等離子體技術(shù)

360361等離子體技術(shù)一、等離子體含有足夠數(shù)量的自由帶電粒子,有較大的電導(dǎo)率,其運(yùn)動(dòng)主要受電磁力支配的物質(zhì)狀態(tài)。等離子體由帶正電的離子和帶負(fù)電的電子，也可能還有一些中性的原子和分子所組成。等離子體在宏觀上一般是電中性的，即它所含有的正電荷和負(fù)電荷幾乎處處相等。由于帶電粒子之間的作用主要是長(zhǎng)程的庫(kù)侖力，每個(gè)粒子都同時(shí)和四周很多粒子發(fā)生作用，因此等離子體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中一般表現(xiàn)出明顯的集體行為。等離子體的性質(zhì)不同于固體、液體和氣體，常稱為物質(zhì)的第四態(tài)。閃電、極光等是地球上的自然等離子體的輻射現(xiàn)象。電弧、日光燈中發(fā)光的電離氣體，以及試驗(yàn)室中的高溫電離氣體等是人造的等離子體。在地球以外，如圍繞地球的電離層、太陽(yáng)及其他恒星、太陽(yáng)風(fēng)、很多種星際物質(zhì)，都是等離子體。自然的等離子體在地球上雖不多見，但在宇宙間卻是物質(zhì)存在的主要形式，它占宇宙間物質(zhì)總量的絕大局部。幾種典型的等離子體的電子數(shù)密度和溫度的范圍可見圖1各種等離子體的參量范圍。二、等離子體物理學(xué)爭(zhēng)論等離子體的形成、性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一門學(xué)科。宇宙間的物質(zhì)絕大局部處于等離子體狀態(tài)。天體物理學(xué)和空間物理學(xué)所爭(zhēng)論的對(duì)象中，如太陽(yáng)耀斑、日冕、日珥、太陽(yáng)黑子、太陽(yáng)風(fēng)、地球電離層、極光以及一般恒星、星云、脈沖星等等，都涉及等離子體。處于等離子狀態(tài)的輕核，在聚變過(guò)程中釋放了大量的能量,因此,這個(gè)過(guò)程的實(shí)現(xiàn)，將為人類開發(fā)取之不盡的能源。要利用這種能量，必需解決等離子體的約束、加熱等物理問(wèn)題。所以，等離子體物理學(xué)是天體物理學(xué)、空間物理學(xué)和受控?zé)岷司圩儬?zhēng)論的試驗(yàn)與理論根底。此外，低溫等離子體的多項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用，如磁流體發(fā)電、等離子體冶煉、等離子體化工、氣體放電型的電子器件，以及火箭推動(dòng)劑等爭(zhēng)論，也都離不開等離子體物理學(xué)。金屬及半導(dǎo)體中電子氣的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，也與等離子體物理有聯(lián)系。1、進(jìn)展簡(jiǎn)史19;1920理學(xué)的爭(zhēng)論；1950年前后開頭對(duì)受控?zé)岷司圩兊臓?zhēng)論；以及低溫等離子體技術(shù)應(yīng)用的爭(zhēng)論，從四個(gè)方面推動(dòng)了這門學(xué)科的進(jìn)展。1930年月英國(guó)的MJ.J.湯姆孫、J.S.E.湯森德等人相繼爭(zhēng)論氣體放電現(xiàn)象，這實(shí)際上是等離子體試驗(yàn)爭(zhēng)論的起步時(shí)期。1879W.克魯克斯承受“物質(zhì)第四態(tài)”這個(gè)名詞來(lái)描述氣體放電管中的電離氣體。