1、1 等离子体物理学讲义Lecture Notes on Introduction on Plasma Physics No. 1 马 石 庄 2012 02 20北京 2 第 讲 等离子体的基本性质教学目的： 了解 课程的基本内容和教学安排；理解研究等离子体物理的意义和目的；建立等离子体的准中性和集体运动的概念，了解等离子体的基本分类 主要内容： 1 等离子体 4 1.1 物质第四态 . 4 1.2 温度的概念 6 1.3 等离子体定义 8 2 基本尺度 . 11 2.1 Debye 长度 . 12 2.2 等离子振荡 16 2.3 等离子体判据 18 3 应用研究领域 . 20 3.1 受控
2、热核聚变 20 3.2 空间物理学 21 3.3 MHD 能量变换和离子推进 . 24 习题 1 . 26 附录 A：聚变等离子体 . 29 等离子体 （ Plasma）是一种由自由电子和带电离子为主要成分的物质形态，广泛存在于宇宙中，常被视为是物质的第四态，被称为等离子态。 等离子体具有很高的电导率， 与电磁场存在极强的耦合作用。据估计，宇宙中物质的 99以等离子体状态存在，也就是以带电气体的形式存在、它们的原子离解成正离子和负电子。这种估计也许不很精确，但鉴于恒星的内部及大气，气态星云和大量的星际氢都是等3 离子体，这种估计无疑是合理的一方面，只要一离开地球的大气，就遇到了构成 Van A
3、llen 辐射带和太阳风的等离子体。另一方面，日常生活中所遇到的等离子体却只限于几个实例：闪电、极光的柔和辉光、荧光管或霓虹灯内的导电气体、火箭尾气内的少量电离。在人类生活的 1宇宙中，这里等离于体并不天然地存在。 除这些天然等离子体之外， 等离子体在许多现代工业生产方法中发现技术应用，在等离子体化学中，在纳米粒子来源和为金属、光学组分和塑料材料的各种各样的表面加工处理技术， 半导体产业由等离子体辅助的沉积或蚀刻。等离子体在陷阱光源、显示技术、激光和太阳能电池的发展扮演一个主角。 并且，许诺的医疗应用在活组织已经涌现。 等离子体研究的其他新颖的领域是激光生成等离子体，微粒加速度在等离子体苏醒领
4、域，超密集的等离子体 null所谓的温暖的密集的问题 null的世代通过集中强烈的激光束于小目标，并且对大规模核裂变实验的能源研究例如 ITER 在法国或全国燃烧设施在美国。 4 Very regular 2D crystals with noticeable radial compression are produced in the parabolic well. For this crystal, 8.3 m diameter Melamine spheres are suspended in a 100 mTorr, 1.8 W Argon plasma above a 0.5m ra
5、dius of curvature lower electrode. The crystal contains 1155 particles and is 21.8mm in diameter.1 等离子体 等离子体是由 Sir William Crookesnull1832 1919null在 1879 年发现的，称为 radiant matter。 1928 年，美国科学家 Irving Langmuir（ 1881 1957）和 Lewi Tonks 首次 plasma 一词引入物理学，用来描述气体放电管里的物质形态。 plasma 来源于希腊语 nullnullnullnullnull
6、null，直译成英文就是 “to mold”， 将流体注入模具实现成型。 Langmuir 注意到，辉光放电产生的电离气体也有成型的特征，因此命名。 1.1 物质第四态 严格来说，等离子体是具有高位能动 能的气体团，等离子体的总带电量仍是中性，藉由电场或磁场的高动能将外层的电子击出，结果电子已不再被束缚于原子核，而成为高位能高动能的自由电子。一个有用的定义是， 等离于体是带电粒子和中性粒子组成的表现出集体行5 为的一种准中性气体。 必须确定“准中性（ quasi neutral）”和 “集体行为（ collective behavior）”的物理含义 等离子体态的最特殊的性质，即长程 Coul
7、omb 力使得带电粒子宏观出一种集体的性质，早已为人们所知， 1906 年 Lord Rayleigh 分析原子的汤姆逊模型中的电子振荡时，大概首次描述了这种性质。集体行为的含义如下： 考虑作用在一个分子上的力， 由于分子是中性的、在分子上不再在净电磁力，而重力是可以忽略的在这个分子与另一个分子碰撞前，它不受扰动地运动， 这些碰撞支配了粒子的运动作用在中性气体上的宏观力通过碰撞传给单个原子 在有带电粒子的等离子体中，情形就完全不同当这些电荷到处运动时，它们能引起正电荷或负电荷的局部集中，就产生了场 场电荷的运动也引起电流，因而产生磁场这些场影响了远处其他带电柱子的运动 考虑等离子体中相距为 n
