（等离子体物理专业论文）电子束潘宁阱非中性等离子体装置及电子聚心实验.pdf

中国科掌由睐大掌博士掌强潍文 摘要 本论文的研究动机是开展利用潘宁阱中的电子聚心效应进行惯性静电约束 热核聚变这一聚变概念的前瞻性和探索性研究，考察这一可控热核聚变新方法 的科学可行性和实用性。论文的主要工作包含两个部分，其一是建立起一套实 验系统一一电子束潘宁阱( e l e c t r o nb e a mp e n n i n gt r a p ，e b p t ) 非中性等离子体 拦；另一则是在该装置上对电i 鐾! 垒进行系统的实验研究。 ， ( 首先，我们建立起一套完备的电子束潘宁阱非中性等离子体装置，实验装 置的主要参数： 核心部件潘宁阱的电极构造：端极、环极为会切的旋转双曲面，环极的最 小半径r o = 1 5 m m ，上、下端极的最小间距2 z 。= 2 1 2 r a m ； 潘宁阱的电磁场：四极场的外加电压o i o k v ，由外线圈产生的轴向磁 场强度o 一5 3 0 g a u s s ，不均匀度远小于1 ( 在阱的空间范围内) ： 布里渊密度极限”日：1 2 1 0 ”c 1 3 ( b 0 = 5 0 0 g a u s s ) ； 电子束枪：采用热阴极式的钡钨阴极发射结构，正常工作时注入阱中的电 子束流为1 0ua ，束流强度可调，束直径为l m m ，束角发散为5 0 m r a d 。 其次，通过适当调整潘宁阱的电磁场使之产生球形势场，可以约束低能的、 小正则角动量的注入电子，在潘宁阱内建立起电子聚心状态，产生具有超越布 里渊密度的电子等离子体芯。在电子聚心实验中由于非中性等离子体的自场特 性和潘宁阱电磁位形的限制，诊断成为一个难点。基于在电子聚心的过程中， 注入电子会与捕获的电子发生碰撞散射，部分电子获得能量增益，逃逸出约束 空间。故而我们采用景于上端极中的法拉第筒收集散射电子，从中间接地诊断 潘宁阱中电子等离子体的状态。 实验中对潘宁阱内电子聚心状态的建立和演化进行系统实验研究和理论分 析，主要的结论有： ( 1 ) 潘宁阱电磁场匹配是实现较强的电子聚心状态的必要条件。实验表明， 注入的低能、小正则角动量的电子束，当外加的外加电压和轴向磁场 岛匹配时，可以观测到较大的有能量增益的散射电子流，表明形成了较 密的核心。 ( 2 )由散射信号可以判断，在一定的磁场范围( 磁场较小时) 内，潘宁阱的 中田率 掌技术大掌博士掌位论文 聚心电子密度与磁场强度的平方值，或布里渊密度成正比，即聚心电子 密度与布里渊密度之比不随磁场变化，表明理想的潘宁阱约柬电子的定 标关系成立。但在较大的磁场时，这一比值随磁场增大而减小，理想的 定标关系遭破坏。这表明，利用理想定标关系外推不恰当。 ( 3 ) 电子束采用方波开关调制注入方式。在一个注入周期内，法拉第筒收集 得到的散射信号为脉冲形式。采用电子一电子库仑碰撞散射物理机制可 以定性和半定量地解释散射信号的时间演化行为，上升过程为捕获电子 累积和电子聚心状态建立的过程，下降过程则为电子的热化过程，热化 导致了电子的能量和正则角动量展宽，芯部密度下降和有效的约束体积 减小，从而破坏了电子聚心状态。 ( 4 ) 电子聚心状态的形成和建立对注入电子的束流大小有一定的要求，只有 在电子束流达到或超过某一阈值时，电子聚心状态才会出现。注入电子 的束流阈值与环极上的外加电压成一线性关系。理论分析表明在此装置 中，电子的约束时间与磁场强度平方值成正比。若电子的损失由碰撞输 运所决定，则输运系数与磁场强度的平方值成反比，符合经典的碰撞输 运系数的定标关系。 ( 5 ) 根据实验数据和我们的模型，可以估算电子聚心状态时芯部的电子密度 约为布里渊密度极限的1 0 倍。 ( 6 ) 散射电子的能量可达百电子伏量级。电磁场匹配时，散射电子的能谱随 能量呈简单的单调下降形状；而在电磁场失配时，散射电子的能谱在 1 0 0 e v 左右有一明显的柬分布。 ( 7 ) 根据收集的散射电子流通量估算，潘宁阱中电子的有效逃逸面积很小， 集中在上下端极孔附近，约等效成直径2 - 3 m m 园孔的面积，这与逃逸电 子所处的相应的等位面与端电极的相交面积是一致的。 通过电子聚心的实验研究，我们认为合适的潘宁阱电磁场和注入电子束流 可以建立起电子聚心状态，但是潘宁阱内捕获电子的热化将是不可避免的。电 子热化程度直接关系到电子聚心状态的存在时间，要长时间地维持电子聚心状 态下的冷等离子体状态是非常困难的，因此如何移走潘宁阱中热化了的电子将 成为一个十分关键的问题。另一个突出的问题是理想的潘宁阱约束定标关系在 较高磁场时将会遭到一定程度的破坏，因此依据定标关系进行外推时必须保持 警惕。