美國(guó)的I.朗繆爾在19281929年美國(guó)的L.湯克斯和朗繆爾指出了等離子體中電子密度的疏密波〔即朗繆爾波。201902O.亥維賽等為了這個(gè)假說(shuō)為英國(guó)的E.V.阿普頓用試驗(yàn)證明。英國(guó)的D.R.哈特里(1931)和阿普頓(1932)提出了電離層的折射率公式，并得到磁化等離子體的色散方程。1941S.V.C.A包圍，并使它受壓縮而變形。2030Л.Д19361938年蘇聯(lián)的A.A.符拉索夫提出了符拉索夫方程，即棄去碰撞項(xiàng)的無(wú)碰撞方程。朗道碰撞積分和符拉索夫方程的提出，標(biāo)志著動(dòng)力論的發(fā)端。1942H.阿爾文指出，當(dāng)抱負(fù)導(dǎo)電流體處在磁場(chǎng)中，會(huì)產(chǎn)生沿磁力線傳播的橫波(即阿爾文波)。印度的S.錢德拉塞卡在1942年提出用摸索粒子模型來(lái)爭(zhēng)論弛豫過(guò)程。1946年朗道證明當(dāng)朗繆爾波傳播時(shí)，共振電子會(huì)吸取波的能量造成波衰減，這稱為朗道阻尼。朗道的這個(gè)理論，開創(chuàng)了等離子體中波和粒子相互作用和微觀不穩(wěn)定性這些的爭(zhēng)論領(lǐng)域。19351952H.HM.玻恩等從劉維定BBGKY這給等離子體動(dòng)力論奠定了理論根底。1950年以后，由于英、美、蘇等國(guó)開頭大力爭(zhēng)論受控?zé)岷朔错?，促使等離子體1929R.de奧地利的F.G.豪特曼斯提出設(shè)想，太陽(yáng)內(nèi)部輕元素的核之間的熱核反響所釋放的能量是太陽(yáng)能的來(lái)源，這是自然的自控?zé)岷朔错憽?957J.D.勞孫提出受控?zé)岷朔错憣?shí)現(xiàn)能量增益的條件，即勞孫判據(jù)。50年月以來(lái)已建成了一批受控聚變的試驗(yàn)裝置，如美國(guó)的仿星器和磁鏡以及蘇聯(lián)的托卡馬克，這三種是磁約束熱核聚變?cè)囼?yàn)裝置。60年月后又建立一批慣性約束聚變?cè)囼?yàn)裝置。環(huán)狀磁約束等離子體的平衡問(wèn)題由蘇聯(lián)的V.D.沙弗拉諾夫等解決。美國(guó)的M.克魯斯卡和沙弗拉諾夫?qū)С隽俗钪匾囊环N等離子體不穩(wěn)定性，即扭曲不穩(wěn)定性的判據(jù)。1958I.B.伯恩斯坦等提出分析宏觀不穩(wěn)定性的能量原理。處在環(huán)狀磁場(chǎng)中的等離子體的輸運(yùn)系數(shù)首先由聯(lián)邦德國(guó)的D.普菲爾施等作了爭(zhēng)論(1962)，他們給出在密度較大區(qū)的集中系數(shù)，蘇聯(lián)的A.A.加列耶夫等給出了密度較小區(qū)的集中系散(1967)，這一理論適用于托卡馬克這類環(huán)狀磁約束等離子體中的輸運(yùn)過(guò)程被命名為經(jīng)典理論。自從蘇聯(lián)在1957和空間試驗(yàn)室，獲得很多觀測(cè)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，這極大地推動(dòng)天體和空間等離子體物理學(xué)的進(jìn)展。1959J.A.范艾倫預(yù)言地球上空存在著強(qiáng)輻射帶，這一預(yù)言為日后的試驗(yàn)證明，即稱為范艾倫帶。1958E.N.帕克提出了太陽(yáng)風(fēng)模型。1974D.A.格內(nèi)特依據(jù)衛(wèi)星資料，證認(rèn)出地球是一顆輻射星體，輻射千米波。