8、ull的两个带电区域的相互影响， null和 null之间的 Coulomb 力随 nullnullnull而减小然而，对给定的立体角，即nullnullnull 常数，null中能影响 null的等离子体体积随 nullnull而增加所以，甚至相距很远的等离子体元也存在相互作用力正是这个长程 Coulomb 力给出了等离子体种类繁多的可能运动、 并且丰富了称作等离子体物理学的研究领域 事实上，最有意义的结果是关于所谓“无碰撞”等离子体，在那里长程电磁力与普通局部碰撞引起的力相比是如此之大， 以致可以完全忽略碰撞作用“集体行为”指的是不仅取决于局部条件而且也取决于远距离区域等离子体状态的运动由
9、子集体行为，等离子体并不6 趋于顺从外界的影响，而常常表现出好象有自己的秉性等离子体是由大量的带电粒子组成的非束缚态的宏观体系： z 非束缚性：异类带电粒子之间相互“自由” ，等离子体的基本粒子是正负荷电的粒子（电子、离子） ，而不是其结合体； z 粒子与电磁场的不可分割性：等离子 体中粒子的运动与电磁场（外场及粒子产生的自洽场）的运动紧密耦合，不可分割； z 集体效应起主导作用：等离子体中相互作用的电磁力是长程的。 1.2 温度的概念 在进一步讨论问题之前， 需要回顾和扩充对 “温度 ”的物理念处于热平衡的气体，其粒子可能具有一切速度，这些速度的最可几分布称为 Maxwell 分布 为了简单
10、起见，考虑一种气体，它的粒子只能在一维上运动， 值得一提的是这不是完全无价值的，例如，强磁场可约束电子使之只能沿着磁力线运动 一维的 Maxwell 分布由下式给出， nullnullnullnull nullnullexpnullnullnullnullnull2nullnullnull 7 其中 nullnullnullnull是速度在 null到 nullnullnullnull之间，每立方米中的粒子数，nullnull nullnullnull是粒子的动能， null是 Boltzmann 常数 null null 1.38null 10nullnullJ/ K粒子密度 null为 n
11、ullnullnull nullnullnullnulldnullnullnullnull常数 null与密度的关系是 nullnullnullnullnull2nullnullnullnullnull/null这个结果很容易推广三维情形， Maxwell 分布是 nullnullnull， null， nullnull null nullnullexpnullnullnull2nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 其中 nullnullnullnullnullnull2nullnullnullnullnull/null分布的
12、宽度由常数 null来表征，称为温度为了解这个常数 null的确切意义，可以计算这个分布中粒子的平均动能为 nullnullnullnullnullnullnullnull2nullnullnullnulldnullnullnullnullnull nullnullnullnulldnullnullnullnull定义 nullTnullnullnullnullnullnullnull/null， nullnullnullnullT可以证明，平均动能是 nullnullnullnull12 nullnullTnullnull12 nullnull 8 三维 nullnullnullnull32
13、 nullnull 普遍的结果是：每个自由度的平均能量等于 nullnull/2 既然 null和 nullnullnull是如此紧密相关，所以，在等离子体物理学中，温度通常用能量单位来表示为避免在所包含维数上发生混淆，所以不用nullnullnull，而用对对应于 nullnull的能量来表示温度。对于 nullnull null 1 eV null 1.6null10nullnullnullJ，有 null null 11600 K。 等离子体能同时具有几个温度是颇有意义的 离子和电子经常具有不同温度 nullnull和 nullnull的独立 Maxwell 分布这是因为离子之间或电子之
14、间的碰撞率大于离子和电子之间的碰撞率这样，每一种粒子能处于自身的热平衡中， 而等离子体也许不能持续足够使两个温度相等的长时间 当存在磁场 null时，单一种类粒子（例如离子）都可能有两个温度由于 Lorentz 力，沿着 B作用在一个离了上的力与垂直 null作用在离子上的力是不同的这样，垂直于 null和平行于 null的速度分量可能属于具有温度 nullnull和 nullnull的不同 Maxwell 分布 1.3 等离子体定义 常规等离子体包括自由地典型地是电 子和离子的移动的带电粒子。 这表明高热能大约几电子伏特 null105 Knull介入打破中立原子和分子自由电子和离子。 在高