上述问题将会给这一基于通过产生稳定的稠密电子芯以形成约束离子的 虚阴极从而实现热核聚变反应的聚变新概念的科学可行性带来极大的挑 i i 中国科掌崮沸夫掌博士掌位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t an e wd e v i c e ，e l e c t r o nb e a mp e n n i n gt r a p ( e b p t ) n o n - n e u t r a lp l a s m a s e x p e r i m e n t a ls y s t e m ，h a sb e e ns u c c e s s f u l l ys e t u pf o rp r o d u c i n gd e n s ea n dw e l l - c o n f i n e dn o n n e u t r a lp l a s m a sb ys p h e r i c a l l yf o c u s i n g a sw ek n o w , i n e r t i a l e l e c t r o s t a t i cc o n f i n e m e n t ( i e c ) i sac o n c e p tf r o mt h ee a r l y d a y so ff u s i o nr e s e a r c h i e cs c h e m e sr e q u i r et h ef o r m a t i o no fas p h e r i c a lp o t e n t i a l w e l l r e c e n t l y , t h e r eh a sb e e nar e s u r g e n c e o fi n t e r e s ti ni e c i nt h i sp a p e r , w e p r o p o s ean e wa p p r o a c hf o rf o r m i n gt h es p h e r i c a lp o t e n t i a lw e l lb yu s i n gap e n n i n g t r a p i no r d e rt ot e s tt h ef e a s i b i l i t ya n dp r a c t i c a l i t yo ft h i sn e wm e t h o d ，w ep l a nt o s e t u pan e wd e v i c ea n dt h e nt r yt of o r md e n s ee l e c t r o np l a s m a si nt h ec e n t e ro ft h e t r a p t h em a i nb o d yo ft h i sp a p e ri sd i v i d e di n t ot w op a r t s ：o n ep r e s e n t sp e r f o r m a n c e s o ft h en e wm a c h i n e ，t h eo t h e ro n eg i v e ss o m er e s u l t sa b o u tas y s t e m a t i cs t u d yo n f o r m i n gad e n s ec o r e ， a tf i r s t ，w ed e s i g na n dm a n u f a c t u r ean e wm a c h i n e ，e l e c t r o nb e a mp e n n i n gt r a p n o n n e u t r a lp l a s m a se x p e r i m e n t a ls y s t e m ，o fw h i c hs o m ed e s c r i p t i o n sa r ea s f o l l o w i n g ap e n n i n gt r a p ，t h ek e yc o m p o n e n ti nt h em a c h i n e ，c o n s i s t so ft h r e e e l e c t r o d e s ，t w oc a t h o d ee n d c a p sa n dac e n t r a la n o d er i n g ，t h ei n n e rs u r f a c e so fw h i c h a r ea l lh y p e r b o l a e o f - r e v o l u t i o n t h em i n i m u mi n n e rr a d i u so ft h er i n g ，产15 m m ， w h i l et h em i n i m u md i s t a n c eb e t w e e nt w oe n d c a p s2 2 0 = 2 1 2 m m b o t ho ft h ee n d c a p s a r ep i e r c e dt h r o u g ht h ec e n t e rb yl m md i a m e t e rh o l e sw h i c ha l l o wi n j e c t i o no f e l e c t r o n si n t ot h et r a pv i at h el o w e re n d c a p ，w h i l ep r o v i d i n gd i a g n o s t i ca c c e s s t h r o u g ht h eu p p e ro n e