在此期間，一些低溫等離子體技術(shù)也在以往氣體放電和電弧技術(shù)的根底上，進(jìn)一步得到應(yīng)用與推廣，如等離子體切割、焊接、噴鍍、磁流體發(fā)電，等離子體化工，等離子體冶金，以及火箭的離子推動(dòng)等，都推動(dòng)了對(duì)非完全電離的低溫等離子體性質(zhì)的爭(zhēng)論。2、爭(zhēng)論方法等離子體物理學(xué)現(xiàn)在已進(jìn)展成為物理學(xué)的一個(gè)內(nèi)容豐富的興分支。由于等離子體種類繁多、現(xiàn)象簡(jiǎn)單、而且應(yīng)用廣泛，對(duì)這一物質(zhì)狀態(tài)的爭(zhēng)論，正方興未艾，從試驗(yàn)、理論、數(shù)值計(jì)算三個(gè)方面，相互結(jié)合，向深度和廣度進(jìn)展。試驗(yàn)爭(zhēng)論用試驗(yàn)方法爭(zhēng)論等離子體有如下特點(diǎn)。對(duì)于自然的等離子體，即天體、空間和地球大氣中消滅的等離子體，人們不行能用地面上試驗(yàn)室中的一般方法主動(dòng)地調(diào)整試驗(yàn)條件或加以掌握，而主要只能通過(guò)各種日益增多的天文和空間觀測(cè)手段,如光學(xué)、射電、X射線以及現(xiàn)代的高空飛行器〔包括各種粒子依據(jù)大量的觀測(cè)結(jié)果，并在天體物理學(xué)和空間物理學(xué)的生疏根底上，依靠目前已建立的等離子體物理理論和已有的各項(xiàng)根本試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)展分析和綜合，方能深入地生疏這些自然等離子體的現(xiàn)象、本質(zhì)、構(gòu)造、運(yùn)動(dòng)和演化的規(guī)律。要爭(zhēng)論或利用各種人造的等離子體，必需先把它們制造出來(lái)；而要制造任何一種的等離子體或者擴(kuò)展它的性能參量，又往往必需對(duì)它先有肯定的生疏。由此可見，對(duì)于人造等離子體，只能實(shí)行邊制造邊爭(zhēng)論，爭(zhēng)論和制造循環(huán)結(jié)合、逐步前進(jìn)的方法。例如，受控核聚變等離子體的爭(zhēng)論，就是通過(guò)一代又一代的試驗(yàn)裝置，來(lái)產(chǎn)生具有特定性能的等離子體，逐步提高它們的溫度和約束程度。而每一代裝置的設(shè)計(jì)，又必需在已有等離子體試驗(yàn)的根底上，通過(guò)理論方面的外推和定量演算，加以確定。特別是較大類型裝置的建筑，必需立足于各項(xiàng)經(jīng)過(guò)試驗(yàn)的、成熟的工程技術(shù)，輔之以必需和能夠準(zhǔn)時(shí)開發(fā)出來(lái)的單項(xiàng)技術(shù)，例如強(qiáng)流電子束和離子束技術(shù)。裝置建成后，試驗(yàn)的第一步是使用各種儀器手段，對(duì)裝置中產(chǎn)生的等離子體進(jìn)展測(cè)量；測(cè)量數(shù)據(jù)要依據(jù)已有的理論進(jìn)展處理，以得出裝置中等離子體具體形成過(guò)程和現(xiàn)象細(xì)節(jié)性質(zhì)的定性和定量的結(jié)果，這些就是等離子體診斷學(xué)的內(nèi)容。對(duì)試驗(yàn)條件的調(diào)整和掌握也必需有測(cè)量診斷的結(jié)果作為依據(jù)，然前方可接上現(xiàn)代的信息和掌握技術(shù)，構(gòu)成閉環(huán)的操作，從而推動(dòng)試驗(yàn)爭(zhēng)論。