等离子体物理学（物理学分支学科）

等离子体物理学（物理学分支学科）物理学分支学科01简况发展趋势内容发展简史目录03020405研究方法展望主要内容目录0706基本信息等离子体物理学（plasmaphysics）是研究等离子体的形成、性质和运动规律的物理学分支学科。等离子体是宇宙中物质存在的主要形式，太阳及其他恒星、脉冲星、许多星际物质、地球电离层、极光、电离气体等都是等离子体。简况简况等离子体内部存在着很多种运动形式，并且相互转化着，高温等离子体还有多种不稳定性。因此等离子体研究是个非常复杂的问题。虽然知道了描述等离子体的基本数学方程，但这组方程非常难解，目前还很难用以准确预言等离子体的性质和行为。等离子体的实验研究，因为因素复杂多变，所以难度也很大，目前精确度还不高。现在正在大力进行这方面的研究，以期能够发展出一套方法，使等离子体的温度升高到一亿度以上，并能控制它的不稳定性，在足够长的时间内，将它约束住，使热核反应得以比较充分地进行下去。等离子体物理学从1928年I.朗缪尔首先引入等离子体的名词以来，伴随着气体放电、天体物理和空间物理、受控热核聚变以及低温等离子体技术应用（如磁流体发电、等离子体冶炼、等离子体化工、气体放电型的电子器件以及火箭推进剂等）的研究，作为它们的实验和理论基础的等离子体物理学迅速发展，逐渐成为一个独立的学科。由于等离子体种类繁多，现象复杂，应用广泛，等离子体物理学正从实验研究、理论研究、数值计算三个方面，互相结合地向深度和广度发展。对于天体、空间和地球上的各种天然等离子体，主要通过包括高空飞行器和人造卫星在内的各种观测手段，接收它们发射的各种辐射和粒子进行研究。根据大量观测结果，结合天体物理、空间物理和等离子体物理的理论研究，进行分析综合，逐步深入地了解天然等离子体的现象、性质、结构、运动以及演化规律。在受控热核聚变中，研究的目的是利用处于等离子体状态的轻核，实现聚变反应，以获取大量的能量。内容粒子轨道理论等离子体动力论磁流体力学内容粒子轨道理论把等离子体看成由大量独立的带电粒子组成的集体，只讨论单个带电粒子在外加电磁场中的运动，而忽略粒子间的相互作用。粒子轨道理论适用于稀薄等离子体，对于稠密等离子体也可提供某些描述，但由于没有考虑重要的集体效应，局限性很大。粒子轨道理论的基该方法是求解粒子的运动方程。在均匀恒定磁场条件下，带电粒子受洛伦兹力作用，沿着以磁力线为轴的螺旋线运动（见带电粒子的回旋运动）。如果还有静电力或重力，或磁场非均匀，则带电粒子除了以磁力线为轴的螺旋线运动外，还有垂直于磁力线的运动——漂移。漂移是粒子轨道理论的重要内容，如由静电力引起的电漂移、由磁场梯度和磁场曲率引起的梯度漂移和曲率漂移等都是。粒子轨道理论的另一个重要内容是浸渐不变量（曾称绝热不变量）。当带电粒子在随空间或时间缓慢变化的磁场中运动时，在一级近似理论中，存在着可视为常量的浸渐不变量。比较重要的一个浸渐不变量是带电粒子回旋运动的磁矩，等离子体的磁约束以及地磁场约束带电粒子形成的地球辐射带即范艾伦带等，都可以利用磁矩的浸渐不变性来解释。磁流体力学把等离子体当作导电的流体来处理，它是等离子体的宏观理论。导电流体除了具有一般流体的重力、压强、粘滞力外，还有电磁力。当导电流体在磁场中运动时，流体内部感生的电流要产生附加的磁场，同时电流在磁场中流动导致的机械力又会改变流体的运动。因此，导电流体的运动比通常的流体复杂得多，磁流体力学的方程组是流体力学方程（包括电磁作用项）和麦克斯韦方程的联立。磁流体力学适宜于研究稠密等离子体的宏观性质如平衡、宏观稳定性以及冷等离子体中的波动问题（所谓冷等离子体是指等离子体的温度较低，热压强可以忽略）。