t h e s et h r e ee l e c t r o d e sp r o d u c ear o t a t i o n a l l ys y m m e t r i c e l e c t r o s t a t i cq u a d r u p o l ef i e l dw h e nav o l t a g e 虼i sa p p l i e d t y p i c a lo p e r a t i n gv o l t a g e s r a n gf r o m0t o1 0 k v t h em a g n e tc o i l sw i n d e d a r o u n dt h ev a c u u mc a m b e rc a n p r o d u c em a g n e t i cf i e l du pt o5 3 0g a u s s t h eb r i l l o u i nl i m i t f o re l e c t r o n s a t b o = 5 0 0 g a u s si s1 2x 10 1 0 c m 。t h ee l e c t r o nb e a m ，p r o v i d e db yab a - wt h e r m i o n i c c a t h o d e ，e n t e r st h et r a pt h r o u g ht h eh o l ei nt h el o w e re n d c a p t h en o r m a li n j e c t i o n c u r r e n to ft h eb e a mi s1 0ua ，o fw h i c ht h ed i a m e t e ri sl m ma n dt h ed i v e r g ea n g l ei s 5 0 m r a d s e c o n d l y , w ea d j u s tt h ea p p l i e de l e c t r o m a g n e t i cf i e l dt op r o d u c e a s p h e r i c a lw e l l ， a n di n j e c tl o w e n e r g y , l o wc a n o n i c a la n g u l a rm o m e n t u me l e c t r o ni n t ot h et r a p f o l l o w i n gt h a t ，ad e n s ec o r eo fe l e c t r o np l a s m a sb e y o n dt h eb f i l l o u i nd e n s i t yl i m i t m a yb ef o r m e di nt h ee f f e c t i v es p h e r i c a lw e l l b e c a u s eo f t h es e l f - f i e l do fn o n - n e u t r a l p l a s m a sa n dt h el i m i t a t i o no ft h ec o n f i n e dg e o m e t r yo ft h ep e n n i n gt r a p ，t h eo b s t a c l e i sp r e s e n t e dt od i a g n o s et h ed e n s ec o r e s o m ei n j e c t e de l e c t r o n s ，s c a t t e r e df r o mt h e i 中国科掌技术大掌博士学位甚汶a b s t r a c t d e n s ec o r e ，c a ng a i ne n e r g yi n c r e m e n t ，a n dt h e nc l i m bo v e rt h eb a r r i e rp r e s e n t e db y t h eu p p e re n d c a pa n dr u na w a y af a r a d a yc u ps e ti nt h eu p p e re n d c a pi su s e dt o c o l l e c tt h e r u n - a w a ye l e c t r o n sf o r m i n gt h es c a t t e r e dc u r r e n t ，f r o mw h i c ht h e i n f o r m a t i o no f t h ed e n s ec o r em a yb eo b t a i n e di n d i r e c t l y t h ee x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a li n v e s t i g a t i o no nt h ef o r m a t i o no f t h ed e n s ec o r e c o m e