把它推出去？实际上它会尽量反对你的操作：它会自动产生出反向电场抵消你的电场，就和导体的静电屏蔽效应差不多。等离子体密度越高，这种屏蔽效应影响越大，对于密度较高的等离子体，把它推出去需要的电压高到离谱。
非聚变等离子体科学技术（一）闲聊几句电火箭和等离子体源
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“如果有个东西的技术指标太离谱，你实在做不出来了，不妨试试等离子体辅助。”
-----------------------无名
等离子体现在算是热门中的冷门。热门的原因是聚变口投了不少钱进去，从欧洲的ITER到美国的NIF。关于聚变这里暂时不多说，因为聚变科学的前景还不清楚，而且聚变目前还是一种“科学问题”，这个词的意思是说，理论可行性和技术可行性还不清楚，需要更多的研究。实际上由于聚变技术近几年吸引了太多眼球，所以等离子体科学技术的真正应用部分，反而成了小众的东西，并不是很多人关心。
当然这也和等离子体科学技术本身的性质有关。从原则上说等离子体科学技术是物理学的一个分支（搞材料的，化学的和电气工程的就不要出来吵架了，没意义），但它基本上没什么物理。事实上等离子体物理的物理内容也不多，大部分等离子体物理研究甚至不需要量子力学，就是基本的牛顿力学或者相对论力学加上电磁理论。相比于折腾了100年的近代物理来说，等离子体完全是上上个世纪的残留物。
但事实上等离子体科学技术又是整个附属于这几十年的东西，因为它的应用完全在于新技术方面。（关于“完全”二字，稍微打个折扣吧，技术上等离子体可以用在医学里面，甚至还有拿来育种的，但这个我们可以当成例外。任何物理学理论都有例外，不是吗？）最重要的一条是等离子体几乎总是拿来应付一些非常困难的技术问题的，比如说下面说的等离子体推进。
等离子体推进是一个比较专门的名字，对外很多人管那类东西叫电火箭，虽然实际上说电火箭应该用在另一类东西上，等离子体推进完全没有“火”，也不存在火工产品。前一段等离子体推进器通过验收的消息让几位博主还互相鄙视了一把，包括还有鄙视某某研究所的。其实这事大可不必。稍微了解一点这东西的背景，也就差不多了，不用在那里借题发挥扯高论。
等离子体推进的“现代idea”非常简单，相信某些博主看到那东西的idea一定会在那里大叫“这种idea我少说也能想出来几百个”。反正，实践中，因为这个idea太简单，研究者在那里用了五十年才把比较复杂一点的设计实现出来，又过了很久才把简单的idea实用化。
等离子体推进的原初目标很简单，就是提高火箭推进器的喷气速度。上过大一物理的哥们应该知道齐奥尔科夫斯基的那个火箭公式：火箭的末端速度V=u log(M/m)。其中u是喷气速度，M/m是初末质量比。所以你看，如果要提高火箭推进末端速度，提高燃料量远远没有提高喷气速度有效。当然在实际中，喷气速度非常难以提升：喷气速度决定于喷口的最大流速，这是本地声速决定的，而本地声速又决定于物质的密度和温度，不管你怎么搞，化学燃料燃烧的温度上限在那里放着（大概就是太阳表面温度，六千左右），所以基本上没什么前途。
本来这事已经固定了，不过毛子总是有自己的想法，他们觉得用电去加速离子应该不受声速限制，这个东西的终极速度只决定于光速，所以，用电场把离子吹走，然后靠反作用力推进是个好方法。换句话说，你只要把物质电离了，然后加上电场，离子不就飞出去了？这好像没啥难度吧？
