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1 等离子体物理学讲义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 第第讲 等离子体的基本性质讲 等离子体的基本性质 教学目的 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 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 等离子体 PlasmaPlasma 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 Allen 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域 超密集的等离子体 所谓的温暖的密 集的问题 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 radius of curvature lower electrode The crystal contains 1155 particles and is 21 8mm in diameter 1 等离子体 1 等离子体 等离子体是由 Sir William Crookes 1832 1919 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 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 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 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 Coulomb 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 的两个带电区域的相互影响 和 之间 的 Coulomb 力随 而减小 然而 对给定的立体角 即 常数 中能影响 的等离子体体积随 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 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 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 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 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 exp 2 7 其中 是速度在 到 之间 每立方米中的粒子数 是 粒子的动能 是 Boltzmann 常数 1 38 10 J K 粒子密度 为 d 常数 与密度的关系是 2 这个结果很容易推广三维情形 Maxwell 分布是 exp 2 其中 2 分布的宽度由常数 来表征 称为温度 为了解这个常数 的确切意 义 可以计算这个分布中粒子的平均动能为 2 d d 定义 T T 可以证明 平均动能是 1 2 T 1 2 8 三维 3 2 普遍的结果是 每个自由度的平均能量等于 2 既然 和 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 而用对对应于 的能量来表示温度 对于 1 eV 1 6 10 J 有 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 和 的独立 Maxwell 分布 这是因为离子之间或电子之 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 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 作用在离 子上的力是不同的 这样 垂直于 和平行于 的速度分量可能属于 具有温度 和 的不同 Maxwell 分布 1 3 等离子体定义 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 105 K 介入打破中立原子和分子自由 电子和离子 在高温和低密度 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 1 plane strong charg are pr the qu 1 划 1 域被 广泛 dec 含复 超出 1 1 Density tem e into the regime g correlations an gedspecies q resent The oute uark gluon plas 图 1 密度 划分飞机成 强的交互 被观察 D 泛扩大区域 confined 状 复杂血浆 从经典等 出 1 mperature phase d es of classical an nd structure form 1 such as in com r shaded area in ma 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 1 在破折 diagram of ioniz nd quantum syste mationis observe mplex plasmas w ndicates the deco mples 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 ronic 问题 也显示 体到量子等 折线右边在 9 zed matter in nat ems In the case ed in the shaded widely