等离子体物理与高新技术-讲座

高等等离子体物理

高等等离子体物理（一）线性理论（研究生教材）王晓钢

北京大学物理学院2009年2月

等离子体的流体理论 1. 等离子体的流体描述 1.1 等离子体的双流体模型 1.2Hall磁流体（Hall-MHD）模型1.3 电子磁流体（E-MHD）模型1.4 理想磁流体力学（MHD）方程组1.5 位力定理 1.6 变分原理 2. 理想磁流体平衡 2.1 磁场与磁面 2.2 Z-箍缩与 -箍缩 2.3 一维平衡与螺旋箍缩 2.4 Grad-Shafrano方程 3. 等离子体的理想磁流体稳定性3.1 能量原理 3.2扭曲模与交换模 3.3 一维稳定性，直柱托卡马克 4. 磁流体力学波 4.1 线性磁流体（MHD）方程 4.2 非磁化等离子体中的磁流体波4.3 磁化等离子体中的磁流体波

5. 均匀等离子体中的波（双流体理论）5.1 双流体模型 5.2 介电张量与色散关系 5.3 静电波简介 5.4 准静电波与准电磁波 5.4 电磁波简介

1. 等离子体的流体描述 1.1 等离子体的双流体模型等离子体是由大量带电粒子组成的物质状态。一般意义上的等离子体由带正电的离子和带负电的电子组成。由于带电粒子之间的Coulomb 长程相互作用，等离子体呈整体电中性，即总的正电荷与负电荷相等。因此，除特殊的非中性（一般是强耦合的）等离子体之外，我们可以用带负电的电子流体和带正电的离子流体组成的“双流体”模型来描述等离子体的宏观行为。这种近似牵涉到等离子体时空尺度的讨论，我们在后面将进一步详细论述。基于流体力学的图像及其近似，或者从统计物理的分布函数及其满足的方程（如Vlasov 方程或者Fokker-Planck 方程等，取决与碰撞项的形式，这里用类Markov 过程的碰撞项00()/()f f f f τν-≡-）出发，我们得到“双流体”方程组：连续性方程（统计方程的零阶矩） ()0n n t ααα?+??=?u ， (I-01) 动量方程（力平衡方程，统计方程的一阶矩） n m t ααααα???+??= ???? u u u p n q n m c αααααβαααβν???=-?++-????∑u B E u ， (I-02) 状态方程（对统计方程各阶矩的“不封闭链”（Hierarchy ）的一种截断） p p p t αααααγ?+??=-???u u ； (I-03) Coulomb 定律（Poisson 方程） 4n q αααπ??=∑E ， (I-04)

等离子体物理讲义04_动理学理论矩方程

等离子体物理学讲义 No. 4 马石庄 2012．02．29．北京

第4讲动理学理论和矩方程教学目的：学习从动理学方程建立等离子体宏观模型的方法，建立粒子轨道与等离子体整体行为之间的联系，熟悉双流体模型的基本特征，从等离子体的广义Ohm定律认识磁化等离子体的各向异性。主要内容： §1 分布函数 (4) 1.1 Maxwell分布 (5) 1.2 动理学方程 (9) 1.3 速度矩 (13) §2 流体模型方程 (17) 2.1 双流体方程 (17) 2.2磁流体模型 (22) 2. 3流体漂移 (27) §3 等离子体输运 (31) 3.1 BGK方程 (32) 3.2 双极扩散 (38) 3.2 经典扩散 (40) 习题4 (42)

在等离子体中，实际情形要比粒子轨道理论描述的复杂得多。电场和磁场不能事先给定，而应由带电粒子本身的位置和运动来确定，必须解一个自洽问题（self‐consistent problem），寻找这样一组随时间变化的粒子轨道和场，使得粒子沿着它们的轨道运动时产生场，而场使粒子在它们的确切轨道上运动。典型等离子体密度可以达到每立方米包含10 10 个离子—电子对．每个粒子都遵循一条复杂的轨道，跟踪每一条轨道导出等离子体的行为将是一个无望的工作，幸好这通常是不必要的。出人意外的是，一个看似粗糙的模型能解释实际实验中所观察到的80%的等离子体现象，这就是流体力学的连续介质模型，它忽略了个别粒子的本性，而只考虑流体质点的运动，粒子间的频繁碰撞使得流体质点中的粒子一起运动．在等离子体情形中，流体还要包含电荷，这样一个模型适用于一般不发生频繁碰撞的等离子体。流体模型能用于等离子体的一个原因是：在某种意义上磁场起到了碰撞的作用．例如，当粒子被电场加速时，如果许可粒子自由流动，就会连续地增加速度．当存在频繁的碰撞时，粒子就达到一个与电场成正比的极限速度，磁场通过使粒子以Larmor轨道回旋，能限制粒子自由流动．等离子体中的电子也以正比于电场的速度一起漂移．在这个意义上，一个无碰撞等离子体的行为类似于一个有碰撞流体．当然，粒子可以沿着磁场方向自由运动，流体模型对此并不特别合适．对于垂立于磁场的运动，流体理论是一种很好的近似．

等离子体物理

PLASMONICS: FUNDAMENTALS AND APPLICATIONS

PLASMONICS: FUNDAMENTALS AND APPLICATIONS STEFAN A.MAIER Centre for Photonics and Photonic Materials Department of Physics,University of Bath,UK