試驗(yàn)結(jié)果要同參量條件相對(duì)應(yīng)的理論分析進(jìn)展比照校驗(yàn)，以判定試驗(yàn)及理論的前進(jìn)方向。等離子體試驗(yàn)的因素簡(jiǎn)單多變，難度大，準(zhǔn)確度不高，而理論描述又遠(yuǎn)未完善；試驗(yàn)中意料之外的結(jié)果常會(huì)消滅，而成為理論創(chuàng)的前導(dǎo)。理論描述包括近似方法和統(tǒng)計(jì)方法。粒子軌道理論和磁流體力學(xué)都屬于近似方法。粒子軌道理論是把等離子體看成由大量獨(dú)立的帶電粒子組成的集體,只爭(zhēng)論單個(gè)粒子在外加電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)特性,而略去粒子間的相互作用，也就是近似地求解粒子的運(yùn)動(dòng)方程。這種理論只適用于研究淡薄等離子體。在肯定條件下的稠密等離子體，通過(guò)每種粒子軌道確實(shí)定，也可對(duì)等離子體運(yùn)動(dòng)作適當(dāng)?shù)拿鑼?，也能供給稠密等離子體的某些性質(zhì)。不過(guò)，由于稠密等離子體具有很強(qiáng)的集體效應(yīng)，粒子間耦合得很緊，因此這種理論的局限性很大。磁流體力學(xué)不爭(zhēng)論單個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)，而是把等離子體當(dāng)作導(dǎo)電的連續(xù)媒質(zhì)來(lái)處理，在流體力學(xué)方程中加上電磁作用項(xiàng),再和麥克斯韋方程組聯(lián)立,就構(gòu)成磁流體力學(xué)方程組，這是等離子體的宏觀理論。它適用于爭(zhēng)論稠密等離子體的宏觀性質(zhì)如平衡、宏觀穩(wěn)定性等問(wèn)題，也適用于爭(zhēng)論冷等離子體中的波動(dòng)問(wèn)題。然而，由于它不考慮粒子的速度空間分布函數(shù)，因此，它無(wú)法提醒出波粒相互作用和微觀不穩(wěn)定性等一系列細(xì)致和重要的性質(zhì)。等離子體按其本性是一個(gè)含有大量帶電粒子的多粒子體系，所以嚴(yán)格的處理方法就是統(tǒng)計(jì)方法，即求出粒子分布函數(shù)隨時(shí)間的演化過(guò)程。這種理論就是等離子體動(dòng)力論，也稱為等離子體的微觀理論。對(duì)于波動(dòng)和微觀不穩(wěn)定性，動(dòng)力論承受符拉索夫方程來(lái)爭(zhēng)論。對(duì)于弛豫過(guò)程和輸運(yùn)問(wèn)題，動(dòng)力論承受?？?普朗克方程。微觀理論可以得到宏觀理論所得不到的很多學(xué)問(wèn)。例如在波動(dòng)問(wèn)題方面，只有動(dòng)力論才能導(dǎo)出朗道阻尼。至于微觀不穩(wěn)定性，主要爭(zhēng)論速度空間中偏離平衡態(tài)所引起的不穩(wěn)定性，這類問(wèn)題是宏觀理論無(wú)法爭(zhēng)論的。從動(dòng)力論方程動(dòng)身，可以導(dǎo)出磁流體力學(xué)的連續(xù)方程、動(dòng)量方程和能量方程。數(shù)值計(jì)算現(xiàn)有的理論描述中，磁流體力學(xué)、符拉索夫方程、?？?普朗克方程都是非線性偏微分方程,包含很多參量，為了求出解析解，物理模型往往過(guò)分簡(jiǎn)化以至無(wú)法準(zhǔn)確和全面地包羅各種效應(yīng)，因此數(shù)值計(jì)算在等離子體爭(zhēng)論中的作用越來(lái)越大。