extend th onfined state of h e 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 1 ture and laborato of singly charge area enclosed b he area where str hadronic matter mplex plasmas a 图本质上和 在唯一地荷 D 1 和 r q 在 外面 夸克胶子血 的转变 政 即 在密 ory The dashed ed particles q D by the lines D 1 rong correlation that is are also shown 和实验室 荷电粒子情 rs 附寄的被 1 例如在 被遮蔽的 血浆 QGP 政权由退化 密度卑鄙 line D 1 divide D 1 the regime of and rs D 1 High effects 破折线 情况下 被遮蔽的 在复杂血 的区域表明 P 微粒 化参量 定 interpart es the f her 线 D q D 区 浆 明 粒包 定量 ticle 10 距离合计微粒波函数 它的热量波长 的空间引伸 量子力学变得根本 在许多短激光脉冲或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 10 K 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 定量 这个等离子体参量定义为 最近邻 平 均相互作用能量 与系统的平均热能 之比 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 1 和短程有序 1 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 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 S B 由粒子间平均距离 和有效的 Bohr 半径 B 之比 其中 B 4 这里 表示粒子的质量 是粒子的电荷 量子耦合参数 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 S 1 到纯经典系统一 个 S 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 100和 S S 100 相反地 限制 1和 S 1是完全无结构的 2 基本尺度 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 12 1 以试 几乎 电层 电他 好与 内部 电场 阱 而屏 限的 Debye Debye 长长 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 长长度 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 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 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 0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 等离子体 算这种电 用一个完全 的电势 算 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 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 见 13 假定离子 比电子 的质量大得多 1 所以离子不运动 而形成一个均匀正电荷本底 更确切地说 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 1 一 维 Poisson 方程是 d d 4 2 2 1 如果远处的密度是 得到 在静电势 情况下 电子的分 布函数为 exp 1 2 2 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 且注意到 0 求得 exp 因此 d d exp 1 在热能 比静电势能 强大得多 1 的区域 把指数函数能作 Taylor 级数展开 d d 1 2 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 要比热能 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 d d 定义 D 得到方程的解 exp D 其中 D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 D 69 m 单位 K 73 m 单位 eV 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 减小 此外 还随着 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 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 远大于 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 短的距离内被屏蔽 使等离子体的大部分免受大电势或 电场的影响 在壁或一个障碍物的鞘层外面 是很小的 并且 近 似等于 典型地 与 的差别小于10 这样一来 只能有小的 电荷不平衡 并引起义 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 其中 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 