Stefan A.Maier Centre for Photonics&Photonic Materials Department of Physics University of Bath Bath BA27A Y United Kingdom Plasmonics:Fundamentals and Applications Library of Congress Control Number:2006931007 ISBN0-387-33150-6e-ISBN0-387-37825-1 ISBN978-0387-33150-8e-ISBN978-0387-37825-1 Printed on acid-free paper. c 2007Springer Science+Business Media LLC All rights reserved.This work may not be translated or copied in whole or in part without the written permission of the publisher(Springer Science+Business Media LLC,233Spring Street,New York,NY10013,USA),except for brief excerpts in connection with reviews or scholarly https://www.360docs.net/doc/4915561142.html,e in connection with any form of information storage and retrieval, electronic adaptation,computer software,or by similar or dissimilar methodology now know or hereafter developed is forbidden. The use in this publication of trade names,trademarks,service marks and similar terms, even if the are not identi?ed as such,is not to be taken as an expression of opinion as to whether or not they are subject to proprietary rights. 987654321 https://www.360docs.net/doc/4915561142.html,

等离子体物理基础期末考试含答案

版权所有，违者必究！！中文版低温等离子体作业一. 氩等离子体密度103 210n cm -=?, 电子温度 1.0e T eV =, 离子温度0.026i T eV =, 存在恒定均匀磁场B = 800 Gauss, 求（1）德拜半径；（2）电子等离子体频率和离子等离子体频率；（3）电子回旋频率和离子回旋频率；（4）电子回旋半径和离子回旋半径。解：1、1/2302 ( )8.310()e i D e i T T mm T T ne ελ-==?+， 2、氩原子量为40， 221/21/2 00()8.0,()29pe pi e i ne ne GHz MHz m m ωωεε====， 3、14,0.19e i e i eB eB GHz MHz m m Ω= =Ω== 4、设粒子运动与磁场垂直 2 4.210, 1.3e e i i ce ci m v m v r mm r mm qB qB -===?=== 二、一个长度为2L 的柱对称磁镜约束装置，沿轴线磁场分布为22 0()(1/)B z B z L =+，并满足空间缓变条件。求：（1）带电粒子能被约束住需满足的条件。（2）估计逃逸粒子占全部粒子的比例。解：1、由B(z)分布，可以求出02m B B =，由磁矩守恒得 22001122m m mv mv B B ⊥⊥ = ，即0m v ⊥⊥= （1）当粒子能被约束时，由粒子能量守恒有0m v v ⊥≥，因此带电粒子能被约束住的条件是在磁镜中央，粒子速度满足002 v v ⊥≥ 2 、逃逸粒子百分比20 1 sin 129.3%2P d d π θ ?θθπ = ==?? （2）

等离子体物理

等离子体物理等离子体物理学是研究等离子体形成及其各种性质和运动规律的学科。宇宙中的大部分物质都存在于等离子体中。例如，当太阳中心的温度超过1000万度时，太阳的大部分质量处于等离子体状态。地球上空的电离层也处于等离子体状态。19世纪以来对气体放电和20世纪初以来电离层的研究推动了等离子体的研究。自20世纪50年代以来，为了利用轻核聚变反应解决能源问题，等离子体物理的研究蓬勃发展。 1图书信息书名: 等离子体物理作者：郑春开出版社：北京大学出版社出版时间：2009-7-1 ISBN: 9787301154731 开本：16开定价: 25.00元 2内容简介本书比较系统地介绍了等离子体物理的基本概念、基本原理和描述问题及处理问题的方法。书中着重突出物理概念和物理原理，也有必要的数学描述和推导。全书共7章，内容包括：聚变能利用和研究进展、等离子体基本性质及相关概念、单粒子轨道理论、磁流体力学、等离子体波、库仑碰撞与输运过程和动理学方程简介。这些内容都是

从事核聚变和等离子体物理及相关学科研究人员所必需的，也是进一步学习核聚变与等离子体物理及相关学科专业课程的重要基础。为教学使用和学生学习方便，本书编有附录和习题，供查阅选用。本书适合于核聚变、等离子体物理、空间物理以及基础和应用等离子体物理方向的高年级本科生、研究生和研究人员使用。 3图书目录第1章聚变能利用和研究进展 1.1 聚变反应和聚变能 1.聚变反应的发现 2.聚变的燃料资源丰富 3.聚变反应是巨大太阳能的来源 1.2 聚变能利用原理 1.聚变能利用的困难 2.受控热核反应条件——劳森判据与点火条件 1.3 实现受控热核反应的途径 1.磁约束——利用磁场约束等离子体 2.惯性约束——激光核聚变 1.4 磁约束原理及其发展历史 1.磁镜装置 2.环形磁场装置 3.托卡马克装置进展 1.5 惯性约束——激光核聚变