st os o m ec o n c l u s i o n s ： ( 1 ) e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h en e c e s s a r yc o n d i t i o nf o rs t r o n ge l e c t r o nf o c u s i n g i nt h ep e n n i n g t r a pi st h a tt h ee l e c t r i cf i e l dm a t c h e st h em a g n e t i cf i e l d ( 2 ) f o rl o w e rm a g n e t i cf i e l db d ，t h ec o r ee l e c t r o nd e n s i t yi sp r o p o r t i o n a lt ob 0 2 ， o rt ot h eb r i l l o u i nd e n s i t yn 口，w h i c hi sc o n s i s t e n t 、v i t l lt h ei d e a ls c a l i n gl a w h o w e v e r , f o rl a r g e rb o ，t h er a t i oo fc o r ed e n s i t yt on bd e c r e a s ew i t hb 0 2 ( 3 ) b ym o d u l a t i n gt h ei n j e c t e de l e c t r o nb e a mw i t has q u a r e w a v es i g n a l ，t h e e v o l u t i o no fd e n s ec o r ei nt h ep e n n i n gt r a pi ss t u d i e d a f t e r t h eb e a m i n j e c t e d ，a ne l e c t r o nf o c u s i sr a p i d l ye s t a b l i s h e d ( t e n sm i c r o s e c o n d ) ，a n dt h e c o r ed e n s i t yr e a c h e si t sm a x i m u ma n dt h e ne x p o n e n t i a l l yd e c r e a s e s ，t h e r a m p u pp r o c e s si se x p l a i n e da st h ea c c u m u l a t i o no ft r a p p e de l e c t r o n sa n d t h el a t e rd a m pp r o c e s si sd u et oc o n f i n e de l e c t r o nt h e r m a l i z a t i o n ( 4 ) t h e r ee x i s ta t h r e s h o l do fi n j e c t e db e a mf o re l e c t r o nf o c u s i n g t h et h r e s h o l d i sl i n e a r l yi n c r e a s i n gw i t ht h es q u a r eo fm a g n e t i cf i e l d i fc o l l i s i o nt r a n s p o r t d e t e r m i n et h ee l e c t r o nc o n f i n e m e n tt i m e ，t h er e s u l t ss h o w st h a te l e c t r o n t r a n s p o r ti nt h ep e n n i n gt r a ps h o u l do b e yt h es c a l i n gl a wa c c o r d i n gt o c l a s s i c a lt r a n s p o r tt h e o r y ( 5 ) e l e c t r o nd e n s i t i e si nt h et r a pc e n t e ra r ea b o u t10t i m e so fb r i l l o u i nd e n s i t y , e s t i m a t e da c c o r d i n gt oe x p e r i m e n t a ld a t aa n das e l f - c o n s i s t e n tm o d e l ( 6 ) t h ee n e r g yi n c r e m e n to fe s c a p e de l e c t r o n sc a nb eu pt o1 0 0 e v t h ee n e r g y s p e c t r u mo ft h ee l e c t r o n