等离子体物理学.doc

、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Eε。(5)空间电位分布。本实验研究的是辉光放电等离子体。(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:(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。其它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,重力引起的漂移是能够忽略不计的。图4:【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。因此,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:(如图5所示)梯度漂移速度与粒子横向动能w⊥有关,同时,与电荷符号有关,正负电荷将沿相反方向漂移,引起电荷分离,并产生漂移电流。图5:(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,同时绕着磁力线做回旋运动。因此粒子将感受到一个惯性离心力⑷的作用,其方向沿曲率半径向外。由一般力场的漂移公式可得漂移速度为:⑸即曲率漂移速度与粒子纵向动能和电荷符号有关。正负带电粒子朝相反的方向漂移,导致电荷分离,且产生漂移电流。:(如图7所示),根据法拉第定律,变化的磁场产生感应电场E,带电粒子在磁场B和电场E的作用下作漂移运动【13】,感应电场的力线是轴对称区域中的圆周。E的方向是圆周的切线方向,于是粒子沿半径方向漂移图6:曲率漂移图7:,磁矩μ是守恒的(如图