思考题
1.1 电离气体一定是等离子体吗？反过来呢？
答：电离气体不一定是等离子体，反过来也不一定。
1.2 试就高温、低温、高密度、低密度等离子体各举一例。
答：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。
1.3 德拜屏蔽效应一定要有异性离子存在吗？
答：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。
1.4 用电子德拜长度表示等离子体的德拜长度的前提是什么？
答：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。
1.5 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？
答：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。
1.6 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？
答：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。
1.7 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？
答：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。
1.8 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？
答：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。
1.9 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？答：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。
1.10 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？
答：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。
1.11 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？
答：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。
1.12 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？
答：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。
1.13 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？答：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。
1.14 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？答：因为人类过于娇嫩，对生存环境的要求太苛刻。
1.15 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？
答：没有，等离子体与其它相之间的界限比较模糊。
2.1 （2-16）式在磁场趋于零时，会得到漂移速度无穷大的结果，这合理吗？
如何解释？
答：当漂移速度与光速可比时，必须考虑相对论效应，即当时，||E B c :（2-16）式不再成立。
2.2 电漂移与重力漂移的最重要的差别是什么？
答：电漂移与粒子种类无关，而重力漂移与种类相关。
2.3 从粒子运动轨道图像分析（参考图2.1），考察粒子的电漂移速度为什么
与下列因素无关，（1）电荷的正负、（2）粒子质量、（3）粒子的速度。答：（1）正负电荷的回旋运动旋转方向相反，但在电场中受到加速的方向亦相反，结果使电漂移运动与电荷正负无关；（2）粒子在电场中受到的加速度与质量成反比，但其回旋频率亦与质量成反比，电漂移速度与两者之比相关，故电漂移运动与粒子质量无关；（3）粒子的回旋频率和在电场中受到的加速度均与速度无关，故电漂移运动与粒子速度无关。
2.4 磁力线弯曲的磁场一定是不均匀的，反过来呢？
答：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。
2.5 试分析“镜面”相互接近系统如何传递能量给所捕获的粒子。
答：“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。
2.6 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？答：1。
2.7 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？
答：变化的磁场产生的电场最终加速了粒子。
2.8 本章中所处理的粒子在电磁场中的运动可以分成回旋运动与漂移运动
的合成，对哪些情况我们要求漂移运动的速度远小于回旋运动速度，哪些情况则不需要这样的假设？
答：对外力漂移不需要这样假设，对由于引导中心近似所产生的等效力则需要。