sp i c k e db yf a r a d a yc u pi sm o n o t o n ed e c r e a s i n g 、) l r i me n e r g yw h i l ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l dm a t c h e s t h ee n e r g yi n c r e m e n to f e s c a p e de l e c t r o n sw i l ld e c r e a s eq u i c k l yw h e nt h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l dd r i f t s o f f t h em a t c h i n gc o n d i t i o n ( 7 ) e s t i m a t e da c c o r d i n gt ot h ee s c a p e de l e c t r o n sc o l l e c t e db yt h ef a r a d a yc u p ， t h ee f f e c t i v ea r e af o re l e c t r o n se s c a p e df r o mt h et r a pi sv e r ys m a l la n dn e a r t h eh o l ei ne a c he n d c a p ，e q u a l st oa b o u ta2 3 c m d i a m e t e rd i s c w i t hav i e wt ot h e s ec o n e l u s i o n s w eh o l dt h a tt h e 也e r m a l i z a t i o no ft r a p p e d e l e c t r o n si nt h et r a pi si n e v i t a b l e t h el i v i n gt i m eo ft h ed e n s ec o r ei sr e l a t i v et ot h e 中国科掌技术大掌博士掌位论文a b s t r a c t l e v e lo ft h e r m a l i z a t i o no ft r a p p e de l e c t r o n s hi sv e r yd i f f i c u l tt om a i n t a i nc o l d p l a s m a si nt h et r a pf o ral o n gt i m e i tp u t saq u e s t i o nt ou sh o wt or e m o v et h e t h e r m a l i z e de l e c t r o n sf r o m 也et r a p a n o t h e r 的u b l ei st h ei d e a ls c a l i n gl a wf o r e l e c t r o np l a s m a sc o n f i n e di nt h ep e n n i n gt r a pw o u l db ed e s t r o y e da tt h eh i g h m a g n e t i cf i e l d t h e s ek e yp r o b l e m sg i v eg r e a tc h a l l e n g e st ot h en e wc o n c e p t ，w h i c h s u g g e s t e dt h a ti o n sb ee l e c t r o s t a t i c a l l yc o n f i n e di nt h ev i r t u a lc a t h o d ef o r m e db yt h e d e n s ec o r ei nap e n n i n gt r a pa r ea p p l i e dt op r o d u c ec o n t r o l l e dn u c l e a rr e a c t i o n s v 中田科掌技术大掌博士掌位论文 作者简介 作者简介 庄革。男1 9 7 0 年1 月出生于海南省昌江县。1 9 8 8 年毕业于海 南省海南中掌同年考取中国科学技术大学近代物理系。1 9 9 3 年7 月获理学学士9 月被免试推荐攻读中国科掌技术大学近代 物理系等离子体专业硕士研究生导师刘万东副教授。1 9 9 5 年 9 月转为直接攻读博士掌位研究生导师俞昌旋教授、刘万东副 敬授。1 9 9 9 年1 0 月通过中国科学技术大掌博士学位答辩。攻读 博士学位期间。作为主要参与者，先后参加了用于长波等离子 体涨落测量的激光相衬成象系统的研制国家自然科掌基金支 持的“束潘宁非中性电子等离子体实验装置 的建立高密度 聚心非中性等离子体的实验研究等。迄今为止在国内外重要 期刊发表论文1 0 余篇 中田科掌型津丈掣坤士掌位 c = 致谢 致谢 当我把论文的最后一个马：敲入计算机之后我知道我的求掌生涯可以告一段落 了。