平衡问题研究磁约束等离子体的压强被磁力平衡的条件以及可能的平衡位形。宏观不稳定性对平衡具有严重的破坏作用，它的种类很多，有扭曲不稳定性、交换不稳定性、撕裂模不稳定性等，这些问题的研究对受控热核聚变装置中磁约束的等离子体来说，是十分重要的（见等离子体不稳定性）。等离子体中的波是等离子体的基本运动形态，波的研究意义重大，磁流体力学可研究冷等离子体中的波，如寻常波和非常波，回旋波，剪切阿尔文波，哨声等。但由于磁流体力学不考虑粒子的速度空间分布函数，无法揭示波和粒子的相互作用以及微观不稳定性等一系列重要性质。磁流体力学适用于缓慢变化的等离子体现象，在这种情形，等离子体近似地处于局域的热平衡状态，才可以用宏观参量来描述等离子体的宏观运动。等离子体动力论等离子体动力论是等离子体非平衡态的统计理论，即等离子体的微观理论，这是严格的理论。与气体不同，由于等离子体包含大量带电粒子，其间的主要作用是长程的集体库仑作用，因此需要重新建立粒子分布函数随时间的演化方程，它是等离子体动力论的出发点。已经建立的在不同条件下适用的等离子体动力论方程有弗拉索夫方程，福克尔-普朗克方程，朗道方程等。等离子体动力论适宜于研究等离子体中的弛豫过程和输运过程。等离子体弛豫过程是从非平衡的速度分布向热平衡的麦克斯韦分布过渡的过程，可用各种弛豫时间来描述。输运过程是稳定的非平衡态有物质、动量、能量流动的过程，包括电导、扩散、粘性、热导等，用各种输运系数描述。输运过程是受控热核聚变研究的重大课题，尤其是其中出现的不能用碰撞理论解释的反常输运现象。等离子体动力论还适宜于研究等离子体中种类繁多的波和微观不稳定性问题。只有动力论才能给出在无碰撞情形由于粒子对波的共振吸收所导致的朗道阻尼。起源于空间不均匀性或速度空间不均匀性等原因的微观不稳定性是宏观理论无法研究的，只能由动力论给出。动力论还可以讨论等离子体中的涨落效应。等离子体动力论是严格的理论，由动力论方程可以导出磁流体力学的连续方程、动量方程和能量方程，指明各种不同形式的磁流体力学方程的近似条件和适用范围。在现有的等离子体理论中，无论磁流体力学方程或动力论方程，都是非线性的偏微分方程，难于严格求解析解。为了求得解析解，只能采用经过大大简化的物理模型，其结果往往是许多过程和效应都被掩盖了。因而借助于计算机的数值计算在等离子体研究中的作用越来越大，已经成为与实验研究和理论研究相配合的重要研究方法。发展趋势等离子体常见的等离子体等离子体的性质电离组成粒子速率分布010302040506发展趋势等离子体等离子体（等离子态，电浆，英文：Plasma）是一种电离的气体，由于存在电离出来的自由电子和带电离子，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。等离子态在宇宙中广泛存在，常被看作物质的第四态（有人也称之为“超气态”）。等离子体由克鲁克斯在1879年发现，“Plasma”这个词，由朗廖尔在1928年最早采用。*1常见的等离子体*2等离子体的性质o2.1电离o2.2组成粒子o2.3速率分布*3参见常见的等离子体等离子体是存在最广泛的一种物态，目前观测到的宇宙物质中，99%都是等离子体。*人造的等离子体o荧光灯，霓虹灯灯管中的电离气体o核聚变实验中的高温电离气体o电焊时产生的高温电弧*地球上的等离子体o火焰（上部的高温部分）o闪电o大气层中的电离层o极光*宇宙空间中的等离子体等离子体的性质等离子态常被称为“超气态”，它和气体有很多相似之处，比如：没有确定形状和体积，具有流动电离等离子体和普通气体的最大区别是它是一种电离气体。