2.9 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？答：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。
2.10 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？
答：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：，()c r B B ?? :c v B B
ω?:: :2.11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。
答：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。
3.1 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？
答：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。
3.2 说明表示流体元体积压缩速率。u -??
答：，表示随流体运动的面元单位时
()S
u dV u dS -??=-?????? :u dS ? 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。
3.3 为什么说等离子体中磁力线像弹性绳？“弹性”的来源是什么？
答：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。
3.4 参考图3.1，若磁力线是弯曲的，则这一等离子体元似乎总是受到一个
指向曲率中心的力，这种说法对吗，为什么？
答：实际上，弯曲的磁力线磁场一定是不均匀的，内侧磁场强，磁压强大，侧面的磁压强差在稳态时正好可以抵消两端张力的合力。平衡时，整体流体元合力为零。
3.5 设等离子体为柱体，若，那么等离子体中电流应该是什么样的分
1β=布，外磁场的方向如何？
答：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。
3.6 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？
答：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。
3.7对理想磁流体，若流体元相对于磁场作垂直运动，则，这是否
0u B ?≠ 意味着在等离子体中将感生出无穷大的电流？为什么？
答：理想流体的欧姆定律为，即在流体元参考系中电场为0E u B +?= 零。在实验室参考系中，时，，保证上式成立。
0u B ?≠ 0E ≠
3.8 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？答：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。
3.9 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？作一些讨论。
答：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。
3.10 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？
答：电子成分主要贡献电流，离子成分主要提供惯性。
3.11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？
答：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。
3.12 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。答：电漂移、重力漂移运动，霍尔电流效应。
4.1 指出方程组（4-1）中的非线性项。
答：为非线性项。为线性()()u u u u p t γρρρρ-?????? 、、、p t
ρ???、-项。
4.2 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？
答：音色会随距离发生变化，人声的特色消失。
4.3 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？答：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）。
4.4 等离子体频率是波的截止频率，还是共振频率？答：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。
4.5 截止频率与传播方向无关，请分析其中原因。
答：待探索。
4.6 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？
答：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。2200lim lim p P αωωαωω
→→==-∞∑4.7 若阿尔芬速度与光速可比，对磁场能量密度的要求如何？
答：磁能密度将与等离子体物质的静止能量密度相等。