0 这就意味着Debye屏蔽要得以实现 等离子体的空间尺度 如果 则带电粒子系边界上的状态将会对 Poisson 方程的解 有很大影响 在带电粒子系的尺度限制在 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 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 远 小于 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 D 4 3 D 1 38 10 除了 D 外 集体行为 还要求 D 1 2 2 等离子振荡 2 2 等离子振荡 如果使等离子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 plasma frequency 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 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 够薄的面 个电场有把 电粒子热运 中 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 的板状等 有很小的位 侧出现多 荷密度为 拉回到原始 忽略的情 d 负号表明 程 d 17 等离子体 位移 于 余的离子 产生静 始位置的趋 情况下 单 明电场方 粒子密 是在板状 子 把这两 静电场 趋势 称为 单一电子的 向与电子 0 密度为 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 称为电子的等离子体频率 也称为 Langmuir 频率 由于 2 则 8980 Hz 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 其中 是离子质量 显然 由于 因此有 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 2 3 等离子体判据 2 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 D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 D上予以消除 设等离子体振荡的解为 19 cos 其中 是电子振荡的振幅 则振荡能量为 2 设这个振荡 能量由电子热运动的平均动能 2转化而来 有 2 2 得到 D 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 D与等离子体振 荡频率 之间存在关系 D T 其中热速度 T 这说明 如果把电子以特征速度 T平移 Debye 长度 D的距离 所需 的时间为 D D T 1 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 D D 1 D 20 其中 是系统的空间特征尺度 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 3 应用研究领域 等离子体能用两个参量 和 来表征 等离子体的应用涉及极 宽的 和 范围 从10 变到10 m 变化达 28 个数量级 而 可 以从0 1变到10 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10 水和白矮星的密度也 仅相差10 时 就能意识到这个密度范围多么巨大 甚至中子星也仅 比水稠密10 倍 由于只需要经典物理学 非量子力学 定律 在10 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 受控热核聚变受控热核聚变 大约在 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 D D H e n 3 2eV D D T p 4 0eV D T H e n 17 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 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 Alfv n 1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 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 Alfv n 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 MHD 等离子体物理学的另一 个重要应用是研究空间中地 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 magnetosphere 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 50eV 10eV 10 m 磁场强度 5 10 T 漂移速度为300 kms 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 存在着弱电离等离子体 其密度随高度变化 可成 10 m 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 10 m 1keV 1eV 磁场强度 500 10 T 另外 还存在 10 m 40 keV 的一个热组分 masses in the universe is found not in the solar systems or nebulae but in empty space 1 23 