另外，由于高溫等離子體的試驗(yàn)和診斷都較難進(jìn)展,所以自70年月以來(lái),進(jìn)展了一種數(shù)值試驗(yàn)的方法。就是在大容量的計(jì)算機(jī)上，用大量粒子來(lái)模擬等離子體的運(yùn)動(dòng)，以爭(zhēng)論它的宏觀和微觀不穩(wěn)定性等問(wèn)題。這已成為一種有力的爭(zhēng)論方法。3、主要內(nèi)容〔拉莫爾圓，即帶電粒子的盤旋運(yùn)動(dòng)。假設(shè)除磁場(chǎng)外，還有其他外力F，則粒子除沿磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)外,在垂直磁場(chǎng)方向，一面作盤旋運(yùn)動(dòng)，一面作漂移運(yùn)動(dòng)。漂移運(yùn)動(dòng)是拉莫爾圓的圓心〔即導(dǎo)向中心〕垂直于磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)，可以由靜電力或重力引起。對(duì)于非均勻磁場(chǎng)，漂移也可以由磁場(chǎng)梯度和磁場(chǎng)的曲率等引起。靜電力引起的正負(fù)電荷的漂移一樣，因而不形成電流。而非靜電力引起的正負(fù)電荷的漂移是相反的，會(huì)形成電流。當(dāng)磁場(chǎng)隨時(shí)間及空間變化格外緩慢時(shí)，可以把粒子運(yùn)動(dòng)看成是盤旋運(yùn)動(dòng)和導(dǎo)向中心運(yùn)動(dòng)的疊加。為使問(wèn)題簡(jiǎn)化起見，可以不考慮快速的盤旋運(yùn)動(dòng)而只考慮導(dǎo)向中心的運(yùn)動(dòng)，這就是漂移近似。在粒子軌道理論中，主要就是承受漂移近似來(lái)爭(zhēng)論粒子的運(yùn)動(dòng)。mv2 v2B o

B,m力作用下動(dòng)能不變，使得帶電粒子會(huì)被肯定形態(tài)的非均勻磁場(chǎng)約束住。例如地磁場(chǎng)就能約束帶電粒子形成地球輻射帶〔范艾倫帶。受控?zé)岷司圩兊拇喷R裝置也是利用了這共性質(zhì)來(lái)約束等離子體的。波動(dòng)這是等離子體的根本運(yùn)動(dòng)形態(tài)，因此對(duì)等離子體中的波的爭(zhēng)論具有極為重要的意義。此外，由于波供給了理論與試驗(yàn)的聯(lián)系，一旦了解波動(dòng)，就可用約束等離子體。而且,爭(zhēng)論波動(dòng)有著明顯的有用意義，例如波在電離層中的傳播等。等離子體中的波動(dòng)模式格外簡(jiǎn)單。既有橫波〔kE垂直〕,也有縱波〔k與E平行相速可以大于、等于或小于真空光速c行。波的形式如此之多，這是由于，等離子體中的帶電粒子可以和波的電磁場(chǎng)發(fā)生作用而影響波的傳播。假設(shè)有外加磁場(chǎng)，則波動(dòng)、磁場(chǎng)的擾動(dòng)和粒子的運(yùn)動(dòng)相互影響，就使得波的模式更加繁雜。例如，正負(fù)電荷的分別，會(huì)產(chǎn)生靜電場(chǎng)，其庫(kù)侖力是恢復(fù)力，由此產(chǎn)生了朗繆爾波；磁力線的彎曲，其張力是恢復(fù)力，由此產(chǎn)生了阿爾文波；等離子體中各種梯度，如密度梯度、溫度梯度等，會(huì)引起漂移運(yùn)動(dòng)，漂移可以和波的模式耦合，由此產(chǎn)生了漂移波。波可以粗分為冷等離子體波與熱等離子體波。