等离子体物理

在强激光等离子体相互作用中正电子束的发射第一个测量强激光产生正电子束的装置已经制成。在不同的激光产生条件下通过测量不同的正电子能量峰值下的正电子发散和源尺寸得到发射值。对于其中一个激光产生条件，我们使用了一个空间paper-pot 技术来改善发射值。相比于使用在现在加速器上的正电子源，在100和500mm.mard之间激光产生正电子有一个几何发射。在5-20Mev能量范围中，每束 1010-1012个正电子中，这种低的束流发射度是准单能的，这可能在未来加速器中能作为替代正电子源。最近的实验表明，在FWHM中大约20-40度的发散角下，用强短脉冲激光照射富含高Z的目标靶可以产生数量众多的准单能兆电子伏特的正电子。这个实验表明了可以使用激光产生正电子作为直线加速器中的替代源的可能性。使用激光产生正电子作为新的替代源取决于一些潜在的优势，大大减小的物理尺寸，更少的成本和束流品质的提高比如每个脉冲的粒子数，能量范围，束流发射度。这些优势正是基于激光尾场的电子加速器概念所追求的。传统的正电子源通常包含高能量的电子束和富含Z的目标靶。例如，SLC使用了一个120 Hz, 30 GeV, 30kW的电子束和一个24mm厚，水冷却式W(90%)-Rh(10%)目标靶来产生正电子。一个两千米长的直线加速器需要产生电子驱动束。在2-20 MeV范围内，大约500mm.mrad的几何发散度下，在加速系统中可以捕捉到每束5×1010的正电子束。在被放进加速器之前，被收集到的正电子束要先被加速到 1.2 GeV并且被传送到一个发射制动环中。用强激光产生正电子的同时会在高Z目标靶中产生相似的电子。用一个持续的非常短强激光脉冲照射一个1mm厚，直径2mm的金制目标靶，产生1010-1012个 5-20MeV的准单能正电子。既然这是总电子能量其中包含了决定正电子产量的兆电子伏特电子，所以激光的功率会比激光的强度更重要。相同的物理过程在基于正电子源的的加速其中是有优势的。在BH过程中，激光产生热电子制造能产生和原子核相互作用的正负电子对的轫致辐射光子。考虑到对比每个脉冲的粒子数和粒子能量，这篇文章会阐述激光产生正电子束的几何发射度，和与在SLC 中~500mm.mard的比较结果。几何发散度，被定义为，其中x和x'表示在x轴上的粒子的位置和发散，代表一束中粒子的平均数。发散角的上限，其中和分别是原尺寸和发散角度的平方根。这篇文章说明了四个驱动激光正电子能量6,12,17,28MeV的发射度上限。我们展示的发散度是通过1-D方法得到的。考虑到非常小的激光焦点的结合和在20至40度范围内测量正电子束的发散，可能会预期正电子发射度可能小于10mm.mard。然而，实际的源尺寸和激光产生正电子束的发散度比预想的更大，如图1a所示。在激光中产生的热电子通过目标靶传送，所以，在目标靶任意深度中，正电子构成的区域都会比激光中焦点区域大。小部分有足够动能的正电子可以跃出目标靶并且成为有用的作为正电子源。跃出表面的正电子在目标靶背面的横向分布决定了原尺寸大小。源

等离子体物理基础知识总结

等离子体基础知识总结冷等离子体是等离子体一种近似模型。它假定等离子体的温度为零，用来讨论热效应可以忽略的物理过程。例如，等离子体中的波，当其相速度远大于平均热速度、同时回旋半径远小于垂直于外磁场方向的波长时，热效应不重要，便可用冷等离子体模型来讨论（这种波称为冷等离子体波）。在实际处理中，冷等离子体模型也可用于高温等离子体。在等离子体中同时存在三种力：热压力、静电力和磁场力。它们对于等离子体粒子的扰动都起着弹性恢复力的作用。因此等离子体不像一般的弹性体，波动现象非常丰富，存在着声波（热压力驱动）、纵波（静电力驱动）、横波（电磁力驱动）以及它们的混杂波。热压力的存在会产生类似中性气体中声波的“离子声波”，静电力的存在会产生静电波，电磁力的存在会产生电磁波。这些波又不是单独产生的，常常还同时产生形成混杂波。等离子体中的波基本形式通常分为三类：静电波、电磁波和磁流体力学波。群速度不能超过光速，因为群速度表示波所携带“信息”在空间的传播快慢。而相速度可以超过光速，相速度是常相位总移动速度，不携带任何信息。波群在色散系统中传播是，组成该波群的不同频率的单色波具有不同的相速，在传播过程中各单色波之间的相位关系将发生变化，从而导致信号的失真，这就是色散。 “色散”两字的本省意思实际上指信号的失真（或称畸变），它是由于组成波群的各单色波因频率不同因而相速不同引起的，所以把这种相速随频率改变的现象也叫做色散。如果两列波具有相同的速率（相速度），则最终形成的波的包络也具有和原来两列波相同的速率（群速）：无色散如果两列波速率（相速度）略有不同，则最终形成的波的包络和原来两列波相同的速率（群速）不相同：存在色散波的偏振即是波的极化，是指空间固定点的波矢量E 的端点在2π/w 时间内的轨迹，对于电磁波是指电磁波中的电场矢量的端点轨迹如果等离子体中的电子与均匀的粒子本底有个位移，将会建立电场，它将把电子拉回到原来的位置。由于惯性，电子将冲过平衡位置，并以特征频率围绕它们的平衡轴振荡。这个特征频率被认为是等离子体频率(plasma frequency)。非磁化等离子体中的静电波假定：（1）不存在磁场；B=0；（2）不存在热运动（kT=0）；（3）离子以均匀分布固定在空间中；（4）等离子体的大小为无限大。（5）电子只在x 方向运动。因此，不存在涨落磁场，这是一种静电振荡。得到等离子体的振荡频率是该频率称之为电子静电振荡或者朗缪尔振荡。这个频率取决于等离子体的密度，它是等离子体的基本参量之一。因为m 很小，等离子体频率通常是很高的。上式告诉我们，发生等离子体振荡时，必定有一个只取决于n 的频率。尤其，ω与k 无关，所以，群速度d ω/dk 为零。 2/1020???? ??=e pe m e n εω

等离子体物理

等离子体物理等离子体物理等离子体物理是研究等离子体的形成及其各种性质和运动规律的学科。宇宙间的大部分物质处于等离子体状态。例如：太阳中心区的温度超过一千万度，太阳中的绝大部分物质处于等离子体状态。地球高空的电离层也处于等离子体状态。19世纪以来对于气体放电的研究、20世纪初以来对于高空电离层的研究，推动了等离子体的研究工作。从20世纪50年代起，为了利用轻核聚变反应解决能源问题，促使等离子体物理学研究蓬勃发展。本书比较系统地介绍了等离子体物理的基本概念、基本原理和描述问题及处理问题的方法。书中着重突出物理概念和物理原理，也有必要的数学描述和推导。全书共7章，内容包括：聚变能利用和研究进展、等离子体基本性质及相关概念、单粒子轨道理论、磁流体力学、等离子体波、库仑碰撞与输运过程和动理学方程简介。这些内容都是从事核聚变和等离子体物理及相关学科研究人员所必需的，也是进一步学习核聚变与等离子体物理及相关学科专业课程的重要基础。为教学使用和学生学习方便，本书编有附录和习题，供查阅选用。本书适合于核聚变、等离子体物理、空间物理以及基础和应用等离子体物理方向的高年级本科生、研究生和研究人员使用。第1章聚变能利用和研究进展本章先介绍聚变反应、聚变能利用原理、聚变能利用条件、