当然实际上问题要稍微麻烦一点。首先正常物质就不是带电的，所以你先得把它电离了。当然有人觉得电子和离子被加速的方向相反，这不是要麻烦么？实际上不会的。因为在加上同样电压的时候，加速动能相等，但加速动量是p=sqrt(2mE)，所以你看电子和离子的加速动量不一样，电子的动量几乎可以忽略。就算你往一个方向喷离子，另一个方向喷电子，那总的作用力也是离子占绝对优势。所以这不算啥。麻烦在于电离要有能量注入。你会说这不就是给电的事情么？但是电离后的那玩意，或者叫等离子体，是不稳定的，它会慢慢衰变，电子和离子复合变回原来的中性物质，你得不断注入能量来保持它的存在，要不然就没了。这个注入能量的设备叫等离子体源。就像你能猜到的那样，等离子源一般都是不稳定的，加小功率的话不起火，加大功率对不起直接烧了或者出现电弧。而且最关键的是，等离子体的密度要求越高，衰变越快，这个源就越难做。
第二个问题更麻烦，你在等离子体上加上电场想把它推出去？实际上它会尽量反对你的操作：它会自动产生出反向电场抵消你的电场，就和导体的静电屏蔽效应差不多。等离子体密度越高，这种屏蔽效应影响越大，对于密度较高的等离子体，把它推出去需要的电压高到离谱。
所以结果是，一般来说等离子体发生器产生的等离子体密度很低，加速电压也不会太高，导致了整体推力很低，通常只有毫牛顿的量级，你没看错，就是毫牛顿的水平。所以你可以想到，这东西其实只有在宇宙空间才有用，因为那里没有阻力，虽然推力很小，但成年累月地推下去，效果会积累起来。事实上，这个东西的原初用处之一就是用来修改卫星天线的指向精度。
最常用的等离子体推进器有两类，一个叫做霍尔推进器，一个叫做离子推进器。离子推进器的idea更简单一些，就是一个电极发射出电子，轰击到气体上，概念上，大致电压是这么个分布
正压 电子注入器
阴极 中性 负压
正压
阴极电子由右向左运动，中间被正电压加速击中中性气体导致电离，然后正离子被右边的负压拉出向右飞行，负压端做一堆孔或者网栅，离子由于惯性飞过网栅后，和电子注入器注入的电子复合，于是继续以高速飞向右侧，形成推力。（好吧，相信有人已经忍不住了，这么简单的东西居然要发明出来。。。。）
霍尔发动机复杂一点，简单的说它的工作依赖于电荷在磁场里面的电磁漂移。大致概念是这样的，如果你让带电粒子进入一个同时存在电场和磁场的区域，那么粒子并不会顺着电场运动，而是会往E叉乘B的方向漂移，然后你做一个合适的结构，让粒子在漂移中形成一个闭合环，这样粒子就会在某个区域生存很长时间并且碰撞背景气体导致电离，大致图像如下：
外磁体
阳极 粒子 ----->
内磁体
阳极 粒子 ----->
外磁体
然后这个阳极会把漂移旋转的粒子推出去。
相信前面看过离子发动机原理的哥们一定已经在大骂这个设计是理论家在坑人了，干嘛要这么复杂，这不是骗人么？事实上这么设计是有原因的，就是前面我说的，等离子体中很难建立电场，它基本是个导体。现在这个设计中，磁场的存在让粒子的左右运动变慢，所以建立电场要容易一些，于是能够使用的等离子体密度也要高些。这个设计特点使得霍尔发动机的操作密度和推力都要高一些。当然另一方面，霍尔发动机的设计里面对磁场要求更高一些，于是它能做的最大尺寸要小于离子发动机。此外，因为磁场约束的问题，霍尔发动机的等离子体会碰到喷气通道内壁，于是会腐蚀喷气通道，导致它的工作寿命比离子发动机短，效率也低些。
