等离子体物理思考题参考050718资料
等离子体物理-第五章-1
下，由于
2 c 1 2 2
5.23
§5.2存在磁场时弱电离等离子体中的扩散
通过对强磁场和无磁场两种情况下扩散系数的比
较，发现强磁场作用下，粒子的碰撞产生的作用 与无磁场时有完全不同的效果。 无磁场时，碰撞降低了粒子扩散的速度。 而强磁场下，粒子束搏在某一根磁力线附近作回 旋运动，不能向外扩散，正是由于碰撞才造成粒 子脱离原来的磁力线的机会，从而产生扩散。
实际上等离子体是可以存在的，就是说扩散中，
有一种因素在起调节作用，最终使两种粒子的通 量密度相同，从而保证了等离子体具有电中性。 从物理机理分析，正是由于电场起着调节作用。
§5.1无磁场弱电离等离子体中的扩散
E
由于扩散产生电场
F
根据电中性的要求，有 因此很容易导 出扩散过程中保持电中性所需的电场： nE D n nE D n
§5.2存在磁场时弱电离等离子体中的扩散
q KT ,D 式中： m m E B0 KT n B0 E , D B02 nqB02
导向中心的电场漂移 流体的抗磁性漂移
5.20
由此得到结论：存在磁场时流体的横向速度由两 部份构成，其中一部分是已经研究过的电场的导 向中心和抗磁性漂移，只是增加了修正系数：
2
1
1
2
(5.4)
中性粒子的 下标
碰撞频率与带电粒子的密度无关
§5.1无磁场弱电离等离子体中的扩散
2、扩散参量
为了分析等离子体的扩散过程，假定：
0 1）等离子体在时间上已处于稳态，即 t 2）由于γ 足够大，导致 很小，即 ( ) 0
3）等离子体各向同性且等温， P p KTn
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。
等离子体物理基础期末考试（含答案）
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103210n 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 iD e i T T mm T T neελ-==?+， 2、氩原⼦量为40，221/21/200()8.0,()29pe pi e ine ne GHz MHz m m ωωεε====，3、14,0.19e i e ieB eB GHz MHz m m Ω==Ω== 4、设粒⼦运动与磁场垂直24.210, 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220()(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 mmv 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0022、逃逸粒⼦百分⽐201sin 129.3%2P d d πθθθπ===?? （2）三、在⾼频电场0cos E E 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 t ea ea v νλ=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。
解：课件6.6节。
等离子体物理-第四章-2
小k 大k （长波长） （短波长） 电子波 恒频 恒速 离子波 恒速 恒频
第四章 等离子体中的波/§4.2等离子体中的离子静电波
3、下杂波振荡（对应与电子静电波上杂波）
当 k B
时，离子静电波的特性如何？？ 对电子和离子分别写出连续性方程及运动方程
0
exp i(k x t ) ,
c 0
2 e1 e e i i
(4.38) (4.39)
e1
将（4.38)代入(4.37)：
i ( M m)n ik ( KT KT )n ieB ( )n
0 c c e1
色散方程：
2
k
2 2 s c
(4.40)