实现聚变能利用的途径、方法和当前研究的进展，为学习等离子体物理提供一个背景和讨论的平台。然后介绍等离子体的性质、特点和研究方法。 1.1 聚变反应和聚变能 1.聚变反应的发现 19世纪末，放射性发现之后，太阳能的来源很快地被揭开。英国化学家和物理学家阿斯顿(Aston)利用摄谱仪进行同位素研究，他在实验中发现，氦-4质量比组成氦的2个质子、2个中子的质量之和大约小1％(质量亏损)。这一质量亏损的结果为实现核聚变并释放能量提供了实验依据。同一时期，卢瑟福也提出，能量足够大的轻核碰撞后，可能发生聚变反应。 1929年英国的阿特金森（R.de Atkinson）和奥地利的胡特斯曼（F.G.Hout-ersman）证明氢原子聚变为氦的可能性，并认为太阳上进行的就是这种轻核聚变反应。 1932年美国化学家尤里（Urey）发现氢同位素氘（重氢，用D表示），为此，1934年他获得诺贝尔化学奖。

等离子体物理学

等离子体物理学的方法二. 等离子体的物理特性等离子体定义为包含大量正负带电粒子、而又不出现净空间电荷的电离气体。等离子体有一系列不同于普通气体的特性：（1）高度电离，是电和热的良导体，具有比普通气体大几百倍的比热容。（2）带正电的和带负电的粒子密度几乎相等。（3）宏观上是电中性的。描述等离子体的一些主要参量为：（1）电子温度。它是等离子体的一个主要参量，因为在等离子体中电子碰撞电离是主要的，而电子碰撞电离与电子的能量有直接关系，即与电子温度相关联。（2）带电粒子密度。电子密度为，正离子密度为，在等离子体中。

（3）轴向电场强度。表征为维持等离子体的存在所需的能量。（4）电子平均动能。（5）空间电位分布。本实验研究的是辉光放电等离子体。 1.21带电粒子在均匀恒定磁场和电场中的电漂移（如图3所示）：由电漂移速度公式 ⑵知，带电粒子漂移方向垂直于磁场B 和电场E ，漂移速度的大小与粒子电荷的符号以及粒子的质量都无关，因此，所有正负带电粒子都以相同的速度朝同一方向漂移，不会引起电荷分离，也就不会出现漂移电流。图2:均匀磁场中带电粒子的回旋图图3：带电粒子电漂移 1.22带电粒子在均匀恒定磁场中重力漂移（如图4所示）：它是由于粒子在重力场中得到和损失能量时所引起的回旋半径的变化。重力漂移速度与粒子电荷符号有关，正负电荷朝相反的方向漂移，因此会产生电荷分离，引起漂移电流。其他非电性力也有同样的性质。另外，重力漂移速度大小与粒子质量有关，粒子质量越大，漂移速度越大。在许多情况下，重力引起的漂移是可以忽略不计的。

图4：重力漂移 1.3带电粒子在非均匀恒定电磁场中的运动【12】变化的磁场是指磁场空间分布的非均匀性和磁场随时间的变化，这时粒子的运动方程为： ⑶由于 B 是空间坐标和时间的函数，方程是非线性的，在一般情况下难于求得解析解。然而，如果当回旋半径，螺旋轨道的螺矩远小于非均匀性的特征长度，带电粒子回旋周期远小于场变化的特征时间，即满足所谓的缓变条件能近似地求解运动方程。所以，只要弄清引导中心的漂移运动的性质，就能了解粒子运动的整体特性。这样一种近似处理方法叫做漂移近似。人们广泛利用这种近似来描述强磁场中等离子体的行为。带电粒子在变化磁场中的运动中主要有梯度漂移，曲率漂移： 1.31由磁场梯度引起的梯度漂移（如图5所示）有关，同时，与电荷符号有关，正负电荷梯度漂移速度与粒子横向动能w ⊥ 将沿相反方向漂移，引起电荷分离，并产生漂移电流。图5：梯度漂移 1.32带电粒子的曲率漂移（图6所示）设磁力线有轻微的弯曲，磁力线的曲率半径 R 远大于粒子的回旋半径，且满足缓变条件，带电粒子以速度υ沿磁力线运动，同时绕着磁力线

等离子体物理

等离子体物理等离子体物理是研究等离子体的形成及其各种性质和运动规律的学科。宇宙间的大部分物质处于等离子体状态。例如：太阳中心区的温度超过一千万度，太阳中的绝大部分物质处于等离子体状态。地球高空的电离层也处于等离子体状态。19世纪以来对于气体放电的研究、20世纪初以来对于高空电离层的研究，推动了等离子体的研究工作。从20世纪50年代起，为了利用轻核聚变反应解决能源问题，促使等离子体物理学研究蓬勃发展。本书比较系统地介绍了等离子体物理的基本概念、基本原理和描述问题及处理问题的方法。书中着重突出物理概念和物理原理，也有必要的数学描述和推导。全书共7章，内容包括：聚变能利用和研究进展、等离子体基本性质及相关概念、单粒子轨道理论、磁流体力学、等离子体波、库仑碰撞与输运过程和动理学方程简介。这些内容都是从事核聚变和等离子体物理及相关学科研究人员所必需的，也是进一步学习核聚变与等离子体物理及相关学科专业课程的重要基础。为教学使用和学生学习方便，本书编有附录和习题，供查阅选用。本书适合于核聚变、等离子体物理、空间物理以及基础和应用等离子体物理方向的高年级本科生、研究生和研究人员使用。受控热核聚变研究旨在探索新能源，因此它是当代备受世人瞩目的重大研究课题。半个多世纪以来，经过世界各国科学家的努力探

