等離子物理的發展前景如何?

等離子物理現在在學術上是否還有比較有意義的問題沒有解決?還是已經轉嚮應用(工學)了?做等離子方向在學術上出成果的難易程度大概如何?


在這裡,我把等離子體物理分為聚變等離子體物理、低溫等離子體物理和空間(天體)等離子體物理分開討論。

  • 低溫等離子體物理:目前基本上轉嚮應用方面了,比如鍍膜、焊接之類的。純粹的理論研究已經很少見了,與其他學科的交叉研究還能見到,比如本所的楊思澤教授利用等離子體影響植物種子的發芽率。
  • 聚變等離子體物理:主要包括磁約束聚變和慣性約束聚變,其中又以磁約束聚變最為熱門。在這一領域理論研究、數值模擬、大小實驗都有很多人在做,但要談到民間應用還是很遙遠的事情。在這個方向最大的目標自然是實現可約束核聚變,這牽扯到一大堆的物理和工程問題,其中和等離子體物理直接相關的包括湍流與輸運、高能粒子、波驅動與加熱以及不穩定性這五大類問題
  • 空間(天體)等離子體物理:空間等離子體物理涉及到航天、通信等領域,應用和理論研究都有。想在這個方向留學的同學請注意專業限制,因為涉及軍工有些學校只收本國學生。天體等離子體物理了解不多,這方向我認識的幾位教授都是研究太陽的。

做等離子方向在學術上出成果的難易程度,這個問題智者見智,非要說個難易很容易和同行引起嘴仗。我在這兒簡單的說下等離子體物理說面臨的困難:

  1. 密度參數空間非常寬廣。從星際的稀薄等離子體到太陽核心的緻密等離子體跨越了30個數量級。
  2. 描述等離子體的時間尺度跨度大。從經典的磁流體力學描述到多粒子體系的動理論描述,時間尺度跨度之大以至於可以看作是本底雜訊,為數值模擬帶來了極大困難。
  3. 涉及到的問題大多是非線性的,做理論解析很難找到行之有效的普適方法,必須做大量簡化才可能得到解析解,但簡化太多又容易丟掉重要部分。

其實我偏題了。。
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等離子體的領域還是非常廣泛的,我就談談對自己的領域的一些感想。我所在的小組主要研究半導體製造工藝中的低氣壓、高密度等離子體源,包括容性耦合等離子體CCP(capacitively copuled plasma) 和感應耦合等離子體(inductively coupled plasma)。
這些等離子體源廣泛應用於
(1)半導體微電子器件的製造工藝中
(2)半導體太陽能電池薄膜、LED、LCD等的製造
(3)微機電系統(MEMS)
(4)其他一些等離子體源的應用,比如材料表面處理,消毒,鍍膜,離子或中性束源等
國外開始發展的早,可能大家也都比較清楚,國內的半導體產業落後還是很大的。而這個半導體行業工藝落後一點競爭力就大打折扣,比如對於32nm和22nm工藝節點,22nm下同樣尺寸的die可以容納更多的晶體管,功耗也小很多,大規模生產起來,競爭力就相差非常大。所以Intel一直遙遙領先,可以按照Tick-Tock規劃一步步來,不用使出全力,而TSMC,GlobalFoundries,三星等就得苦苦緊追,更不用說國內的中芯國際了。當然,晶元涉及非常多的設計和製造技術,比如架構、機械、材料、光刻等等,而等離子體只是其中一種。這些公司用於微電子製造的等離子體設備也是採購自應用材料,東京電子,Lam公司等,不過,用相同的設備,但製造的技術也是有差距的,因為這還涉及processing recipes。
總之,國內在產業上、設備的上落後很多,而國外在半導體產業發展的黃金時期做了大量的研究,包括理論、計算機模擬和應用。而且研究和產業應用兩者是互相推動的。
所以國內的發展潛力還是有的,只是錯過了產業發展的高峰,而且隨著晶元線寬不斷減小,快接近物理極限了。。
而國內相對落後的產業,也就不需要我這個做模擬研究的了,雖然產業落後也和科研落後相關。。企業更急迫需要的還是應用性的人才。
例如我的方向是等離子體刻蝕,外國對於某個比較前沿的小分支--原子層刻蝕,就有小型workshop,有來自各產業界和高校的研究人員,包括了高校、設備製造商到代工廠的先進企業,有Lam,東京電子,IBM,Intel,GlobalFoundries和其他高校,研究所等。在國內開這樣的基本不可能,沒這樣的產業和研究環境。Proceedings:SEMATECH Workshop on Atomic-Layer-ETch (ALET) and