4.8 设计实验方案，利用哨声波的延时特性估算电离层的等离子体参数，方
案包括测量什么？计算模型需要哪些假设和近似？
答：请思考。
4.9 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？
答：使波电场极化（偏振）方向平行于磁场。
4.10 等离子体中哪些波模是电子成份响应起作用，哪些是离子起作用，哪
些是电子离子都起作用？电子不起作用的主要原因有哪些？
答：请思考。
4.11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。
答：磁场限制了电子的响应。
5.1 电磁辐射和粒子的相互作用可以理解成粒子吸收和发射（光子）的过程，
当发射和吸收过程平衡时，是否就意味着辐射和粒子之间达到了热平衡？
答：是，此时系统可以视为黑体。
5.2 图5.2中，等离子体中电流未标出，但必须有电流产生的洛伦兹力平衡
压力梯度和重力，电流的方向和空间分布如何？
5.3 从（5-10）式可知，项是起稳定作用的项，
()()222000x i x e x x i x k u u k u -≈也就是说，对波长小的扰动，不会产生瑞利－泰勒不稳定性。结合习题
5.3，解释其物理原因。
答：实际上是漂移运动通过一个波长的时间，当此时间小于增长01x i x k u 时间时，电荷积累不起来，因此不稳定性不会发展。
5.4 若柱坐标系中空间的扰动形式为，考虑及各整数时的扰
()z i k z m e
θ-0m =动的几何图像。答：，扰动与角向无关，在任一个截面上，扰动强度相同的面为圆0m =形，但在不同的纵向上，园半径不同，故形成“腊肠”形扰动几何；，1m =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；，2m =扰动在角向上有2个极大，2个极小，主要表现为椭圆形变；，扰3m =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。
5.5 图5.3所示的扰动模式是否满足扰动螺距与磁力线的螺距一致的条件？
6.1 粒子与德拜球内的粒子的相互作用本质上是多体的，为什么可以用一系
列两体的库仑碰撞来处理？
答：请思考。
6.2 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？
答：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。
6.3 （6-17）式所给出的等离子体电阻率与密度无关，你觉得这合理吗？答：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。
6.4 在等离子体中通上电流，可以通过欧姆加热效应使等离子体温度升高。
但欧姆加热手段对高温（）等离子体不再适用，请考虑其原1keV T >因及相关的过程。
答：如果仅考虑欧姆加热效应，等离子
体能够达到的温度是有限的。其原因
是等离子体电阻率随温度的3/2次幂下
降，因而等离子体获得的欧姆加热功率
也随温度的3/2次幂下降。一般等离子
体系统的能量损失总是随温度增加而
增加，等离子体所能获得的温度取决于
输入功率与损失功率的平衡，如图所
示，是有限的。
6.5 建立双极电场的时间尺度是多少？
答：等离子体特征相应时间。
6.6 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？答：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。
6.7 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？
答：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。
6.8 指出（6-49）式的非线性项。答：（6-49）式的中只有第一个方程左边第三0f f q f v E t r m v
???+?+?=??? 项是非线性项。
6.9 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？
答：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。
e
e0P
6.10 等离子体中的电磁波动模式能否产生朗道阻尼效应？
答：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。
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：
