等离子体物理+磁约束

等离子体特性实验

实验简介 等离子体是由大量的带电粒子组成的非束缚态体系，是继固体、液体、气体之后物质的第四种聚集状态。等离子体有别于其他物态的主要特点是其中长程的电磁相互作用起支配作用，等离子体中粒子与电磁场耦合会产生丰富的集体现象。气体放电是产生等离子体的一种常见形式，在低温等离子体材料表面改性、刻蚀、化学气相沉积、等离子体发光等方面有广泛的应用，同时也是实验室等离子体物态特性研究的重要对象。气体放电实现的方式可以千差万别，但产生放电的基本过程是利用外（电）场加速电子使之碰撞中性原子（分子）来电离气体。 本实验的目的是领会气体放电的基本原理和过程；掌握常规的静电探针诊断方法；了解等离子体中离子声波的激发、传播、阻尼等基本特性。 实验原理 ?气体放电原理与实验装置 ●利用电子对中性气体的轰击使气体电离是产生等离子体的一种 常见的方法。在直流放电情况下，当灯丝（钨、鉭）达到足够高 的温度时，许多电子会克服表面脱出功而被发射出来。这些初始 电子在外加的直流电场中加速，获得足够的能量与中性气体碰撞 并使之电离。室温下大多数常用气体的第一电离能在20eV左右， 故而施加于阴极（灯丝）与阳极（本实验中为真空室壁）之间的 电位差必须高于20V。遭轰击而被剥离的电子称为次级电子，与 初始电子相比，次级电子的能量较低。等离子体中大多数电子是 次级电子。电子碰撞电离截面在能量为几十电子伏左右达到最大， 通常在阴极与阳极之间施加30~100V电压就可以形成稳定的直流 放电。 ●有几种因素限制了电极间产生的放电电流的大小。首先是阴极的 电子发射能力的限制，阴极表面的发射电流密度由理查森 （Richardson）定律给出：

核聚变

学年论文 核聚变——未来的新能源 班级：08113 学号：27 姓名：宋广佳 指导教师：姚大力

核聚变——未来的新能源 0811327 宋广佳 【摘要】：氢弹应用的正是聚变原理，这是人类利用核聚变能的首次成功尝试。两个氢原子合为一个氦原子，叫核聚变，太阳就因此释放出巨大能量。核聚变产生的能量比核裂变还要多，而其辐射却要少得多，而且核聚变燃料可以说是取之不尽、用之不竭的。 关键词：核聚变未来新能源国际合作项目研究 能源是社会发展的基石。古人伐木为薪，后来柴薪逐渐被煤、石油、天然气等化石燃料取代。而今，化石能源面临“危机”，同时又对环境造成严重污染。以煤炭、石油、天然气等化石能源替代柴薪的第一次能源革命，带来了社会、经济的迅速发展。然而这些宝贵的化石能源是不可再生的，据估计，100年后地球上的化石能源将会枯竭。面对即将来临的能源危机，人类开始寻找新能源。回顾人类发展的历史，每一次高效能新能源的利用，都会使社会进入一个新的时代，带来一次新的飞跃。新能源的开发是社会发展的重要基础。 能源分为一次能源和二次能源，化石能源、太阳能、风能、地热能、核能、潮汐能等为一次能源，而焦煤、蒸汽、液化气、酒精、汽油、电能为二次能源。其次，按利用状况，可分为常规能源和新能源。前者是指在不同历史时期的科技发展水平下已被广泛应用的能源，现阶段指煤、石油、天然气、水能和核裂变能五种；后者指由于技术、经济或能源品质等因素而未能大规模使用的能源，如太阳能、风能、海洋能、地热能等。为了社会的稳定发展，人们正在利用高新科学技术开发新的能源。从长远来看，核能将是继石油、煤和天然气之后的主要能源，人类将从“石油文明”走向“核能文明”。原子弹、氢弹的爆炸，使人们认识到原子核内蕴藏着巨大的能量，核电站正是合理利用核能的一个途径。而今，太阳能、地热能、海洋能、生物能等各种新能源也正在开发过程中。日本政府于1993年就提出旨在开发利用新能源的“新阳光计划”，每年都要为新能源技术开发拨款约362亿日元。日本新能源利用的目标是，到2008年争取使新能源在一次能源中所占的比重由目前的1%提高到3%。美国《国家综合能源战略》确定的新能源开发利用目标是，发展先进的可再生能源技术，开发非常规的甲烷资源，发展氢能的储存、分配和转化技术。 为什么太阳能源源不断地向外释放能量，好像永远不会枯竭？这个疑问直到爱因斯坦提出了狭义相对论才有了答案。在极高的温度下，太阳物质发生核聚变反应，释放出巨大的聚变能，其中极小一部分来到地球，成为地球一切生命和能源之源。 一、什么叫核聚变 世界上的每一种物质都处于不稳定状态，有时会分裂或合成，变成另外的物质。物质无论是分裂还是合成，都伴随着能量的转移过程。大家熟知的原子弹利用的则是裂变原理，目前的核电站也是利用核裂变来发电的。核裂变虽然能产生巨大能量，但裂变堆的核燃料蕴藏极为有限，不仅其强大辐射会伤害人体，而且废料也很难处理，可能遗害千年。1946年，第一颗原子弹在广岛上空引爆，此后不久，氢弹爆炸又获得成功。氢弹应用的正是聚变原理，这是人类利用核聚变能的首次成功尝试。两个氢原子合为一个氦原子，叫核聚变，太阳就因此释放出巨大能量。核聚变产生的能量比核裂变还要多，而其辐射却要少得多，而且核聚变燃料可以说是取之不尽、用之不竭的。氢弹威力无比，却无法控制，一旦释放就无法挽回。是否可以控制聚变能，使之缓慢释放，造福人类呢？