15、温和低密度，热能控制，并且根本上古典微粒没有影响的是受彼此的并且不移动未关联的。 Fig. 1planestrongchargare prthe qu1 划1，域 被广 泛dec含 复超 出.1 Densityteminto the regimecorrelations anedspecies, q esent. The outearkgluon plas图 1.密 度划 分飞机 成强的交 互被 观察 D 泛 扩大区 域onfined 状复 杂血浆从经典 等出 _ null null 1perature phase ds of classical and structure form1, su
16、ch as in comr shaded area inma (QGP). Exam度 温度 被成 古典和 量互 作用政 权1。 更 高域 ，强的状 态 hadr的例子 也等 离子 体null在破 折iagram of ionizd quantum systeationis observeplex plasmas, wdicates the decoples of particle被 电离的 问量 子系统权 和结构 形高 的被充 电交互作 用onic 问 题也 显示 体 到量子 等折 线右边 在9 ed matter in natms. In the case d in the shaded
17、idely extend thnfined state of h-containing com问 题相位 图政权。 在形 成在线 _电 的种类 ，用 作用存 在题 ，即， 夸等 离子体 的在 。 1.1null，ure and laboratoof singly chargearea enclosed be area where stradronic matter,plex plasmas a图 本质上 和在 唯一地 荷D 1 和 r， q null 在 。 外面夸 克胶子 血的 转变， 政即，在 密ry. The dashed d particles, q Dy the lines _ D
18、1 ong correlation that is, re also shown 和 实验室 。荷 电粒子 情s 附寄的 被1，例如 在被遮蔽 的血 浆 nullQGP政 权由退 化密 度卑鄙line _ D 1 divide1, the regime ofand rs D 1. Higheffects 。 破折 线情 况下， 被 遮蔽的在 复杂血的 区域表 明null。 微 粒化 参量 null定interparts the er 线 _ D q D 区浆，明粒 包定 量 _。 icle10 距离合计微粒波函数 null它的热量波长 null的空间引伸，量子力学变得根本。 在许多短激光脉冲或
19、离子束的现代实验的高密度条件下， 量子等离子体存在。而且以各种天体物理学的对象，例如白矮星或中子星，等离子体电子充分地表现为量子力学的， 甚而在温度可比较与热聚变等离子体 null10nullKnull。 自然地现有的量子等离子体的另一个例子是金属中delocalized 电子 Fermi 气体。 关联行为出现从电磁 Coulomb 力量的远程本质，并且在粒子动力学扮演一个重大角色。当 Coulomb 相互作用能量比起动能占优势的时候，抵抗物质关联状态形成，相互互作用和多粒子集体行为（导致原子的结构，固体物质和所有经典等离子体相互互作用作用）开始发挥作用。 即使许多粒子行为受各种类型势能和量子
20、作用的强烈影响，类似的相互作用现象在很大不同的充电粒子系统可以被观察到。 实际上，由于普适的标度律，许多等离子体性质不仅与一个具体系统有关，但宁可是根本自然 在经典 Coulomb 作用系统中，多粒子相互作用的强度可以由耦合（相互作用）参量 null定量。 这个等离子体参量定义为（最近邻）平均相互作用能量 nullnullnullnull与系统的平均热能 nullnullnullnullnullnull之比 nullnull|nullnullnullnull|nullnullnullnullnullnull通过这个参量，普遍趋向在经典等离子体可以一般地定量，范围从理想气体行为 nullnull
21、null1null和短程有序 nullnullnull1null的耦合（流体）系统到结晶长程有序，当无量纲参量超过临界值，典型地为 nullnullnullnull 100。 因此，空11 间相互作用和结构压制了粒子通过避 免接近的结邻使势能减到最小的趋势。 在量子系统描述粒子相互作用的第二个关键的量是 Brueckner参数 nullSnullnullnullB由粒子间平均距离 null和有效的 Bohr 半径 nullB之比，其中 nullBnull4nullnullnullnullnullnullnull这里 null表示粒子的质量， null是粒子的电荷。量子耦合参数 nullnull
