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1、等离子体的磁约束原理张玉萍在辉光放电、弧光放电的阳极柱里，气体处在高度电离状态，但是其中正、负电荷密度几乎 相等，这时的系统同普通的气体有明显的区别，1929年，美国的朗默尔（Langmuir）将它取名 为“plasma”，译名为“等离子体”。在热核反应的高温（约在几百万开甚至一亿开左右）下， 物质处于等离子态，但在热核反应的高温下，任何固体材料的容器早已熔毁，而且散热的速度随 温度的升高而急剧增加。目前在大多数受控热核反应的实验装置里用磁场来约束等离子体，使 之脱离器壁并限制它的热导。下面简单介绍等离子体磁约束的原理。我们知道，带电粒子的速度V和磁感强度B成任意夹角时，此带电粒子在磁场中作螺
2、旋线 运动，且回旋半径R与磁感强度B成反比，磁场越强，半径越小，这样一来，在很强的磁场中， 每个带电粒子的运动便被约束在一根磁感线附近的很小的范围内（右图），也就是说，带电粒子 回旋轨道的中心（也叫引导中心）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（如扩散、热导）受到很大的限制。罗阔子怵实际问题中，例如受控热核反应，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。如上图（a）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
3、带电粒子沿着Z轴向右运动时，设粒子带正电荷q， 速度V沿z轴，如图5-2（b）所示，粒子受到洛伦兹力qvx&作用，使粒子向着如上图（b）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Ve （图中用代表其方向）， 随着粒子分速度Ve的出现，又将受到洛伦兹力F的作用，其径向分量Fr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F = qVQXB , 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，如上图（
4、c），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（见右图动画）的磁 场分布叫做磁镜，又形象地称为磁瓶，上图（a）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V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，所以采用下左图所示的环形磁场结构，可以避 免这个缺点。在受控热核聚变中，除了磁镜的约束外，还有其他的一些磁瓶装置，如托卡马克装置、仿星 器等，它们的结构虽然不尽相同，但都是采用某种特定形态的磁场来约束等离子体。应该指出，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，（如上右图）从而形成第十章所提到的 范阿仑辐射带。生活在地球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。参考资料