等离子体化工导论讲义 前言 等离子体化工是利用气体放电的方式产生等离子体作为化学性生产手段的一门科学。因其在原理与应用方面都与传统的化学方法有着完全不同的规律而引起广泛的兴趣，自20世纪70年代以来该学科迅速发展，已经成为人们十分关注的新兴科学领域之一。 特别是，近年来低温等离子体技术以迅猛的势头在化工合成、材料制备、环境保护、集成电路制造等许多领域得到研究和应用，使其成为具有全球影响的重要科学与工程。例如：先进的等离子体刻蚀设备已成为21世纪目标为0.1μm线宽的集成电路芯片唯一的选择，利用等离子体增强化学气相沉积方法制备无缺陷、附着力大的高品位薄膜将会使微电子学系统设计发生一场技术革命，低温等离子体对废水和废气的处理正在向实际应用阶段过渡，农作物、微生物利用等离子体正在不断培育出新的品种，利用等离子体技术对大分子链实现嫁接和裁剪、利用等离子体实现煤的洁净和生产多种化工原料的煤化工新技术正在发展。可以说，在不久的将来，低温等离子体技术将在国民经济各个领域产生不可估量的作用。 但是，与应用研究的发展相比，被称为年轻科学的等离子体化学的基础理论研究缓慢而且较薄弱，其理论和方法都未达到成熟的地步。例如，其中的化学反应是经过何种历程进行，活性基团如何产生等等。因此，本课程力求介绍这些方面的一些基础理论、研究方法、最新研究成果以及应用工艺。
课程内容安排： 1、等离子体的基本概念 2、统计物理初步 3、等离子体中的能量传递和等离子体的性质 4、气体放电原理及其产生方法 5、冷等离子体中的化学过程及研究方法 6、热等离子体中的化学过程及研究方法 7、当前等离子体的研究热点 8、等离子体的几种工业应用 学习方法： 1、加强大学物理和物理化学的知识 2、仔细作好课堂笔记，完成规定作业 3、大量阅读参考书和科技文献
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
辉光放电与等离子体 1、辉光放电 通常把在电场作用下气体被击穿而导电的物理现象称之为气体放电。气体放电有“辉光放电”和“弧光放电”两种形式。辉光放电又分为“正常辉光放电”与“异常辉光放电”两种，它们是磁控溅射镀膜工艺过程中产生等离子体的基本环节。 辉光放电(或异常辉光放电)可以由直流或脉冲直流靶电源通过气体放电形成,也可以用交流(矩形波双极脉冲中频电源、正弦波中频与射频)靶电源通过真空市内的气体放电产生。 气体放电时，充什么样的工作气体、气压的高低、电流密度的大小、电场与磁场强度的分布与高低、电极的不同材质、形状和位置特性等多种因素都会影响到放电的过程和性质，也会影响到放电时辐射光的性质和颜色。 (1)直流辉光放电 ①在阴-阳极间加上直流电压时，腔体内工作气体中剩余的电子和离子在电场的作用下作定向运动，于是电流从零开始增加; ②当极间电压足够大时，所有的带电离子都可以到达各自电极，这时电流达到某一最大值(即饱和值); ③继续提高电压，导致带电离子的增加，放电电流随之上升;当电极间的放电电压大于某一临界值(点火起辉电压)时，放电电流会突然迅速上升，阴-阳极间电压陡降并维持在一个较低的稳定值上。工作气体被击穿、电离，并产生等离子体和自持辉光放电，这就是“汤生放电”的基本过程，又称为小电流正常辉光放电。 ④磁控靶的阴极接靶电源负极，阳极接靶电源正极，进入正常溅射时，一定是在气体放电伏-安特性曲线中的“异常辉光放电区段”运行。其特点是，随着调节电源输出的磁控靶工作电压的增加，溅射电流也应同步缓慢上升。 (2)脉冲直流辉光放电 脉冲或正弦半波中频靶电源的单个脉冲的气体放电应与直流气体放电伏-安特性曲线异常辉光放电段及之前段的变化规律相符。可以将其视为气体放电伏-安特性在单个脉冲的放电中的复现。脉冲直流靶电源在脉冲期间起辉溅射，在脉冲间隙自然灭辉(因频率较高，肉眼难以分辨)。 溅射靶起辉放电后，当电源的输出脉冲的重复频率足够高时，由于真空腔体内的导电离子还没有完全被中和完毕，第二个(以后)重复脉冲的复辉电压与溅射靶的工作电压接近或相同。当电源输出脉冲的重复频率很低(例如几百HZ以下)或灭弧时间过长(大于100ms以上)，
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
p1EanqFDPw
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．
中科院等离子体物理研究所 2005——2010年发表论文统计分析（简版） 等离子体所综合办文献组 采用文献计量方法，分别对等离子体所2005-2010 年间被SCIE、 EI、CNKI 收录的论文，从时间序列、学科分布、作者分布、被引次 数、发表期刊和基金支持等方面进行了统计分析。主要数据如下： 一、SCI收录引用统计分析 1. SCI发文分析 2005——2010年，等离子体所发表论文被SCI收录的有1167篇，基本呈上升趋势，见图1。 图1 SCI各年收录论文数量图 年份2005 2006 2007 2008 2009 2010 总论文数 论文数151 187 190 161 211 267 1167 2. 发文学科分析 从发表论文的主题类别来看，这期间，等离子体所发表论文主要集中在“等离子体物理”、“核科学技术”、“材料科学”等领域。其中以“等离子体流体物理”和“核科学技术”最多，论文数量占总数量的56.8 %。 3. 发文第一作者排名 此排名是在剔除第一单位机构为非等离子体所的论文之后，再对第一作者进行发文统计。见图2
图2 2005年——2010年，SCI收录论文第一作者TOP10排名 4. 发文收录期刊统计 2005——2010年，等离子体所的论文发表主要集中在以下几种期刊，见图3。其中发表在《PLASMA SCIENCE AND TECHNOLOGY》的期刊论文最多，共263篇，占总数的22.5 %。 图3 2005年——2010年，SCI收录论文来源出版物前5名