不管怎样，这两种东西的原理都是很简单的，其实严格的说来工程工艺难度也不高，真正的问题是指标。你随便设计一个结构，肯定能喷气，但是，前面你看到了，等离子体源的密度低了没推力，高了不能启动；而密度依赖于什么呢？工作电压，燃料补给速度，补偿阴极（中性化器）电流。。。。这些东西都要匹配，不匹配的结果是什么呢？就是达不到想要的指标。还有一个问题，喷出去的气体速度很高，尤其在碰到中性化器之前其实是带电离子，这个东西击中固体物质的话就会腐蚀固体表面（只要成了离子，惰性气体也可以腐蚀金属！），所以你得小心设计让离子流不要命中任何可能阻挡的东西。。。不过，你怎么判断什么位置会阻挡呢？加速阴极一般都是栅格或者孔屏，你得操纵离子躲过去才行，这个可不是任何“创新思想”能告诉你的东西了，这要靠计算。
所以你看到了，这东西没有创新难度或者工艺难度，但是有理论难度和经验难度（用什么样的电极产生的等离子体密度正好符合要求，什么样的燃料补给速度能形成你需要的分布。。。）。那么我们现在说一点理论问题。具体我们刚才已经看到了等离子体推进器的核心问题是如何做一个高性能的等离子体发生器。表面上看这不就是个流体力学问题么？做几个控制变量图，实验优化一下，blahblah。。。不就行了么？当然，你这么做是可以的，成功与否那是另外一个问题。本质上，这事的主要困难是流体力学的基本方程和各种定律在这个参数下的等离子体里面是基本上不正确的。别扯什么能量守恒动量守恒的普适性之类的。。。。流体力学方程本身就不是那么来的，尤其对于等离子体这种占了宇宙中99%的物质，大部分情况下流体力学方程基本假设就不成立。至于所谓各种“多尺度非线性控制理论”，歇了吧，那玩意还不如算命。其实到现在为止就没什么靠谱的离子发动机理论。
比较神奇的是在目前虽然没有理论，但是却存在一系列计算手段可以预测等离子体发动机的性能。方法就是计算机暴力模拟，直接跟踪等离子体里面的粒子运动轨道和电磁场分布。当然这里也有很多trick，不管怎样，在很多情况下，我们可以用计算机把等离子体发动机的推力和比冲预测到15%的水平。唯一的问题是，这计算的软件目前还是商业软件，要花钱买的。（你问我为啥不去写一个?写了能“创新”吗？）
-----------------------无名
等离子体现在算是热门中的冷门。热门的原因是聚变口投了不少钱进去，从欧洲的ITER到美国的NIF。关于聚变这里暂时不多说，因为聚变科学的前景还不清楚，而且聚变目前还是一种“科学问题”，这个词的意思是说，理论可行性和技术可行性还不清楚，需要更多的研究。实际上由于聚变技术近几年吸引了太多眼球，所以等离子体科学技术的真正应用部分，反而成了小众的东西，并不是很多人关心。
当然这也和等离子体科学技术本身的性质有关。从原则上说等离子体科学技术是物理学的一个分支（搞材料的，化学的和电气工程的就不要出来吵架了，没意义），但它基本上没什么物理。事实上等离子体物理的物理内容也不多，大部分等离子体物理研究甚至不需要量子力学，就是基本的牛顿力学或者相对论力学加上电磁理论。相比于折腾了100年的近代物理来说，等离子体完全是上上个世纪的残留物。
但事实上等离子体科学技术又是整个附属于这几十年的东西，因为它的应用完全在于新技术方面。（关于“完全”二字，稍微打个折扣吧，技术上等离子体可以用在医学里面，甚至还有拿来育种的，但这个我们可以当成例外。任何物理学理论都有例外，不是吗？）最重要的一条是等离子体几乎总是拿来应付一些非常困难的技术问题的，比如说下面说的等离子体推进。
等离子体推进是一个比较专门的名字，对外很多人管那类东西叫电火箭，虽然实际上说电火箭应该用在另一类东西上，等离子体推进完全没有“火”，也不存在火工产品。前一段等离子体推进器通过验收的消息让几位博主还互相鄙视了一把，包括还有鄙视某某研究所的。其实这事大可不必。稍微了解一点这东西的背景，也就差不多了，不用在那里借题发挥扯高论。