22、考虑了高密度量子动能增强并且反映了由波函数重叠引起 的非经典效应用的影响。 参数表示从一个弱耦合理想的量子系统 nullnullSnull1null到纯经典系统一个 nullnullSnullnull的转变。 它是卓越的，尽管等离子体的很大地另外范围和本质，诸如结构形成这样的合作多粒子效应可以用 这二个无量纲参量完全刻画。 就相位图而论， 物质的结晶状态在在低温和适中密度的一个相对地小范围仅被找到，分别 nullnullnullnullnullnull 100和 nullSnullnullSnullnullnull 100。 相反地，限制nullnull1和 nullSnull1是完全无结构的
23、。 2 基本尺度 对于经典等离子体而言，除了由带不 同符号电荷的粒子组成外，还必须是一个宏观的体系 这里所说的宏观是指在空间尺度和时间的延续长度上都是宏观的 2.1以 试几 乎电 层电 他好 与内 部电 场阱 而 屏限 的Debye 长试 图在等 离乎 立刻就 在层 实际上他 容量大 到倘若等 离与 球上的部 就会不 存场 较弱的 此时， 离屏 蔽是不的 电场 长 度 离 子体内在 负电 球阻止了 等到 足够 保离 子体是电荷一 样存 在电 场离子云 边离 子云 “边 缘完全的部引进 一球 周围形 成等 离子体 在保 持这个 电冷的，而样 多；屏 蔽场 另一 方边 缘处的 那缘 ” 出现 在n
24、ullnull/null量 级12 一 个电场成 离子云，在 表面上 的电 势。 且不存 在蔽 就是完 全方 面，如 果那 些粒子 就在 势能近 似级 的电势 能厚 度使 null值，等基本 特作用 于力 假两个 和带点球 会在正电 球的 复合， 或在 热运动，全 的，在 离果 等离子 体就 有足够似 等于 粒能 够漏入下面计 算度 设 想 用null0平面希望计 算等 离子体 行特 性是它于 它上面假 定在等 离和 电池相 连会 吸引相 反球 周围形 成或 者尽管 存则离子 云离 子云外 面体 温度是 有的热能 逃粒 子热能 nullnull等离子 体算 这种电用 一个完 全的电势 null
25、null算 nullnullnullnull 为行 为的 一具有屏 蔽的电势 的离 子体内 插连 的带电反 电荷的 粒成 电子云存 在着复 合云 中的电 荷面 的等离 子有 限的， 处逃 逸出静 电的半径 上体 中并引 起荷云的 近全 透明的 栅nullnull保持 在为 简单起一 个蔽 掉的 能插 入球，粒 子，介合 但荷 刚子 体处 在电 势上 ，起 有近 似栅 极，在 nullnull见，13 假定离子 nullnull比电子 nullnull的质量大得多， nullnull/nullnullnull1， 所以离子不运动，而形成一个均匀正电荷本底更确切地说， nullnull/nulln
26、ull足够大，使得的在实验时间尺度上，离子的惯性阻止了它们有效地运动取 nullnull1，一维 Poisson 方程是 nullnullnullnullnullnullnullnulldnullnulldnullnullnullnull4nullnullnullnullnullnullnullnullnull null2.2.1null 如果远处的密度是 nullnull，得到 nullnullnullnullnull。在静电势 nullnull情况下，电子的分布函数为 nullnullnullnull nullnullnullexpnullnull12nullnullnullnullnul
27、l2nullnullnullnullnullnullnull 在势能大的粒子数较少，因为不是所 有的粒子具有足够的能量。令nullnullnullnull且注意到 nullnullnullnullnull0null nullnullnull求得 nullnullnullnullnullexpnullnullnullnullnullnullnull 因此 nullnulldnullnulldnullnullnullnullnullnullnullexpnullnullnullnullnullnullnullnull1null 在热能 nullnullnull比静电势能 nullnull强大得多
28、nullnullnullnullnullnullnullnull1 的区域，把指数函数能作 Taylor 级数展开： nullnulldnullnulldnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull12 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 14 注意，在栅极附近区域，这样的简化是不可能的，因为在那里静电势能 nullnull要比热能 nullnullnull大。好在这个区域对电荷云（叫做鞘层）的厚度影响并不大， 因为在那个区域中， 电势非常迅速地下降 只保留线性项，得到 dnull