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)

等离子体实验讲义

气体放电中等离子体的研究 一、 实验目的 1.了解气体放电中等离子体的特性。 2.利用等离子体诊断技术测定等离子体的一些基本参量。 二．实验原理 1.等离子体及其物理特性 等离子体(又称等离子区)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。也就是说，其中正负电荷密度相等，整体上呈现电中性。等离子体可分为等温等离子体和不等温等离子体，一般气体放电产生的等离子体属不等温等离子体。 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。 虽然等离子体宏观上是电中性的，但是由于电子的热运动，等离子体局部会偏离电中性。电荷之间的库仑相互作用，使这种偏离电中性的范围不能无限扩大，最终使电中性得以恢复。偏离电中性的区域最大尺度称为德拜长度λD 。当系统尺度L ＞λD 时，系统呈现电中性，当L ＜λD 时，系统可能出现非电中性。 2.等离子体的主要参量 描述等离子体的一些主要参量为： （1）电子温度e T 。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e n ，正离子密度为 i n ，在等离子体中 e i n n 。 （3）轴向电场强度 L E 。表征为维持等离子体的存在所需的能量。 （4）电子平均动能e E 。 （5）空间电位分布。 此外，由于等离子体中带电粒子间的相互作用是长程的库仑力，使它们在无规则的热运动之外，能产生某些类型的集体运动，如等离子振荡，其振荡频率Fp 称为朗缪尔频率或等离子体频率。电子振荡时辐射的电磁波称为等离子体电磁辐射。 3.稀薄气体产生的辉光放电 本实验研究的是辉光放电等离子体。 辉光放电是气体导电的一种形态。当放电管内的压强保持在1０～1０2P ａ时，在两电极上加高电压，就能观察到管内有放电现象。辉光分为明暗相间的8个区域，在管内两个电极间的光强、电位和场强分布如图2.3-1所示。8个区域的名称为（1）阿斯顿区，（2）阴极辉区，（3）阴极暗区，（4）负辉区，（5）法拉第暗区，（6）辉区(即正辉柱)，（7）阳极暗区，（8）阳极辉

等离子体的磁约束原理

等离子体的磁约束原理 张玉萍 在辉光放电、弧光放电的阳极柱里，气体处在高度电离状态，但是其中正、负电荷密度几乎相等，这时的系统同普通的气体有明显的区别，1929年，美国的朗默尔（Langmuir）将它取名为“plasma”，译名为“等离子体”。在热核反应的高温（约在几百万开甚至一亿开左右）下，物质处于等离子态，但在热核反应的高温下，任何固体材料的容器早已熔毁，而且散热的速度随温度的升高而急剧增加。目前在大多数受控热核反应的实验装置里用磁场来约束等离子体，使之脱离器壁并限制它的热导。下面简单介绍等离子体磁约束的原理。 我们知道，带电粒子的速度v和磁感强度B成任意夹角时，此带电粒子在磁场中作螺旋线运动，且回旋半径R与磁感强度B成反比，磁场越强，半径越小，这样一来，在很强的磁场中，每个带电粒子的运动便被约束在一根磁感线附近的很小的范围内（右图），也就是说，带电粒子回旋轨道的中心（也叫引导中心）只能沿磁感线纵向移动，而不能横越它，只有当粒子发生碰撞时，引导中心才能由一根磁感线跳到另一根磁感线，因此，强磁场可以使带电粒子的横向输运过程（如扩散、热导）受到很大的限制。

