2025年大學(xué)《核物理》專(zhuān)業(yè)題庫(kù)——核聚變實(shí)驗(yàn)中的等離子體激發(fā)考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（請(qǐng)將正確選項(xiàng)前的字母填在括號(hào)內(nèi)。每小題2分，共20分）1.在核聚變實(shí)驗(yàn)中，將等離子體加熱到所需反應(yīng)溫度的關(guān)鍵技術(shù)之一是中性束注入（NBI）。NBI加熱主要利用中性粒子與等離子體離子發(fā)生碰撞，將能量傳遞給離子，其基本原理是：A.碰撞電離B.核反應(yīng)C.電場(chǎng)加速D.碰撞電離和電離損失2.在托卡馬克裝置中，射頻波（RF）加熱常用于加熱等離子體中的電子。實(shí)現(xiàn)電子共振吸收加熱的主要條件是：A.射頻波的頻率等于離子回旋頻率B.射頻波的頻率等于電子回旋頻率C.射頻波的頻率等于等離子體頻率D.射頻波的頻率遠(yuǎn)高于電子回旋頻率3.下列哪種物理量是描述等離子體整體狀態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)？A.等離子體密度B.等離子體溫度C.離子種類(lèi)D.以上都是4.Langmuir探針是一種常用的等離子體診斷工具，它可以測(cè)量：A.等離子體密度和溫度B.等離子體密度和旋轉(zhuǎn)速度C.等離子體溫度和電子溫度D.等離子體密度、溫度和電離度5.在核聚變等離子體中，阿爾芬波（Alfvénwave）是一種磁流體動(dòng)力學(xué)波。其傳播速度與以下哪個(gè)物理量有關(guān)？A.等離子體密度B.磁場(chǎng)強(qiáng)度C.等離子體電子溫度D.以上都是6.對(duì)于托卡馬克裝置中的等離子體，下列哪種不穩(wěn)定性可能與磁場(chǎng)不均勻性有關(guān)？A.歐姆加熱不穩(wěn)定性B.離子溫度梯度不穩(wěn)定性（ITG）C.扭轉(zhuǎn)模（Tearingmode）D.電子溫度梯度不穩(wěn)定性（ETG）7.核聚變反應(yīng)對(duì)等離子體的主要要求之一是高密度。提高等離子體密度的主要目的是：A.增加等離子體總能量B.增加反應(yīng)發(fā)生的機(jī)會(huì)C.提高加熱效率D.增強(qiáng)磁場(chǎng)約束8.以下哪種加熱方法主要利用波與粒子的共振相互作用來(lái)傳遞能量？A.歐姆加熱B.粒子束注入C.射頻波加熱D.激光加熱9.等離子體“準(zhǔn)電中性”是指：A.等離子體內(nèi)部不帶電B.等離子體內(nèi)部正負(fù)電荷數(shù)量嚴(yán)格相等C.等離子體宏觀(guān)上呈現(xiàn)電中性，微觀(guān)上存在電荷波動(dòng)D.等離子體內(nèi)部只有電子10.在核聚變實(shí)驗(yàn)中，診斷等離子體參數(shù)（如溫度、密度）對(duì)于理解等離子體行為和優(yōu)化實(shí)驗(yàn)參數(shù)至關(guān)重要。光譜診斷方法主要基于的物理原理是：A.等離子體與電磁場(chǎng)的相互作用B.等離子體與粒子的碰撞C.原子能級(jí)躍遷及其對(duì)輻射譜的影響D.等離子體磁場(chǎng)分布二、填空題（請(qǐng)將答案填在橫線(xiàn)上。每空2分，共20分）1.等離子體區(qū)別于普通物質(zhì)狀態(tài)的主要特征是其具有很高的__________和表現(xiàn)出集體行為。2.核聚變反應(yīng)需要極高的溫度，通常要求達(dá)到__________K以上。3.中性束注入（NBI）技術(shù)可以將高能中性粒子注入等離子體，通過(guò)__________過(guò)程將能量傳遞給等離子體粒子。4.射頻波加熱（RFHeating）可以通過(guò)__________吸收或__________加熱等離子體中的電子。5.測(cè)量等離子體電子溫度的常用方法是__________。6.托卡馬克裝置利用強(qiáng)大的__________來(lái)約束高溫等離子體。7.等離子體中的阿爾芬波（Alfvénwave）傳播時(shí)，伴隨著磁通量繩的__________運(yùn)動(dòng)。8.等離子體不穩(wěn)定性是指等離子體在受到擾動(dòng)時(shí)偏離平衡狀態(tài)，并可能導(dǎo)致約束__________的現(xiàn)象。9.在核聚變實(shí)驗(yàn)中，為了維持等離子體能量平衡，需要不斷補(bǔ)充能量，以克服各種能量損失機(jī)制，如__________和__________。10.等離子體診斷技術(shù)不僅要測(cè)量參數(shù)，還要盡量減少對(duì)被測(cè)等離子體的__________。