在开始新的征程之前，我驻步回首，望一望来时的路途，向那些人们致以谢意 其实与其说是致谢，不如说是致意，弛要向那些对我在科大长达十一年的求 掌历程中给过我支持和帮助的人们致以弦深深的敬意，和谢意。 在此我恳请以下的人们接受我由衷的致意。 首先是我的导师俞昌旋教授和刘万东副教授。没有他口1 的辛劳就不会有今天 的论文。四年以来。他们花费了大量的时间和精力对我的论文工作进行了指导。从 论文的选题到实际的实验工作、从数据分析到理论期碍擎。论文工作所取得的每一步 进步都饱含着他可1 的- 血和汗水。当我在感谢他口1 对我的论文所提供的大量无私的 指导、支持和帮助的同时。我更要感谢他们言传身教予我的许多优秀品质。“师者 心，父母心也”，在攻读学位的过程中，元论是在掌习工作上还是在日常生活中， 他们都给了我无微不至的关怀，正是他们的关心和鼓励才使得我能移安心地完成 掌业。 本专业的闻一之教授、胡希伟教授、李定教授、詹如娟教授、夏维东研究员、 赵淑君副教授、陈银华副教授、曹金样副教授、万树德高工、马锦秀副教授、刘金 英副教授、朱晓东讲师和郑坚讲师等诸位老师，他们多年来对鼗的关心和帮助，对 他们仅仅表示致，意也沣是不够的。特另u 是闻一之教授、詹如娲教授、赵淑君副教授 耳口万树德离工在电子柬潘宁阱爿 中性等离子体装置设计耳口谛作的最困难时期所提供 的设备支持和设计，旨导将铭记于我的心中。 本专业的潘阁生博士、李弘博士和王成博士业已毕业的翟侃博士、王贵鼎博 士、刘金远博士、王涛博士、许宇鸿博士和刘职海博士远在美国的汪超博士和李 庆庆博士，以及本实验室的谢锦林、白波、梁小平、付成江和迟霁等同掌，他们力 所能及地提供了许多工作和生活上的帮助，在此，巍也仅能表示获的感激之情。 还有许多的关心和帮助过我的人，我是指在此未被具名的人，对他们，我心存 感激。 最后囊要向裁的妻子汪祖媛、鼗的父母和岳父母表示我深深的致意正是他 们从未改变过的信念和始终如一的理解和支持。才使得我的论文得以顺利完成。 庄革 中冒科掌技术大尊博士掌位诧文 裳t - - i r j l - 发表文章 1j 。斌瓦泰、茳茸二等相幸重我象系统探灏等离子体密受港动谱的虢方法皓蔫变与 等离子体物理，第1 8 卷，第1 期，第3 0 页，1 9 9 8 2 翟侃等、庄革等，盯一形互捞等藩子绣旅游丝魇钐宪翌研窥核聚变与等离子 体物理，第1 7 卷，第4 期，第2 5 页，1 9 9 7 3 出z 血a n g ，w a n d o n gl i u ，e ta l ，ap h a s ec o n t r a s ti m a g i n gs y s t e m f o ，k t - 5 ct o k a m a k , f u s i o ne n g i n e e r i n ga n dd e s i g n ，v 0 1 3 4 3 5 ( 1 9 9 7 ) ，4 1 1 - 4 1 4 4 z h a ik a n ，e ta l ，z h u a n gq ，e ta l ，e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no ft h ep r o p a g a t i o n p r o p e r t i e so f a ne d g e f l u c t u a t i o ni nk t - 5 ct o k a m a k , j p l a s m ap h y s i c s ，v 0 1 5 8 ，p a r t 4 ( 1 9 9 7 ) ，6 0 1 - 6 1 2 5 k a nz h a i ，e ta l ，鱼z h u a n g ，e ta l ，o b s e r v a t i o n so f aq u a s i c o h e r e n t f l u c t u a t i o nm o d ei n t h ek t - 5 ct o k a m a kd u r i n g - 9 0 0p h a s es h i f tf e e d b a c k , n u c l e a rf u s i o n ，v 0 1 3 7 ，n o 1 2 ( 1 9 9 7 ) ，1 7 0 9 1 7 1 3 6 z h a ik a n ，e ta l ，z a l a a n z _ 血，e ta l ，f e e d b a c kc o n t r o lo f e d g et u r b u l e n c ei n 向加m 础， p h y s r e v e ，v 0 1 5 5 ，n o 3 ( 1 9 9 7 ) ，3 4 3 1 - 3 4 3 8 7 z h a ik a n ，e ta l ，z h u 盟gq 岛e ta l ，i n v e s t i g a t i o no f e d g el o c a l i z e d f l u c t u a t i o ni n 世一5 c t o k a m a k , c h i n p h y s l e t t v 0 1 1 3 ，n o 9 ( 1 9 9 6 ) ，6 8 9 6 9 2 