高温等离子体原理考试参考答案.doc

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。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，德拜半径有关系，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，回旋半径，有关系，他们是垂直于磁场方向上的等离子体特征尺度。
（3）平均碰撞自由程和平均碰撞频率，在无磁场或者平行磁场方向上有关系，在垂直磁场方向上，平均自由程是回旋半径。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。
简单的环形磁场不能有效的约束带电粒子，因为其磁力线是一个简单的圆环，带电粒子沿磁力线运动时漂移的方向处处相同，最终粒子都离开中心区域而跑到管壁了。如果把简单圆环磁场改成非圆环磁场，在原来的沿大环方向的圆环磁场上叠加一个沿小环方向的磁场,它们合成的磁场就是一个闭合的非圆环形磁场。带电粒子沿磁力线运动时，相对于螺线管中心轴而言，它的位置和方位都在不断改变。这样，粒子在磁力线上的不同位置，相对于中心轴而言，其漂移方向不一样，有时背向中心而去，有时又趋向中心轴。在垂直中心轴的某一截面来看，粒子只是在中心附近运动，而不是定向漂向管壁。在环形系统中，磁力线沿大环延伸又绕小环中心轴转动，并且在转一周不闭合的性质叫磁力线的旋转变换。

5、在托卡马克等离子体中粒子轨道分为那两大类？给出他们的原因。
答：在托卡马克等离子体中粒子轨道可以分为飞行轨道和香蕉轨道两大类。
在托卡马克型磁场位形中，由于磁力线的转动变换，对于一条磁力线，有的部分处在大环的外侧，有的部分处在大环的内侧，所以磁力线所经过的区域，有的地方磁场强，而有的地方磁场弱，因此在某种程度上，存在着磁镜场结构，磁场的这一特点使得粒子轨道分为飞行轨道和香蕉轨道两大类。
飞行轨道形成的成因：粒子的平行速度很大，能够通过磁镜的强磁场区而不被反射回来。
香蕉轨道形成的成因：粒子的平行速度不够大，不能够通过磁镜的强磁场区，只能沿磁力线在两个强磁场区域构成的局部磁镜间来回运动，其引导中心轨道在截面上的投影呈现香蕉形。

6、在非磁化、均匀等离子体中有哪些主要的静电波和电磁波？试写出他们的色散关系。
答案：静电波有朗谬尔波，离子声波和离子静电波：
（1） 朗谬尔波（电子等离子体波）

（2） 离子声波

（3） 离子静电波

电磁波:

7、在均匀等离子体中垂直于磁场方向上，有哪些本征电磁波？给出他们各自的磁场方向、传播方向及扰动电场方向的示意图，并画出他们的色散关系图（频率-波矢图）。
答：寻常波（O波）P282 Z轴沿磁场Bo方向，波失K方向与X轴方向一致，扰动电场E1沿Z轴。
非寻常波（X波）P284 图5.8
两者的色散关系图为：P286 图5.10

8、在均匀等离子体中平行于磁场方向上，有哪些本征电磁波？给出他们各自的磁场方向、传播方向及扰动电场方向的示意图，并画出他们的色散关系图（频率-波矢图）。
答：左旋圆偏振波、右旋圆偏振波（低频分支为电子回旋波）和哨音波。详见P286-291页。

9、为什么要在托卡马克等离子体中注入射频波（起什么作用）？主要的射频波有那三类？给出他们的频率范围。
答：在等离子体中注入射频波的作用是给等离子体加热和驱动等离子体电流，此外还可以驱动等离子体转动。主要的射频波有离子回旋波、低混杂波和电子回旋波。其频率范围如下：
电子回旋波ECRH 100-200GHz 主要给电子加热
低混杂波LH 1-8GHz 同时对电子和离子加热
离子回旋波ICRH 30-120MHz 主要对离子加速

10、碰撞指的是粒子间怎样的相互作用？什么是弹性碰撞和非弹性碰撞？它们会引起什么样的等离子体现象？
答：在等离子体中，带电粒子的碰撞是指粒子间的短程库仑力作用引起粒子的运动状态的改变。弹性碰撞在碰撞后不改变粒子的种类和内部能量状态，粒子体系的动量和能量守恒，碰撞改变量只是相碰粒子各自的动量和能量。非弹性碰撞改变体系的内部能量状态或改变粒子的种类，主要包含两类，原子的激发和解激发、原子的电离和复合。弹性碰撞引起等离子体的输运过程，一般称为经典输运；非弹性碰撞引起等离子体能量损失，引起反常输运。