等离子体推进的“现代idea”非常简单，相信某些博主看到那东西的idea一定会在那里大叫“这种idea我少说也能想出来几百个”。反正，实践中，因为这个idea太简单，研究者在那里用了五十年才把比较复杂一点的设计实现出来，又过了很久才把简单的idea实用化。
等离子体推进的原初目标很简单，就是提高火箭推进器的喷气速度。上过大一物理的哥们应该知道齐奥尔科夫斯基的那个火箭公式：火箭的末端速度V=u log(M/m)。其中u是喷气速度，M/m是初末质量比。所以你看，如果要提高火箭推进末端速度，提高燃料量远远没有提高喷气速度有效。当然在实际中，喷气速度非常难以提升：喷气速度决定于喷口的最大流速，这是本地声速决定的，而本地声速又决定于物质的密度和温度，不管你怎么搞，化学燃料燃烧的温度上限在那里放着（大概就是太阳表面温度，六千左右），所以基本上没什么前途。
本来这事已经固定了，不过毛子总是有自己的想法，他们觉得用电去加速离子应该不受声速限制，这个东西的终极速度只决定于光速，所以，用电场把离子吹走，然后靠反作用力推进是个好方法。换句话说，你只要把物质电离了，然后加上电场，离子不就飞出去了？这好像没啥难度吧？
当然实际上问题要稍微麻烦一点。首先正常物质就不是带电的，所以你先得把它电离了。当然有人觉得电子和离子被加速的方向相反，这不是要麻烦么？实际上不会的。因为在加上同样电压的时候，加速动能相等，但加速动量是p=sqrt(2mE)，所以你看电子和离子的加速动量不一样，电子的动量几乎可以忽略。就算你往一个方向喷离子，另一个方向喷电子，那总的作用力也是离子占绝对优势。所以这不算啥。麻烦在于电离要有能量注入。你会说这不就是给电的事情么？但是电离后的那玩意，或者叫等离子体，是不稳定的，它会慢慢衰变，电子和离子复合变回原来的中性物质，你得不断注入能量来保持它的存在，要不然就没了。这个注入能量的设备叫等离子体源。就像你能猜到的那样，等离子源一般都是不稳定的，加小功率的话不起火，加大功率对不起直接烧了或者出现电弧。而且最关键的是，等离子体的密度要求越高，衰变越快，这个源就越难做。
第二个问题更麻烦，你在等离子体上加上电场想把它推出去？实际上它会尽量反对你的操作：它会自动产生出反向电场抵消你的电场，就和导体的静电屏蔽效应差不多。等离子体密度越高，这种屏蔽效应影响越大，对于密度较高的等离子体，把它推出去需要的电压高到离谱。
所以结果是，一般来说等离子体发生器产生的等离子体密度很低，加速电压也不会太高，导致了整体推力很低，通常只有毫牛顿的量级，你没看错，就是毫牛顿的水平。所以你可以想到，这东西其实只有在宇宙空间才有用，因为那里没有阻力，虽然推力很小，但成年累月地推下去，效果会积累起来。事实上，这个东西的原初用处之一就是用来修改卫星天线的指向精度。
最常用的等离子体推进器有两类，一个叫做霍尔推进器，一个叫做离子推进器。离子推进器的idea更简单一些，就是一个电极发射出电子，轰击到气体上，概念上，大致电压是这么个分布
正压 电子注入器
阴极 中性 负压
正压
阴极电子由右向左运动，中间被正电压加速击中中性气体导致电离，然后正离子被右边的负压拉出向右飞行，负压端做一堆孔或者网栅，离子由于惯性飞过网栅后，和电子注入器注入的电子复合，于是继续以高速飞向右侧，形成推力。（好吧，相信有人已经忍不住了，这么简单的东西居然要发明出来。。。。）