c
第四章 等离子体中的波/§4.2等离子体中的离子静电波
处理以上方程时，采用以下的近似是合理的
一、采用“等离子体近似”
假定 ne=ni，电子密度与离子密度相等，同时认 为 E 0 ，对于低频过程，显然这种假设是合 理的，理由？？ 该近似可省去泊松方程不用 但是如何求出扰动密度？？
二、由于这是一种慢变化过程，电子又没有
受到其他因素的限制，可以认为电子总是能 保持在统计平衡状态。
i ,e 1 i ,e 1
假定：
ve1 mn e KTe ne1 en0 E en0 ve1 B 0 t ne1 n v 0 0 e1 t Mn vi1 KT n en E en v B 0 i i i1 0 0 i1 t n i1 n0 vi1 0 t
第四章 等离子体中的波/§4.2等离子体中的离子静电波
e e 则有： n n exp( KT ) n (1 KT ) n n
等离子体物理3
流体的可压缩性: 压强的变化引起流体体积和密度变化的特性，称为 流体的可压缩性； 显然，气体的可压缩性非常大。 流体的可压缩性决定了流体中声波的传播速度， 可压缩性越强，声速越小。
基本概念
流体性质：无固定的形状，易形变，流动性，粘性 流体质点：微观上足够大，宏观上足够小 连续介质假设：宏观上质点连续分布 研究对象：密度场、速度场、温度场、压力场 理想流体：不可压＋无粘滞性 研究方法：拉格朗日法和欧拉法（场的概念）
1 令 q nm w2 w 2
热流矢量
（10）
Q Ku u p q
宏观流动的带走动能
热流矢量 压强张量做的功率
速度矩方程：
f f F f f v ( ) t r m v t c,
各项乘以 ( v ) 并 对 dv积分
( v)
（13）
du nm nF p T R dt
R m v(
T 黏性力 - p 热压力 nF 电磁场力 R 摩擦力
f f ) c dv m w ( ) c dv t t
3.能量方程
1 2 令 ( v ) mv 2 3 dT n (p ) u - q Q 2 dt
（2）
（3）
u(t , r) 流体平均速度
无规则热运动 w v - u(t , r)
③ 二阶矩 ( v) nmvv
P nm vv nmuu nm ww nmuu p
p nm ww m ww f (t , r, v )dv
对角项 pkk nm wk
t时刻流域τ上流体的总物理量为
U A B (t )
t+Δt时刻的包络线所围体积为
等离子体物理讲义08_温等离子体波
等离子体物理学讲义Lecture Notes onIntroduction on Plasma PhysicsNo. 8马 石 庄2012．03．19．北京第8讲 碰撞温等离子体波教学目的：系统地介绍磁流体Alfvén波理论，考察带电粒子的热运动是等离子体动力学的重要影响，导出在等离子体湍流研究中基础意义的Haseawa‐Mima 方程，展示碰撞的作用不但引起耗散，也能导致漂移波不稳定。
主要内容：§1 磁流体Alfvén波 (4)2.1有耗损声波 (4)2.2理想MHD波 (7)2.3 MHD波的衰减 (11)§2双流体等离子体波 (13)2.1 静电波 (14)2.2低频平行电场 (19)2.3双流体Alfvén波 (23)§3漂移波不稳定性 (26)3.1Haseawa‐Mima 方程 (27)3.2有碰撞漂移波 (31)3.3不稳定性 (34)习题8 (37)附录A：Alfvén 波的发现 (40)附录B: 中国地球空间探测双星计划 (41)为简单起见，假定等离子体由离子和电子两种粒子组成，采用双流体模型，在绝热条件下，得到封闭的方程组基本方程组为带电粒子的运动方程和连续性方程· 0dd当流体处于等温过程时当流体处于绝热过程时其中，电荷和电流密度为，既然等离子体物理关注的是准中性大量带电粒子的集体行为，粒子的随机运动体现在等离子体热力学性质。