实际问题中，例如受控热核反应，不仅要求引导中心受到横向约束，也希望有纵向约束。下述磁镜装置便能限制引导中心的纵向移动。如上图（a）所示，两个电流方向相同的线圈产生中央弱两端强的不均匀磁场，当处于中间区域的带电粒子沿着z轴向右运动时，设粒子带正电荷q， 速度v沿z轴，如图5-2（b）所示，粒子受到洛伦兹力 B v? q作用，使粒子向着如上图（b）所 示方向（垂直屏幕向里）偏转，可见粒子将获得绕轴旋转的运动速度θv（图中用?代表其方向），随着粒子分速度θv的出现，又将受到洛伦兹力F的作用，其径向分量r F使粒子向轴线偏转，轴

尘埃粒子及物理特性

尘埃粒子及物理特性
尘埃粒子及物理特性 (一) 、尘埃等离子体简介 等离子体和尘埃是已知宇宙空间中最为常见的两种成分，而二者的共存以及相可 作用则开辟了一个近年来非常新兴的研究领域一一尘埃等离子体。它不仅出现在等离 子体物理领域，而且也常出现在空间物理、电波传播，半导体科学、材料科学等领加 工、磁约束核聚变、空间探测等领域的应用有着重要的参考价值，同时它能够揭示等 离子体物理学以及其它相关领域中新的物理现象。b5E2RGbCAP 1．什么是尘埃等离子体 尘埃等离子体是指在等离子体巾包含了大量带电的固态弥散微粒子。尘埃粒子厂 泛存在于自然界，尤其是在宇宙空间中，例如星际空间、太阳系、地球电离层以及暂 星尾和行星环中都存在着各种尺度和密度的尘埃粒子。另外，尘埃粒子也存在于
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实验室等离子体和工业加工等离子体中。 2．尘埃粒子的来源 在太阳系中，人们已探测到各种形态和来源的尘埃粒子，如空间物质的碎片、陨 石微粒、月球的抛射物、人类对空间的”污染”物等。在星际云中，尘埃粒子可以是 电介质，如冰、硅粒等，也可能是类金属的物质，如石墨、磁铁矿等物质。尘埃颗粒 也普遍存在与实验室装置中，在电子学实验室中，尘埃粒子来源于电极、电介质的器 壁，或来源于充入的气体等。一般尘埃粒了的可能质量范围大约为 10-2～10-15g ，
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尺寸可能范围从几十纳米到几十微米不等。在等离子体中，这些尘埃粒子凶与电子、 离子碰撞而携带电荷，携带 等离子体问题的研究比较复杂。DXDiTa9E3d 3．尘埃等离子体的特性 (1) ．尘埃粒子具有大的荷电特性 由于球形尘埃粒子的半径 a 远小于等离子体的德拜长度 b ，因此尘埃小球具有的 电势将使其上的电子的温度与等离子体中的电子温度同量级，即 e ～kTe ，(k 为玻 尔兹曼常数) 。对应于这个电势，尘埃粒子上的电荷通常有很大的数值，一般尘埃粒 子带有 102—106 电子电荷。“浸”在等离子体中的尘埃粒子会受到屏蔽作用，即由等 离子体中的带电粒子形成尘埃粒子的屏蔽云.RTCrpUDGiT (2)．尘埃离子荷电量的可变性 当尘埃粒子间的平均距离 d 远大于等离子体的德拜长度时，可不考虑尘埃粒子间 的相互作用，即孤立地研究单个尘埃粒子。尘埃颗粒所带的电荷是可变的，它由 尘埃粒子本身的特性(前一时刻的带电情况) 和它周围等离子体的性质(如电子离子充 电电流、二次电子发射、光电发射、尘埃粒子的速度等) 有关，同时等离子体中电荷 密度扰动、温度扰动，以及一些外界环境条件的改变都可以改变尘埃粒子的带电情 况。例如有以下几种方式：a 、等离子体中电子、离子的熟运动将形成对尘埃粒子的 充电电流。一个带负电的尘埃粒子，它将排斥电子，吸引离子，引起电子电流减小， 使离子电流增大。b 、当碰撞尘埃粒子的初次电子具有足够大的能量时，可能引起尘 埃粒子的二次电子发射，从而导致尘埃粒子电势升高。C 、在尘埃粒子处于强的紫外 辐射的环境时(如太阳系中的一些情况) ，尘埃粒子可辐射光电子，相当于存在一个正 的充电电流。d 、尘埃粒子表面的化学反应，激光或射频电磁场的作用等都可能影响 尘埃粒子的荷电状况。当尘埃粒子间的平均距离 d 远大于等离子体的德拜长度这个条
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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/bf8736769.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/bf8736769.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

