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1、第第2章章 等离子体基本概念等离子体基本概念 n介绍一些介绍一些等离子体物理的基本概念等离子体物理的基本概念, ,为进一为进一步学习等离子体物理做些引导。步学习等离子体物理做些引导。 2.1 等离子体与等离子体物理学等离子体与等离子体物理学 n等等离离子子体体：当当物物质质的的温温度度从从低低到到高高变变化化时时，物物质质将将逐逐次次经经历历固固体体、液液体体和和气气体体三三种种状状态态，当当温温度度进进一一步步升升高高时时，气气体体中中的的原原子子、分分子子将将出出现现电电离离状状态态，形形成成电电子子、离离子子组组成成的的体体系系，这这种种由由大大量量带带电电粒粒子子（有时还有中性粒子）组
2、成的体系便是等离子体（有时还有中性粒子）组成的体系便是等离子体n等离子体是物质存在的第等离子体是物质存在的第4种状态，称种状态，称物质第四态物质第四态。n等等离离子子体体广广泛泛存存在在于于宇宇宙宙空空间间（从从电电离离层层到到宇宇宙宙深深处处物物质质几几乎乎都都是是电电离离状状态态），宇宇宙宙空空间间99%是是等等离离子子体体。地地球球表表面面几几乎乎没没有有自自然然存存在在的的等等离离子子体体。只只有有闪闪电电、气气体体放放电电等等实实验验室室中中出出现现的的电电离离气气体体，即即等离子体。等离子体。* 宇宙中的宇宙中的暗物质暗物质n宇宇宙宙中中存存在在着着许许多多不不发发光光的的天天体体
3、，诸诸如如暗暗星星、行行星星和和黑黑洞洞等等，并并且且在在星星际际空空间间还还存存在在着着大大量量不不可可见见的的尘尘埃埃和和气气体体，即即暗暗物物质质。因因此此，我我们们看看到到的的物质显然比宇宙中实际存在的物质少。物质显然比宇宙中实际存在的物质少。n在在整整个个宇宇宙宙中中必必然然存存在在着着大大量量的的不不可可见见物物质质或或暗暗物质。物质。n天文观测数据还表明，宇宙中不仅存在暗物质，天文观测数据还表明，宇宙中不仅存在暗物质，而且暗物质还将占宇宙物质的绝大部分。而且暗物质还将占宇宙物质的绝大部分。 “Plasma”n等离子体英文词等离子体英文词 “Plasma” 源予希腊文源予希腊文“”
4、，是，是1928年朗缪尔把辉光放电产年朗缪尔把辉光放电产生的电离气体命名为生的电离气体命名为“Plasma”而引入的。而引入的。n中文译词中文译词“等离子体等离子体”（台湾称（台湾称“电浆电浆”）其本意是电离状态气体正负电荷大体）其本意是电离状态气体正负电荷大体相等，整体上处于电中性（准电中性）。相等，整体上处于电中性（准电中性）。 等离子体物理学等离子体物理学n19世纪世纪30年代气体放电管中电离气体的研究年代气体放电管中电离气体的研究n20世纪世纪30年代到年代到50年代初在借鉴其它学科研究方年代初在借鉴其它学科研究方法的基础上建立了等离子体物理的基本理论框架法的基础上建立了等离子体物理的
5、基本理论框架和描述方法，同时把其研究范围从电离气体、金和描述方法，同时把其研究范围从电离气体、金属中电子气拓展到电离层和天体。属中电子气拓展到电离层和天体。n20世纪世纪50年代起，在受控热聚变研究和空间技术年代起，在受控热聚变研究和空间技术的巨大推动下，等离子体物理才得到充分的发展的巨大推动下，等离子体物理才得到充分的发展并成熟起来，并成熟起来，n20世纪世纪70年代末成为物理学界公认的一门新的物年代末成为物理学界公认的一门新的物理学独立分支学科。理学独立分支学科。 等离子体物理学影响与作用等离子体物理学影响与作用n等等离离子子体体广广泛泛存存在在于于宇宇宙宙空空间间，认认识识和和掌掌握握各