索，磁约束核聚变装置（托卡马克）现在已进入能源开发工程的实验阶段。特别是2006年11月21日，中国、欧盟、美国、俄罗斯、日本、韩国和印度七方代表在巴黎正式签署了《国际热核聚变实验堆（International Yhermonuclear Experimental Reactor，ITER）联合实施协定》，这标志着ITER计划进入了正式实施和开工建设阶段。为满足核聚变研究发展的新形势和我国参加ITER国际合作计划的需要，大力培养核聚变和等离子体物理人才是一项非常紧迫的任务。为此，北京大学决定在物理学院恢复、重建等离子体物理学科，2009年1月6日北京大学研究生院正式批准在物理学一级学科下设立等离子体物理二级学科博士点。为国家能源发展战略、空间研究与开发以及参加ITER国际合作计划培养高素质人才。早在1959年秋，北京大学原子能系（后来改称技术物理系）在系主任、我国著名核科学家胡济民先生领导下，就着手筹建核聚变和等离子体物理学科，并积极与原子能所（现中国原子能研究院）14室开展合作，加速学校核聚变和等离子体物理学科建设。胡济民先生与理论物理学家、原子能所14室主任王承书先生共同指导，在14室组织我国第一批参加核聚变研究的年青科技人员，学习等离子体物理，为我国培养了第一批核聚变和等离子体物理研究人才，并积极开展核聚变研究工作。作者也有幸与原子能所14室年青科技人员一起，在胡济民、王承书两位物理学家（后来都当选中科院院士）关怀、指导下，共同学习等离子体物理，开展核聚变研究工作。

等离子体物理

等离子体内部存在着很多种运动形式，并且相互转化着，高温等离子体还有多种不稳定性。因此等离子体研究是个非常复杂的问题。虽然知道了描述等离子体的基本数学方程，但这组方程非常难解，目前还很难用以准确预言等离子体的性质和行为。等离子体的实验研究，因为因素复杂多变，所以难度也很大，目前精确度还不高。现在正在大力进行这方面的研究，以期能够发展出一套方法，使等离子体的温度升高到一亿度以上，并能控制它的不稳定性，在足够长的时间内，将它约束住，使热核反应得以比较充分地进行下去。从1928年I.朗缪尔首先引入等离子体的名词以来，伴随着气体放电、天体物理和空间物理、受控热核聚变以及低温等离子体技术应用（如磁流体发电、等离子体冶炼、等离子体化工、气体放电型的电子器件以及火箭推进剂等）的研究，作为它们的实验和理论基础的等离子体物理学迅速发展，逐渐成为一个独立的学科。由于等离子体种类繁多，现象复杂，应用广泛，等离子体物理学正从实验研究、理论研究、数值计算三个方面，互相结合地向深度和广度发展。对于天体、空间和地球上的各种天然等离子体，主要通过包括高空飞行器和人造卫星在内的各种观测手段，接收它们发射的各种辐射和粒子进行研究。根据大量观测结果，结合天体物理、空间物理和等离子体物理的理论研究，进行分析综合，逐步深入地了解天然等离子体的现象、性质、结构、运动以及演化规律。在受控热核聚变中，研究的目的是利用处于等离子体状态的轻核，实现聚变反应，以获取大量的能量。

等离子体物理学的理论研究包括粒子轨道理论，磁流体力学和等离子体动理论3个方面，前两者是近似方法，后者是严格的统计方法。粒子轨道理论把等离子体看成由大量独立的带电粒子组成的集体，只讨论单个带电粒子在外加电磁场中的运动，而忽略粒子间的相互作用。粒子轨道理论适用于稀薄等离子体，对于稠密等离子体也可提供某些描述，但由于没有考虑重要的集体效应，局限性很大。粒子轨道理论的基该方法是求解粒子的运动方程。在均匀恒定磁场条件下，带电粒子受洛伦兹力作用，沿着以磁力线为轴的螺旋线运动（见带电粒子的回旋运动）。如果还有静电力或重力，或磁场非均匀，则带电粒子除了以磁力线为轴的螺旋线运动外，还有垂直于磁力线的运动——漂移。漂移是粒子轨道理论的重要内容，如由静电力引起的电漂移、由磁场梯度和磁场曲率引起的梯度漂移和曲率漂移等都是。粒子轨道理论的另一个重要内容是浸渐不变量（曾称绝热不变量）。当带电粒子在随空间或时间缓慢变化的磁场中运动时，在一级近似理论中，存在着可视为常量的浸渐不变量。比较重要的一个浸渐不变量是带电粒子回旋运动的磁矩，等离子体的磁约束以及地磁场约束带电粒子形成的地球辐射带即范艾伦带等，都可以利用磁矩的浸渐不变性来解释。磁流体力学

