清華工物系李和平副教授等受邀發(fā)文

提出分析碰撞等離子體中非平衡協(xié)同輸運(yùn)機(jī)制的“能量樹(shù)”概念

清華新聞網(wǎng)12月6日電 日前，清華工物系核燃料團(tuán)隊(duì)李和平副教授與其合作者受邀在著名物理學(xué)期刊《物理報(bào)道》（Physics Reports）上發(fā)表綜述論文，針對(duì)碰撞等離子體的產(chǎn)生與特性調(diào)控機(jī)制，在國(guó)際上首次提出了分析碰撞等離子體中質(zhì)量–動(dòng)量–能量非平衡協(xié)同輸運(yùn)機(jī)制的“能量樹(shù)”概念。

在過(guò)去的幾十年里，面向不同類(lèi)型碰撞等離子體的基礎(chǔ)研究取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，理論研究的突破也極大地催生和推動(dòng)了碰撞等離子體在先進(jìn)材料制備與改性、生物醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、節(jié)能環(huán)保、空間推進(jìn)以及戰(zhàn)地生化洗消等諸多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。然而，目前的研究工作往往聚焦于等離子體某一方面特性的研究，尚未形成關(guān)于碰撞等離子體中非平衡協(xié)同輸運(yùn)的完整理論體系。在深入分析碰撞等離子體理論和應(yīng)用研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，該綜述論文提出了以等離子體中能量的“注入–再分配–損失”為主線(xiàn)的、分析碰撞等離子體中質(zhì)量–動(dòng)量–能量非平衡協(xié)同輸運(yùn)機(jī)制的“能量樹(shù)”概念（圖1）。 

圖1.描述碰撞等離子體中質(zhì)量–動(dòng)量–能量非平衡協(xié)同輸運(yùn)機(jī)制的“能量樹(shù)”概念示意圖

“能量樹(shù)”概念的核心思想是：作為粒子集合體和能量載體的碰撞等離子體，在從氣體擊穿、等離子體維持直到消亡的整個(gè)過(guò)程中，能量的注入–再分配–損失始終與體系的動(dòng)量交換和粒子平衡過(guò)程強(qiáng)烈耦合；而體系中能量的注入、再分配以及損失將受到等離子體發(fā)生器結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)以及環(huán)境參數(shù)等諸多因素的影響，形成所謂的“能量樹(shù)”結(jié)構(gòu)。

 “能量樹(shù)”概念的提出，一方面，為分析業(yè)已存在的各類(lèi)碰撞等離子體中質(zhì)量–動(dòng)量–能量非平衡協(xié)同輸運(yùn)機(jī)制提供了一個(gè)強(qiáng)有力的工具；更為重要的是，采用“能量樹(shù)”的分析方法，將完全有可能通過(guò)人為調(diào)控圖1中的關(guān)鍵等離子體結(jié)構(gòu)參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)和/或環(huán)境參數(shù)創(chuàng)造全新的、滿(mǎn)足未來(lái)特殊應(yīng)用需求的等離子體源。我們認(rèn)為，后者對(duì)于推動(dòng)非平衡態(tài)等離子體基礎(chǔ)和應(yīng)用研究的發(fā)展具有重要的意義。

在該綜述論文中，作者以“能量樹(shù)”為核心概念，著重從能量的注入與損失，以及體系內(nèi)部能量的傳遞與再分配層面深入剖析了各種碰撞等離子體體系（包括熱等離子體、冷等離子體以及反應(yīng)等離子體）中質(zhì)量–動(dòng)量–能量非平衡協(xié)同輸運(yùn)的時(shí)空演化特性。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)納秒脈沖放電等離子體輔助燃燒、風(fēng)洞中的非平衡流動(dòng)放電及放電等離子體二氧化碳轉(zhuǎn)化等具體的研究實(shí)例，進(jìn)一步證實(shí)了采用“能量樹(shù)”概念進(jìn)行碰撞等離子體體系中非平衡協(xié)同輸運(yùn)機(jī)制分析的可行性。

該綜述論文進(jìn)一步指出，面對(duì)碰撞等離子體產(chǎn)生和性能調(diào)控的巨大挑戰(zhàn)及其廣闊的應(yīng)用前景，建立多學(xué)科深度交叉融合的協(xié)同創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)變得十分迫切，這需要來(lái)自物理學(xué)、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)與工程、大數(shù)據(jù)與機(jī)器學(xué)習(xí)、機(jī)械工程、自動(dòng)控制以及工程熱物理等諸多領(lǐng)域科研人員的深入合作。在未來(lái)碰撞等離子體的研究中，需要建立完備的碰撞等離子體理論研究數(shù)據(jù)庫(kù)；需要在大量的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果的基礎(chǔ)上基于大數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)，設(shè)計(jì)面向特定應(yīng)用的、具有優(yōu)化的質(zhì)量–動(dòng)量–能量協(xié)同輸運(yùn)特性的“能量樹(shù)”；需要發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)化的、針對(duì)模式碰撞等離子體體系的實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)上述研究結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；在此基礎(chǔ)上，發(fā)展面向?qū)嶋H應(yīng)用的、具有實(shí)用化的新型等離子體源，并通過(guò)對(duì)等離子體自身特性及其實(shí)際應(yīng)用效果的反饋，進(jìn)一步優(yōu)化等離子體源的性能，實(shí)現(xiàn)基于上述反饋的三維、甚至更高維“能量樹(shù)”的設(shè)計(jì)，進(jìn)而推動(dòng)以需求驅(qū)動(dòng)的碰撞等離子體的科學(xué)研究和應(yīng)用發(fā)展。

《物理報(bào)道》（Physics Reports）創(chuàng)刊于1971年，是物理科學(xué)最具影響力的國(guó)際期刊之一，最新SCI影響因子為20.099。該刊每期只發(fā)表一篇論文，且不接受自由投稿，而是由雜志編委邀約在各研究方向作出突出貢獻(xiàn)的專(zhuān)家學(xué)者撰稿，對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展具有重要的引領(lǐng)和指導(dǎo)作用。本文第一作者和通訊作者為清華工物系長(zhǎng)聘副教授、英國(guó)工程技術(shù)學(xué)會(huì)會(huì)士（IET Fellow）李和平博士，第二作者為澳大利亞昆士蘭理工大學(xué)（Queensland University of Technology, Australia）教授、歐洲科學(xué)院外籍院士（Foreign Member of Academia Europaea）科斯蒂亞·歐思聰（K. Ostrikov）博士，第三作者為清華大學(xué)工物系校友、現(xiàn)任美國(guó)佐治亞理工大學(xué)（Georgia Institute of Technology, USA）助理教授孫文廷博士。

該研究得到了中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃以及清華大學(xué)自主科研計(jì)劃等項(xiàng)目資助。

論文鏈接：

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

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

供稿：工物系 編輯：華山 宋亮 審核：襄楠