6、各种种条条件件下下等等离离子子体体运运动动规规律律是是人人类类认认识识宇宇宙宙中中各各种种现现象象的的基基本本前前提提。所所以以，等等离离子子体体物物理理是是向向我我们们提提供供太太阳阳、恒恒星星、行行星星际际介介质质和和银银河河系系知知识识的的基基石之一。石之一。 n等等离离子子体体物物理理学学研研究究为为人人类类解解决决能能源源问问题题带带来来希希望望。因因为为受受控控核核聚聚变变可可以以为为人人类类提提供供长长期期用用之之不不竭竭的的新新能能源源。然然而而，实实现现核核聚聚变变能能利利用用，要要求求改改善善约约束束和和加加热热等等离离子子体体的的方方法法。因因此此，掌掌握握高高温温等离子
7、体的运动规律是实现受控核聚变的关键。等离子体的运动规律是实现受控核聚变的关键。 n等等离离子子体体物物理理学学是是人人类类认认识识和和控控制制地地球球环环境境变变化化、开开发发空空间间产产业业、维维持持全全球球通通讯讯的的重重要要保保证证。太太阳阳等等离离子子体体热热核核能能量量的的输输出出和和传传输输、磁磁层层和和电电离离层层中中能能量量的的转转化化和和分分配配，对对于于认认识识和和保保障障地地球球环环境境有有深深远远的的意意义义。空空间间等等离离子子体体物物理理学学研研究究能能为为保保障障航航天天安安全全和和空空间间应应用用提提供供理理论论依依据据。研研究究电电离离层层等等离离子子体体环环
8、境境及及其其对对电电波波传传播播的的影影响响，保保障障和和改改善善通通讯讯、导导航和授时精度的重要作用。航和授时精度的重要作用。 n等离子体物理学研究可促进低温等离子体技术在国等离子体物理学研究可促进低温等离子体技术在国民经济各领域中广泛应用。等离子体处理加工技术民经济各领域中广泛应用。等离子体处理加工技术已成为一些重要产业（如微电子、半导体、材料、已成为一些重要产业（如微电子、半导体、材料、航天、冶金等）的关键技术，而在灭菌、消毒、环航天、冶金等）的关键技术，而在灭菌、消毒、环境污染处理、发光和激光的气体放电、等离子体显境污染处理、发光和激光的气体放电、等离子体显示、表面改性、同位素分离、开
9、关和焊接技术等方示、表面改性、同位素分离、开关和焊接技术等方面的应用已创造了极大的经济效益。面的应用已创造了极大的经济效益。 n等等离离子子体体物物理理学学研研究究开开辟辟了了由由高高技技术术开开发发的的新新领领域域。非非中中性性等等离离子子体体的的研研究究产产生生了了一一批批崭崭新新的的具具有有革革命命性性意意义义的的高高技技术术项项目目，如如相相干干辐辐射射源源的的研研制制和和粒粒子子加加速速器器新新概概念念的的提提出出。将将在在能能源源、国国防防、通通讯讯、材材料料科科学学和和生生物物医医学学中中发发挥挥重重要要作作用用。对对基基本本物物理理过过程程的的深深入入研研究究已已成成为为推推动
10、动这这些些技技术术取取得得突突破破性性进进展展的关键。的关键。 n等等离离子子体体物物理理学学各各领领域域的的研研究究还还提提出出了了一一些些带带有有共共性性、密密切切相相关关的的基基本本问问题题，如如波波和和粒粒子子相相互互作作用用、等等离离子子体体加加热热、混混沌沌、湍湍流流和和输输运运、等等离离子子体体鞘鞘层层和和边边界界层层, ,磁磁场场重重联联和和发发动动机机效效应应等等。这这些些问问题题构构成成了等离子体物理进一步发展的重要内容。了等离子体物理进一步发展的重要内容。 等离子体物理学科方向等离子体物理学科方向主要研究内容主要研究内容 n等离子体物理主要研究等离子体的整体形态和集体等离