29、nulldnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 定义 nullDnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull得到方程的解 nullnullnullnullexpnullnull|null|nullDnull 其中， nullD称为 Debye 长度，是屏蔽距离或鞘层厚度的空间量度实际 Debye 长度 nullDnull69nullnullnullnullnullm， nullnull单位 Knull 73nullnullnullnullnullnullm， nullnullnull单位 e
30、V 应当注意，当密度增加时，由于每层等离子体包含了较多的电子， 所以正如所期望的那样 nullnull减小 此外，nullnull还随着 nullnullnull的增加而增加倘若没有热运动，电荷云会收缩成一个无限薄层最后，在 nullnullnull定义中使用的是电子温度，因为电子比离子15 更容易迁移，电子迁移时通常会产生负电荷过剩或不足，从而产生屏蔽作用仅在特殊情况下，才不是这样 现在能够确定“准中性“的意义如果系统的空间尺度 null 远大于nullnull，那么，每当出现电荷的局部集中或者在系统中引入外电势时，它们就在比 null 短的距离内被屏蔽，使等离子体的大部分免受大电势或电场的
31、影响 在壁或一个障碍物的鞘层外面， nullnullnull是很小的， 并且 nullnull近似等于 nullnull，典型地， nullnull与 nullnull的差别小于 10null这样一来，只能有小的电荷不平衡，并引起义 nullnullnull/null量级的电势等离子体是“准中性”就是说，等离子体中性到可以取 nullnullnullnullnullnullnullnull，其中， nullnull称为等离子体密度但是还没有中性到所有感兴趣的电磁力都消失 在求解 Poisson 方程时， 利用了一个重要的边界条件 nullnullnullnullnull null0。 这就意味
32、着 Debye屏蔽要得以实现， 等离子体的空间尺度 nullnullnullnull。如果 nullnullnullnull，则带电粒子系边界上的状态将会对 Poisson 方程的解nullnullnullnull有很大影响在带电粒子系的尺度限制在 nullnull之内时，一般总是被物质表面约束住的， 由于接触所可能产生的边界条件可以是非常多样的，所得到的 nullnullnullnull也大不相同这样的一个带电粒子系就不可能具有作为物质基本存在形式所应该具有的典型性质 因此在这个意义上，作为物质第四态的等离子体的空间尺度必远大超过 Debye 半径， 换言之， Debye 半径是等离子体宏观
33、空间尺度的下限。 电离气体成为等离子体的一个判据是：气体足够稠密、以致 nullnull远小于 null。仅仅当电荷云中有足够多的粒子时，上面给出的 Debye 屏蔽图象才是正确的很清楚，如果在鞘层 区域只存在一个或二个粒子，16 那么 Debye 屏蔽就不是一个统计上正确的概念能够计算在 Debye球中的粒子数 nullnull： nullDnullnull43nullnullDnullnull1.38null10nullnullnull/nullnullnullnull/null除了 nullDnullnull外，“集体行为”还要求 nullDnull1。 2.2 等离子振荡 如果使等离子
34、体中的电子相对均匀的离子本底有个位移，将会建立电场，其方向是把电子拉回到它们原来的位置，以恢复等离子体的中性因为电子的惯性，它们将冲过平衡位置，并以特征频率围绕它们的平衡位置振荡这个 特征频率称为等离子体频率 nullplasma frequencynull这种振荡是如此之快，以致比电子重得多的离子没有时间响应振荡，而可以把它们看成是固定的如下图，空心的矩形表示典型的离子流体元，而有阴影矩形表示交替位移的电子流体元产生的电荷聚集会在空间形成一个周期性的 null场，这个电场趋向于使电子恢复到它们的中性位置 对 静电 子足 够这 个带 电其 中可 以其 中考虑一 个静 止不动子 过剩， 而够 薄
35、的面个 电场有 把电 粒子热 运中 nullnull是 电以 改写为 振中 个 厚度为的离子 有而 在另一 侧，面电 荷把 电子 拉运 动可以电 子质量，振 荡方 程null的板状 等有 很小的 位侧 出现多荷 密度为 nullnullnull拉 回到原 始忽略的 情nullnulldnullnullnullnullnull负号表 明程 dnullnullnullnullnull17 等 离子体位 移 null， 于余的离 子null，产生 静nullnullnullnullnullnull始 位置的 趋情 况下， 单nullnullnullnullnull明 电场方nullnullnulln