等离子体特性

大幅值振幅的激发在绝热等离子体中产生电子振荡 摘要 当使用简单模型来研究电子等离子体被有限物体如激光或带电粒子脉冲激发或改变时，模型的触发机制不会受到相互作用的影响。因此电子等离子体的大振幅波曲线上会同时出现平滑和高耸波峰段。特别是当两个带电脉冲同向运动时，会产生高地局部的电子等离子体波，而不是期望中的长波。一组数据可以充分说明电子的有效捕获和加速到高能级。 简介 最近，粒子浓度不同或粒子浓度高于背景等离子体浓度的超大幅值电子等离子体波引起了人们极大的关注。因为，在稀薄等离子体中，EPW 很容易被超短超强激光或电子束激发。这样的EPW 能够将参与的电子加速到高能级。EPW 在等离子体中无处不在，并且在等离子体物理研究发展之初就已被广泛研究。它们是现在已知波中最简单的一种，尤其是在具有非线性，繁多数字特性等特征的等离子体波中更是如此。研究者经常使用数字模拟技术来研究高线性及强激光或带电粒子束与等离子体间复杂的作用，并用后验分析模型来验证数字结果。另外，也有一小部分非微扰分析研究是关注于低温或高温等离子体中的大振幅波。研究显示无论是平滑曲线段或是高耸波峰段都会存在。它们的相位区域与极高的静电电荷分布场有关，该电场能将带电粒子加速超高能级。强激光振荡常被当做稳健等离子体（而不是常用的金属）格栅用在丘普脉冲放大强激光脉冲中。 对于处在准稳态中的等离子体，完全非线性热流体方程描述了波动经常可用来求积分，并且在一定程度上表示了在潜在场中能量积分接近于典型粒子的积分。因为存在非线性流体对流压缩和消耗几乎为零，因此，赝势可以无限深。在最终结果中无论高耸波峰段或尖锐稳定段或单波段都会组成浓度下陷或空洞处。 在本片文章中，我们分析研究了有限带电物体穿过绝热等离子体激发EPW 的特性，这个带电物体可以是一个激光束，一个电子或离子束，一个检验带电物体，一个带电探头，一个人造卫星，一个粉尘颗粒等。在比较了诸多早期文献之后发现关于非线性EPW 的研究是非微扰的。它们恰好解决了绝热电子流体方程问题，因此，超大振幅波的异常浓度远大于背景浓度是被允许的。这也证明了两个带电物体同向运动会产生期望中的长波或者是无长波的单峰和多峰单个EPW 波。我们的方法可被当做简易模型来研究USUI 激光和带电粒子束加速粒子的情况。 公式 在绝热环境下，理想电子气体保护方程是： ,)(,1, 0)(0 0γφn n p p p nm m e v v v nv n x x x t x t =?-?= ?+?=?+? 其中，n,m,-e,v,γ和000T n p =分别是电子气体的电子浓度，质量，电荷数，速度，绝热常亮和反应压力，并且0n 是均衡不变的离子浓度。在缺少带电物体的情况下，泊松分布方程为：),(402 n n e x --=?πφ 将静电势与电子浓度联系起来。

等离子体分析

等离子体分析 摘要：本文介绍了气体放电中的等离子体的特性和等离子体诊断技术，利用单探针法和双探针法对等离子体的一些基本参量进行了测量，并对结果进行分析。文中还简要介绍了等离子体的发展前景。 关键词：等离子体，等离子体诊断，探针法 一. 引言 等离子体作为物质的第四态在宇宙中普遍存在。在实验室中对等离子体的研究是从气体放电开始的。朗缪尔和汤克斯首先引入“等离子体”这个名称。近年来等离子体物理学有了较快发展，并被应用于电力工业、电子工业、金属加工和广播通讯等部门，特别是等离子体的研究，为利用受控热核反应，解决能源问题提供了诱人的前景。 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。 辉光放电是气体导电的一种形态。当放电管的压强保持在10～102Pa时，在两电极上加高电压，就能观察到管有放电现象。辉光分为明暗相间的8个区域，在管两个电极间的光强、电位和场强分布如图1所示。8个区域的名称为（1）阿斯顿区，（2）阴极辉区，（3）阴极暗区，（4）负辉区，（5）法拉第暗区，（6）正辉区，（7）阳极暗区，（8）阳极辉区。其中正辉区是等离子区。

磁约束原理与运用.