8 w a n gg u i d i n g ，e ta l ，z h u a n gg e ，e ta l ，o b s e r v a t i o no f d r i f tw a v ep r o p a g a t i o na sa s o u r c eo f t o k a m a k e d g et u r b u l e n c e ，c h i n p h y s l e t t v 0 1 1 5 ，n o 6 ( 1 9 9 8 ) ，4 3 2 4 3 4 9 w a n gg u i d i n g ，e ta l ，z h u a n gg e ，e ta l ，o b s e r v a t i o no f l o wf r e g u e n c yi o nm o d e t u r b u l e n c e 加t o k a m a kp l a s m a ，c h i n p h y s l e t t v 0 1 1 5 ，n 0 8 ( 1 9 9 8 ) ，5 7 9 5 8 l 、q 馘瓦舔。诖i 章等电子束潘宁瞵非中性等离子体装置中聚心电子约束实验凳 九届全国等离子体科学技术会议，大连，1 9 9 9 年8 月 11 g u i d i n gw a n g ，e ta l ，血_ z t t u a a g ，e ta l ，o b s e r v a t i o no fs p a t i a li n t e r m i t t e n c yi n t o k a m a k p l a s m at u r b u l e n c e ，p h y s p l a s m a s ，v 0 1 6 ，n q 8 ( 1 9 9 9 ) ，3 2 6 3 3 2 6 6 1 2 杨洪波等，座堇等，嚣磁化筝薄子舫h o p f 分岔趔膳扔共攘夸搴疆，物理学报( 己 接受) 1 3 刘万东，庄革等，鲁子蒋学宁屏非手拦等藩于缮裳督僦，虐子约京荚疆，核 聚变与等离子体物理( 已接受) 中田科掌技术太掌博士掌位论文 第一，t3 l 言和翁 述 1 1 引言 第一章引言和综述 受控热核聚变作为一种蕴藏极为丰富、放射性污染小的新能源为二十世纪 以来一直困扰人类的能源问题的解决带来了曙光。它在半个世纪以来一直受到 各国科学家的关注。它的研究自1 9 6 6 年托卡马克装置出现以来，取得了长足的 进步。经过几十年的不懈努力，受控热核聚变的研究在托卡马克位形的磁约束 装置上已经实现了能量得失相当的科学可行性。进一步的实验商用聚变堆也将 在二十一世纪初建成。毫无疑问，最早实现的磁约束反应堆将是托卡马克位形 的。然而，这种装置存在有低密度、低1 3 及脉冲运行模式等严重的弱点，因此 它远非是实现可控热核聚变的最佳途径。在这种情况下，积极开展热核聚变新 概念、新方法的研究，对于人类最终经济、有效地利用热核聚变能源有着极其 重大的意义。 早期与磁约束热核聚变研究的同时，还开展其它途径的可控热核聚变的研 究，其中就有惯性静电约束( i n e r t i a le l e c t r o s t a t i cc o n f i n e m e n t 或i e c ) n 1 热核 聚变实验。这一聚变概念的简要原理是：通过一球对称势阱的作用将入射( 或 由背景中性气体电离) 的离子加速会聚至中心，当外加势场足够大，中心处的 离子数足够多时，可使中心达到热核聚变的温度，从而产生热核聚变反应。显 而易见，这一基于非中性等离子体约束性质的聚变反应受到了非中性等离子体 中自电场作用的影响，最为突出的是它的密度受制于布里渊( b r i l l o u i n ) 密度 极限n 】，从而制约了整个体系的聚变反应率。般而言，布里渊密度远低于聚 变反应所需的密度，这一限制条件使得静电惯性约束热核聚变的研究在七十年 代以后一段较长时间内停滞不前，也使得非中性等离子体的研究因此而被摒弃 在热核聚变研究领域之外。 九十年代以后，随着非中性等离子体物理臼1 研究的扩充和深入，人们开始 重新审视非中性等离子体在可控热核聚变研究领域中的地位和作用，对早期一 些基于非中性带电粒子体系的可控热核聚变概念和方法进行了澄清和反思1 4 1 。 考虑到静电惯性约束热核聚变的基本原理，且深入剖析了其存在的缺点，l e a f t u r n e r 和d b a r n e s 等人提出一种新的解决方法 5 1 0 注意到在非中性等离子体的 情况下，布里渊极限仅在体积平均上才有意义，通过适当的方式可以在约束体 积范围之内诱导产生一个大的空间密度梯度，布里渊密度极限在约束的局部区 域( 一般为中心区域) 内可以被突破。这样的非中性等离子体( 电子等离子体) 可以具有密度极高的核心。此时的非中性等离子体的自电场可以形成一个球对 中陶科掌堂l 术大掌博士掌位论文 第一章引言和蠊述 称的离子势阱，若引入适度的离子可使离子加速至热平衡的等离子体中心，温 度可达十至几十千电子伏的热核聚变的温度从而产生热核聚变。 