等离子体物理真题精选.docx

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等离子体物理真题精选

等离子体物理真题精选

[填空题]

1若在真空中放置两个电极，其中阴极可发射电子，则电极间通过的电流受到限制的因素有哪些？

大电流开关多采用等离子体开关，为什么？

参考答案：

主要有两种限制因素，其一是电极（阴极）发射电子的能力的限制，其二是空间电荷效应的限制。

大电流开关主要是空间电荷效应，若在等离子体环境中，主要电场集中在鞘层区域，相当于两电极的距离缩小至鞘层的厚度（德拜长度），因而由于空间电荷效应所限制的电流密度可以提高很多。

[填空题]

2电离气体一定是等离子体吗？

反过来呢？

参考答案：

电离气体不一定是等离子体，反过来也不一定。

[填空题]

3试就高温、低温、高密度、低密度等离子体各举一例。

参考答案：

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。

[填空题]

4若插入等离子体中的金属电极表面涂上绝缘层，不收集电流，当电极电势足够负时，鞘层结构如何？

会产生较厚的鞘层吗？

参考答案：

此时不会产生较厚的鞘层，因为有足够多的（正）电荷积累在电极表面（厚度可略），屏蔽绝大部分电场。

[填空题]

5德拜屏蔽效应一定要有异性离子存在吗？

参考答案：

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。

[填空题]

6考虑初始的粒子速度分布是麦克斯韦分布，当波出现朗道阻尼后，粒子的速度分布会发生什么样的变化趋势？

参考答案：

速度分布在共振速度处，由于略小于相速度的粒子获得加速的总数多于略大于相速度的粒子减速的总数，故速度分布在共振处斜率会减小，直至出现小的平台。

[填空题]

7用电子德拜长度表示等离子体的德拜长度的前提是什么？

参考答案：

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。

[填空题]

8等离子体中的电磁波动模式能否产生朗道阻尼效应？

参考答案：

电磁波动模式中的电场分量同样可以减速粒子，产生共振。

如电子回旋波的回旋共振阻尼实际上也是朗道阻尼效应。

[填空题]

9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？

参考答案：

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。

[填空题]

10氩等离子体密度

， 电子温度

， 离子温度

， 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。

参考答案：

[填空题]

11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？

参考答案：

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。

[填空题]

12在高频电场

中，仅考虑电子与中性粒子的弹性碰撞，并且碰撞频率

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

时，电子遵守麦克斯韦尔分布。

参考答案：

[填空题]

13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？

参考答案：

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。

[填空题]

14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。

参考答案：

[填空题]

15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？

。

参考答案：

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

[填空题]

16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。

参考答案：

[填空题]

17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？

参考答案：

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。

[填空题]

18推导出无碰撞鞘层Child定律和玻姆鞘层判据。

参考答案：

[填空题]

19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？

参考答案：

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。

[填空题]

20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？

参考答案：

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。

[填空题]

21设一无碰撞朗谬尔鞘层厚度为S，电压为V，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

参考答案：

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[填空题]

22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？

参考答案：

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。

[填空题]

23一个截面为正方形（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

，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

，给出穿过放电室截面的总电流表达式。

参考答案：

[填空题]

24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？

参考答案：

因为人类过于娇嫩，对生存环境的要求太苛刻。

[填空题]

25电子静电波的色散关系为

。

给出波的相速度和群速度；证明在大的波数k时，波的相速度和群速度相等，并给出其值。

参考答案：

[填空题]

26一个碰撞阴极鞘层，忽略鞘层中电子密度和电离效应，取离子定向速度为

，推导鞘层中的电场分布、电势分布、碰撞情形Child定律及鞘层厚度与平均自由程的关系式。

参考答案：

[填空题]

27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？

参考答案：

没有，等离子体与其它相之间的界限比较模糊。

[填空题]

28由流体运动方程，忽略掉粘性应力项，

（1）推导出无磁场时电子、离子在等离子体中的定向速度表达式；

（2）忽略温度梯度，证明定向速度为零时，带电粒子遵守波尔兹曼分布。

参考答案：

[填空题]