5. 发文主要期刊影响因子 等离子体所发文的五种主要期刊影响因子，及其在各自学科领域的排名见图4。《PLASMA SCIENCE AND TECHNOLOGY》是等离子体所编辑出版的专业期刊，其影响因子从2005年以来，基本保持逐年上升。 图4 2005年——2010年间SCI收录论文主要来源期刊及影响因子 除2008年以外的其他各年，SCI收录论文的被引总频次基本处于上升状态，篇均被引频次也呈上升趋势。侧面反映出，从2005年——2010年，SCI 收录的我所论文，不但数量逐年在增加，论文质量也有相应的提高。其中，被引频次最高为124次。 图5 2005年—2010年，各年SCI收录总数及篇均被引频次 论文篇数论文被引总次数平均每篇论文被引次数 1167 7994 6,85
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
气体放电中等离子体的研究 091120*** 一、实验目的 1、了解等离子体的产生和有关参数的物理意义 2、采用探针法测量气体放电等离子体的电子温度和电子密度 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。 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1０～1０2Pａ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，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
南京大学物理系实验报告 题目实验2.3 气体放电中等离子体的研究 姓名朱瑛莺 2014年4月4日学号 111120230 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、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。 三、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n e ，正离子密度为n i ，在等离子体中n e ≈n i 。 （3）轴向电场强度E L 。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
1、论文（设计）研究目标及主要任务 近些年来，等离子体的研究受到高度关注，由射频放电方式产生的低气压、高密度等离子体在新材料的制备及材料表面改性等工艺中得到了越来越广泛的应用，为了控制离子入射到极板上的行为，通常在极板上施加一射频(RF)偏压，从而在极板附近形成一射频等离子体鞘层。本课题将对离子在射频鞘层中的运动行为进行跟踪研究，力求找到等离子体中各基本粒子随射频频率变化而引起的分布情况。利用流体力学方程，将采用一个自洽的无碰撞射频等离子体鞘层动力学模型实施数值模拟。 2、论文的主要内容 介绍等离子体的概念；等离子体的流体力学理论；对射频等离子体放电的流体动力学模拟射频等离子体鞘层动力学模型给予论述。对模拟结果进行分析研究，为其应用提供理论基础。 3、论文的基础条件及研究路线 根据现有的研究成果，描述任意频率段的射频鞘层演化过程以及对射频放电的物理过程进行分析计算,并指明今后的研究方向。 4、主要参考文献 [1] 居建华．氮对类金刚石薄膜的微观结构内应力与附着力的影响[J]．物理学报，2000，49(11)：2310-2314． [2] 马锡英．氮化硼薄膜的生长特性粘附性研究[J]．物理学报，1998，304(05)：3-101． [3] 戴忠玲．射频等离子体鞘层动力学模型[J]．物理学报，2001，50(12)：2399-2402． [4] Hua-Tan Qiu．Collisional effects on the radio-frequency sheath dynamics[J]．Journal of applied physics，2002，51(06)：1332-1337． [5] 朱武飚．负偏压射频放电过程的流体力学模拟[J]．物理学报，2000，45(07)：1138-1145． [6] 马腾才．等离子体物理原理[M]．合肥市：中国科学技术大学出版社，1988：1-2 32． 5、计划进度 阶段起止日期 1 收集资料，确定题目2011.01.04－2011.01.15 2 总结资料，撰写开题报告2011.01.16－2011.02.30 3 构思框架，书写论文初稿2011.03.01－2011.03.30 4 完成论文二稿,英文文献翻译2011.04.01－2011.04.30 5 修改并完成论文2011.05.01－2011.05.15指导教师：高书侠 2011 年 1 月 2 日
中国科学院等离子体物理研究所 2005——2010年发表论文统计分析 等离子体所综合办文献组 一、数据来源及分析方法 （一）数据来源 1、SCI:Science Citation Index,《科学引文索引》是由美国科学信息研究所（ISI）1961 年创办的引文数据库，覆盖数、理、化、工、农、林、医学及生物学等广泛的学科领域, 是目前国际上三大检索系统中最著名的一种。尤其是它的引文索引表现出独特的科学参考价值，许多国家和地区均以被SCI 收录及引证的论文情况作为评价学术水平的一个重要指标。 2、EI: EI数据库是由ELSEVIER ENGINEERING INFORMATION 公司出版，为工程类文摘数据库，收录期刊、会议论文、技术报告等的文摘，是工程技术领域权威检索工具，国际上三大检索系统之一。 3、CNKI: CNKI中的《中国学术期刊网络出版总库》是目前世界上最大的连续动态更新的中国期刊全文数据库，收录国内8200多种重要期刊，内容覆盖自然科学、工程技术、农业、哲学、医学、人文社科等各个领域；核心期刊收全率达到99%，内容收录完整率在99%。 （二）分析方法 1、外文论文，选择SCI、EI为数据源，采用文献计量统计分析方法，分别从发文数量、第一作者、发文期刊以及研究课题趋势等方面，对2005年—