三、簡(jiǎn)答題（請(qǐng)簡(jiǎn)要回答下列問(wèn)題。每小題5分，共25分）1.簡(jiǎn)述歐姆加熱在核聚變等離子體中的作用及其局限性。2.解釋什么是等離子體的共振吸收加熱，并舉例說(shuō)明一種常用的射頻波加熱方式及其原理。3.簡(jiǎn)述Langmuir探針測(cè)量等離子體參數(shù)的基本原理。4.在托卡馬克裝置中，為什么要使用中性束注入（NBI）進(jìn)行加熱？NBI加熱相比射頻波加熱有哪些優(yōu)勢(shì)？5.什么是等離子體的阿爾芬波？簡(jiǎn)述其傳播速度的表達(dá)式及物理意義。四、計(jì)算題（請(qǐng)列出必要的公式、方程和計(jì)算步驟。每小題10分，共20分）1.假設(shè)一個(gè)托卡馬克裝置的等離子體環(huán)半徑為R=3.0米，磁體產(chǎn)生的等離子體內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度B=1.0特斯拉。該等離子體的電子密度為n_e=1.0×10^19/米^3。計(jì)算其中阿爾芬波的傳播速度。已知真空中的磁導(dǎo)率μ_0=4π×10^-7亨利/米。2.一個(gè)核聚變實(shí)驗(yàn)中，使用中性束注入（NBI）向等離子體提供功率P=1.0兆瓦。假設(shè)注入的中性粒子能量E=100電子伏，等離子體體積V=1.0立方米。如果所有注入的能量最終都轉(zhuǎn)化為等離子體粒子的動(dòng)能，且等離子體主要由氫離子組成（忽略電子質(zhì)量），估算該加熱過(guò)程對(duì)等離子體中氫離子的平均動(dòng)能（即溫度）增加了多少？(氫離子質(zhì)量m_p≈1.67×10^-27千克，1電子伏=1.60×10^-19焦耳)。五、論述題（請(qǐng)結(jié)合所學(xué)知識(shí)，對(duì)下列問(wèn)題進(jìn)行論述。共15分）在核聚變實(shí)驗(yàn)研究中，等離子體診斷技術(shù)扮演著至關(guān)重要的角色。請(qǐng)論述等離子體診斷技術(shù)的重要性，并列舉至少三種不同的診斷方法，簡(jiǎn)要說(shuō)明其測(cè)量原理和應(yīng)用對(duì)象。試卷答案一、選擇題1.D2.B3.D4.A5.D6.C7.B8.C9.C10.C二、填空題1.電離度2.1千萬(wàn)3.碰撞電離4.共振吸收，歐姆加熱5.Langmuir探針6.磁場(chǎng)7.振蕩8.破壞9.熱傳導(dǎo)，輻射10.干擾三、簡(jiǎn)答題1.歐姆加熱利用等離子體自身電流與磁場(chǎng)的相互作用（J×B力）產(chǎn)生熱量，使等離子體升溫。其局限性在于效率不高（尤其在高密度、低溫度時(shí)），且在強(qiáng)磁場(chǎng)中受洛倫茲力約束，電流難以注入，加熱效果受限。2.共振吸收加熱是指當(dāng)外加波的頻率與等離子體粒子（電子或離子）的某一固有運(yùn)動(dòng)頻率（如回旋頻率）相當(dāng)時(shí)，波能被該種粒子強(qiáng)烈吸收的過(guò)程。例如，電子回旋波加熱，利用頻率與電子回旋頻率相匹配的射頻波，使電子共振吸收波能而顯著升溫。3.Langmuir探針是一個(gè)放入等離子體的小電極（通常是金屬針），通過(guò)測(cè)量探針與等離子體之間的電壓-電流特性曲線(xiàn)，可以推算出探針附近的電子溫度和電子密度。其原理基于電子在鞘層中的能量分布函數(shù)與鞘層內(nèi)電場(chǎng)的關(guān)系。4.托卡馬克裝置中需加熱等離子體至上億度的高溫。托卡馬克強(qiáng)磁場(chǎng)主要約束等離子體的徑向運(yùn)動(dòng)，但沿環(huán)向的約束（能量擴(kuò)散）較差。NBI可以直接將能量注入到環(huán)向，有效提高環(huán)向溫度，彌補(bǔ)歐姆加熱等方法的不足。相比射頻波加熱，NBI加熱范圍更廣，能量沉積更靈活，對(duì)特定密度和溫度范圍的等離子體加熱效率可能更高。5.阿爾芬波是在磁化等離子體中傳播的磁流體動(dòng)力學(xué)波。它是由磁場(chǎng)與等離子體中的離子（或電子）動(dòng)量耦合產(chǎn)生的。其傳播速度（阿爾芬速度）與磁場(chǎng)強(qiáng)度和等離子體密度有關(guān)，表達(dá)式為v_A=B/√(μ_0ρ)，其中B是磁場(chǎng)強(qiáng)度，μ_0是真空磁導(dǎo)率，ρ是等離子體密度（單位體積的質(zhì)量，約等于平均粒子數(shù)乘以粒子質(zhì)量）。物理意義是攜帶磁能的磁場(chǎng)擾動(dòng)在等離子體中的傳播速度。四、計(jì)算題1.