29电漂移与重力漂移的最重要的差别是什么？

参考答案：

电漂移与粒子种类无关，而重力漂移与种类相关。

[填空题]

30在等离子体源离子注入中，当负高压脉冲（幅值V）加到金属靶上时，靶表面附近电子立即被排斥出鞘层区域，由于离子质量大，没有来得及运动，留下一个均匀的离子鞘层，设离子密度为常数n，并假设在鞘层边界电场和电势为零，求平板、柱形和球形靶鞘层内电场和电势分布，以及鞘层厚度表达式。

参考答案：

[填空题]

31磁力线弯曲的磁场一定是不均匀的，反过来呢？

参考答案：

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。

[填空题]

32一个长度为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）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。

参考答案：

[填空题]

33试分析“镜面”相互接近系统如何传递能量给所捕获的粒子。

参考答案：

“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。

[填空题]

34当密度越来越小时，波应向真空中的电磁波进行过渡，阿尔芬波可以直接实现这样的过渡吗？

为什么？

应用了此式在密度极小时不成立。

参考答案：

从阿尔芬波色散关系来看，无法实现这样的过渡，因为阿尔芬速度当密度极小时趋于无穷，和光速无法直接比较。

其原因，是在求低频近似时，应用了

，此式在密度极小时不成立。

[填空题]

35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？

参考答案：

若电子、离子的温度相等且各向同性，其等效磁矩之比为1

[填空题]

36为什么说等离子体中磁力线像弹性绳？

“弹性”的来源是什么？

参考答案：

磁化的等离子体中沿磁力线的通量管上侧面具有压强，端面有张力，与弹性绳表现一致。

弹性来源于磁场和等离子体洛伦兹力的作用。

[填空题]

37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？

参考答案：

变化的磁场产生的电场最终加速了粒子。

[填空题]

38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？

参考答案：

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。

[填空题]

39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？

参考答案：

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。

[填空题]

40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？

参考答案：

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：

[填空题]

41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。

参考答案：

主要是通过对运动作时间平均，小时间尺度快速运动被消去，留下大时间尺度的慢过程。

[填空题]

42粘滞力为何不是直接正比于速度剪切（指速度在空间的变化），而是于速度在空间的二次导数有关？

参考答案：

粘滞力（摩擦）正比于物体之间的相对速度，对流体元也是如此。

流体元任何侧面上受到周围流体的摩擦力正比于流体元与周围流体的相对速度，但如果流体元两对面上的相对速度（速度剪切）不变，则其合力为零。

只有流体元两侧速度剪切不同，才会有净的粘滞力。

[填空题]

43设等离子体为柱体，若β=1，那么等离子体中电流应该是什么样的分布，外磁场的方向如何？

参考答案：

此时，等离子体和外磁场有明显的分界面，等离子体表面（分界面）存在面电流，面电流与磁场的洛伦兹力正好平衡等离子体的压强。

若外磁场为纵向，则面电流为角向；若外磁场为角向，则面电流为纵向。

[填空题]

44如果初始分布结构比较复杂，比如有多个极大和极小，那么经过扩散过程，结构是变得复杂了呢，还是简单了？

一定是这样吗？

参考答案：

经过扩散，结构一定变得简单。

扩散是一个耗散过程，是信息的消失过程，或曰熵增的过程。

[填空题]

45说明

表示流体元体积压缩速率。

参考答案：

表示随流体运动的面元单位时间扫过的体积，其在闭合曲面上积分则表示该曲面随流体运动时单位时间内体积的增加。

[填空题]

46对理想磁流体，若流体元相对于磁场作垂直运动，则

，这是否意味着在等离子体中将感生出无穷大的电流？

为什么？

参考答案：

理想流体的欧姆定律为

，即在流体元参考系中电场为零。

在实验室参考系中，

，保证上式成立。

[填空题]

47考虑一个逐渐变细的磁通管（由磁力线构成），若在较粗的一端（弱场区）产生等离子体，此等离子体在磁场方向上可以达到力的平衡吗？

若在较细的一端（强场区）产生等离子体，可以达到平衡吗？

若要利用磁场形成所谓的“磁喷嘴”，产生高速的等离子体射流，应该采用哪一种方法？

参考答案：

在较粗的一端产生等离子体，此等离子体在磁场方向上可以达到力的平衡。

若在较细的一端产生等离子体，则压强梯度与磁压强梯度方向一致，不能达到力的平衡。

后者可以用于产生高速的等离子体射流。

[填空题]