11、子体物理主要研究等离子体的整体形态和集体运动规律、等离子体与电磁场及其它形态物质的相运动规律、等离子体与电磁场及其它形态物质的相互作用。互作用。 n等离子体物理研究范围非常广泛：磁约束聚变等离等离子体物理研究范围非常广泛：磁约束聚变等离子体、惯性约束聚变等离子体、空间等离子体、天子体、惯性约束聚变等离子体、空间等离子体、天体等离子体、低温等离子体、非中性等离子体、尘体等离子体、低温等离子体、非中性等离子体、尘埃等离子体、基础等离子体等埃等离子体、基础等离子体等n等离子体物理在理论上也是对物理学的严峻挑战。等离子体物理在理论上也是对物理学的严峻挑战。它涉及多体的长程相互作用、强磁场以及电磁场与它
12、涉及多体的长程相互作用、强磁场以及电磁场与多粒子体系耦合等。多粒子体系耦合等。 2.2 等离子体的基本性质等离子体的基本性质 1. 电荷屏蔽电荷屏蔽现象现象与等离子体准与等离子体准电中性电中性n电荷屏蔽电荷屏蔽现象：现象： 等离子体是由大量带电粒子组成的多等离子体是由大量带电粒子组成的多粒子体系。两个带电粒子之间本来是粒子体系。两个带电粒子之间本来是简单的库仑作用，由于周围大量带电简单的库仑作用，由于周围大量带电粒子的存在，会出现电荷屏蔽现象，粒子的存在，会出现电荷屏蔽现象，这是等离子体的重要特征之一。这是等离子体的重要特征之一。 n在等离子体中考察任一个带在等离子体中考察任一个带电粒子，由于
13、它的静电场作电粒子，由于它的静电场作用，在其附近会吸引异号电用，在其附近会吸引异号电荷的粒子、同时排斥同号电荷的粒子、同时排斥同号电荷的粒子，从而在其周围会荷的粒子，从而在其周围会出现净的异号出现净的异号“电荷云电荷云”，这样就削弱了这个带电粒子这样就削弱了这个带电粒子对远处其他带电粒子的作用，对远处其他带电粒子的作用，这就是电荷屏蔽现象。因此这就是电荷屏蔽现象。因此在等离子体中，一个带电粒在等离子体中，一个带电粒子对较远处的另一个带电粒子对较远处的另一个带电粒子的作用，就不再是库仑势，子的作用，就不再是库仑势，而应是而应是“屏蔽库仑势屏蔽库仑势”。 +电荷屏蔽现象计算电荷屏蔽现象计算n原点处
14、有电荷为原点处有电荷为q q的粒子的粒子, ,空间电荷分布为空间电荷分布为n球对称空间电势分布应满足方程球对称空间电势分布应满足方程 n由于离子惯性比电子大得多，可以忽略离由于离子惯性比电子大得多，可以忽略离子运动的影响，即子运动的影响，即 n0是离子不受中心电荷是离子不受中心电荷q影响时的均匀分布影响时的均匀分布 n假假设设电电子子受受电电势势的的影影响响处处于于热热平平衡衡状状态态，电电子子密密度度平平衡衡分分布布可可取取势势场场为为时时的的玻玻尔尔兹兹曼分布曼分布ne0为为不不受受中中心心电电荷荷影影响响时时的的电电子子密密度度, Te为为电电子温度子温度 n电中性（初始）：电中性（初始
15、）： n空间电荷分布空间电荷分布 n高温条件：高温条件：n方程为方程为n方程的解方程的解n电荷屏蔽效应后中心电荷电荷屏蔽效应后中心电荷q q的作用势，称为的作用势，称为屏蔽库仑势屏蔽库仑势n参量参量 具有长度的量纲，称为德拜屏蔽长具有长度的量纲，称为德拜屏蔽长度，它是反映电荷屏蔽效应的特征长度。度，它是反映电荷屏蔽效应的特征长度。 电荷屏蔽效应的特征长度意义电荷屏蔽效应的特征长度意义 两个粒子之间的作用为库仑势两个粒子之间的作用为库仑势 n 因子起重要作用。因子起重要作用。n一般情况下，等离子体中带电粒子间长程一般情况下，等离子体中带电粒子间长程部分的相互作用是主要的。部分的相互作用是主要的。