由于存在带负电的自由电子和带正电的离子，有很高的电导率，和电磁场的耦合作用也极强：带电粒子可以同电场耦合，带电粒子流可以和磁场耦合。描述等离子体要用到电动力学，并因此发展起来一门叫做磁流体动力学的理论。组成粒子和一般气体不同的是，等离子体包含两到三种不同组成粒子：自由电子，带正电的离子和未电离的原子。这使得我们针对不同的组分定义不同的温度：电子温度和离子温度。轻度电离的等离子体，离子温度一般远低于电子温度，称之为“低温等离子体”。高度电离的等离子体，离子温度和电子温度都很高，称为“高温等离子体”。相比于一般气体，等离子体组成粒子间的相互作用也大很多。速率分布一般气体的速率分布满足麦克斯韦分布，但等离子体由于与电场的耦合，可能偏离麦克斯韦分布。发展简史发展简史19世纪以来对气体放电的研究；19世纪中叶开始天体物理学及20世纪对空间物理学的研究；1950年前后开始对受控热核聚变的研究；以及低温等离子体技术应用的研究，从四个方面推动了这门学科的发展。19世纪30年代英国的M.法拉第以及其后的J.J.汤姆孙、J.S.E.汤森德等人相继研究气体放电现象，这实际上是等离子体实验研究的起步时期。1879年英国的W.克鲁克斯采用“物质第四态”这个名词来描述气体放电管中的电离气体。美国的I.朗缪尔在1928年首先引入等离子体这个名词，等离子体物理学才正式问世。1929年美国的L.汤克斯和朗缪尔指出了等离子体中电子密度的疏密波（即朗缪尔波）。对空间等离子体的探索，也在20世纪初开始。1902年英国的O.亥维赛等为了解释无线电波可以远距离传播的现象，推测地球上空存在着能反射电磁波的电离层。这个假说为英国的E.V.阿普顿用实验证实。英国的D.R.哈特里（1931）和阿普顿（1932）提出了电离层的折射率公式，并得到磁化等离子体的色散方程。1941年英国的S.查普曼和V.C.A.费拉罗认为太阳会发射出高速带电粒子流，粒子流会把地磁场包围，并使它受压缩而变形。从20世纪30年代起，磁流体力学及等离子体动力论逐步形成。等离子体的速度分布函数服从福克－普朗克方程。苏联的Л.Д.朗道在1936年给出方程中由于等离子体中的粒子碰撞而造成的碰撞项的碰撞积分形式。1938年苏联的A.A.符拉索夫提出了符拉索夫方程，即弃去碰撞项的无碰撞方程。朗道碰撞积分和符拉索夫方程的提出，标志着动力论的发端。研究方法实验研究数值计算理论描述研究方法实验研究用实验方法研究等离子体有如下特点。对于天然的等离子体，即天体、空间和地球大气中出现的等离子体，人们不可能用地面上实验室中的一般方法主动地调节实验条件或加以控制，而主要只能通过各种日益增多的天文和空间观测手段，如光学、射电、X射线以及现代的高空飞行器和人造卫星──“空间实验室”，来接收它们所发射的各种辐射（包括各种粒子）。根据大量的观测结果，并在天体物理学和空间物理学的认识基础上，依靠目前已建立的等离子体物理理论和已有的各项基本实验数据，进行分析和综合，方能深入地认识这些天然等离子体的现象、本质、结构、运动和演化的规律。要研究或利用各种人造的等离子体，必须先把它们制造出来；而要制造任何一种新的等离子体或者扩展它的性能参量，又往往必须对它先有一定的认识。由此可见，对于人造等离子体，只能采取边制造边研究，研究和制造循环结合、逐步前进的办法。例如，受控核聚变等离子体的研究，就是通过一代又一代的实验装置，来产生具有特定性能的等离子体，逐步提高它们的温度和约束程度。而每一代装置的设计，又必须在已有等离子体实验的基础上，通过理论方面的外推和定量演算，加以确定。特别是较大类型装置的建造，必须立足于各项经过试验的、成熟的工程技术，辅之以必需和能够及时开发出来的单项新技术，例如强流电子束和离子束技术。