霍尔发动机复杂一点，简单的说它的工作依赖于电荷在磁场里面的电磁漂移。大致概念是这样的，如果你让带电粒子进入一个同时存在电场和磁场的区域，那么粒子并不会顺着电场运动，而是会往E叉乘B的方向漂移，然后你做一个合适的结构，让粒子在漂移中形成一个闭合环，这样粒子就会在某个区域生存很长时间并且碰撞背景气体导致电离，大致图像如下：
外磁体
阳极 粒子 ----->
内磁体
阳极 粒子 ----->
外磁体
然后这个阳极会把漂移旋转的粒子推出去。
相信前面看过离子发动机原理的哥们一定已经在大骂这个设计是理论家在坑人了，干嘛要这么复杂，这不是骗人么？事实上这么设计是有原因的，就是前面我说的，等离子体中很难建立电场，它基本是个导体。现在这个设计中，磁场的存在让粒子的左右运动变慢，所以建立电场要容易一些，于是能够使用的等离子体密度也要高些。这个设计特点使得霍尔发动机的操作密度和推力都要高一些。当然另一方面，霍尔发动机的设计里面对磁场要求更高一些，于是它能做的最大尺寸要小于离子发动机。此外，因为磁场约束的问题，霍尔发动机的等离子体会碰到喷气通道内壁，于是会腐蚀喷气通道，导致它的工作寿命比离子发动机短，效率也低些。
不管怎样，这两种东西的原理都是很简单的，其实严格的说来工程工艺难度也不高，真正的问题是指标。你随便设计一个结构，肯定能喷气，但是，前面你看到了，等离子体源的密度低了没推力，高了不能启动；而密度依赖于什么呢？工作电压，燃料补给速度，补偿阴极（中性化器）电流。。。。这些东西都要匹配，不匹配的结果是什么呢？就是达不到想要的指标。还有一个问题，喷出去的气体速度很高，尤其在碰到中性化器之前其实是带电离子，这个东西击中固体物质的话就会腐蚀固体表面（只要成了离子，惰性气体也可以腐蚀金属！），所以你得小心设计让离子流不要命中任何可能阻挡的东西。。。不过，你怎么判断什么位置会阻挡呢？加速阴极一般都是栅格或者孔屏，你得操纵离子躲过去才行，这个可不是任何“创新思想”能告诉你的东西了，这要靠计算。
所以你看到了，这东西没有创新难度或者工艺难度，但是有理论难度和经验难度（用什么样的电极产生的等离子体密度正好符合要求，什么样的燃料补给速度能形成你需要的分布。。。）。那么我们现在说一点理论问题。具体我们刚才已经看到了等离子体推进器的核心问题是如何做一个高性能的等离子体发生器。表面上看这不就是个流体力学问题么？做几个控制变量图，实验优化一下，blahblah。。。不就行了么？当然，你这么做是可以的，成功与否那是另外一个问题。本质上，这事的主要困难是流体力学的基本方程和各种定律在这个参数下的等离子体里面是基本上不正确的。别扯什么能量守恒动量守恒的普适性之类的。。。。流体力学方程本身就不是那么来的，尤其对于等离子体这种占了宇宙中99%的物质，大部分情况下流体力学方程基本假设就不成立。至于所谓各种“多尺度非线性控制理论”，歇了吧，那玩意还不如算命。其实到现在为止就没什么靠谱的离子发动机理论。
比较神奇的是在目前虽然没有理论，但是却存在一系列计算手段可以预测等离子体发动机的性能。方法就是计算机暴力模拟，直接跟踪等离子体里面的粒子运动轨道和电磁场分布。当然这里也有很多trick，不管怎样，在很多情况下，我们可以用计算机把等离子体发动机的推力和比冲预测到15%的水平。唯一的问题是，这计算的软件目前还是商业软件，要花钱买的。（你问我为啥不去写一个?写了能“创新”吗？）
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