基础等离子体物理学-浙江大学聚变理论与模拟中心.PDFVIP

基础等离子体物理学 第一章 基本概念 1.1 等离子体应用 1．1．1 等离子体的基本概念和定义 等离子体是和固体、液体、气体同一层次的一种物质存在形态。其最特出的 特征是：由大量的带电粒子（电子、各种电离态的离子）主导基本物理过程， 确定基本物理性质。也就是说，由带电粒子间的长程Coulomb 力（而不是仅限 于分子尺寸范围的Van der Waals 力）确定粒子间相互作用；由这些带电粒子的 集体相互作用形成的宏观电磁场和压强以及外加的电磁场确定系统整体的物理 特征。可以同时存在中性原子、分子或由更多分子集团组成的微粒（如尘埃微粒、 cluster、等）。 Plasma 一 词最早在生物学名词中代表“原生质”和“血浆”。1929 年， Langmuir Tonks 在研究气体放电时将所产生的物质称为plasma 。 我国学者 最早将其译成“等离子区”，后改译为“等离子体”，台湾学者则译成“电浆”。 等离子体一词在一定程度上表示这种物质形态是和气体、液体、固体一样是一种 物体，但其中电子和离子的电荷数相等，也就是电中性。现在还想不出更合适而 又简单的其他词汇，又已被物理学界所接受，其应用也就顺理成章了。 最简单的例子是由一种离子和电子组成的完全电离的，其整体为电中性的体 系。最初的等离子体物理研究也称为完全电离气体物理学。（一本pioneer 的专著 Physics of fully ionized gases 的作者 L. Spitzer Jr ，Prof. of Princeton Uni., 由我 国等离子体和聚变研究的先驱 王承书先生和 金百顺先生译成中文）。因此，早 期人们将完全电中性作为界定等离子体的基本条件之一。现在，完全电中性对聚 变等离子体、空间等离子体、太阳等离子体等仍然是主要的物理特性之一（除很 小的边界区外），但对等离子体壳层(plasma sheath)，等离子体加速器、微波器件、 离子束环等重要物理体系，可以是非电中性的，因而内部电场对体系的性质起重 大影响（如引起等离子体转动）[一本经典专著： Introduction to the physics of non-neutral plasmas, 作者 D C Davidson 是Physics of Plasmas 的主编] 。等离子 体物理的研究范围也更广泛了。因为，已经不是由一种定义来界定研究范围，更 主要的，人们根据研究内容和研究方法的共同性或类似性来归纳学科范畴。“非 电中性等离子体”的意思就是这种物理系统是大量电子和离子组成的，但其整体 并没有达到电中性。但本质上，它仍然是等离子体物理的一个分支。 1．1．2 与等离子体物理相关的领域 磁约束聚变[ Magnetic Confinement Fusion] 和惯性约束聚变 [Inertial Confinement Fusion]，分别代表了“人造太阳”和“微型氢弹”。 ——磁约束聚变等离子体物理学 是发展得最完整的等离子体物理学分支。 当两个带正电荷的氘氚原子核以很大的运动速度互相接近时，如果能够克 服库仑排斥力，当它们接近到核力作用范围时，可以发生聚变反应，并释放出很 大的能量： D +T →n(14.1MeV ) +α(3.5MeV ) 1 α粒子就是He 的原子核。为了使氘氚得到高能量，最合适的方法是将他们“加 热”到高温（1 亿度，相当于 10keV）。因此，变成了高温等离子体。用强磁场 将等离子体约束在反应堆内部的真空容器内，就形成了磁约束装置或反应堆堆芯 装置。已经建造了数以百计的磁约束聚变实验装置并正在建第一座实验反应堆 ITER ( International Thermonuclear Experimental Reactor ) 。这是一类以被称为托卡 马克型约束磁场原理建造的反应堆；可能建造其他磁场位形为基础的反应堆。反 应堆以稳态运行，持续产生氘氚热核反应，因此被称为“人造太阳”。 参考图：ITER 结构图 磁约束聚变等离子体物理包含极其丰富的科学内容。虽然其中许多基本过程 属于经典物理范畴（大多数问题中量子效应不重要），可以用经典电动力学和统 计物理方法来处理，但大量的集体相互作用过程的研究方法与现有经