装置建成后，实验的第一步是使用各种仪器手段，对装置中产生的等离子体进行测量；测量数据要按照已有的理论进行处理，以得出装置中等离子体具体形成过程和现象细节性质的定性和定量的结果，这些就是等离子体诊断学的内容。理论描述包括近似方法和统计方法。粒子轨道理论和磁流体力学都属于近似方法。粒子轨道理论是把等离子体看成由大量独立的带电粒子组成的集体，只讨论单个粒子在外加电磁场中的运动特性，而略去粒子间的相互作用，也就是近似地求解粒子的运动方程。这种理论只适用于研究稀薄等离子体。在一定条件下的稠密等离子体，通过每种粒子轨道的确定，也可对等离子体运动作适当的描写，也能提供稠密等离子体的某些性质。不过，由于稠密等离子体具有很强的集体效应，粒子间耦合得很紧，因此这种理论的局限性很大。磁流体力学不讨论单个粒子的运动，而是把等离子体当作导电的连续媒质来处理，在流体力学方程中加上电磁作用项，再和麦克斯韦方程组联立，就构成磁流体力学方程组，这是等离子体的宏观理论。它适用于研究稠密等离子体的宏观性质如平衡、宏观稳定性等问题，也适用于研究冷等离子体中的波动问题。然而，由于它不考虑粒子的速度空间分布函数，因此，它无法揭示出波粒相互作用和微观不稳定性等一系列细致和重要的性质。等离子体按其本性是一个含有大量带电粒子的多粒子体系，所以严格的处理方法就是统计方法，即求出粒子分布函数随时间的演化过程。这种理论就是等离子体动力论，也称为等离子体的微观理论。对于波动和微观不稳定性，动力论采用符拉索夫方程来研究。对于弛豫过程和输运问题，动力论采用福克-普朗克方程。微观理论可以得到宏观理论所得不到的许多知识。例如在波动问题方面，只有动力论才能导出朗道阻尼。数值计算现有的理论描述中，磁流体力学、符拉索夫方程、福克-普朗克方程都是非线性偏微分方程，包含很多参量，为了求出解析解，物理模型往往过分简化以至无法精确和全面地包罗各种效应，因此数值计算在等离子体研究中的作用越来越大。另外，由于高温等离子体的实验和诊断都较难进行，所以自70年代以来，发展了一种数值实验的方法。就是在大容量的计算机上，用大量粒子来模拟等离子体的运动，以研究它的宏观和微观不稳定性等问题。这已成为一种有力的研究方法。主要内容单粒子运动波动平衡不稳定性弛豫和输运辐射010302040506主要内容单粒子运动主要研究单个带电粒子在外磁场中的运动。在均匀恒定磁场中，带电粒子运动很简单。平行磁场的是等速运动，垂直磁场的是绕磁力线的圆运动（拉莫尔圆），即带电粒子的回旋运动。如果除磁场外，还有其他外力F，则粒子除沿磁场运动外，在垂直磁场方向，一面作回旋运动，一面作漂移运动。漂移运动是拉莫尔圆的圆心（即导向中心）垂直于磁场的运动，可以由静电力或重力引起。对于非均匀磁场，漂移也可以由磁场梯度和磁场的曲率等引起。静电力引起的正负电荷的漂移相同，因而不形成电流。而非静电力引起的正负电荷的漂移是相反的，会形成电流。当磁场随时间及空间变化十分缓慢时，可以把粒子运动看成是回旋运动和导向中心运动的叠加。为使问题简化起见，可以不考虑快速的回旋运动而只考虑导向中心的运动，这就是漂移近似。在粒子轨道理论中，主要就是采用漂移近似来研究粒子的运动。在缓变磁场中，有三个绝热不变量，其中比较重要的一个是粒子的磁矩公式v。寑是垂直于磁场B的速度分量，m是质量。波动这是等离子体的基本运动形态，因此对等离子体中的波的研究具有极为重要的意义。此外，由于波提供了理论与实验的联系，一旦了解波动，就可用波来测量等离子体的各种参量，还可利用波来改变等离子体的状态，如用波来加热或约束等离子体。而且，研究波动有着明显的实用意义，例如波在电离层中的传播等。波动还和不稳定性等问题紧密关联，因为不稳定性往往表现为振幅随时间增长的波。