等离子体物理学

§2 等离子体物理学研究等离子体的形成、性质和运动规律的一门学科。宇宙间的物质绝大部分处于等离子体状态。天体物理学和空间物理学所研究的对象中，如太阳耀斑、日冕、日珥、太阳黑子、太阳风、地球电离层、极光以及一般恒星、星云、脉冲星等等，都涉及等离子体。处于等离子状态的轻核，在聚变过程中释放了大量的能量,因此,这个过程的实现，将为人类开发取之不尽的能源。要利用这种能量，必须解决等离子体的约束、加热等物理问题。所以，等离子体物理学是天体物理学、空间物理学和受控热核聚变研究的实验与理论基础。此外，低温等离子体的多项技术应用，如磁流体发电、等离子体冶炼、等离子体化工、气体放电型的电子器件，以及火箭推进剂等研究，也都离不开等离子体物理学。金属及半导体中电子气的运动规律，也与等离子体物理有联系。一发展简史 19世纪以来对气体放电的研究;19世纪中叶开始天体物理学及20世纪对空间物理学的研究；1950年前后开始对受控热核聚变的研究；以及低温等离子体技术应用的研究，从四个方面推动了这门学科的发展。 19世纪30年代英国的M.法拉第以及其后的J.J.汤姆孙、J.S.E.汤森德等人相继研究气体放电现象，这实际上是等离子体实验研究的起步时期。1879年英国的W.克鲁克斯采用“物质第四态”这个名词来描述气体放电管中的电离气体。美国的I.朗缪尔在1928年首先引入等离子体这个名词，等离子体物理学才正式问世。1929年美国的L.汤克斯和朗缪尔指出了等离子体中电子密度的疏密波（即朗缪尔波）。对空间等离子体的探索，也在20世纪初开始。1902年英国的O.亥维赛等为了解释无线电波可以远距离传播的现象，推测地球上空存在着能反射电磁波的电离层。这个假说为英国的E.V.阿普顿用实验证实。英国的D.R.哈特里(1931)和阿普顿(1932)提出了电离层的折射率公式，并得到磁化等离子体的色散方程。1941年英国的S.查普曼和V.C.A.费拉罗认为太阳会发射出高速带电粒子流，粒子流会把地磁场包围，并使它受压缩而变形。从20世纪30年代起，磁流体力学及等离子体动力论逐步形成。等离子体的速度分布函数服从福克－普朗克方程。苏联的Л.Д.朗道在1936年给出方程中由于等离子体中的粒子碰撞而造成的碰撞项的碰撞积分形式。1938年苏联的A.A.符拉索夫提出了符拉索夫方程，即弃去碰撞项的无碰撞方程。朗道碰撞积分和符拉索夫方程的提出，标志着动力论的发端。 1942年瑞典的H.阿尔文指出，当理想导电流体处在磁场中，会产生沿磁力线传播的横波(即阿尔文波)。印度的S.钱德拉塞卡在1942年提出用试探粒子模型来研究弛豫过程。1946年朗道证明当朗缪尔波传播时，共振电子会吸收波的能量造成波衰减，这称为朗道阻尼。朗道的这个理论，开创了等离子体中波和粒子相互作用和微观不稳定性这些新的研究领域。从1935年延续至1952年，苏联的H.H.博戈留博夫、英国的M.玻恩等从刘维定理出发，得到了不封闭的方程组系列，名为BBGKY链。由它可导出符拉索夫方程等,这给等离子体动力论奠定了理论基础。 1950年以后，因为英、美、苏等国开始大力研究受控热核反应，促使等离子体物理蓬勃发展。热核反应的概念最早出现于1929年，当时英国的R.de阿特金森和奥地利的F.G. 豪特曼斯提出设想，太阳内部轻元素的核之间的热核反应所释放的能量是太阳能的来源，这是天然的自控热核反应。1957年英国的J.D.劳孙提出受控热核反应实现能量增益的条件，即劳孙判据。 50年代以来已建成了一批受控聚变的实验装置，如美国的仿星器和磁镜以及苏联的托卡马克，这三种是磁约束热核聚变实验装置。60年代后又建立一批惯性约束聚变实验装置。

等离子体物理学前沿剖析

《等离子体物理学前沿》大作业题

一、（1）有哪几种低气压射频放电？简述其放电产生等离子体的原理。（2）有哪几种电子加热机制？简述其物理图象。（1）低气压电感耦合和电容耦合射频放电。电感耦合：感性放电中的等离子体是通过将射频功率加在一个非共振线圈上产生的"根据法拉第电磁感应定律,当平面型或者圆柱型的线圈中通入环向交变电流时,在被这些线圈缠绕的放电腔室内,该电流会激发出磁场,这个交变的磁场又会感应出环向的电场从而将腔室内的气体击穿,产生等离子体"由于环向电场对电子和离子的加速作用,在放电腔室内会诱导出环向的等离子体电流,该电流与线圈中的电流藕合起来,不断地修正所激发的电磁场的空间分布"通过强电离和输运扩散过程,最终等离子体演变到稳定状态"这种放电机制激发的等离子体与放电环路之间的祸合作用可以等效成为一个变压器,因此这种放电模式被称为感性放电模式. 电容耦合: 电容耦合方式是由接地的放电室(由复合系数很小的材料如石英做成)和引入的驱动电极作为耦合元件.驱动电极上镀有溅射产额较低的陶瓷材料以减少离子的对阴极材料的溅射。当与电源接通后,在放电室和驱动电极之间产生高频电场,自由电子在此作用下做上下往复运动,并激发放电。由于电子的自由程远大于放电室的尺寸,因此主要靠它们从管壁上打出的二次电子而获得倍增,后者成为这种放电的维持者,而由气体电离所产生的二次电子将起次要作用。（2）电子加热方式分为欧姆加热和随机加热，欧姆加热也称碰撞加热,它是通过做振荡运动的电子与中性粒子碰撞后产生的动量转移造成的。对于随机加热,在感性祸合放电中,电子是在趋肤层中获得能量的,趋肤效应产生的条件如下:当入射电磁场的频率低于等离子体频率时,电磁场只能进入等离子体的表层,这一表层称为趋肤层,这一表层的厚度称为趋肤深度,因此,在感性祸合放电中,如果感应的电磁场在等离子体表面产生趋肤效应,那么电磁场只存在于趋肤层中,而不能深入到等离子体内部. 二、简述等离子体鞘层形成的机理和种类，并指出鞘层在等离子体处理工艺中所起的作用。