16、n 是等离子体的一个重要特征参量，它可是等离子体的一个重要特征参量，它可作为等离子体空间宏观尺度的量度。作为等离子体空间宏观尺度的量度。 等离子体定义等离子体定义(1)(1)n 是是等等离离子子体体空空间间尺尺度度的的下下限限，当当等等离离子子体体空空间间尺尺度度 时时, ,才才能能保保证证等等离离子子体体的的准准电电中性。中性。n电电荷荷屏屏蔽蔽效效应应能能保保持持等等离离子子体体在在 范范围围内内为为电电中中性性，称称为为准准电电中中性性。这这是是电电离离气气体体成为等离子体的基本条件之一。成为等离子体的基本条件之一。n等等离离子子体体的的定定义义：由由大大量量正正负负带带电电粒粒子子组组
17、成成的准电中性的体系的准电中性的体系。 离子离子屏蔽效应与动屏蔽问题屏蔽效应与动屏蔽问题* *n如果考虑离子的屏蔽效应，电子、离子分布：如果考虑离子的屏蔽效应，电子、离子分布：n电荷分布：电荷分布：等离子体振荡与振荡频率等离子体振荡与振荡频率 n现在讨论由于某种原现在讨论由于某种原因引起的局部电荷分因引起的局部电荷分离，产生的等离子体离，产生的等离子体振荡现象。振荡现象。n电子等离子体振荡电子等离子体振荡 因为这种振荡是因为这种振荡是1920年朗缪尔年朗缪尔(Langmuir)发现的，所以又称朗发现的，所以又称朗缪尔振荡缪尔振荡 等离子体振荡频率等离子体振荡频率n离子当成一种均匀分布的正电荷背
18、景，振荡只是离子当成一种均匀分布的正电荷背景，振荡只是电子的集体运动行为，可用磁流体模型来研究电电子的集体运动行为，可用磁流体模型来研究电子等离子体振荡子等离子体振荡n电场是电子运动产生的电荷分离引起的电场是电子运动产生的电荷分离引起的n只讨论小振幅的振荡只讨论小振幅的振荡 n小振幅的振荡小振幅的振荡n角标角标1为扰动量，为扰动量，线性化方程线性化方程 ：n设扰动发生在设扰动发生在z轴方向，这时也沿轴方向，这时也沿z轴方向，轴方向，取平面波的解：取平面波的解：n代入线性化方程，得代入线性化方程，得n任意消去两个未知量，得任意消去两个未知量，得 n必需满足：必需满足：n由此得电子等离子体振荡频率
19、由此得电子等离子体振荡频率 ：n与与等等离离子子体体的的密密度度、电电子子质质量量、电电荷荷有有关关，所所以以它它是是等等离离子子体体的的特特征征频频率率。相相应应的的振振荡荡周周期期可可作作为为衡衡量量等等离离子子体体准准电电中中性性的的特特征征时时间。间。n对于热核等离子体，振荡频率对于热核等离子体，振荡频率n电子电子- -离子碰撞频率离子碰撞频率 离子等离子体振荡离子等离子体振荡n如果出现离子的电荷涨落，它在静电力的作用下如果出现离子的电荷涨落，它在静电力的作用下也会向其原来的电中性平衡位置运动，产生离子也会向其原来的电中性平衡位置运动，产生离子等离子体振荡或简称离子振荡。等离子体振荡或
20、简称离子振荡。n离子的运动速度比电子的慢得多，离子振荡周期离子的运动速度比电子的慢得多，离子振荡周期比电子振荡周期长得多，在离子完成一个振荡周比电子振荡周期长得多，在离子完成一个振荡周期内，电子依靠热运动就可以在空间实现均匀分期内，电子依靠热运动就可以在空间实现均匀分布。因此可以认为，离子的振荡是在均匀的电子布。因此可以认为，离子的振荡是在均匀的电子背景中产生的背景中产生的n离子振荡频率离子振荡频率 等离子体宏观时间尺度等离子体宏观时间尺度 n电子等离子体振荡特征时间：电子等离子体振荡特征时间：n作为等离子体宏观时间尺度。作为等离子体宏观时间尺度。 因为因为 ，电子等离子体振荡总是存在；，电子