在冷等离子体中，粒子的随机热运动速度远小于波速，回旋半径（对磁化等离子体来说）远小于波长 cold plasma ，充分显示了磁场对带电粒子整体行为的影响，展现出丰富的波动现象。
当带电粒子之间碰撞足够强烈，带电粒子的回旋运动尺度很小时，可以用磁流体力学模型研究等离子体的集体行为。
毫无疑义，这些条件总是近似地被满足，不但对等离子体的整体行为的描述存在缺陷，而且本身也留下不能解释的难题。
等离子体物理思考题参考050718学习资料
思考题1.1 电离气体必定是等离子体吗？反过来呢？答：电离气体不必定是等离子体，反过来也不必定。
1.2 试就高温、低温、高密度、低密度等离子体各举一例。
答：磁拘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 德拜障蔽效应必定要有异性离子存在吗？答：不必定，完整由电子组成的非中性等离子体也拥有德拜障蔽效应。
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：主假如所考虑问题的时间尺度应小于离子的响应时间，离子不可以响应。
1.5 因为德拜障蔽，带电粒子的库仑势被限制在德拜长度内，这能否意味着粒子与德拜球外粒子无互相作用？为何？答：有，可是表现为集体互相作用，实质上障蔽自己能够视为互相作用的传达过程，粒子对德拜球外的粒子的互相作用，经过四周障蔽粒子的传达而作用。
1.6关于完整由同一种离子组成的非中性等离子体，能够有德拜障蔽的观点吗？答：相同有，但此时是指在均衡状态下，系统对电扰动的障蔽作用。
1.7惯例等离子体拥有不容忍内部存在电场的禀性，这能否意味着等离子体内部不行能存在很大的电场，为何？答：不必定，在小于德拜长度的空间尺度中，能够存在局域很强的电场，在比等离子体特点响应时间小的时间尺度中，能够存在刹时的强电场。
1.8 在电子集体振荡的模型中，若初始时不是全部电子与离子产生疏别而是部分电子，则振荡频次会发生变化吗？假如变化，怎样解说？答：从方程上看，此时的振荡频次仿佛会减小，马上电子密度换成分别电子密度，假如这样，集体振荡频次就不是等离子体的一种特点频次，因为与振荡扰动的幅度有关。
但事实上这样办理是不对的，部分电子与离子分离的状况应用此模型没法进行。
因为当部分电子分别时，未分别的电子同样会运动，使得电场会增大，结果使振荡频次仍旧是等离子体频次。
1.9 粒子之间的碰撞是中性气体中粒子互相作用的独一门路，在等离子体中也这样吗？粒子间能量动量互换还有什么门路？答：等离子体中粒子间能量、动量互换门路除碰撞外，还能够经过很多集体互相作用形式，如不稳固性、粒子－波－粒子作用等。
等离子体物理第五章等离子体中的电磁波全文
g
d
dk
0
5.2.1 零磁场情况
横波( B0 0 )
色散关系
k
2
2
c2
0
N2
k 2c2
2
1
(
2 pe
2 pi
)
/
2
1
2 pe
/
2
等价表述
k2
2
c2
2 p
c2
0
1
即
2
2 p
k 2c2
(p2 k 2c2 ) 2
5.2.1 零磁场情况
N2
1
2 pe
/2
N2
纵向
1
(p2 k 2c2 ) 2
定义色散张量
D
kk
k
2
1
2
c2
(注意和电位移矢量 D 区分)
则色散方程为
DE 0
D xx D xy D xz Ex
D yx Dzx
D yy Dzy
D yz Dzz
E E
y z
0
非零解要求行列式 det D 0 得到k和的关系
5.1.1 简单情况: 各向同性媒质
1 1 取 k 为z方向,写出色散张量
mi
5.2.1 零磁场情况
总的介电常数
tot
1
i
0
(
e
i
)
1 ( neqe2
0 me
ni qi2
0 mi
)
1
2
1
(
2 pe
2 pi
)/
2
5.2.1 零磁场情况
等离子体振荡的简单推导
取离子静止, 使电子位移距离x来扰动等离子体
2008全国等离子体物理暑期学校讲义 .doc