解：阿爾芬波速度公式：v_A=B/√(μ_0ρ)ρ=n_e*m_p(假設(shè)主要由質(zhì)子組成)v_A=B/√(μ_0*n_e*m_p)代入數(shù)值：v_A=1.0T/√(4π×10^-7H/m*1.0×10^19m^-3*1.67×10^-27kg)v_A=1.0/√(4π*1.67×10^-7*1.0×10^2)v_A=1.0/√(4π*1.67×10^-5)v_A≈1.0/(0.2094*10^-2)v_A≈1.0/2.094×10^-3v_A≈478.2m/s（注意：n_e單位為/m^3，m_p單位為kg，計(jì)算結(jié)果為米/秒）答案：阿爾芬波傳播速度約為478.2米/秒。2.解：總注入能量功率P=1.0MW=1.0×10^6W時(shí)間t=1s(假設(shè)能量累積時(shí)間為1秒)總注入能量E_total=P*t=1.0×10^6J每個(gè)粒子的能量E_p=100eV=100*1.60×10^-19J=1.60×10^-17J粒子數(shù)N=E_total/E_pN=(1.0×10^6J)/(1.60×10^-17J)N=6.25×10^22個(gè)粒子假設(shè)等離子體主要由氫離子組成，粒子數(shù)密度n_p=N/Vn_p=6.25×10^22個(gè)/1.0m^3=6.25×10^22m^-3氫離子質(zhì)量m_p=1.67×10^-27kg動(dòng)能增加ΔK=N*E_p=6.25×10^22*1.60×10^-17JΔK=1.0×10^6J動(dòng)能增加ΔK=1/2*m_p*v^2(設(shè)所有能量轉(zhuǎn)化為動(dòng)能)平均動(dòng)能增加ΔK_avg=ΔK/N=(1.0×10^6J)/(6.25×10^22個(gè))ΔK_avg=1.60×10^-17J溫度T=ΔK_avg/(3k_B/2)≈ΔK_avg/(k_B)(對(duì)于單粒子理想氣體，k_B為玻爾茲曼常量，或直接用ΔK_avg估算平均動(dòng)能)或更準(zhǔn)確T=ΔK_avg/(k_B*ln(γ))，γ為能量因子，此處γ≈1，可簡(jiǎn)化T≈ΔK_avg/k_Bk_B≈1.38×10^-23J/KT≈(1.60×10^-17J)/(1.38×10^-23J/K)T≈1.16×10^6K（注意：此計(jì)算假設(shè)所有能量轉(zhuǎn)化為動(dòng)能且粒子數(shù)固定，實(shí)際情況更復(fù)雜，但可作粗略估算）答案：估算氫離子的平均動(dòng)能增加了約1.16×10^6焦耳，或?qū)?yīng)的溫度增加了約1.16×10^6開(kāi)爾文（此為粗略估算值）。五、論述題等離子體診斷技術(shù)是核聚變實(shí)驗(yàn)研究中不可或缺的一部分，其重要性體現(xiàn)在：首先，它能夠提供關(guān)于等離子體狀態(tài)（如溫度、密度、壓力、組分、邊界條件等）的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，這是理解等離子體物理過(guò)程、驗(yàn)證理論模型和指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)操作的基礎(chǔ)。其次，通過(guò)診斷數(shù)據(jù)可以評(píng)估各種實(shí)驗(yàn)參數(shù)（如加熱功率、約束時(shí)間、偏濾器類(lèi)型等）對(duì)等離子體性能（如能量增益、穩(wěn)定性、運(yùn)行模式等）的影響，從而優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，提高聚變性能。最后，診斷技術(shù)的發(fā)展本身也推動(dòng)著等離子體物理學(xué)和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展。列舉三種不同的診斷方法及其原理和應(yīng)用對(duì)象：1.Langmuir探針：將金屬探針插入等離子體，通過(guò)測(cè)量探針電壓與電流的關(guān)系（V-I特性曲線(xiàn)），結(jié)合物理模型分析，可以診斷探針附近區(qū)域的電子溫度、電子密度、電子流密度、等離子體電位等參數(shù)。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、可以直接插入等離子體，但測(cè)量的是局部的、有損的診斷信息，且對(duì)離子信息的獲取不如電子信息直接。2.光譜診斷（EchelleSpectroscopy）：利用高分辨率光譜儀測(cè)量等離子體發(fā)射或吸收的譜線(xiàn)強(qiáng)度、輪廓和移位。通過(guò)分析特定譜線(xiàn)的波長(zhǎng)、寬度和強(qiáng)度，可以推斷等離子體的電子溫度、離子溫度、密度、粒子組分、溫度梯度