1 9 9 3 年，美国的洛斯阿拉莫斯国家实验室( l o sa l t o sn a t i o n a il a b o r a t o r y 或l a n l ) 的d b a r n e s 等人提出在潘宁( p e n n i n g ) 阱中，利用低能、小正则 角动量的电子束注入方式，可以得到高度聚心的电子等离子体状态，经过简要 的理论分析，这种方法6 1 可以获得热核聚变等离子体。1 9 9 7 年，他们宣布， 在潘宁聚变实验装置( p e l l l l i n gf u s i o ne x p e r i m e m 或p f x ) 中，电子等离子体的 芯部密度已经达到布里渊密度极限的3 5 倍 7 1o 目前，正着手于将离子引入电 子等离子体芯部的研究。 利用具有良好的约束位形的潘宁阱对电子非中性等离子体进行聚心，聚心 电子所产生的具有较大的负空间电荷的虚阴极，可以对外注入离子或背景中性 气体离化产生的离子进行约束和加速，直至产生热核反应。这个新概念具有物 理图象简单明晰、实验装置经济巧小等优点。将其作为热核聚变研究的一种新 途径的探索，具有重要的意义，同时也可以对托卡马克约束位形的中性等离子 体的物理研究提供新的参照。 这一章的安排是，首先简要地介绍非中性等离子体物理性质及其研究进展， 其次逐一介绍非中性等离子体约束热核聚变的原理及其发展、潘宁阱的基本原 理及其应用。最后，简要地介绍p f x 的电子聚心实验。 1 2 非中性等离子体 等离子体是由大量的、非束缚态的带电粒子组成的有宏观空间尺度和时间 尺度的体系，它和气体、液体、固体组成了物质同一层次上的四个基本形态。 等离子体和固、液、气三态在组成上最明显的不同之处在于后者都是由中性的 分子或原子组成的。等离子体物理研究自本世纪五十年代以来，由于受热核聚 变、空间和天体等离子体研究、等离子体在高技术中的应用及低温等离子体应 用的推动而得咀迅速的发展，现在已经成为现代物理学中一门独立的学科n 】。 八十年代以后，随着等离子体物理基础研究的扩充和深入，出现一些过去 传统研究很少顾及或未曾探索的新领域。非中性等离子体就是其中之一“”， 它的出现拓宽等离子体概念所涵盖的物理内容。 非中性等离子体物理研究的对象是宏观上呈现出电荷非中性的多体带电粒 子体系，因此它具有强的自场效应。非中性等离子体可由带单种电荷的粒子组 成，这些粒子可以是电子或离子，也可以是正电子或反质子。如果带电粒子全 为电子，则称之为纯电子非中性等离子体如强流电子束。非中性等离子体和中 中国科掌技术大学博士掌位戗j ， 性等离子体一样也存在集体相互作用及其所引发的集体效应，如德拜屏蔽、等 离子体波和不稳定性等。这些特征在一些纯电子或离子体系的以往研究中往往 不被重视。另外，非中性等离子体具有的强的自电场或自磁场，它们的存在会 从不同的程度上影响带电粒子体系的物理行为和稳定性质，使得非中性等离子 体具有异于中性等离子体的独特性质，使得它的研究更具有吸引力。 从历史的角度来说，实际上对非中性等离子体的物理研究比现代意义上的 等离子体物理研究还早几十年。在六十年代以前，c h i l d 【1 ”、l a n g m u i r “”、l e w e l l y n 【1 ”、b r i l l o u i n t ”、m c f a r l a n e 和h a y 【1 “、p i e r c e 【”、k y h i 和w e b s t e r t l 6 1 以及b u n e m a n 7 1 就已经在理论和实验上研究非中性电子流在平板二极管和相交电磁场的位 形中的平衡和稳定性质。 早期非中性等离子体方面的这些研究，为现代等离子体物理学基本理论的 奠定提供了不可或却的基础。当时，非中性等离子体物理研究之所以能取得巨 大的发展，一方面得益于理论研究方面并未受到由v l a s o v 【1 8 l a n d a u 铂和 b o g o l i u b o v 【2 们等人建立起来的多体带电粒子体系中存在着集体碰撞效应这一理 论的影响；另一方面则是来源于应用研究方面所产生的巨大的推动力，可以这 么说，微波器件和真空二极管中的非中性电子束的空间电荷波的实际操作和控 制的研究u 1 _ 2 ”极大地促进了非中性等离子体的发展。 非中性等离子体的理论基础是由六十年代前后发表的一些理论文章 2 4 - - 2 7 奠定的。六十年代末期至七十年代初期，些物理实验计划在很大程度上加速 了非中性等离子体的发展，如在美国的a v c o 公司的环形约束装置n 钉和马里 兰( m a r y l a n d ) 大学的磁镜约束装置【2 ”上对电子非中性等离子体进行约束的 实验研究，发现它们的约束时间均可超过l m s 。受这些成果的激励，随后人们 对约束在不同的磁场位形下的非相对论( 或相对论) 非中性等离子体的平衡和 稳定性质进行了实验研究 3 0 - - 3 2 同时还进行波及其不稳定性n 3 1 和输运机制“4 - 3 6 1 的理论研究。对磁约束的非中性等离子体的进一步研究在美国的麦克斯韦 实验室和加利福尼亚大学欧文( i r v i n e ) 分校n 】进行。与此同时，加利福尼亚 大学圣迭戈( s a nd i e g o ) 分校建造了一套潘宁阱系统脚1 的实验装置，用于约 束电子非中性等离子体。一般而言，在中性等离子体的磁约束实验中，很容易 产生密度为1 0 ”一1 0 u c m 3 、温度为10 4 1 0 v 的等离子体