2008全国等离子体物理暑期学校讲义电阻磁流体模式Lecture notes onResistive MHD ModesCSSPP 2008第一节：等离子体中的电阻磁流体模式1.1 理想磁流体近似下的奇异性与耗散效应1.2Spitzer电阻与欧姆定律1.3 反常电阻1.4 电阻磁流体模式简介第二节：磁重联与经典撕裂模理论2.1 等离子体中的磁重联现象2.2 磁重联的基本概念与模型2.3 托卡马克FKR撕裂模理论2.4Rutherford非线性撕裂模理论第三节：驱动磁重联3.1 驱动磁重联的Taylor模型3.2 旋转磁岛的饱和3.3 误差场与锁模第四节：锯齿振荡4.1 托卡马克的“小破裂”现象4.2 有理面m=1上的扭曲—撕裂模4.3 锯齿振荡的Kadomtsev模型4.4* 锯齿振荡的快磁重联模型第一节：等离子体中的电阻磁流体模式1.1 理想磁流体近似下的奇异性与耗散效应我们先来回顾一下理想磁流体（Ideal MHD ）理论。
前面介绍过，理想磁流体力学方程组是：连续性方程：()0m m t ρρ∂+∇⋅=∂u (1-01) 力平衡方程：()m p t c ρ∂∇⨯⨯⎛⎫+⋅∇=-∇+ ⎪∂⎝⎭u B B u u (1-02) Ohm 定律： 0c ⨯+=u B E ()t ∂⇒=∇⨯⨯∂B u B (1-03) 状态方程： p p p tγ∂+⋅∇=-∇⋅∂u u 。
(1-04) 这里()m i e i n m m nm ρ≡+≈，()e i p n T T =+，以及4q πρ∇⋅=E （()0q e i n q q ρ=+≈），0∇⋅=B 。
其中（I-03）中用到了Faraday 定律1c t∂∇⨯=∂B E 。
此外，比热系数γ是决定等离子体过程状态的参数：1γ=对应等温过程；5/3γ=对应绝热过程；γ→∞对应不可压缩过程。
这一组10个方程，对应10个函数：m ρ，p ，u ，和B 。
研究线性的理想磁流体不稳定性，主要方法之一就是所谓“能量原理”的办法。
高温等离子体原理考试参考答案
1、什么是等离子体？它和气体与固体有什么相同和不同之处？答：等离子体是由非缚束的带电粒子组成的多粒子体系。
等离子是和固体液体气体同一层次的物质存在形式，它是由大量带电粒子组成的有宏观空间尺度和时间尺度的体系。
相同之处:1.都是同一层次的物质存在形式。
2.都是由大量的粒子组成。
不同之处：固体气体为中性粒子，固体中的粒子大部分是缚束粒子不能自由运动（导体中的自由电子例外），气体中的粒子可以自由运动但是为中性，而等离子体中粒子为非缚束的带电粒子。
2、写出德拜屏蔽势，解释它的物理意义？在导出德拜屏蔽势时，用到了哪些假定？ 答：德拜屏蔽为0r exp()4D qrr φπελ-（）=。
其物理意义为等离子体内部一个电荷产生的静电场是被附近其他电荷屏蔽着，其影响不超过德拜半径的范围。
用到的假定为：（1）电子和离子分别服从波尔兹曼分布。
（2）等离子体足够稀薄，粒子之间平均库伦相互作用的势能比粒子热运动特征动能要小得多。
（3）等离子体中仅含一带一个电荷的离子。
3、等离子体中有哪几种基本的特征时间？写出它们的定义和表达式答：在等离子体中，由于电荷的运动造成局部电势的涨落，形成局部电荷分离，在电荷分离形成的电场力及恢复力的作用下，电荷朝平衡位置加速运动，越过平衡位置后又造成电荷分离，之后重复这样的过程，这个过程称为等离子体的振荡，用等离子体频率来表示，即为等离子体的特征时间。
（1）等离子体频率p αω，德拜半径D λ有关系p D v αωλ=，他们是无磁场或平行于磁场方向上等离子体的特征尺度。
（2）回旋频率a Ω，回旋半径r α，有关系a v r ααΩ=，他们是垂直于磁场方向上的等离子体特征尺度。
（3）平均碰撞自由程f l 和平均碰撞频率0ν，在无磁场或者平行磁场方向上有关系||0f v l αν=，在垂直磁场方向上，平均自由程是回旋半径=f l r α垂直。
它们是等离子体中粒子性的特征尺度。