36、ullnullnull，粒子 密是在板 状子 。把这 两静 电场 null 趋 势， 称 为单 一电子 的nullnullnullnullnullnullnull向与电 子null0 密 度为 nullnull，状 等离子 体两 个电荷 过为 恢复力。 在的 运动方 程子 运动方 向假设电 子体 的一侧 出过 剩区设 想在 无外磁程 为 向 相反。 上子 相出 现想 为场，上 式18 nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull称为电子的等离子体频率， 也称为 Langmuir 频率。 由于 nullnullnullnull2nul
37、l/nullnullnull，则 nullnullnullnull 8980nullnullnullHz 类似地，可以讨论离子的静电振荡。设想电子比较活跃，在离子运动的一个振荡周期内，电子依靠本身的热运动，在空间中形成均匀分布。离子在电子均匀分布背景上振荡，相应的离子振荡频率 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull其中 nullnull是离子质量。显然 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull/null由于 nullnullnullnulln
38、ull，因此有 nullnullnullnullnullnullnull。一般情况下，如果同时考虑电子和离子在电场作用下的运动，则等离子体振荡频率为 nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull2.3 等离子体判据 假设等离子体中某处发生扰动，即发生某种电荷的聚集，则等离子体将在一个特定的时间尺度 nullD上作出反应。或者说，等离子体局部偏离电中性，必将在特定的时间尺度 nullD上予以消除。 设等离子体振荡的解为 19 null null nullcosnullnullnullnullnullnu
39、llnullnull 其中 null是电子振荡的振幅，则振荡能量为 nullnullnullnullnullnullnullnullnull/2，设这个振荡能量由电子热运动的平均动能 nullnullnull/2转化而来，有 nullnullnullnullnullnullnullnullnull2nullnullnullnull2得到 nullnullnullD，即电子振荡的振幅为 Debye 长度的数量级，这和 Debye长度是等离子体偏离电中性的最大尺度的结论是一致的。 作为等离子体集体行为的特征参量， Debye 长度 nullD与等离子体振荡频率 nullnullnull之间存在关系
40、 nullDnullnullTnullnullnull其中热速度 nullTnullnull nullnullnullnullnullnull这说明，如果把电子以特征速度 nullT平移 Debye长度 nullD的距离，所需的时间为 nullDnullnullDnullTnullnull1nullnullnull因此， 等离子体振荡频率的倒数就是等离子体对偏离电中性扰动的响应时间。 等离子体的集体行为就是有别于中性粒子气体的基本特征， 可以把带电粒子系统称为等离子体的条件总结为 nullDnullnull， nullnullDnullnull1， nullnullnullD20 其中 nul
41、l是系统的空间特征尺度， null是带电粒子与中性粒子的平均碰撞时间。这些条件有一个不满足，该系统就不是等离子体，只是带电粒子的简单集合体。 3 应用研究领域 等离子体能用两个参量 null和 nullnullnull来表征等离子体的应用涉及极宽的 null和 nullnullnull范围： null从 10null变到 10nullnullmnullnull， 变化达 28 个数量级， 而 nullnullnull可以从 0.1变到 10null电子伏，变化达 7 个数量级以下将简略地讨论某些应用当认识到空气和水的密度差别仅为 10null，水和白矮星的密度也仅相差 10null时，就能意识
42、到这个密度范围多么巨大，甚至中子星也仅比水稠密 10nullnull倍 由于只需要经典物理学 （非量子力学） 定律， 在 10nullnull的全部密度范围内的气态等离子体还 能用相同的方程组来描述 作为迅速发展的新兴学科， 等离子体科学涵盖了受控热核聚变、低温等离子体物理及应用、国防和高技术应用、天体和空间等离子体物理等分支领域。等离子体科学在能源 、材料、信息、环保、国防、微电子、半导体、航空、航天、冶金、生物医学、造纸、化工、纺织、通讯等领域有广泛的应用。等离子体研究领域对 21 世纪我国以及人类面临的能源、材料、信息、环保等许多全局性问题的解决具有重大意义。 3.1 受控热核聚变 大约