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 10 m 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 3 m 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MHD 能量量 等 离 子 agnetohy 流穿过磁场 起离子向 然后 就 用同样 动机 在 体 喷出的等 然星系 g 而且已经用 揭示出大 子体现象 可见的脉 表面发射 量量变换和变换和 子 体 物 理 ydrodynam 场的推进 上漂移 就能从电 的原理反 图 I 6 中 力将等离 等离子体必 alaxy 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 离子推离子推进进 理 学 有 两 mics简写 进来发电 电子向下 电极引出电 反过来已经 中 将电压 离子体抛离 必须始终 24 星体不带 子体动力学 射源 它们 来源 因为 冲星理论 速器辐射 S 进进 个 非 常 实 写为MHD Lorentz 下漂移 从 电流 从而 经发展了用 压加在两 离火箭 终保持中性 电的 但 学理论来推 们极可能来 为已经知道 把它们描 Synchrotr 实 际 的 应 的能量转 力 从而使两 而避免了热 用于远距 个电极上 由此产生 性 否则空 但行为类似 推断星系的 来由于等离 道它包含一 描述成迅速 ron radiat 应 用 磁 转换采用稠 其中 是 个电极充 热循环的低 离行星际 上 驱动电 生的反作用 空间飞船将 似于等离子 的发展 射 离子体 蟹 一个磁场 速旋转的中 tion 的等 磁 流 体 力 稠密等离子 是气流速 充电到不同 低效率 际飞行的离 电流穿过等 用力就加速 将充电到高 子体 射电 蟹状 它 中子 等离 力 学 子体 速度 同电 离子 等离 速火 高电 势 固固态态 子体 离子 质量 很高 高密 子体 钠溶 气气体体 数 是低 被用 态态等离子等离子体体 半导体中 体同类的振 子体特别 10 m 量非常低 高的回旋 密度 体一个有 溶于氨中 体体激光器激光器 泵涌 气 的最普通 低压辉光放 用于准直和 体体 中的自由 振荡和不 别有用 因 的固体中 仅为0 0 频率 如 是小于 1 效温度 的溶液也 气体激光器 通方法是运 放电在脉 和测量 电子和空 不稳定性 因为晶格 中所期望 01 因 如果计算固 的 然的 使得 具 也有类似等 器 也就是 运用气体 脉冲激光器 高功率CO 25 空穴构成等 在这些现 效应 有 的碰撞频 此在中等 固态等离子 的 量子力 具有相当大 等离子体的 是反转能 体放电 对 器中是施压 O 激光器 等离子体 现象的研究 有效碰撞频 频率 而且 等磁场中 子体的 力学效应 测 大的值 的行为 能产生光放 对于直流激 压火花放电 器正在作为 它呈现出 究中 注入 频率远远 且半导体中 半导体中 由于它 测不准原 已经发现 放大的那些 激光器 这 电 氮 氖 为切割工具 出与气态等 入锑化铟的 远低于密度 中空穴的有 中空穴还又 它的低温度 理 却给等 现某些流体 些状态的粒 这种气体放 氖激光器通 具和武器出 等离 的等 度为 有效 又有 度和 等离 体如 粒子 放电 通常 出现 26 HcN 激光器使得至今尚未达到的远红外区域的研究成为可能 所 有这些激光器的运转都依赖于等离子体 离子体军事及高技术应用包 括等离子体天线 等离子体隐身 等离子体减阻 等离子体鞘套 等 离子体诱饵等 习题 1 习题 1 1 在下列条件下 计算理想气体的密度 以m 为单位 27 1 在0 760托压力下的密度 1托 1 mm汞柱 称为Loschmit 数 2 在室温20 真空度10 托下的密度 这是实验室所熟知的 个有用的数 10 托 l 微米汞柱 2 对于归一化的一维 Maxwell 分布 exp 2 使得 1 导出常数 3 在 对 双对数图上 10 10 m 10 10 eV 画出 和 为常数的曲线 并在这个图上确定以下几个点的 位置 并判定这些物质是等离子体 1 典型聚变反应堆 10 m 10 eV 2 典型聚变实验 10 m 10 eV 环型装置 10 m 10 eV 箍缩装置 3 典型电离层 10 m 0 05eV 4 典型辉光放电 10 m 2eV 5 典型火焰 10 m 0 1eV 6 典型铯等离子体 10 m 0 2eV 7 行星际空间 10 m 0 01eV 4 以kg m 为单位和大气压力条件下 计算热核等离子体对其 28 容器的压力 假定 2keV 10 m 和 其 中 5 在一个完全稳恒状态 离子和电子都遵守 Boltzmann 关系 exp 对于一个无限大的 充电到电势 的透明栅极 试证屏蔽距离近似由 下式给出 4 1 1 并证明 由较冷的那类粒子的温度所确定 6 由 另 种推导会进 步看出它的意义 考虑放在 的 两个无限大平行板 其上电势 0 在平行板之间的空间中均匀充 满粒子电荷为 密度为 的气体 1 运用 Piosson 方程 证明板间的电势分布是 2 2 对于 试证明从一个板输运一个粒子到中间平面所需 要的能量大于粒子的平均动能 7 计算下列情况的 和 1 辉光放电 10 m 2 0eV 2 地球电离层 10 m 0 1eV 3 角向箍缩装置 10 m 800eV 29 附录 A 聚变等离子体 附录 A 聚变等离子体 核聚变是轻原子核相遇时聚合成为较重原子核并放出巨大能量 的过程 实现核聚变必须要有极高的温度 故又称热核聚变 自然界 中只有在太阳等恒星内部才具有发生热核聚变的条件 氢弹爆炸虽是 人工热核聚变 但无法控制 这样 受控热核聚变就成为当前世界科 学技术最大的主攻课题之一 核聚变能源同世界上已有的核电站所产 生的核裂变能相比 不仅能源储量大得无法比拟 而且更加安全 它 的原料是从浩瀚的海水中提取的 受控热核反应一旦研究成功 人类 就将从海水中的重氢 氘 中获得无限丰富的新能源 