4、什么条件下可以把带电粒子在磁场中的轨道运动分成回旋运动和导心运动？环形磁约束装置中为什么要用螺旋磁场位形？答：带电粒子在给定的电磁场中的运动，不考虑带电粒子运动对场的反作用以及带电粒子间的相互作用（即单粒子轨道运动）条件下可以分成回旋运动和导心运动。
2008全国等离子体物理暑期学校讲义 .doc
2008全国等离子体物理暑期学校讲义电阻磁流体模式Lecture notes onResistive MHD ModesCSSPP 2008第一节：等离子体中的电阻磁流体模式1.1 理想磁流体近似下的奇异性与耗散效应1.2Spitzer电阻与欧姆定律1.3 反常电阻1.4 电阻磁流体模式简介第二节：磁重联与经典撕裂模理论2.1 等离子体中的磁重联现象2.2 磁重联的基本概念与模型2.3 托卡马克FKR撕裂模理论2.4Rutherford非线性撕裂模理论第三节：驱动磁重联3.1 驱动磁重联的Taylor模型3.2 旋转磁岛的饱和3.3 误差场与锁模第四节：锯齿振荡4.1 托卡马克的“小破裂”现象4.2 有理面m=1上的扭曲—撕裂模4.3 锯齿振荡的Kadomtsev模型4.4* 锯齿振荡的快磁重联模型第一节：等离子体中的电阻磁流体模式1.1 理想磁流体近似下的奇异性与耗散效应我们先来回顾一下理想磁流体（Ideal MHD ）理论。
前面介绍过，理想磁流体力学方程组是：连续性方程：()0m m t ρρ∂+∇⋅=∂u (1-01) 力平衡方程：()m p t c ρ∂∇⨯⨯⎛⎫+⋅∇=-∇+ ⎪∂⎝⎭u B B u u (1-02) Ohm 定律： 0c ⨯+=u B E ()t ∂⇒=∇⨯⨯∂B u B (1-03) 状态方程： p p p tγ∂+⋅∇=-∇⋅∂u u 。
(1-04) 这里()m i e i n m m nm ρ≡+≈，()e i p n T T =+，以及4q πρ∇⋅=E （()0q e i n q q ρ=+≈），0∇⋅=B 。
其中（I-03）中用到了Faraday 定律1c t∂∇⨯=∂B E 。
此外，比热系数γ是决定等离子体过程状态的参数：1γ=对应等温过程；5/3γ=对应绝热过程；γ→∞对应不可压缩过程。
这一组10个方程，对应10个函数：m ρ，p ，u ，和B 。
研究线性的理想磁流体不稳定性，主要方法之一就是所谓“能量原理”的办法。
矿产
矿产资源开发利用方案编写内容要求及审查大纲
矿产资源开发利用方案编写内容要求及《矿产资源开发利用方案》审查大纲一、概述
㈠矿区位置、隶属关系和企业性质。
如为改扩建矿山, 应说明矿山现状、
特点及存在的主要问题。
㈡编制依据
(1简述项目前期工作进展情况及与有关方面对项目的意向性协议情况。
(2 列出开发利用方案编制所依据的主要基础性资料的名称。
如经储量管理部门认定的矿区地质勘探报告、选矿试验报告、加工利用试验报告、工程地质初评资料、矿区水文资料和供水资料等。
对改、扩建矿山应有生产实际资料, 如矿山总平面现状图、矿床开拓系统图、采场现状图和主要采选设备清单等。
二、矿产品需求现状和预测
㈠该矿产在国内需求情况和市场供应情况
1、矿产品现状及加工利用趋向。
2、国内近、远期的需求量及主要销向预测。
㈡产品价格分析
1、国内矿产品价格现状。
2、矿产品价格稳定性及变化趋势。
三、矿产资源概况
㈠矿区总体概况
1、矿区总体规划情况。
2、矿区矿产资源概况。
3、该设计与矿区总体开发的关系。
㈡该设计项目的资源概况
1、矿床地质及构造特征。
2、矿床开采技术条件及水文地质条件。
等离子体物理的练习题解析与讲解
等离子体物理的练习题解析与讲解一、问题1：等离子体的定义和特征1.1 解析：等离子体是由高能电子或离子在原子或分子中碰撞离解而形成的带电粒子和中性粒子混合物。
在等离子体中，粒子之间的相互作用主要由库仑相互作用力和磁场力决定。
等离子体具有导电性、磁性等特性，常见的等离子体包括太阳、闪电和等离子体体积放电器件等。
1.2 讲解：等离子体的定义可以理解为带电粒子和中性粒子在特定条件下形成的一种状态。