所以我博士畢業簽了航天系統,要搞電推進去嘍。。
這個電推進(等離子體推進)又是一個話題,電推進器利用離子的反衝實現加速,推力很小只有幾十或幾百mN,但是比沖大,可達化學燃料的十倍,在太空阻力很小的情況下可以通過長時間的啟動來變軌或加速,能節省大量燃料,可以提高衛星壽命或者用於深空探測。
說起來也是國外50年代就開始搞了,然後沒多久我國也跟進了,但是80年代後國外的研究少了,國家也就擱置了(有研究所自籌經費繼續做了一些研究),但是90年代後,國外的通信衛星、深空探測器紛紛裝上了電推進器(他們之前的沉寂大概是在搞應用了),一下子把我們甩開了,所以1999年以後我們重新開始了研究,2012年發射的東方紅3B試驗衛星也裝載了電推進器,現在又成了研究熱點。
所以我覺得等離子體的研究還是會不斷發展下去,只是有低谷,有高峰,熱點也可能經常轉移變化,比如高溫和低溫,最早國內就是搞高溫的,後來聚變沒弄出來國家也沒錢,有些技術人員就到了別處,比如到大工發展低溫等離子體了。然後現在國家有錢了,而聚變的前景如此誘人,高溫的經費又很多了,以至於學校不少老師也都轉去做高溫的項目了。而集成電路產業國家也開始投巨資搞專項資金扶持。。以後等離子體在其他等領域,比如醫學可能也會有更廣闊的應用。。


貼個低溫相關的吧:The 2012 Plasma Roadmap

http://iopscience.iop.org/0022-3727/45/25/253001/


就 @楊文 老師所提到的空間(天體)等離子體物理的應用具體寫一點自己的認識。我所學習的空間物理是等離子體物理學的一個應用領域,他所研究的太陽活動對地球磁層、電離層和中高層大氣的影響現象,載體是等離子體及與其相互作用的電磁場。解決空間物理問題的過程,大部分情況下都是將等離子體物理的相關知識和結論運用到空間物理現象中的過程.比如,目前關於太陽風加速和日冕加熱的機制,有兩類理論,一類理論認為是太陽風等離子體中阿爾芬波與湍流的相互作用使阿爾芬波的能量被耗散,加熱了日冕,使日冕向外膨脹加速形成太陽風。另一類理論認為是低層日冕磁場的交換重聯將磁場的能量轉化為太陽風等離子體的內能及動能,加熱日冕加速太陽風。如果撥開空間物理現象的」殼「,其物理本質就是楊老師提到的等離子體的湍流與輸運、波驅動及不穩定性。因而,一個等離子體物理功力深厚的童鞋,是不難在空間物理的研究中取得成果的。

我自己的課題是等離子體的磁流體數值模擬,我們的方法大都借鑒於流體的數值模擬,然而由於磁場的存在,其特徵系統比流體力學要複雜很多,同時還要考慮如何保持磁場散度為0.在工作中也更深刻的體會了等離子體不是簡單的磁場+流體,而是磁場與流體的相互耦合。這就像相戀中的青年,他們的」耦合「不只是身邊都了一個伴。

最後摘抄科大劉萬東老師等離子體物理課程講義中的一段話:
」我經常將等離子體人性化,她的許多表現酷似於我們人類,常常不需要牽強的聯想,就可以用我們日常的經驗,甚至是我們內心的感受來理解她的行為。等離子體中的兩性,相互獨立又相互扶持,平和時若即若離,逃逸時則攜手並肩。等離子體中的相互作用,長則綿綿,短則眈眈,遠可及周天之外,近可抵唇齒之間。等離子體的集體行為,自由與束縛兼得,溫和與暴虐並存。等離子體的自洽稟性,可以欺之以嫵媚,不可催之以強蠻,若以力,人人奮憤可兵,以弱,則諾諾列隊而從。如此以陳,等離子體的每一個秉性都值得我們用詩一般的語言來渲染。電子離子,以其簡潔的庫侖作用,本不堪言,然一成群體,即如此絢麗,何況人乎?「

多有意思啊!


宇宙中99%可見的都是plasma, 這個學科無論是理論跟應用都很有前景啊


謝邀。一隻小透明,才疏學淺。只能試著以自己的一些經歷和quote和教授們的談話來回答。而且只能說美國的情況。

Plasma physics大概能分為basic plasma physics, fusion plasmas, astrophysical plasma physics, and space plasma physics這幾大類。

我對basic plasmas和fusion plasmas有過研究,對astrophysical plasmas只是稍有涉獵。因為space physics在我本科所在的學校不屬於physics department,所以不做太多comment。