21、等离子体振荡总是存在； 仅仅当当 ，空空间间电电荷荷、空空间间电电场场等等的的时时间间平平均均都都为为0，因因此此，电电子子等等离离子子体体振振荡荡特特征征时时间间是是衡衡量等离子体准电中性的时间下限。量等离子体准电中性的时间下限。德拜长度距离上两粒子作用时间德拜长度距离上两粒子作用时间 n德拜长度距离上两粒子作用时间：德拜长度距离上两粒子作用时间：n粒子特征热运动速度粒子特征热运动速度 n等离子体振荡周期与德拜长度距离上两粒子作用等离子体振荡周期与德拜长度距离上两粒子作用时间是一致的。因此，用时间是一致的。因此，用电子振荡特征时间作为电子振荡特征时间作为等离子体宏观存在时间等离子体宏观存在时
22、间是合适的是合适的 等离子体的定义等离子体的定义 （2）n由大量正负带电粒子组成的、空间尺度由大量正负带电粒子组成的、空间尺度和时间尺度和时间尺度的准电中性的体系。的准电中性的体系。 3. 等离子体的碰撞等离子体的碰撞 n等离子体中的粒子碰撞与中性气体中的粒子碰撞等离子体中的粒子碰撞与中性气体中的粒子碰撞有有显著不同显著不同。n中性粒子间的作用是短程力中性粒子间的作用是短程力（力程约粒子线度大力程约粒子线度大小），在两个粒子之间是自由的，仅当接近到粒小），在两个粒子之间是自由的，仅当接近到粒子半径距离附近才有明显作用，因此它们间的弹子半径距离附近才有明显作用，因此它们间的弹性碰撞是性碰撞是近距
23、离的二体碰撞近距离的二体碰撞，碰撞引起的偏转角，碰撞引起的偏转角是显著的、多半是大角度的。是显著的、多半是大角度的。n等离子体中的带电粒子之间相互作用是等离子体中的带电粒子之间相互作用是长程库仑长程库仑力力，一个带电粒子同时与许多带电粒子发生作用，一个带电粒子同时与许多带电粒子发生作用，即即多体相互作用多体相互作用，因而等离子体中的，因而等离子体中的带电粒子带电粒子“碰撞碰撞”是极其复杂的。是极其复杂的。 n等离子体中带电粒子间的相互作用是屏蔽库仑势，等离子体中带电粒子间的相互作用是屏蔽库仑势，力程为德拜屏蔽长度。带电粒子的库仑相互作用力程为德拜屏蔽长度。带电粒子的库仑相互作用分成了两部分：即
24、在德拜球（以德拜长度为半径分成了两部分：即在德拜球（以德拜长度为半径的球体）以外的长程库仑作用和在德拜球以内的的球体）以外的长程库仑作用和在德拜球以内的短程库仑作用，长程库仑作用的结果表现出带电短程库仑作用，长程库仑作用的结果表现出带电粒子的集体行为，而短程库仑作用的结果则是库粒子的集体行为，而短程库仑作用的结果则是库仑碰撞。仑碰撞。n“库仑碰撞库仑碰撞”总是一个带电粒子同时与大量其它总是一个带电粒子同时与大量其它带电粒子相带电粒子相“碰撞碰撞”n在磁约束热核聚变装置中，磁场能改变带电粒子在磁约束热核聚变装置中，磁场能改变带电粒子的运动方向，对带电粒子在屏蔽库仑场作用下速的运动方向，对带电粒子
25、在屏蔽库仑场作用下速度方向的偏转也会有额外的贡献，自然也会影响度方向的偏转也会有额外的贡献，自然也会影响到粒子间的碰撞。到粒子间的碰撞。n可以证明，在一定条件下，等离子体中带电粒子可以证明，在一定条件下，等离子体中带电粒子间的多体碰撞，可以间的多体碰撞，可以近似地等于二体碰撞叠加近似地等于二体碰撞叠加。 n在等离子体中，粒子速度方向经一次碰撞就偏转在等离子体中，粒子速度方向经一次碰撞就偏转9090的几率，比每次碰撞只偏转很小角度，但经过的几率，比每次碰撞只偏转很小角度，但经过多次碰撞后积累到偏转多次碰撞后积累到偏转9090的几率约小的几率约小2 2个数量级。个数量级。因此在等离子体中，通过大量