2010年，等离子体所发表的外文论文进行分析。SCI、EI两个数据库的搜索结果会有一定的重复，本报告不单独列出，只是分别对SCI和EI数据库的检索结果进行统计分析。 2、中文论文，以CNKI中的《中国学术期刊网络出版总库》、《中国重要会议论文全文数据库》、《国际会议论文全文数据库》、《中国专利全文数据库》为数据来源，采用文献计量统计分析方法，分别从学科类别、出版物来源、被引频次等方面，对2005年——2010年，等离子体所发表的中文论文进行统计分析。 二、主要统计分析结果 （一）S CI收录引用统计分析 1、文献检索方法 检索地址=(inst* plas* phys* and (acad* sin* or chin* acad* sci* or cas or 230031 or hefei)) 时间跨度=2005—2010. 数据库=SCI-EXPANDED, CPCI-S, CCR-EXPANDED（Current Chemical Reactions）, IC. 查获文献量：1167篇 2、SCI收录统计分析 （1）SCI发文分析 从发表的论文数量来看，2005——2010年，等离子体所发表论文被SCI收录的有1167篇，基本呈上升趋势（见图1）。从2005年收录发表论文的151篇，到2010年收录发表论文的267篇，SCI收录论文数量增长了176.8%。
天体物理导论复习总结 天球坐标系结与历法0，天球1，确定方向的参数及其变换2，天球坐标系3，球面三角4，时间标准5，历法 第一章知识要点 1，Hertzsprung-Russell（HR）图 2，银河系，星族（I、II、III） 3，星系的Hubble形态分类 4，星系旋转曲线，暗物质的存在 第二章：辐射0，信息载体与大气辐射窗口1，黑体辐射2，回旋辐射3，同步辐射4，Landau能级与曲率辐射5，Compton散射与逆Compton散射 第三章：等离子体0，什么是等离子体？1，天体磁场的普遍性2，等离子体中的电磁作用3，磁流体力学4，天体磁场的起源5，宇宙线 第四章：恒星 0，什么是恒星？1，恒星演化概貌2，Jeans不稳定与恒星形成3，周光关系4，Lane-Emden方程与“标准模型”5，核燃烧条件6，核合成过程7，恒星结构方程组8，旋转恒星的平衡位形9，恒星质量的测定
第五章：超新星0，什么是超新星？1，超新星观测分类2，核燃烧导致的超新星爆发3，引力塌缩型超新星爆发4，超新星遗迹5，超新星SN1987A 第六章：吸积0，为什么要研究吸积？1，Roche瓣与双星演化2，吸积产能率与光子能量3，球吸积4，盘吸积5，磁中子星的吸积 第七章：白矮星 0，什么是白矮星？1，Fermi子星的研究历史2，零温理想电子气状态方程3，Chandrasekhar质量4，白矮星的结构与冷却5，白矮星的形成 第八章：脉冲星 0，为什么要研究脉冲星？1，脉冲星类天体的观测表现2，脉冲星类天体的形成3，质量-半径关系的计算4，中子星的结构5，奇异夸克星的结构6，转动供能脉冲星 第九章：黑洞0，什么是黑洞？1，相对论的概念2，Schwarzschild时空3，Kerr时空4，黑洞的量子效应5，黑洞可能存在与观测证认 第十章：γ射线爆0，什么是γ射线爆？1，观测现象2，火球模型3，爆发机制
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
气体放电中等离子体的研究 摘要：本文阐述了气体放电中等离子体的特性及其测试方法，分别 使用单探针法和双探针法测量了等离子体参量，最后对本实验进行 了讨论。 关键词：等离子体，等离子体诊断，单探针法，双探针法 1. 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。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。 2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中的一些基本参量。 3. 等离子体的物理特性 1.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。也就是说，等离子体中正负电荷的密度相等，整体上呈电中性。 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.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。 此外，由于等离子体中带电粒子之间的相互作用力是长程的库伦力，使他们在无规则运动的热运动之外，能产生某些类型的集体运动，如等离子震荡，其震荡频率称为朗缪尔频率或等离子体频率。电子震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10～102Pa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，在管内两个电极间的光强、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。 图1 正辉区的特性是：气体高度电离；电场强度较小，且沿轴向有恒定值，这使得带电粒子的无规则运动胜过定向运动，所以他们基本上遵从麦克斯韦分布。4. 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。探针是封入等离子体中的一个小的金属电极（其形状可以是平板形、圆柱形、球形）。其接法如图二所示。以放电管的阳极或阴极作为参考点，改变探针电位，测出相应的探针电流，得到探针电流与其电位之间的关系，即探针伏安特性曲线，如图三所示。