在常见的等离子体中，电子和离子是主要的带电粒子。
由于粒子之间的相互作用与库仑相互作用力和磁场力密切相关，等离子体具有导电性和磁性的特点。
等离子体广泛存在于自然界中，例如，太阳就是一个巨大的等离子体。
太阳中的高温和高压条件下，原子和分子会发生碰撞离解，形成带电粒子和中性粒子混合的等离子体。
闪电也是一个典型的等离子体现象，当气体中的电荷累积到一定程度时，会形成电弧放电现象，产生大量电子和离子，形成闪电等离子体。
除了自然界中的等离子体，科学家们还研究和利用人工等离子体。
等离子体体积放电器件（例如等离子体显示器、等离子体刻蚀）可以透过加热气体创造条件，使其成为等离子体。
在这些人工等离子体中，带电粒子和中性粒子的相互作用可以被控制和应用于不同的领域。
二、问题2：等离子体中的等离子体参数和运动2.1 解析：等离子体参数指的是描述等离子体性质和状态的一组物理量，常见的等离子体参数包括等离子体温度、等离子体密度、电子密度和离子密度等。
2.2 讲解：等离子体参数是描述等离子体特性和运动的重要指标。
其中，等离子体温度是指等离子体中带电粒子的热运动程度，可以通过等离子体中粒子的速度分布函数和能量分布函数来描述。
等离子体密度是指单位体积内等离子体带电粒子的数量，包括电子密度和离子密度两个方面。
电子密度是指单位体积内电子的数量，离子密度是指单位体积内离子的数量。
等离子体中的带电粒子受到电场和磁场的作用而运动。
在恒定的电场下，带电粒子会沿着电场方向加速或减速运动，形成电流。
激光等离子体物理解答
激光等离子体物理与检测技术复习思考题1.金属、非金属和半导体材料各自对激光吸收有何特点？答：金属中存在大量的自由电子，该自由电子受到光频电磁波的强迫振动而产生次波，这些次波形成了强烈的反射波和较弱的透射波。
其中的透射波部分又在很薄的金属表层被吸收，因而激光在金属表面有较高的反射比。
特别对光子能量较低的红外光而言，光频电磁波只能对金属中的自由电子作用。
对光子能量较高的可见光或紫外光而言，由于金属中的束缚电子的固有频率常处于可见光或紫外光频段，因而还能对金属中的束缚电子作用。
束缚电子的作用将使金属的反射能力降低、透射能力加强，并增强了金属对激光的吸收，使之呈现出某种非金属的光学性质。
由于金属中自由电子的密度较大，因而透射光波在金属表面的附近很薄的表层内被吸收。
金属对激光的吸收与波长、材料特性、温度、表面情况和激光的偏振特性等诸多因素均有关。
在近红外区金属的反射比较大；金属材料在室温时的吸收比很小，当温度升高到接近熔点时，吸收比达到40%-50%，当温度接近沸点时，吸收比高达90% 。
金属表面状况对可见光的吸收比影响很小，但是，金属表面的粗糙度对吸收比有显著的影响，粗糙表面与抛光镜面相比，吸收比可提高一倍。
表面涂层的作用就是加强金属表面对激光的吸收。
非金属与金属不同，它对激光的反射比较低，吸收比较高，而且非金属的结构特征决定了它对激光波长有强烈的选择性。
许多半导体材料对可见光不透明，但对和红外光相对透明，大部分带Si-0结合键的材料对可见光相对透明，而对10^m波段的光则强烈吸收。
绝缘体和大部分半导体与金属相比对光的吸收系数较小，对应的穿透深度较大。
2•试述Knudsen层的定义。
答：从靶表面跑出来的蒸汽粒子具有表面温度下的麦克斯韦速率分布，而且这些气化粒子的速度方向均是离开靶表面方向。
这种各向异性的速率分布时通过蒸汽粒子相互碰撞形成的，通常认为这种碰撞是在靶表面前方几个平均自由程内进行，这一区域称为Knu dse n 层。
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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
也如此吗？粒子间能量动量交换还有什么途径？
答：等离子体中粒子间能量、动量交换途径除碰撞外，还可以通过许多集体相互作用形式，如不稳定性、粒子－波－粒子作用等。