等离子体物理思考题参考

思考题 1.1 电离气体一定是等离子体吗？反过来呢？答：电离气体不一定是等离子体，反过来也不一定。 1.2 试就高温、低温、高密度、低密度等离子体各举一例。答：磁约束受控热核聚变等离子体是高温等离子体，电弧等离子体是低温等离子体，太阳内部等离子体是高密度等离子体，电离层等离子体是低密度等离子体。 1.3 德拜屏蔽效应一定要有异性离子存在吗？答：不一定，完全由电子构成的非中性等离子体也具有德拜屏蔽效应。 1.4 用电子德拜长度表示等离子体的德拜长度的前提是什么？答：主要是所考虑问题的时间尺度应小于离子的响应时间，离子不能响应。 1.5 由于德拜屏蔽，带电粒子的库仑势被限制在德拜长度内，这是否意味着粒子与德拜球外粒子无相互作用？为什么？答：有，但是表现为集体相互作用，实际上屏蔽本身可以视为相互作用的传递过程，粒子对德拜球外的粒子的相互作用，通过周围屏蔽粒子的传递而作用。 1.6 对于完全由同一种离子构成的非中性等离子体，能够有德拜屏蔽的概念吗？答：同样有，但此时是指在平衡状态下，系统对电扰动的屏蔽作用。 1.7 常规等离子体具有不容忍内部存在电场的禀性，这是否意味着等离子体内部不可能存在很大的电场，为什么？答：不一定，在小于德拜长度的空间尺度中，可以存在局域很强的电场，在比等离子体特征响应时间小的时间尺度中，可以存在瞬时的强电场。 1.8 在电子集体振荡的模型中，若初始时不是所有电子与离子产生分离而是部分电子，则振荡频率会发生变化吗？如果变化，如何解释？答：从方程上看，此时的振荡频率似乎会减小，即将电子密度换成分离电子密度，如果这样，集体振荡频率就不是等离子体的一种特征频率，因为与振荡扰动的幅度相关。但事实上这样处理是不对的，部分电子与离子分离的情况应用此模型无法进行。因为当部分电子分离时，未分离的电子同样会运动，使得电场会增大，结果使振荡频率仍然是等离子体频率。 1.9 粒子之间的碰撞是中性气体中粒子相互作用的唯一途径，在等离子体中

等离子体物理

等离子体是一种区别于固态、液态、气态之外的第四种物质形态，是宇宙中一种常见的物质，在太阳、恒星、闪电中都存在等离子体，它占了整个宇宙的99%。物质当被加热到足够高的温度或其他原因，外层电子摆脱原子核的束缚成为自由电子，电子离开原子核，变成由带正电的原子核和带负电的电子组成的、一团均匀的等离子体。等离子体由离子、电子以及未电离的中性粒子的集合组成，整体呈中性的物质状态。等离子体可分为两种：高温和低温等离子体。高温等离子体只有在温度足够高时发生的。恒星不断地发出这种等离子体，比如太阳中心区的温度超过一千万摄氏度，太阳中的绝大部分物质处于等离子体状态。等离子体物理主要研究等离子体的形成及其各种性质和运动规律的学科。19世纪以来对于气体放电的研究、20世纪初以来对于高空电离层的研究，促使等离子体物理学研究蓬勃发展。特别是从20世纪50年代起为了利用轻核聚变反应解决能源问题，以探索、开发、解决人类无限而清洁的新能源。研究高温等离子体性质，以及如何实现并维持上亿摄氏度高温等离子体的长时间连续运行，以获得可控的清洁、安全、用之不竭的聚变能，一劳永逸地解决人类社会发展的能源需求，对人类及地球长期可持续发展意义重大，不仅可以满足人类发展对未来能源的需求，大大降低人类对矿石能源的追逐引发战争的风险，也避免因过度开发导致的环境污染等难题，更好地保护地球。

自从上个世纪四五十年代原子弹、氢弹这些破坏性杀伤性武器问世，人们就希望将这些核能开发出来作为能源使用。基于核裂变反应的核电站已经为人类提供了大量能源，但是由于其存在安全隐患以及放射性核费料的处理等难题，其发展受到了很大限制。虽然太阳、氢弹等都是基于核聚变反应释放大量光和热的，但是到目前为止人们还不能够有效实现核聚能的应用。太阳主要依靠重力来约束高温等离子体的聚变反应来产生光和热，并且不存在一个固体边界。而在地球上实现可控核聚变，必须解决高温等离子体约束及固体边界问题，以实现并维持上亿摄氏度高温等离子体的长时间连续运行，为人类提供丰富无限的清洁能源，以满足未来社会不断发展对能源的重大需求。目前可控核聚变研究主要有两种途径，一种是惯性约束核聚变，另一种是磁约束核聚变。惯性约束核聚变是利用强激光等驱动器提供的能量使靶丸中的核聚变燃料（氘、氚）形成等离子体，在这些等离子体粒子由于自身惯性作用还来不及向四周飞散的极短时间内，通过向心爆聚被压缩到高温、高密度状态，从而发生核聚变反应。由于这种核聚变是依靠等离子体粒子自身的惯性约束作用而实现的，因而称为惯性约束聚变。磁约束热核聚变就是用特殊形态的磁场把氘、氚等轻原子核和自由电子组成的、处于热核反应状态的超高温等离子体约束在有限的体积内，使它受控制地发生大量的原子核聚变反应，释放出热量。磁约束热核聚变是实现长时间稳定输出聚变能的最有希望的途径，是等离