48将一团等离子体由无磁场区垂直地射向有磁场的区域，会发生什么样的情况？

参考答案：

要经历减速、磁场与等离子体相对渗透扩散过程。

根据具体情况，等离子体可以减速加入磁场区域，也可能被弹回。

[填空题]

49双流体模型应该比单流体模型更好地描述等离子体，双流体中的电子、离子成份在单流体中主要各起什么作用？

参考答案：

电子成分主要贡献电流，离子成分主要提供惯性。

[填空题]

50当碰撞频率增加时，平行于磁场方向的电导率是如何变化的？

垂直方向呢？

如何解释这种差别？

参考答案：

碰撞频率增加，平行与磁场方向电导率减小，而垂直于磁场方向的电导率增大。

平行方向电子在电场下加速过程在碰撞时被中断，碰撞频率越大，中断越频繁，电子平均速度越小，电导率越低。

垂直方向上，由于磁场对电子的束缚，如果没有碰撞，则电导率为零。

碰撞使得电子重新开始回旋运动，因而可以在电场方向运动，因此，碰撞越频繁，垂直方向的迁移越快。

[填空题]

51列举一些由于洛伦兹力所产生的“作用”与“效果”方向不一致的现象。

参考答案：

电漂移、重力漂移运动，霍尔电流效应。

[填空题]

52若大气中声波的相速度与频率（或波长）相关，或曰大气对声波是色散介质，人们交谈时会有什么不方便之处吗？

参考答案：

音色会随距离发生变化，人声的特色消失。

[填空题]

53真空中的麦克斯韦方程组有非线性项吗？

如果有，是哪一项？

如果没有，这意味着什么？

在真空中传输的两束强激光相遇时会相互影响吗？

参考答案：

麦克斯韦方程组是线性方程组，没有非线性项。

在真空中传输的两束强激光相遇时会不会相互影响（经典非量子情况）。

[填空题]

54等离子体频率是波的截止频率，还是共振频率？

参考答案：

等离子体频率是电磁波的截止频率，也是高频静电振荡的共振频率。

截止与共振必须与波的模式相关。

[填空题]

55若阿尔芬速度与光速可比，对磁场能量密度的要求如何？

参考答案：

磁能密度将与等离子体物质的静止能量密度相等。

[填空题]

56面对磁化的等离子体发射电磁波，如何保证电磁波进入等离子体后是寻常波？

参考答案：

使波电场极化（偏振）方向平行于磁场。

[填空题]

57无磁场的等离子体中所传播的波频率必须高于等离子体频率，但在有磁场的情况下，出现了一些低于等离子体频率的传播模式，请分析其中的奥秘。

参考答案：

磁场限制了电子的响应。

[填空题]

58若柱坐标系中空间的扰动形式为

考虑m=0及各整数时的扰动的几何图像。

参考答案：

m=0，扰动与角向无关，在任一个截面上，扰动强度相同的面为圆形，但在不同的纵向上，园半径不同，故形成“腊肠”形扰动几何；m=1，扰动在角向上有一个极大，一个极小，主要表现为整体的位移；m=2，扰动在角向上有2个极大，2个极小，主要表现为椭圆形变；m=3，扰动在角向上有3个极大，3个极小，主要表现为三角形变。

如图所示。

[填空题]

59为什么动量碰撞频率有别于能量碰撞频率，动量碰撞频率一定不小于能量碰撞频率吗？

参考答案：

粒子间碰撞交换动量与交换能量的过程是不一致的，比如电子与离子碰撞产生背散射过程，电子的动量改变量大小是原动量的两倍，但电子能量的改变量很小，因而动量碰撞频率一般不同于能量碰撞频率。

由于产生能量交换一定产生了动量交换，因而动量碰撞频率不会小于能量碰撞频率。

[填空题]

60建立双极电场的时间尺度是多少？

参考答案：

等离子体特征相应时间。