等離子體物理基礎(chǔ)知識(shí)總結(jié)

/等離子體基礎(chǔ)知識(shí)總結(jié)冷等離子體是等離子體一種近似模型。它假定等離子體的溫度為零，用來討論熱效應(yīng)可以忽略的物理過程。例如，等離子體中的波，當(dāng)其相速度遠(yuǎn)大于平均熱速度、同時(shí)回旋半徑遠(yuǎn)小于垂直于外磁場方向的波長時(shí),熱效應(yīng)不重要,便可用冷等離子體模型來討論（這種波稱為冷等離子體波).在實(shí)際處理中，冷等離子體模型也可用于高溫等離子體.在等離子體中同時(shí)存在三種力：熱壓力、靜電力和磁場力。它們對(duì)于等離子體粒子的擾動(dòng)都起著彈性恢復(fù)力的作用。因此等離子體不像一般的彈性體,波動(dòng)現(xiàn)象非常豐富，存在著聲波（熱壓力驅(qū)動(dòng)）、縱波（靜電力驅(qū)動(dòng)）、橫波(電磁力驅(qū)動(dòng))以及它們的混雜波。熱壓力的存在會(huì)產(chǎn)生類似中性氣體中聲波的“離子聲波”，靜電力的存在會(huì)產(chǎn)生靜電波，電磁力的存在會(huì)產(chǎn)生電磁波。這些波又不是單獨(dú)產(chǎn)生的,常常還同時(shí)產(chǎn)生形成混雜波.等離子體中的波基本形式通常分為三類:靜電波、電磁波和磁流體力學(xué)波。群速度不能超過光速，因?yàn)槿核俣缺硎静ㄋ鶖y帶“信息”在空間的傳播快慢。而相速度可以超過光速，相速度是常相位總移動(dòng)速度,不攜帶任何信息。波群在色散系統(tǒng)中傳播是，組成該波群的不同頻率的單色波具有不同的相速，在傳播過程中各單色波之間的相位關(guān)系將發(fā)生變化，從而導(dǎo)致信號(hào)的失真,這就是色散?！吧ⅰ眱勺值谋臼∫馑紝?shí)際上指信號(hào)的失真(或稱畸變），它是由于組成波群的各單色波因頻率不同因而相速不同引起的，所以把這種相速隨頻率改變的現(xiàn)象也叫做色散。如果兩列波具有相同的速率（相速度），則最終形成的波的包絡(luò)也具有和原來兩列波相同的速率（群速)：無色散如果兩列波速率（相速度）略有不同,則最終形成的波的包絡(luò)和原來兩列波相同的速率(群速)不相同：存在色散波的偏振即是波的極化，是指空間固定點(diǎn)的波矢量E的端點(diǎn)在2π/w時(shí)間內(nèi)的軌跡,對(duì)于電磁波是指電磁波中的電場矢量的端點(diǎn)軌跡如果等離子體中的電子與均勻的粒子本底有個(gè)位移，將會(huì)建立電場，它將把電子拉回到原來的位置。由于慣性,電子將沖過平衡位置，并以特征頻率圍繞它們的平衡軸振蕩。這個(gè)特征頻率被認(rèn)為是等離子體頻率（ｐｌasmafrｅquency)。非磁化等離子體中的靜電波假定:（1)不存在磁場；B＝0;（2）不存在熱運(yùn)動(dòng)（kT=０）；（３）離子以均勻分布固定在空間中；(4）等離子體的大小為無限大。（5）電子只在x方向運(yùn)動(dòng)。因此，不存在漲落磁場，這是一種靜電振蕩。得到等離子體的振蕩頻率是該頻率稱之為電子靜電振蕩或者朗繆爾振蕩.這個(gè)頻率取決于等離子體的密度，它是等離子體的基本參量之一.因?yàn)閙很小,等離子體頻率通常是很高的。上式告訴我們,發(fā)生等離子體振蕩時(shí),必定有一個(gè)只取決于ｎ的頻率。尤其,ω與k無關(guān),所以,群速度dω/dk為零。注意以下幾點(diǎn)：在某種程度上，這種振蕩很難被認(rèn)為是一種“正?！钡牟ǎ?yàn)樗粋鞑ツ芰炕蛐畔?在冷等離子體極限的條件下).朗謬爾波:存在熱運(yùn)動(dòng)（KT>0)熱運(yùn)動(dòng)能引起等離子體振蕩傳播的效應(yīng)。以熱速度流入等離子體臨近層的電子，將攜帶出現(xiàn)在振蕩區(qū)域的信息。于是，這種等離子體振蕩可以正當(dāng)?shù)胤Q作等離子體波－也稱為空間電荷波。需要加上狀態(tài)方程：利用絕熱條件假定碰撞頻率遠(yuǎn)小于擾動(dòng)頻率，則在波的傳播方向上可以看成是一維問題γ=3朗繆爾波的色散關(guān)系1、在長波近似條件下當(dāng)時(shí)候，