Fusion plasmas在所有plasma physics的subfield應該算是最popular的,也是唯一一個偏應用的方向。嗯現在在construction中ITER也是fusion。基本上就是現在放大版的DIII-D tokamak。和MIT的compact reactor Alcator C-Mod,ITER是相對low-field的fusion reactor。根據我的一位導師,ITER只是用來做學術研究,是不可能實現控制聚變的。現在的construction也面臨很多問題。但到建成能夠有plasma的時候,一定會有很多新的學術成果吧(不過還要很長時間才能有hot plasma)。
在美國所有fusion research最大的問題就是funding(似乎對中國來說funding並不是很大的問題?)。ITER就是一個吸錢的無底洞~美國DOE在fusion上的funding cut非常嚴重,現在美國只剩下兩個tokamak,其中NSTX因為technical reasons被shut down,所以還在運作的只剩下GA的DIII-D。以美國現在給的funding和削減funding的趨勢,想實現聚變幾乎是不可能的。也有一些Engineers用engineering approach想辦法控制聚變。嚴格來說不屬於plasma physics的範疇,不作過多討論。
另外就是NIF。但是也並沒有成功。想要控制聚變還需要更多power的laser,which is unlikely to happen soon. 所以現在只是一個research institute做了很多有價值的學術研究。

Basic plasma physics是在laboratory device中study各種plasma waves, instabilities等等現象。是我認為的一個非常有意思的領域。這個領域可以說幾乎沒有工業應用。比如ucla的LAPD就有很多關於Alfven wave的研究。但對於basic plasma physics來說,除了funding,缺乏有效的diagnostics也是一個很大的問題。比如distribution function是很難measure的。現在應用最廣的diagnostic就是Langmuir probes,但幾十年前就已經被設計了。近年來也沒有什麼improvement。如果沒有有效的diagnostics,理論和實驗就會有一些discrepancy無法被驗證,research上也很難對fundamental level有比較好的理解,有時候確實是一件比較frustrating的事。另外我們也需要做很多approximation, which can also be problematic.

和其他subfield比較起來,我認為astrophysical plasmas在學術上的發展前景是很好的。但並沒有什麼應用。

其他plasma的應用有plasma accelerator, rocket thruster等等。嚴格來講不能算plasma physics而是mechanical engineering, aerospace engineering等等。這些就很工業化了。

我非常熱愛我的領域和研究。至少我從事的research方向是不太會被應用到現實生活或者工業中的,我本人也不是a big fan of applied science。我只是非常喜歡make sense of things和see the connection between disciplines。學習plasma physics獲得的技能不管在實驗還是理論,數據分析或者是simulation,都非常多和全面。和enginneering聯繫也很密切。所以我認為對個人來說以後出路會很好的。但是就像我提到過的,因為缺少有效的diagnostics和tools,這個領域在學術上的投入產出比是相對比較低的。目標如果是想發paper的話也可以不用考慮這個field了。如果接下來能產生新的好用的tool,plasma physics才會有更好的發展吧~

Hope this helps.


謝邀,前景應該還是不錯的,簡單介紹一下目前我所接觸和知道的。
核聚變最初的計劃是五十年建商業堆,十來年過去啦,雖然取得了不錯的研究成果,但是在應用方面還沒有取得很大的突破,還有很多的問題需要解決。
目前,熱等離子體的研究也比較熱門,比如,等離子體輔助燃燒、等離子體點火、利用等離子體技術煤制氣、等離子體焚燒垃圾等,其中非平衡等離子體燃燒反應途徑研究是國家自然科學基金十三五發展規劃優先發展領域之一。
低溫等離子體的基礎研究比較熱門且容易出成果(發文章)的是與其它學科的結合,比如生物醫學、材料製備及改性等。應用研究比較熱門的有等離子體空氣消毒凈化等。


謝邀,簡單介紹下自己,本科物理專業,研究生等離子體專業,目前在法國讀博士,主要搞模擬。

就不像上面幾位那樣做系統的介紹了,只對樓主的問題 就個人經驗來說 回答一下吧。

1.等離子物理現在在學術上是否還有比較有意義的問題沒有解決?
一直等離子體的研究就包含很多方面,由於等離子的特殊性,成分複雜,同時實現方式眾多:源的不同 ICP CCP等,放點成分不同,可研究的有意義的問題有很多。
2.還是已經轉嚮應用(工學)了?
個人理解 研究等離子體的稱不上是研究理論的,做等離子體實驗的 感覺都是大多跟材料或者化學相關,做模擬的 就感覺跟程序員似的,所以 等離子體很大程度上都是屬於工學範疇,現在我在法國的專業名稱也是 Plasma Ingenieur
3.做等離子方向在學術上出成果的難易程度大概如何?
你指發文章的話,這東西還是看個人,個人感覺等離子體的文章還是比較好發的,但是整體期刊的影響因子較低,最牛的就是PRL(也僅僅7點多)。


電推進挺火的,目前有很好的應用前景!


QGP


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