等离子体中的波动模式非常复杂。既有横波（波矢k与电场E垂直），也有纵波（k与E平行），也有非横非纵的波。有椭圆偏振波，也有圆偏振和线偏振波。波的相速可以大于、等于或小于真空光速с。波的群速和相速可以平行、不平行或反平行。波的形式如此之多，这是因为，等离子体中的带电粒子可以和波的电磁场发生作用而影响波的传播。如果有外加磁场，则波动、磁场的扰动和粒子的运动互相影响，就使得波的模式更加繁杂。例如，正负电荷的分离，会产生静电场，其库仑力是恢复力，由此产生了朗缪尔波；磁力线的弯曲，其张力是恢复力，由此产生了阿尔文波；等离子体中各种梯度，如密度梯度、温度梯度等，会引起漂移运动，漂移可以和波的模式耦合，由此产生了漂移波。波可以粗分为冷等离子体波与热等离子体波。当粒子的热速远小于波速，以及回旋半径（对磁化等离子体来说）远小于波长时，这时是冷等离子体，其波动现象采用磁流体力学方法来研究。平衡平衡问题是位形平衡问题的简称，它研究在一定的约束条件下，等离子体如何才能在力学上处于静止状态。对于磁场约束的等离子体，平衡问题就是用磁压力来平衡等离子体压力。从磁流体力学，可以得到磁约束的平衡方程组（采用高斯单位制）公式p是等离子体压力，J)是电流密度，с是光速。平衡问题从数学上说，就是在给定边界条件下求解这组方程。通常是引入一个磁面函数，则平衡方程组转为一个磁面方程，这样，平衡问题变成在适当边界条件下求解磁面方程。不稳定性等离子体不稳定性大体上分为宏观不稳定性及微观不稳定性两类。凡是发展的区域远大于粒子的回旋半径和德拜长度等微观尺度的不稳定性，统称为宏观不稳定性；而仅在微观尺度上发展的不稳定性则称为微观不稳定性。宏观不稳定性会造成等离子体大范围的扰动，对平衡具有严重破坏作用。它的起因主要是等离子体中储藏了过剩的与磁场相结合的能量，此外，如等离子体的抗磁性等，也会引起宏观不稳定性。对于受控热核聚变装置中的约束等离子体来说，这是一个十分紧要的问题。宏观不稳定性种类很多。除扭曲不稳定性外，比较重要的有交换不稳定性，即等离子体与约束磁扬的位置发生交换；撕裂模，即等离子体被磁场撕裂成细束，等等。宏观不稳定性通常都采用磁流体力学来研究。其中能量原理是一种很有效的方法，也就是根据偏离平衡的小位移引起系统的势能变化，来确定平衡是否稳定。这种方法特别适用于几何形状复杂的磁场。除能量原理外，简正模法也是常用的一种分析方法。它假设扰动量的形式为公式。解出的ω一般是复数：ω=ωr+iωi如果ωi>0,则扰动量的振幅会随t增长，也就是不稳定，反之如ωi<0，系统是稳定的。微观不稳定性的起因有多种。弛豫和输运非热平衡等离子体中向平衡态过渡出现的过程可分为弛豫和输运两类。前者是从非热平衡速度分布向热平衡麦克斯韦分布过渡的过程，后者是描写稳定的非热平衡态有物质、动量、能量等在空间流动时的过程。弛豫过程一般通过各种弛豫时间来描述。这里最基本的是带电粒子间的碰撞过程。带电粒子间的作用力是长程库仑力，一个粒子可以同时和德拜长度范围内的多个粒子发生作用，它们之间可以产生近碰撞（两个粒子近距离碰撞）和远碰撞（一个粒子和距离较远的多个粒子碰撞）。远碰撞的作用大大超过近碰撞，这是等离子体中带电粒子碰撞的一个特点。碰撞时间和平均自由程l都主要由远碰撞决定。它们是（采用高斯单位制）式中T为温度，单位为电子伏，m、n为粒子质量及数密度，e为电子电荷，lnΛ为库仑对数，它反映远碰撞的效应。对于高温等离子体，有三个比较重要的弛豫时间：纵向减速时间τ〃，横向偏转时间τ寑，能量均化时间τE。电子和离子的弛豫时间并不相同。一个初始为非热平衡的等离子体，经过碰撞，电子会首先达到热平衡，尔后离子达到