26、小角度散射积累到大因此在等离子体中，通过大量小角度散射积累到大的偏转比只经过一次散射就得到大的偏转大几十倍。的偏转比只经过一次散射就得到大的偏转大几十倍。小角度散射是主要的！小角度散射是主要的！n在等离子体中，把通过在等离子体中，把通过大量小角度散射积累到大的大量小角度散射积累到大的偏转（偏转（9090）称为）称为“碰撞碰撞”，实现这样碰撞所经，实现这样碰撞所经历的平均时间称平均碰撞时间。历的平均时间称平均碰撞时间。n几种平均碰撞时间的数量级：几种平均碰撞时间的数量级：n平均碰撞频率平均碰撞频率 n库仑相互作用短程部分所造成的碰撞过程的时间尺库仑相互作用短程部分所造成的碰撞过程的时间尺度与库仑
27、相互作用长程部分所造成集体运动的等度与库仑相互作用长程部分所造成集体运动的等离子体振荡周期相比较：离子体振荡周期相比较：n等等离离子子体体中中的的碰碰撞撞过过程程比比等等离离子子体体集集体体振振荡荡过过程程慢慢得得多多。说说明明等等离离子子体体的的特特性性是是以以集集体体效效应应为为主主。实实际际上上，在在短短程程碰碰撞撞引引起起等等离离子子体体性性质质改改变变的的时时间间尺尺度度内内，就就能能出出现现各各种种等等离离子子体体集集体体现现象象( (如如等等离离子子体体波波、不不稳稳定定性性等等) )，因因而而在在多多数数场场合合，这这种种短程碰撞影响都可忽略。短程碰撞影响都可忽略。 等离子体定
28、义（统一的等离子体定义（统一的 ） n必须指出，并非任何带电粒子组成的体系必须指出，并非任何带电粒子组成的体系都是等离子体，只有具备了等离子体特性都是等离子体，只有具备了等离子体特性的带电粒子体系，才可称为等离子体。的带电粒子体系，才可称为等离子体。n等等离离子子体体是是由由大大量量正正负负带带电电粒粒子子组组成成的的( (有有时时还还有有中中性性粒粒子子) )、在在空空间间尺尺度度 和和时时间间尺尺度度 具具有有准准电电中中性性的的、在在电电磁磁场场及及其其他他长长程程力力作作用用下下粒粒子子的的运运动动和和行行为为以以集体效应为主集体效应为主的体系的体系。 等离子体辐射等离子体辐射 n等等
29、离离子子体体中中存存在在大大量量的的以以各各种种形形式式运运动动的的带带电电粒粒子子，因因而而会会引引起起多多种种的的辐辐射射，称称等等离子体辐射。离子体辐射。n等等离离子子体体辐辐射射：轫轫致致辐辐射射、复复合合辐辐射射、回回旋辐射、激发辐射以及契仑柯夫辐射等旋辐射、激发辐射以及契仑柯夫辐射等n对对磁磁约约束束热热核核聚聚变变等等离离子子体体，最最重重要要的的辐辐射过程是：轫致辐射和回旋辐射。射过程是：轫致辐射和回旋辐射。轫致辐射轫致辐射n轫致辐射是自由带电粒子受外场作用、使其运动轫致辐射是自由带电粒子受外场作用、使其运动速度发生变化而辐射的电磁波。速度发生变化而辐射的电磁波。n等离子体中，
30、电子受到离子的作用而做加速运动等离子体中，电子受到离子的作用而做加速运动时，就会产生轫致辐射。轫致辐射的光谱是时，就会产生轫致辐射。轫致辐射的光谱是连续连续光谱光谱（X X射线）。因为电子射线）。因为电子- -电子作用对轫致辐射电子作用对轫致辐射的贡献很小，可以忽略，所以等离子体中的轫致的贡献很小，可以忽略，所以等离子体中的轫致辐射辐射主要是电子主要是电子- -离子作用离子作用产生的。产生的。n电子轫致辐射损失功率密度电子轫致辐射损失功率密度 (Wcm(Wcm-3-3 ) ) 回旋辐射（磁轫致辐射回旋辐射（磁轫致辐射） n在热核等离子体中，离子和电子受相同的洛仑兹在热核等离子体中，离子和电子受