朗繆爾波才能傳播，群速為：當(dāng)時(shí)候，

朗繆爾波才能傳播，群速為：說明群速度遠(yuǎn)小于電子的熱速度。有：2、當(dāng)波的頻率增加到電子振蕩頻率的2倍時(shí)候,即：非長波近似,進(jìn)入短波區(qū)域有：朗繆爾波的傳播頻率寬度：波的相速度與電子的熱速度很相近,結(jié)果,波與粒子發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，這時(shí),流體理論已經(jīng)不能處理這類問題，需要等離子體動(dòng)力學(xué)來處理，短波朗繆爾波是強(qiáng)阻尼的.朗繆爾波的傳播頻率寬度：群速度：群速度：相速度：一般情況相速度：頻率與k有關(guān),群速度是有限的.在大的k值（小入值)時(shí),信息近似以熱速度傳播。在小的k值（大入值）時(shí)，盡管Ｖp大于Ｖtｈ,信息以遠(yuǎn)慢于Vth的速度傳播。這是因?yàn)樵诖笕霑r(shí)密度梯度小，熱運(yùn)動(dòng)幾乎不攜帶凈動(dòng)量進(jìn)入到鄰近層中。離子聲波前面在討論朗繆爾波(電子波）,認(rèn)為離子的質(zhì)量無窮大，離子是不移動(dòng)的,這樣所獲得的是不包括離子效應(yīng)的高頻波（電子波）。實(shí)際上離子的質(zhì)量是有限的，所以,離子對(duì)等離子體中的波必然有貢獻(xiàn)。由于離子移動(dòng)比較慢,因此離子將對(duì)等離子體中的低頻波產(chǎn)生影響。離子與高頻波之間幾乎沒有什么作用。因此，我們這一節(jié)主要考慮低頻波。由于電子的質(zhì)量很小，無論是高頻或者是低頻都會(huì)影響到它的運(yùn)動(dòng)。因此在描述低頻波的時(shí)候，方程中必須包含離子和電子項(xiàng).等離子體中的低頻波就是聲波。在中性氣體中的聲振蕩以熱動(dòng)壓力為恢復(fù)力,聲速與粒子熱運(yùn)動(dòng)速度同數(shù)量級(jí)。無碰撞時(shí),普通聲波不會(huì)發(fā)生。然而由于離子的電荷仍然能夠相互傳播振動(dòng)；聲波能夠經(jīng)電場的媒介而發(fā)生。定義離子的聲速：然而氣體溫度趨于零時(shí)，聲波不存在；而等離子體離子溫度為零時(shí)，離子聲波仍然存在?？紤]到對(duì)于低頻波,電子的壓縮過程是等溫的，取γ=1,這時(shí)離子聲速為定義離子的聲速：中性氣體中聲波速度然而氣體溫度趨于零時(shí)，聲波不存在；而等離子體離子溫度為零時(shí)，離子聲波仍然存在.考慮到對(duì)于低頻波，電子的壓縮過程是等溫的，取γ=1，這時(shí)離子聲速為事實(shí)上,驅(qū)動(dòng)離子聲波由兩種力:離子的熱壓力和電荷分離的靜電力。當(dāng)?shù)入x子體離子受到低頻擾動(dòng)而形成稠密和稀疏的區(qū)域時(shí)，一方面由于離子的熱運(yùn)動(dòng)使離子擴(kuò)散，這對(duì)應(yīng)于Vs式的第二項(xiàng),這一項(xiàng)與中性氣體驅(qū)動(dòng)力是類似的。另一方面，離子的過剩區(qū)域產(chǎn)生電場,這個(gè)電場受到周圍電子的屏蔽,然而這個(gè)屏蔽效應(yīng)是不完全的，還有量級(jí)為Te/e的電勢泄漏出來，這對(duì)應(yīng)于第一項(xiàng).這個(gè)電場作用在離子上使離子由稠密區(qū)向稀疏區(qū)運(yùn)動(dòng)。在推導(dǎo)上面色散關(guān)系上時(shí)，我們作了近似處理:離子靜電波在推導(dǎo)上面色散關(guān)系上時(shí)，我們作了近似處理:離子靜電波的一般色散關(guān)系?？梢姷入x子體近似可見等離子體近似引起了引起了量級(jí)的誤差一般的試驗(yàn)條件下，德拜長度非常小，所以對(duì)于波長遠(yuǎn)大于德拜長度的低頻波,等離子體近似是正確的朗繆爾波或者電子靜電波的色散關(guān)系離子聲波的色散關(guān)系朗繆爾波基本上是恒頻的。存在大的k值時(shí)變成恒速的離子聲波基本上是恒速的。存在大的k值時(shí)變成恒頻的4、什么條件下可以把帶電粒子在磁場中的軌道運(yùn)動(dòng)分成回旋運(yùn)動(dòng)和導(dǎo)心運(yùn)動(dòng)?環(huán)形磁約束裝置中為什么要用螺旋磁場位形？