班级02321101 学号1120110436 姓名张鹏杰 磁约束原理与运用 [摘要]众所周知，以一定速度进入均匀磁场中的带电粒子作螺旋线运动。进入非均匀磁场中的带电粒子的运动轨迹是一条会聚的螺旋线。运用这一原理可以将热核反应中的等离子体约束在实验装置内从而实现可控的核聚变，为寻找新能源开辟蹊径。 [关键词]磁约束，等离子体，受控核聚变，能源 一、磁约束原理 带电粒子在磁场中沿螺线运动，回旋半径R与磁感应强度B成反比。在很强的磁场中，每个带电粒子的活动便被束缚在一根磁感线附近的很小范围内，只能沿磁感线做种纵向运动。 在热核反应的高温下，物质处于等离子态，有带电粒子组成，而由于上述原因，强磁场可以使带电粒子的横向输运过程受限。 在纵向，同样可以利用磁约束对粒子的运动加以限制。带电粒子的圆周运动可被等效视作通电线圈。设带电粒子的带电量为q，回旋频率为υ，回旋半径为R，则等效线圈中的电流I=q υ，面积S=，磁矩M=IS=qυ2π。对于在磁场中的回旋运动，可知υ=，R=，于是有： M== 理论上可以证明，在梯度不是太大的非均匀磁场中，带电粒子的磁矩M是个不变量。亦即，当带电粒子由较弱的磁场区进入较强的磁场区时（B增加），它的横向动能要按比例增加。然而由于洛伦兹力是不做功的，带电粒子的总动能不变，则纵向动能即纵向速度就要减小，甚至为零。通常将这种由弱到强的磁场位形叫做磁镜。如右图，两个同向通电线圈产生中间弱两边强的磁场位形，带电粒子在横向受到磁场约束，在纵向则在两线圈中来回反射，从而达到约 束的目的。不过，一部分纵向动能较大的粒子仍然有可能从磁镜两端逃出。而采用右图所示的环形磁约束结构则可避免这种情况。这种结构也是下面将要提到的托卡马克装置的基本结构。

最新等离子体实验报告-南京大学

气体放电中等离子体的分析 一、实验目的 1、了解气体放电中等离子体的特性。 2、利用等离子体诊断技术测定等离子体的一些基本参量。 二、实验原理 1、等离子体及其物理特性 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。 2、等离子体的主要参量 描述等离子体的一些主要参量为： （1）电子温度Te。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ne，正离子密度为ni，在等离子体中ne≈ni。 （3）轴向电场强度EL。表征为维持等离子体的存在所需的能量。 （4）电子平均动能Ee 。 （5）空间电位分布。 3、稀薄气体产生的辉光放电 本实验研究的是辉光放电等离子体。 辉光放电是气体导电的一种形态。当放电管内的压强保持在10-102Pa时，在两电极上加高电压，就能观察到管内有放电现象。辉光分为明暗相间的8个区域。8个区域的名称为（1）

阿斯顿区，（2）阴极辉区，（3）阴极暗区，（4）负辉区，（5）法拉第暗区，（6）正辉区（即正辉柱），（7）阳极暗区，（8）阴极辉区。 如图1所示，其中正辉区是我们感兴趣的等离子区。其特征是：气体高度电离；电场强度很小，且沿轴向有恒定值。这使得其中带电粒子的无规则热运动胜过它们的定向运动。所以它们基本上遵从麦克斯韦速度分布律。由其具体分布可得到一个相应的温度，即电子温度。但是，由于电子质量小，它在跟离子或原子作弹性碰撞时能量损失很小，所以电子的平均动能比其他粒子的大得多。这是一种非平衡状态。因此，虽然电子温度很高（约为105Ｋ），但放电气体的整体温度并不明显升高，放电管的玻璃壁并不软化。 图1 3. 等离子体诊断 测试等离子体的方法被称为诊断。等离子体诊断有探针法，霍尔效应法，微波法，光谱法等。本次实验中采用探针法。探针法分单探针法和双探针法。 （1）单探针法。单探针法实验原理图如图2所示。