清华工物系李和平副教授等提出分析碰撞等离子体中非平衡协同输运机制的“能量树”概念

 清华新闻网12月6日电 日前,清华工物系核燃料团队李和平副教授与其合作者受邀在著名物理学期刊《物理报道》(Physics Reports)上发表综述论文,针对碰撞等离子体的产生与特性调控机制,在国际上首次提出了分析碰撞等离子体中质量–动量–能量非平衡协同输运机制的“能量树”概念。

 在过去的几十年里,面向不同类型碰撞等离子体的基础研究取得了长足的发展,理论研究的突破也极大地催生和推动了碰撞等离子体在先进材料制备与改性、生物医学、农业、节能环保、空间推进以及战地生化洗消等诸多领域的广泛应用。然而,目前的研究工作往往聚焦于等离子体某一方面特性的研究,尚未形成关于碰撞等离子体中非平衡协同输运的完整理论体系。在深入分析碰撞等离子体理论和应用研究进展的基础上,该综述论文提出了以等离子体中能量的“注入–再分配–损失”为主线的、分析碰撞等离子体中质量–动量–能量非平衡协同输运机制的“能量树”概念(图1)。 

图1.描述碰撞等离子体中质量–动量–能量非平衡协同输运机制的“能量树”概念示意图

 “能量树”概念的核心思想是:作为粒子集合体和能量载体的碰撞等离子体,在从气体击穿、等离子体维持直到消亡的整个过程中,能量的注入–再分配–损失始终与体系的动量交换和粒子平衡过程强烈耦合;而体系中能量的注入、再分配以及损失将受到等离子体发生器结构参数和运行参数以及环境参数等诸多因素的影响,形成所谓的“能量树”结构。

  “能量树”概念的提出,一方面,为分析业已存在的各类碰撞等离子体中质量–动量–能量非平衡协同输运机制提供了一个强有力的工具;更为重要的是,采用“能量树”的分析方法,将完全有可能通过人为调控图1中的关键等离子体结构参数、运行参数和/或环境参数创造全新的、满足未来特殊应用需求的等离子体源。我们认为,后者对于推动非平衡态等离子体基础和应用研究的发展具有重要的意义。

 在该综述论文中,作者以“能量树”为核心概念,着重从能量的注入与损失,以及体系内部能量的传递与再分配层面深入剖析了各种碰撞等离子体体系(包括热等离子体、冷等离子体以及反应等离子体)中质量–动量–能量非平衡协同输运的时空演化特性。在此基础上,通过纳秒脉冲放电等离子体辅助燃烧、风洞中的非平衡流动放电及放电等离子体二氧化碳转化等具体的研究实例,进一步证实了采用“能量树”概念进行碰撞等离子体体系中非平衡协同输运机制分析的可行性。

 该综述论文进一步指出,面对碰撞等离子体产生和性能调控的巨大挑战及其广阔的应用前景,建立多学科深度交叉融合的协同创新网络变得十分迫切,这需要来自物理学、化学、生物医学、材料科学与工程、大数据与机器学习、机械工程、自动控制以及工程热物理等诸多领域科研人员的深入合作。在未来碰撞等离子体的研究中,需要建立完备的碰撞等离子体理论研究数据库;需要在大量的数值模拟和实验研究结果的基础上基于大数据分析和机器学习,设计面向特定应用的、具有优化的质量–动量–能量协同输运特性的“能量树”;需要发展标准化的、针对模式碰撞等离子体体系的实验测量系统,对上述研究结果进行实验验证;在此基础上,发展面向实际应用的、具有实用化的新型等离子体源,并通过对等离子体自身特性及其实际应用效果的反馈,进一步优化等离子体源的性能,实现基于上述反馈的三维、甚至更高维“能量树”的设计,进而推动以需求驱动的碰撞等离子体的科学研究和应用发展。

 《物理报道》(Physics Reports)创刊于1971年,是物理科学最具影响力的国际期刊之一,最新SCI影响因子为20.099。该刊每期只发表一篇论文,且不接受自由投稿,而是由杂志编委邀约在各研究方向作出突出贡献的专家学者撰稿,对相关领域的发展具有重要的引领和指导作用。本文第一作者和通讯作者为清华工物系长聘副教授、英国工程技术学会会士(IET Fellow)李和平博士,第二作者为澳大利亚昆士兰理工大学(Queensland University of Technology, Australia)教授、欧洲科学院外籍院士(Foreign Member of Academia Europaea)科斯蒂亚·欧思聪(K. Ostrikov)博士,第三作者为清华大学工物系校友、现任美国佐治亚理工大学(Georgia Institute of Technology, USA)助理教授孙文廷博士。

 该研究得到了中国国家自然科学基金、国家重点基础研究发展计划以及清华大学自主科研计划等项目资助。

论文链接:

https://authors.elsevier.com/a/1Y5Le1KAVtT~c4

https://www.sciencedirect.com/journal/physics-reports/vol/770/suppl/C

供稿:工物系 编辑:华山 宋亮 审核:襄楠

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