答:帶電粒子在給定的電磁場中的運(yùn)動(dòng)，不考慮帶電粒子運(yùn)動(dòng)對(duì)場的反作用以及帶電粒子間的相互作用(即單粒子軌道運(yùn)動(dòng)）條件下可以分成回旋運(yùn)動(dòng)和導(dǎo)心運(yùn)動(dòng)簡單的環(huán)形磁場不能有效的約束帶電粒子,因?yàn)槠浯帕€是一個(gè)簡單的圓環(huán),帶電粒子沿磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)漂移的方向處處相同，最終粒子都離開中心區(qū)域而跑到管壁了.如果把簡單圓環(huán)磁場改成非圓環(huán)磁場,在原來的沿大環(huán)方向的圓環(huán)磁場Ｂ上疊加一個(gè)沿小環(huán)方向的磁場０B，它們合成的磁場就是一個(gè)閉合的非圓環(huán)形磁場。帶電粒子沿磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí),相對(duì)于螺線管中心軸而言,它的位置和方位都在不斷改變。這樣，粒子在磁力線上的不同位置，相對(duì)于中心軸而言，其漂移方向不一樣,有時(shí)背向中心而去,有時(shí)又趨向中心軸。在垂直中心軸的某一截面來看，粒子只是在中心附近運(yùn)動(dòng),而不是定向漂向管壁。在環(huán)形系統(tǒng)中,磁力線沿大環(huán)延伸又繞小環(huán)中心軸轉(zhuǎn)動(dòng),并且在轉(zhuǎn)一周不閉合的性質(zhì)叫磁力線的旋轉(zhuǎn)變換1、什么是等離子體?它和氣體與固體有什么相同和不同之處？

答：等離子體是由非縛束的帶電粒子組成的多粒子體系.等離子是和固體液體氣體同一層次的物質(zhì)存在形式，它是由大量帶電粒子組成的有宏觀空間尺度和時(shí)間尺度的體系。

相同之處:１。都是同一層次的物質(zhì)存在形式.２．都是由大量的粒子組成。

不同之處:固體氣體為中性粒子，固體中的粒子大部分是縛束粒子不能自由運(yùn)動(dòng)（導(dǎo)體中的自由電子例外）,氣體中的粒子可以自由運(yùn)動(dòng)但是為中性,而等離子體中粒子為非縛束的帶電粒子。5、在托卡馬克等離子體中粒子軌道分為那兩大類？給出他們的原因。

答:在托卡馬克等離子體中粒子軌道可以分為飛行軌道和香蕉軌道兩大類。

在托卡馬克型磁場位形中,由于磁力線的轉(zhuǎn)動(dòng)變換，對(duì)于一條磁力線,有的部分處在大環(huán)的外側(cè)，有的部分處在大環(huán)的內(nèi)側(cè)，所以磁力線所經(jīng)過的區(qū)域，有的地方磁場強(qiáng)，而有的地方磁場弱，因此在某種程度上，存在著磁鏡場結(jié)構(gòu),磁場的這一特點(diǎn)使得粒子軌道分為飛行軌道和香蕉軌道兩大類。

飛行軌道形成的成因:粒子的平行速度很大，能夠通過磁鏡的強(qiáng)磁場區(qū)而不被反射回來。

香蕉軌道形成的成因：粒子的平行速度不夠大，不能夠通過磁鏡的強(qiáng)磁場區(qū)，只能沿磁力線在兩個(gè)強(qiáng)磁場區(qū)域構(gòu)成的局部磁鏡間來回運(yùn)動(dòng)，其引導(dǎo)中心軌道在截面上的投影呈現(xiàn)香蕉形.８、在均勻等離子體中平行于磁場方向上，有哪些本征電磁波？給出他們各自的磁場方向、傳播方向及擾動(dòng)電場方向的示意圖，并畫出他們的色散關(guān)系圖（頻率-波矢圖）。

答:左旋圓偏振波、右旋圓偏振波（低頻分支為電子回旋波)和哨音波.詳見P28６-291頁。

9、為什么要在托卡馬克等離子體中注入射頻波（起什么作用）？主要的射頻波有那三類?給出他們的頻率范圍。

答：在等離子體中注入射頻波的作用是給等離子體加熱和驅(qū)動(dòng)等離子體電流，此外還可以驅(qū)動(dòng)等離子體轉(zhuǎn)動(dòng)。主要的射頻波有離子回旋波、低混雜波和電子回旋波。其頻率范圍如下：

電子回旋波EＣRＨ

100—2０0GHz

主要給電子加熱

低混雜波LH

1-8ＧHz

同時(shí)對(duì)電子和離子加熱

離子回旋波IＣRH

30－120MHz

主要對(duì)離子加速

10、碰撞指的是粒子間怎樣的相互作用?什么是彈性碰撞和非彈性碰撞?它們會(huì)引起什么樣的等離