單粒子運(yùn)動之一課件.ppt

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1、等離子體物理單粒子軌道運(yùn)動等離子體概述等離子體的形成及碰撞等離子體的準(zhǔn)電中性徳拜屏蔽及等離子體屏蔽等離子體鞘層及電位等離子作振蕩等離子體中的基本參數(shù)等離子體判據(jù)2四個參數(shù)來描述等離子體兩個是獨(dú)立參數(shù)：等離子體密度等離子體溫度兩個特征參數(shù):德拜長度等離子體頻率等離子體種的基本參數(shù)T---eV,Kn--米-3等離子體內(nèi)部，任何一個帶電粒子其自身產(chǎn)生的庫侖場，都會受到周圍帶電粒子的屏蔽，因此，一般來說，其作用范圍僅在德拜長度以內(nèi)；對每個粒子來說，周圍都會有“電荷云”，而每個粒子又都要參與組成其他粒子的電荷云。也就是說，粒子

2、間互為電荷云，其總體圖像變得十分復(fù)雜。我們的描述不得不進(jìn)行簡化，即把要考慮的粒子看成“試驗(yàn)粒子”，而把其余等離子體看成“本底等離子體”。德拜屏蔽效應(yīng)等離子體判據(jù)等離子體存在滿足下面三個條件第一個條件：即等離子體的德拜長度大于粒子間的平均距離，德拜屏蔽效應(yīng)是大量粒子的統(tǒng)計(jì)效應(yīng)，統(tǒng)計(jì)條件要求德拜球內(nèi)有大量的粒子，為此必須滿足此條件。第二個條件：即德拜長度遠(yuǎn)小于等離子體特征長度，由于在德拜球內(nèi)不能保證此電中性。所以不滿足這個條件，就不可能把等離子體看作電中性的物質(zhì)聚集態(tài)。第三個條件：?c是碰撞頻率，是熱運(yùn)動阻礙恢復(fù)電中性的

3、因素，當(dāng)ωp>?c時(shí)，電子來不及通過碰撞耗散振蕩能量，則振蕩能維持，保證了等離子體維持電中性。6等離子體概念可以推廣，但核心內(nèi)涵是集體行為起支配作用的宏觀體系，電離氣體一定是等離子體嗎？反過來呢？德拜屏蔽效應(yīng)一定要有異性離子存在嗎？用電子德拜長度表示等離子體的德拜長度的前提是什么？由于德拜屏蔽，帶電粒子的庫侖勢被限制在德拜長度內(nèi)，這是否意味著粒子與德拜球外粒子無相互作用？為什么？受控任何聚變的最終目標(biāo)是什么？有哪兩種基本的實(shí)現(xiàn)途徑？對于完全由同一種離子構(gòu)成的非中性等離子體，能夠有德拜屏蔽的概念嗎？低溫等離子體環(huán)境下可

4、以實(shí)現(xiàn)常規(guī)化學(xué)方法無法實(shí)現(xiàn)的化學(xué)過程，其物理原因何在？作為物質(zhì)第四種存在形式，對等離子體體系的時(shí)空尺度有何要求？等離子體是絕大多數(shù)物質(zhì)的存在形式，為什么我們感覺不是這樣？固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)之間有明確的相變點(diǎn)，氣態(tài)到等離子體態(tài)有這樣的相變點(diǎn)嗎？常規(guī)等離子體具有不容忍內(nèi)部存在電場的稟性，是否意味著等離子體內(nèi)部不能存在很大的電場，為什么？在電子集體振蕩的模型中，若初始時(shí)刻不是所有電子與離子產(chǎn)生分離而是部分電子，則振蕩頻率會發(fā)生變化否？如果變化，如何變？思考題r08單粒子軌道運(yùn)動等離子體物理學(xué)之特點(diǎn)之一就是參數(shù)范圍廣闊:密度跨

5、越30個數(shù)量級，溫度跨越7個數(shù)量級。最直接最簡單的描述方法就是單粒子軌道法把等離子體看成由大量獨(dú)立的帶電粒子組成的集體，只討論單個帶電粒子在外加電磁場中的運(yùn)動，而忽略粒子間的相互作用。粒子軌道理論適用于稀薄等離子體，對于稠密等離子體也可提供某些描述，但由于沒有考慮重要的集體效應(yīng)，局限性很大。粒子軌道理論的基本方法是求解粒子的運(yùn)動方程。在均勻恒定磁場條件下，帶電粒子受洛倫茲力作用，沿著以磁力線為軸的螺旋線運(yùn)動。忽略帶電粒子之間的相互作用忽略帶電粒子本身對電磁場的貢獻(xiàn)2.1引言單粒子軌道能做什么？11單粒子軌道運(yùn)動將回答

6、下列問題極光范.艾倫輻射帶13太陽風(fēng)與地球的磁場14宇宙高能粒子形成問題但能量超過1017致1020電子伏以上的高能微觀粒子，入射方向各向同性，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的方向性。這表明它們必然來源于銀河系外。以這些超過1017致1020電子伏以上的高能微觀粒子的平均壽命，即使算上相對論的運(yùn)動時(shí)慢或尺縮，都不足以跨越星系間的距離，仿佛就是在虛空中憑空生成，并專門射向我們的一樣。能量在1014致1017電子伏間的高能微觀粒子，有方向性，可以找出他們在太陽、非太陽起源，包括銀河系內(nèi)恒星、超新星爆發(fā)、脈沖星。電子經(jīng)加速器加速后，能量可達(dá)

7、到100GeV如何能約束熾熱的等離子體？磁暴為什么會強(qiáng)烈影響我們的生活？17把等離子體看成由大量獨(dú)立的帶電粒子組成的集體，只討論單個帶電粒子在外加電磁場中的運(yùn)動，而忽略粒子間的相互作用(理想氣體？)。粒子軌道理論適用于稀薄等離子體，對于稠密等離子體也可提供某些描述，但由于沒有考慮重要的集體效應(yīng)，局限性很大。粒子軌道理論的基本方法是求解粒子的運(yùn)動方程。在均勻恒定磁場條件下，帶電粒子受洛倫茲力作用，沿著以磁力線為軸的螺旋線運(yùn)動。單粒子軌道法Monte-CarloSimulation初始參數(shù)電場加速碰撞過程碰撞過程19如果

8、還有靜電力或重力，或磁場非均勻，則帶電粒子除了以磁力線為軸的螺旋線運(yùn)動外，還有垂直于磁力線的運(yùn)動——漂移。漂移是粒子軌道理論的重要內(nèi)容，如由靜電力引起的電漂移、由磁場梯度和磁場曲率引起的梯度漂移和曲率漂移等都是。粒子軌道理論的另一個重要內(nèi)容是浸漸不變量。當(dāng)帶電粒子在隨空間或時(shí)間緩慢變化的磁場中運(yùn)動時(shí)，在一級近似理論中，存在著可視為常量的浸漸不變