浅谈磁约束及其应用

1、任何物质，在较低温度下是固体，温度升高就变成液体和气体。虽然不同物质在不同压力下熔化和汽化的温度不同，但随着温度的升高，物质都要由固体变成液体和气体。当气体的温度进一步升高时，情况怎样呢？气体等离子体的形成过程(1)平时的气体，是由分子组成的，称为分子气体。(2)随着温度的升高，气体分子的互相碰撞加剧，分子被碰碎，成为单个的气体原子，这就是原子气体。(3)原子气体温度进一步升高，由于碰撞加剧，原子外的电子，首先被碰掉一部分，成为自由电子与离子的混合物。(4)当温度继续上升，原子核外的全部电子被碰掉，成为自由电子与完全电离了的裸露的原子核的混合物。无论是部分电离或完全电离，在一个小的体积单元内，

2、正离子或带正电的原子核的带电量，与自由电子的带电量是相等的，呈电中性。这些气体，称等离子体。前者称部分等离子体，后者称完全等离子体这种高温等离子体不能用容器来容纳，而要采用特殊的办法来约束。由于太阳质量比地球大33万倍，它所产生的巨大的引力，可以将太阳上的等离子体约束在一起。地球上的引力太小，因此太阳及其他恒星上能在自然条件下产生的聚变，在地球引力的条件下无法来实现。磁约束既然在地球引力的条件下不行，用实物制成的容器也不行，科学家就采用由封闭磁场组成的“容器”来约束电离了的等离子体。这种容器又叫磁瓶或磁笼，它由磁力线组成，看不见，摸不着，不怕高温烈火烧。用磁场实现聚变的方法称为磁约束。等离子体

3、的磁约束原理带电粒子的速度v和磁感强度B成任意夹角时，粒子在磁场中作螺旋运动，回旋半径R与磁感强度B成反比。在很强的磁场中，每个带电粒子的运动被约束在一根磁感线附近的很小的范围内（下图），即带电粒子回旋轨道的中心只能沿磁感线纵向移动，而不能横越它，只有当粒子发生碰撞时，引导中心才能由一根磁感线跳到另一根磁感线，因此，强磁场可以使带电粒子的横向输运过程受到很大的限制。实际问题中，如受控热核反应，不仅要求引导中心受到横向约束，也希望有纵向约束。 下述磁镜装置便能限制引导中心的纵向移动。如一图所示，两个电流方向相同的线圈产生中央弱两端强的不均匀磁场，当处于中间区域的带电粒子沿着z轴向右运动时，设粒子

4、带正电荷q，速度v沿z轴，粒子受到洛伦兹力作用，使粒子向着如二图所示方向（垂直屏幕向里）偏转，可见粒子将获得绕轴旋转的运动速度 ，随着粒子分速度的出现，又将受到洛伦兹力F的作用，其径向分量使粒子向轴线偏转，轴向分量使带电粒子的轴向速度v减少，因为B增大，v减小得也快，粒子运动到右端线圈附近时，由于该处B很大，如果v初始速度较小，则v有可能减至为零，然后就反向运动，犹如光线射到镜面上反射回来一样。如果处于中间区域的带电粒子沿着z轴向左运动，类似分析，可以得出带电粒子运动到左端线圈附近时，带电粒子轴向速度也有可能减至为零，然后带电粒子反向运动，我们通常把这种能约束运动带电粒子的磁场分布叫做磁镜，又

5、形象地称为磁瓶，左下图所示的便是一种磁镜装置，对于其中的带电粒子来说，相当于两端各有一面磁镜，那些纵向速度 不是太大的带电粒子将在两磁镜之间来回反射，被约束在两面“镜子”之间的中间区域而不能逃脱。如前所述，不仅带电粒子的横向运动可被磁场抑制，而且纵向运动又被磁镜所反射，所以这样的磁场分布就象牢宠一样，可以把带电粒子或等离子体约束在其中。 但磁镜装置有个缺点，即总有一部分纵向速度较大的粒子会从两端逃逸，所以采用背景图所示的环形磁场结构，可以避免这个缺点。磁镜约束也存在于自然界中，例如地球磁场两极强中间弱，就是一个天然磁瓶，它使得来自宇宙射线的带电粒子在两磁极间来回振荡（如背景图所示）。生活在地球

6、上的人类及其他生物都应十分感谢这个天然的磁镜约束，正是靠它才将来自宇宙空间、能致生物于死命的各种高能射线或粒子捕获住，使人类和其他生物不被伤害，得以安全地生存下来。地球磁场形如漏斗，尖端对着地球的南北两个磁极，因此太阳发出的带电粒子沿着地磁场这个“漏斗”沉降，进入地球的两极地区。两极的高层大气，受到太阳风的轰击后会发出光芒，形成极光。目前，许多科学家正在对极光作深入的研究。人们看到的极光，主要是带电粒子流中的电子造成的。而且，极光的颜色和强度也取决于沉降粒子的能量和数量。用一个形象比喻，可以说极光活动就像磁层活动的实况电视画面。沉降粒子为电视机的电子束，地球大气为电视屏幕，地球磁场为电子束导向磁场。科学家从这个天然大电视中得到磁层以及日地空间电磁活动的大量信息。例如，通过极光谱分析可以了解沉降粒子束来源，粒