等离子体物理学理论分解

等离子体物理学理论姓名: 摘要：本文简要介绍了等离子体的概念，等离子体的发展史，等离子体按焰温度和所处状态的分类，并且例举了在地球上和地球外的常见等离子体，也简单介绍了等离子体在冶炼、喷涂、焊接、刻蚀、隐身和核聚变各个方面的应用。另外，对等离子体的现状做了介绍，对其前景也做了展望。而主要介绍了等离子体物理学的理论，包括粒子轨道理论，磁流体力学和等离子体动力论三个方面，并一一展开详细介绍了这三个理论，最后得出三大理论相互联系的结论。关键词：等离子体；粒子轨道理论；漂移；等离子体动力论；湍流；孤立子；等离子体中波；引言：大家早已熟知物体的固体、液体和气体三态。将固体加热到熔点时，粒子的平均动能超过晶格的结合能，固体会变成液体；将液体加热到沸点时，粒子的动能会超过粒子之间的结合能，液体会变成气体。如果把气体进一步加热，气体则会部分电离或者完全电离，则原子变成离子。如果正离子和负离子数目相等即为等离子体。自20世纪50年代以来，等离子体物理学已发展成为物理学的一个十分活跃的分支。在实验上，已经取得很大的成就。在理论上，利用粒子轨道理论、磁流体力学和动力论已经阐明等离子体的很多性质和运动规律，相信随着人们对等离子体性质研究的不断深入，我们会能够将其应用在更多领域。一．等离子体概念从广义上说，等离子体是泛指一些具有足够的能量自由的带电粒子，其运动以受电磁场力作用为主的物质，例如，半导体、电解液都是等离子体。从狭义上讲，等离子体是普通气体温度升高时，气体粒子的热运动加剧，使粒子之间发生强烈碰撞，大量原子或分子中的电子被撞掉，当温度高达百万开到1亿开，所有气体原子全部电离．电离出的自由电子总的负电量与正离子总的正电量相等．这种高度电离的、宏观上呈中性的气体叫等离子体【1】。等离子体又叫做电浆，它广泛存在于宇宙中，常被视为是除去固﹑液﹑气外，物质存在的第四态。二．等离子体的发展简史【1】

等离子体物理习题

等离子体物理习题一. 设氩等离子体密度n =2.0×1010cm -3, 电子温度T e =1.0eV , 离子温度T i =0.026 eV , 存在恒定均匀磁场B = 800 Gauss, 求（1）德拜半径 λD ；（2）电子等离子体频率ωpe 和离子等离子体频率ωpi ；（3）电子回旋频率Ωe 和离子回旋频率ΩI ；（4）电子回旋半径r ce 和离子回旋半径r ci 。二．一个长度为2L 的柱对称磁镜约束装置，沿轴线磁场分布为，并满足空间缓变条件。求： )/1()(220L z B z B +=（1）带电粒子能被约束住需满足的条件。（2）估计逃逸粒子占全部粒子的比例。三．在高频电场0E=E cos t ω中，仅考虑电子与中性粒子的弹性碰撞，并且碰撞频率t ea ea =/νυλ正比于速度。求电子的速度分布函数，电子平均动能，并说明当 t ea >>ων时，电子遵守麦克斯韦尔分布。四. 设一长柱形放电室，放电由轴向电场维持，有均匀磁场沿着柱轴方向，求：（1）径向双极性电场和双极扩散系数；（2）电子和离子扩散系数相等时，磁场满足的条件；（3）当磁场满足什么条件时，双极性电场指向柱轴。五．如果温度梯度效应不能忽略, 推导无磁场时双极扩散系数和双极性电场。六、推导出无碰撞鞘层Child 定律和玻姆鞘层判据。七．设一无碰撞朗谬尔鞘层厚度为S ，电压为V 0，证明：一个初始能量为零的离子穿过鞘层到达极板所需时间为t = 3S/v 0 ，这里v 0=（2eV 0/m ）1/2。八．一个截面为正方形（边长为a ）长方体放电容器内，纵向电场维持了定态等离子体，设直接电离项为n t n i νδδ=，并忽略温度梯度效应，求：（1）在截面内等离子体密度分布和电离平衡条件：（2）设纵向电流密度为0e j enb E =，给出穿过放电室截面的总电流表达式。

等离子体物理

等离子体等离子体又叫做电浆，是由部分电子被剥夺后的原子及原子团被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，它广泛存在于宇宙中，常被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。等离子体是一种很好的导电体，利用经过巧妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。等离子体物理的发展为材料、能源、信息、环境空间，空间物理，地球物理等科学的进一步发展提供了新的技术和工艺。等离子体（Plasma）是一种由自由电子和带电离子为主要成分的物质形态，广泛存在于宇宙中，常被视为是物质的第四态，被称为等离子态，或者“超气态”，也称“电浆体”。等离子体具有很高的电导率，与电磁场存在极强的耦合作用。等离子体是由克鲁克斯在1879年发现的，1928年美国科学家欧文·朗缪尔和汤克斯（Tonks）首次将“等离子体”（plasma）一词引入物理学，用来描述气体放电管里的物质形态[1]。严格来说，等离子体是具有高位能动能的气体团，

等离子体的总带电量仍是中性，借由电场或磁场的高动能将外层的电子击出，结果电子已不再被束缚于原子核，而成为高位能高动能的自由电子。等离子体是物质的第四态，即电离了的“气体”，它呈现出高度激发的不稳定态，其中包括离子(具有不同符号和电荷)、电子、原子和分子。其实，人们对等离子体现象并不生疏。在自然界里，炽热烁烁的火焰、光辉夺目的闪电、以及绚烂壮丽的极光等都是等离子体作用的结果。对于整个宇宙来讲，几乎99．9%以上的物质都是以等离子体态存在的，如恒星和行星际空间等都是由等离子体组成的。用人工方法，如核聚变、核裂变、辉光放电及各种放电都可产生等离子体。分子或原子的内部结构主要由电子和原子核组成。在通常情况下，即上述物质前三种形态，