1 史前时期 1920 1938 1 史前时期 1920 1938 对聚变能量的研究最早可以追溯到 19 世纪 20 年代 物理学家 Aston 就已经测量了氦元素的 质量损失 现象 这一现象揭示了在从 较轻的元素形成一个氦核时获取大量能量的可能性 在后 英国天文 学家 Eddington 提出星体的能量来源是 亚原子 并梦想 人类将 会有一天学会释放它的能量并按自己的意愿利用它 1938 年美国 就开始进行将等离子气体限定在磁场中的试验 30 图 1 1946 Thomson 和 Blackman 的 反应堆 图 2 1946 Thoneman 所测试的磁场限定装置 由金属和玻璃制成的圆环 在 牛津大学的 Clarendon 实验室 2 先行者的时代 1946 1958 2 先行者的时代 1946 1958 二战刚刚结束 一波热核研究的国际性浪潮就爆发了 1946 年 伦 敦大学的 Thomson 和 Blackman 注册了一个聚变反应堆的专利 尽 管他们发明的设施总体上说过于乐观 但已经提出了一个环型的真空 室和由射频波产生的电流 而这正是今天的托卡马克装置的两个重要 基石 31 图 3 60 年代在法国的 Fontenay aux Roses 的 CEA 试验磁性约束装置 50 年代 冷战期间 聚变被视为最高机密 美国 俄国和英国加强 了他们在这方面的研究 法国 德国和日本在 1955 年稍晚的时候也 加入了进来 图 4 莫斯科 Kurchatov 研究所的 T1 tokamak 装置 32 图 5 法国 CEA Fontenay aux Roses 的托卡马克装置 图 6 欧洲 tokamak JET 3 首次国际合作 1958 1968 3 首次国际合作 1958 1968 1958 年在日内瓦召开了 和平利用原子能 会议 是受控核聚 变历史上的一个重要转折点 会议揭开了秘密研究的面纱 各个国家 揭示了他们所工作的磁场配置 环型脉冲 星形装置 镜像机器 Z 和 theta 节 磁性约束装置的基础已经奠定 如俄国物理学家 Artsimovitch 在会议闭幕时的致词 我们在这里 目睹着解决聚变 反应堆所需的技术基础的曙光出现 物理学家们同时也意识到由于 33 等离子体的不稳定 磁场的丢失等等 掌握核聚变技术成为一件很困 难的事情 物理学家 E Teller 说 我想受控核聚变也许能做到 但 我不认为在这个世纪它会有实际的重要性 图 7 聚变三重积 通过聚变反应使产生的能量比为了产生和维持等离子体所需 的能量更高 必须满足劳逊判据 离子密度和能量约束时间的数学乘积必须大于 一定值 该值取决于聚变反应的大小 在氘 氚聚变中 这一值约为 2 1020m s 黄色箭头指出 1989 1998 年间取得的进步 空心标志显示氘等离子体 实心标 志显示氘氚混合等离子体 为迎接核聚变技术所面对的科学和技术上的挑战 世界开始全球 范围的合作 1959 年 欧洲原子能机构 EURATOM 和其成员国的研 究组织联合起来 成立了 EURATOM CEA 这一机构早于目前的国际 研究组织 EFDA ITER 项目 目前 EFDA 更加重要 它提供了研究 所需的巨大资源 4 托卡马克时期 1968 至今 4 托卡马克时期 1968 至今 34 1968 年 Kurchatov 研究所的科学家发布了轰动一时的结果 他们获得了远超他人的性能 通过一个特殊的磁性装置 托卡马克 1969年一个英国小组前往莫斯科 测量了T3 托卡马克装置的温度 确定了他们的成果 这时冷战正酣 这一里程碑式的事件同时也开启 了其他国家的托卡马克时代 他们纷纷更换了受控核聚变研究中的磁 性装置 今天 只有星形装置还被认为是托卡马克的可能的替代品 尽管它的性能远低于后者 1973 年到 1976 年法国的托卡马克装置领先世界 取得了 2 KeV 的温度 2000 万 限定和加热等离子的关节结果就是在这个 装置中获得的 70年代中期之后 建造大型现在托卡马克装置 JET JT60 TFTR 的项目纷纷上马 这一热潮受益于科学研究所取得的激 动人心的进展和对聚变研究资金投入的明显增加 法国以 TFR 机器 帮助欧洲进入托卡马克时代 80 年代开始建造大型超导环型线圈托 卡马克 TORE SUPRA 为持续的核聚变反应提供技术和设施 1988 年投入使用 5 现状 30 年来取得的进步 5 现状 30 年来取得的进步 在过去 30 年里 受控核聚变方向上取得的明显进步 等离子的 能量平衡 标志以密度 温度和能量的约束时间的三重积 增长了 1000 倍 这一飞跃可以与微处理器的发展速度相比 90 年代末期 在 JET 和 JT60 U 托卡马克装置上 获取了氘的等离子体 系统的能 量输入和输出接近平衡 也就是说输入装置用以加热混合的氘和氚的 35 能量大致和他们聚变产生的能量大致相当 在性能取得巨大进步的同 时 大型托卡马克装置中的聚变脉冲时间也延长到 2 分钟 TORE SUPRA 开启了持续核聚变反应堆之门 另一个重要进步是 1997 年在 JET 上取得的 从氘氚混合体中聚变得了 17MW 的能量 6 中国的受控核聚变 6 中国的受控核聚变 我国目前最大的受控核聚变实验装置 中国环流器一号 于 1984 年 9 月 21 日在核工业部西南物理研究所建成并投入运行 中国环流器一号 中国环流器二号 A 实验装置 1994 年 在 中国环流器一号 的基础上 核西物院又改建成 功 中国环流器新一号 HL 1M 装置 取得的实验参数 达到了 当时的国际先进水平 2002 年 我国第一个具有偏滤器位形的托 卡马克装置 中国环流器二号 A HL 2A 在成都建成 标志着我国受控核聚变研究进入大规模物理 实验阶段 2006 年 中国环流器二号 A 装置电子温度达到 5500 万 36 度 2009 年 6 月 22 日 中国环流器二号 A 在国内首次实现偏滤器 位形下的高约束模运行 中国受控核聚变研究步入世界先进行列 7 未来 ITER 项目 7 未来 ITER 项