1.10 受控任何聚变的最终目标是什么？有哪两种基本的实现途径？
答：目标是人类的“终极”能源。
两种主要途径是磁约束聚变和惯性约束
聚变，前者是提高等离子体的能量约束时间，但密度较低，后者则是提高等离子体密度，但约束时间较短。
这两种途径都可以实现密度与约束时间之积满足所谓的Lawson条件。
1.11 利用打靶的方法可以很容易地实现核聚变反应，为什么以能源为目的
的核聚变研究不能采用这种方法？
答：主要是库仑近碰撞的截面太小，需要很多次“射击”才能击中（即发
生近碰撞，发生聚变反应）。
因此，平均而言，每次碰撞所获得的聚变能
量远小于用于加速粒子的能量，无法实现有效的能量增益。
1.12 低温等离子体环境下可以实现常规化学方法无法实现的化学过程，其
物理原因何在？
答：物理原因是等离子体环境下，电子具有足够打断任何物质化学键的能量，因而，等离子体环境下的分子可以拆开重新组合，形成新的稳定物质。
1.13 作为物质第四种存在形式，对等离子体体系的时空尺度有何要求？
答：空间尺度必须远大于德拜长度，时间尺度必须远大于等离子体特征响应时间。
1.14 等离子体是绝大多数物质的存在形式，为什么我们感觉不是这样？
答：因为人类过于娇嫩，对生存环境的要求太苛刻。
1.15 固态、液态、气态之间有明确的相变点，气态到等离子体态有这样的
相变点吗？
答：没有，等离子体与其它相之间的界限比较模糊。
2.1 （2-16）式在磁场趋于零时，会得到漂移速度无穷大的结果，这合理吗？
如何解释？
E B c时，答：当漂移速度与光速可比时，必须考虑相对论效应，即当||
（2-16）式不再成立。
2.2 电漂移与重力漂移的最重要的差别是什么？
答：电漂移与粒子种类无关，而重力漂移与种类相关。
2.3 从粒子运动轨道图像分析（参考图 2.1），考察粒子的电漂移速度为什么
与下列因素无关，（1）电荷的正负、（2）粒子质量、（3）粒子的速度。
答：（1）正负电荷的回旋运动旋转方向相反，
但在电场中受到加速的方向亦相反，结果使电漂移运动与电荷正负无关；（2）粒子在电场中受到的加速度与质量成反比，但其回旋频率亦与质量成反比，电漂移速度与两者之比相关，故电漂移运动与粒子质量无关；（3）粒子的回旋频率和在电场中受到的加速度均与速度无关，故电漂移运动与粒子速度无关。
2.4 磁力线弯曲的磁场一定是不均匀的，反过来呢？
答：在无电流空间，弯曲的磁场一定是不均匀的，
由于磁场散度为零条件
性质，在曲率方向上强度降低。
反过来也是。
2.5 试分析“镜面”相互接近系统如何传递能量给所捕获的粒子。
答：“镜面”相互接近时，粒子处在变化的磁场中，变化磁场产生的电场最终加速了粒子。
恒定磁场本身不加速带电粒子，当变化的磁场会。
2.6 若电子、离子的温度相等且各向同性，其等效磁矩之比为多少？
答：1。
2.7 对磁镜场约束的带电粒子，若缓慢地增强磁场，则粒子的垂直能量会增
加，磁场本身不会对粒子做功，那么粒子是如何得到能量的？
答：变化的磁场产生的电场最终加速了粒子。
2.8 本章中所处理的粒子在电磁场中的运动可以分成回旋运动与漂移运动
的合成，对哪些情况我们要求漂移运动的速度远小于回旋运动速度，
哪
些情况则不需要这样的假设？
答：对外力漂移不需要这样假设，
对由于引导中心近似所产生的等效力则需要。
2.9 绝热不变量的条件是什么？具体到电子磁矩绝热不变的条件为何？
答：要求外参数是缓变的，即外参数变化的时间尺度远大于系统运动的周
期。
具体到电子磁矩绝热不变则要求外界磁场的变化频率（对非周期变化，则为相对变化率）远小于电子回旋频率。
2.10 若磁场不随时间变化，但是不均匀的，那么磁矩绝热不变的缓变条件
是什么？
答：在回旋运动周期内，粒子所经历的磁场相对变化远小于1，即：c r B B ，c v B B
2.11从粒子引导中心近似的方法体会当体系存在两种时间尺度差别较大的
运动时的处理方法。