31、相同的洛仑兹力，由于电子的加速度远大于离子的加速度，因力，由于电子的加速度远大于离子的加速度，因此在热核等离子体中只要考虑此在热核等离子体中只要考虑电子的回旋辐射电子的回旋辐射。 n典典型型的的热热核核等等离离子子体体，电电子子回回旋旋辐辐射射频频率率为为10101111HzHz，波波长长为为毫毫米米量量级级，属属于于微微波波范范围围。由由于于回回旋旋辐辐射射的的波波长长比比较较长长，通通常常能能为为等等离离子子体体所所吸吸收或能被适当设计的器壁所反射。收或能被适当设计的器壁所反射。n辐辐射射导导致致等等离离子子体体能能量量损损失失，辐辐射射也也可可以以提提供供有有关等离子体的重要信息。关等离
32、子体的重要信息。 2.3 等离子体参量与分类等离子体参量与分类 n等离子体等离子体参量参量 ： 粒子性质的物理量粒子性质的物理量 ：电子、离子质量及电荷电子、离子质量及电荷 宏观状态的物理量：电子、离子的密度，温度宏观状态的物理量：电子、离子的密度，温度n等离子体等离子体分类分类：（1 1）温度很高，电子热运动速度应温度很高，电子热运动速度应考虑相对论考虑相对论效效应：应：T Te e 10keV 10keV v v0.30.3c c（2 2）等等离离子子体体的的密密度度很很高高（接接近近固固体体），粒粒子子间间的的距距离离接接近近或或小小于于电电子子德德布布洛洛依依波波长长，应应考考虑虑量量
33、子效应。子效应。量子和经典量子和经典界限：界限：（3）按照粒子间作用强弱区分理想与非理想按照粒子间作用强弱区分理想与非理想等离子体。等离子体。 平均势能平均势能 平均动能平均动能n理想理想等离子体条件：等离子体条件：n弱耦合弱耦合等离子体等离子体n强耦合强耦合等离子体等离子体 宇宙和实验室中等离子体参量宇宙和实验室中等离子体参量n见表见表2.3.12.3.1数据数据n等等离离子子体体振振荡荡频频率率比比电电子子碰碰撞撞频频率率大大很很多多（2 23 3个个量量级级以以上上），即即等等离离子子体体中中的的碰碰撞撞过过程程比比等等离离子子体体集集体体振振荡荡过过程程慢慢得得多多，所以等离子体的特性
34、是以集体效应为主的。所以等离子体的特性是以集体效应为主的。典型的等离子体密度、温度区域典型的等离子体密度、温度区域 n1.1.固体等离子体；固体等离子体；n2.2.电离层；电离层；n3.3.日冕；日冕；n4.4.气体放电等离子体；气体放电等离子体；n5.5.激激光光热热核核实实验验等等离离子体；子体；n6.6.准准稳稳热热核核实实验验等等离离子体；子体；n7.7.激光热核反应堆；激光热核反应堆；n8.8.准稳热核反应堆。准稳热核反应堆。 2.4 等离子体的描述方法等离子体的描述方法n等离子体中带电粒子间既有短程库仑作用等离子体中带电粒子间既有短程库仑作用引起的碰撞，又存在长程库仑作用引起的引起
35、的碰撞，又存在长程库仑作用引起的集体运动，其中又有外加的强磁场，还有集体运动，其中又有外加的强磁场，还有自身产生的电磁场，因此要自身产生的电磁场，因此要精确描述等离精确描述等离子体的行为极其困难子体的行为极其困难。目前，只能根据不。目前，只能根据不同条件和研究的问题，采用不同的近似方同条件和研究的问题，采用不同的近似方法，对等离子体进行描述。法，对等离子体进行描述。 1. 单粒子轨道描述法单粒子轨道描述法 n单粒子轨道描述法：研究单个带电粒子在外加的电单粒子轨道描述法：研究单个带电粒子在外加的电场或磁场作用下的运动，完全忽略等离子体中其场或磁场作用下的运动，完全忽略等离子体中其他带电粒子对它的