43、在 1952 年创始了现代等离子体物理学，当时提出要将氢弹21 的聚变反应加以受控而建造 反应堆主要包括氘原子 D和氚原子 T的反应如下： DnullDnull Hnullenull nnull3.2eV DnullD null Tnullpnull4.0eV DnullTnull Hnullenullnnull17.6eV 只有当入射能量超过5keV时，这些聚变反应的截面才是可观的加速的氚核束打击靶将不起作用，因为在发生聚变反应之前，大多数氚核由于散射而失掉它们的能量这就必须产生热能在 10keV范围的等离子体这种等离子体的加热和约束问题是 1952 年以来等离子体物理科学迅速发展的原因这个
44、问题仍然没有解决，等离子体物理学的大多数活跃的研究就是为了解决这个问题 3.2 空间物理学 1913 年，挪威探险家和物理学家 K. Birkeland 也许是第一个预言空间充满等离子体的人。11937 年，等离子体物理学家 H. Alfvn1他写道： It seems to be a natural consequence of our points of view to assume that the whole of space is filled with electrons and flying electric ions of all kinds. We have assumed
45、that each stellar system in evolutions throws off electric corpuscles into space. It does not seem unreasonable therefore to think that the greater part of the material 22 说， 如果等离子体弥漫了宇宙， 然后它可能引起一个太空星群的磁场。在 40 年代和 50 年代期间， Alfvn开发了在流体使等离子体被塑造作为波浪， A荣获 1970 年诺贝尔奖为物理的电磁流动力学 nullMHDnull。 等离子体物理学的另一个重要应
46、用是研究空间中地球的环境层称作太阳风的连续带电粒子流撞击在地球磁层 nullmagnetospherenull上，地球磁层保护人类免受这种辐射的影响，在此过程中受太阳风的撞击而变形，太阳风的典型参量是 nullnullnullnull 50eV， nullnullnullnull 10eV， nullnull10nullnullmnullnull，磁场强度 nullnull5null10nullnullT，漂移速度为 300 kmsnullnull地球电离层（ ionosphere） ，从地球表面以上 50 km高度延续到 10个地球半径处 null，存在着弱电离等离子体、其密度随高度变化，可
47、成 nullnull10nullnullmnullnull它的温度仅为 0.1eV van Allen 辐射带由地球磁场俘获的带电粒子所组成 它的参量是： nullnull10nullmnullnull， nullnullnullnull1keV， nullnullnullnull1eV，磁场强度 null null 500null 10nullnullT另外，还存在 nullnull10nullmnullnull， nullnullnullnull 40 keV的一个热组分 masses in the universe is found, not in the solar systems o
48、r nebulae, but in “empty“ space.“null1null23 在 1929 年美国物理学家朗缪尔提出等离子体这个概念之前，天体物理学家已经研究过等离子体。 1921 年米尔恩（ Milne）根据萨哈公式建立了恒星大气理论， 1939 年丹麦天文学家斯特龙根提出星际介质中存在中性氢区和电离氢区， 对星际介质和恒星演化理论起了重要的影响。等离子体天体物理学这个名词是在 20 世纪 60 年代末出现的。 等离子体天体物理学采用实验室等离子体物理学取得的成果，本身也可以得到对等离子体物理学有意义的新结果。 恒星内部及其大气层热到足够使它们以等离子体状态存在 估计太阳核心的温
49、度是 2keV， 在这个温度下发生的热核反应是造成太阳辐射的原因日冕是温度高达 200eV的稀薄等离子休恒星际介质包含若 nullnull10nullmnullnull的电离氢现已用各种等离子体理论来解释宇宙射线的 加中 的天 文星 云也 包星 ，子 体3.3nullm气 流引 起势 发 动子 体箭 加 速虽 然的 粒子； 而文 学已经 揭云 是等离 子包 括一个 可， 具有从 表体 MHD 能 量等离 子agnetohy流 穿过磁 场起 离子向 然后， 就用同样动 机在体 nullnullnull 喷出的 等然 星系 nullg而 且已经 用揭 示出 大子 体现 象可 见的 脉表 面发 射量 变换和子 体物 理drodynam场 的推 进上漂移，就 能从 电的原理 反图 I6 中力将等 离等 离子体 必alaxynull的 星用 等离 子大 量的辐 射象 的丰富 来脉 冲星 脉 冲射 同步加 速离子推 进理 学有两ics简 写进 来发电电