一、物理研究所简介 中国科学院物理研究所（以下简称“物理所”）前身是成立于1928年的国立中央研究院物理研究所和成立于1929年的北平研究院物理研究所，1950年在两所合并的基础上成立了中国科学院应用物理研究所，1958年9月30日启用现名。 物理所是1998年国务院学位委员会批准的首批物理学博士、硕士学位授予单位之一，现设有物理学、材料科学与工程等2个专业一级学科博士研究生培养点，材料工程、光学工程等2个专业学位硕士研究生培养点，并设有物理学1个专业一级学科博士后流动站，共有在学研究生882人（其中硕士生266人、博士生616人、留学生11人）。在站博士后65人。物理所是中国物理学会的挂靠单位；承办的科技期刊有《物理学报》、Chinese Physics Letters、Chinese Physics B和《物理》。 2019年物理所在本科起点的研究生招收中，预计计划招收学术型硕博连读生约110名（含推免生90人），全日制专业学位工程硕士研究生约10名。 二、中国科学院大学等离子体物理专业招生情况、考试科目 三、中国科学院大学等离子体物理专业分数线 2018年硕士研究生招生复试分数线
2017年硕士研究生招生复试分数线 四、中国科学院大学等离子体物理专业考研参考书目 601高等数学(甲) 《高等数学》（上、下册），同济大学数学教研室主编，高等教育出版社，1996年第四版，以及其后的任何一个版本均可。 617普通物理(甲) 全国重点大学理科类普通物理教材 808电动力学 郭硕鸿著，《电动力学》，高等教育出版社，北京，2008年第三版。 809固体物理 黄昆编著，《固体物理学》，第1版，北京大学出版社，2009年9月1日 阎守胜编著，《固体物理基础》，第3版，北京大学出版社，2011年6月1日 811量子力学 《量子力学教程》曾谨言著（科学出版社 2003年第1版）。 五、中国科学院大学等离子体物理专业复试原则 1.复试一般由报考的研究所或院系组织，在报考的研究所或院系所在地进行。 2.各研究所或院系一般按照参加复试人数与招生计划数不低于120%的比例，按照复试分数线及考生初试成绩，由高到低确定复试考生名单，进行差额复试。生源充足的单位可扩大差额比例。具体差额比例和初试、复试成绩所占权重由各研究所或院系根据招生计划、学科专业特点及生源状况在复试前确定。 3.复试分数线、复试名单以及复试时间、地点、科目、方式等复试要求由各研究所或院系在复试前通过研究所或院系主页等形式向考生公布。 报考少数民族高层次骨干人才计划考生的复试分数线在不低于国家分数线基础上，由国科大根据生源状况和招生计划数自行划定报考国科大考生进入复试分数线基本要求。各研究所、院系依据具体报名和初试成绩情况，结合本单位的学科特点和要求，在不低于国科大复试分数线基础上，确定本单位具体复试分数线要求和进入复试考生名单，实行差额复试，择优录
国防科技大学2012—2013学年春季学期 《凝聚态物理导论》考试试卷 考试形式：闭卷考试 考试时间：150 分钟 总分：100 分 1、(a) 某直接带隙半导体样品77 K 下(9.57)(0)I I 随光子能量的变化关系如下图所示。()I B 为B 特斯拉磁场下样品透过的光强。解释图形的振荡行为。忽略激子效应，假定当光子能量低于图示范围时没有其它极小值存在，估算其带隙。 (b) 相同半导体的一样品经轻度掺杂使其成为n 型半导体，发现施主的结合能为2.1 meV 。解释为什么该能量几乎与所用施主杂质无关。利用这一事实和上图，估算电子和重空穴的有效质量(为什么是重空穴而不是轻空穴?)(假定能带在接近其极值处为各向同性，因而**cCR c m m ≈，**hCR hh m m ≈。材料的相对介电常数为15.2r ε=。) 学号： 姓名： 学院： 年级： 专业： ------------------------------------------------- 密 － 封 － 线 -------------------------------------------------
2、GaAs-(Ga,Al)As 异质结xx ρ随磁场B 的变化曲线如下图。外加磁场垂直于二维电子气平面，曲线对应温度介于30 mK 到1.5 K 。 (a) 作出这些条件下异质结电子朗道能级态密度的草图，指明定域态、扩展态和自旋分裂。简要描述朗道能级中作为磁场函数的化学势如何产生图中曲线。为什么增加温度导致xx ρ的峰宽变大？ (b) 给出面载流子密度和电子的平均自由程(假设电子有效质量 *0.07e m m =)。 (c) xx ρ通过沿10 nA 电流方向测量一宽为20μm 霍尔棒上间距1000μm