36、作用。他带电粒子对它的作用。n单个粒子的运动轨道只需用牛顿力学方程和粒子的单个粒子的运动轨道只需用牛顿力学方程和粒子的初始条件初始条件( (空间位置和速度空间位置和速度) )就可以完全确定就可以完全确定n单粒子轨道描述方法，单粒子轨道描述方法，是一种近似的方法，但处理是一种近似的方法，但处理问题的方法简单，物理图像直观，能够给出问题的方法简单，物理图像直观，能够给出带电带电粒子在一些复杂的电磁场作用下运动的轨迹，能粒子在一些复杂的电磁场作用下运动的轨迹，能较好的解释等离子体的许多性质。较好的解释等离子体的许多性质。 2. 磁流体描述法磁流体描述法 n它它是是把把等等离离子子体体看看成成导导电电
37、流流体体，用用经经典典流流体体力力学学和和电电动动力力学学相相结结合合的的方方法法，研研究究导导电电流流体体和和磁磁场场的的相相互作用，它互作用，它着重于等离子体的整体行为。着重于等离子体的整体行为。n等等离离子子体体与与普普通通流流体体不不同同，因因为为导导电电流流体体的的运运动动比比普普通通流流体体要要复复杂杂得得多多，它它既既服服从从流流体体力力学学的的规规律律，又又服服从从电电动动力力学学的的规规律律，要要用用流流体体力力学学方方程程和和电电动动力力学学方方程程联联合合进进行行描描述述，形形成成了了研研究究导导电电流流体体在在电电磁场中运动规律的科学，称为磁流体力学（磁场中运动规律的科
38、学，称为磁流体力学（MHDMHD）n磁磁流流体体描描述述法法主主要要用用于于描描述述等等离离子子体体的的宏宏观观运运动动，如如等等离离子子体体的的集集体体振振荡荡、宏宏观观平平衡衡、宏宏观观不不稳稳定定性性以及各种波动现象。以及各种波动现象。3. 统计描述法统计描述法 n单粒子轨道描述法只考察单个粒子的运动，忽略了单粒子轨道描述法只考察单个粒子的运动，忽略了粒子间的相互作用；磁流体描述法只考虑整体行为，粒子间的相互作用；磁流体描述法只考虑整体行为，忽略了单个粒子的运动，两者都是近似的描述法。忽略了单个粒子的运动，两者都是近似的描述法。n等离子体是由大量微观粒子组成的体系，用统计物等离子体是由大
39、量微观粒子组成的体系，用统计物理学的方法才可揭示其更深刻的运动规律。等离子理学的方法才可揭示其更深刻的运动规律。等离子体的统计描述法是最基本的描述法。体的统计描述法是最基本的描述法。n统计力学最基本的描述是定义粒子的位置、速度、统计力学最基本的描述是定义粒子的位置、速度、时间的分布函数，然后确定分布函数满足的方程，时间的分布函数，然后确定分布函数满足的方程，即动理学方程。即动理学方程。 4. 粒子模拟法粒子模拟法n在有些等离子体问题中，无论用磁流体描述法还是在有些等离子体问题中，无论用磁流体描述法还是统计描述法，都不足以描述等离子体行为，于是人统计描述法，都不足以描述等离子体行为，于是人们不得
40、不去跟踪每个粒子的轨道，以了解整个体系们不得不去跟踪每个粒子的轨道，以了解整个体系的行为，即粒子模拟法。的行为，即粒子模拟法。n等离子体粒子模拟就是通过跟踪大量带电粒子在自等离子体粒子模拟就是通过跟踪大量带电粒子在自洽场和外加电磁场作用下的运动来了解等离子体的洽场和外加电磁场作用下的运动来了解等离子体的某些行为。某些行为。n核聚变装置中每立方米等离子体的总粒子数约为核聚变装置中每立方米等离子体的总粒子数约为10101919个，如果对这些粒子运动轨道都考虑，当代计算个，如果对这些粒子运动轨道都考虑，当代计算机的容量就远远不够。如果只限于研究某类等离子机的容量就远远不够。如果只限于研究某类等离子体的某些特殊行为，实际上只需要考察一个相对小体的某些特殊行为，实际上只需要考察一个相对小的模拟体系，这样就可能用计算机模拟等离子体系的模拟体系，这样就可能用计算机模拟等离子体系的行为。的行为。第第2章结束章结束 谢谢！