當(dāng)粒子的熱速遠(yuǎn)小于波速，以及盤旋半徑〔對(duì)磁化等離子體來(lái)說(shuō)〕遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)時(shí)，這時(shí)是冷等離子體，其波動(dòng)現(xiàn)象承受磁流體力學(xué)方法來(lái)爭(zhēng)論。c它是各向異性的,介電常數(shù)成為張量。如同其他各向異性介質(zhì)中會(huì)有兩支波一樣,磁化冷等離子體中也有兩支波：尋常波與格外波。當(dāng)?shù)入x子體的折射率n0n→∞時(shí)，波與共振粒k與外磁場(chǎng)平行時(shí)，頻率為ce

的格外波會(huì)與繞磁場(chǎng)盤旋的電子共振，=ci

的尋常波則會(huì)與盤旋離子共振， 和 分別ce ci是電子及離子的盤旋頻率,此時(shí)，波的能量被吸取，形成盤旋阻尼。對(duì)于熱等離子體，粒子的熱運(yùn)動(dòng)以及有限盤旋半徑引進(jìn)了一些的模式和的效應(yīng)。非磁化熱等離子體中的波除光波外，還有電子朗繆爾涉及離子聲波。朗繆爾波會(huì)與速度相近的電子共振而形成朗道阻尼。磁化熱等離子體中波的一個(gè)特點(diǎn)是，由于多普勒效應(yīng)等緣由,頻率為＝lcel0，1，2，?)的格外波會(huì)與盤旋電子共振,＝lci尋常波會(huì)與盤旋離子共振，形成切倫科夫阻尼及盤旋阻尼。

(l=0，1，2，?)的在非均勻等離子體中，除了會(huì)產(chǎn)生漂移波外，在肯定條件下，不同模式的波可以相互轉(zhuǎn)化，例如格外波可轉(zhuǎn)化為尋常波或縱波。非線性波有激波、無(wú)碰撞激波、孤立波等。如考慮到非線性效應(yīng)，則不同模式的波既可相互轉(zhuǎn)化，也可相互激發(fā)，如橫波可以激發(fā)縱波。波動(dòng)理論不僅爭(zhēng)論色散關(guān)系，也爭(zhēng)論等離子體中波和波相互作用、等離子體中波和粒子相互作用等。平衡平衡問(wèn)題是位形平衡問(wèn)題的簡(jiǎn)稱，它爭(zhēng)論在肯定的約束條件下，等離子體如何才能在力學(xué)上處于靜止?fàn)顟B(tài)。對(duì)于磁場(chǎng)約束的等離子體，平衡問(wèn)題就是用磁壓力來(lái)平衡等離子體壓力。從磁流體力學(xué)，可以得到磁約束的平衡方程組〔承受高斯單位制〕-p+jB/c=0，oB=4j/c，oB=0。pj是電流密度,c界條件下求解這組方程。通常是引入一個(gè)磁面函數(shù)，則平衡方程組轉(zhuǎn)為一個(gè)磁面方程，這樣，平衡問(wèn)題變成在適當(dāng)邊界條件下求解磁面方程。不穩(wěn)定性等離子體不穩(wěn)定性大體上分為宏觀不穩(wěn)定性及微觀不穩(wěn)定性兩類。但凡進(jìn)展的區(qū)域遠(yuǎn)大于粒子的盤旋半徑和德拜長(zhǎng)度等微觀尺度的不穩(wěn)定性，統(tǒng)稱為宏觀不穩(wěn)定性；而僅在微觀尺度上進(jìn)展的不穩(wěn)定性則稱為微觀不穩(wěn)定性。宏觀不穩(wěn)定性會(huì)造成等離子體大范圍的擾動(dòng)，對(duì)平衡具有嚴(yán)峻破壞作用。它的起因主要是等離子體中貯存了過(guò)剩的與磁場(chǎng)相結(jié)合的能量，此外，如等離子體的抗磁性等，也會(huì)引起宏觀不穩(wěn)定性。對(duì)于受控?zé)岷司圩冄b置中的約束等離子體來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)格外緊要的問(wèn)題。宏觀不穩(wěn)定性種類很多。除扭曲不穩(wěn)定性外，比較重要的有交換不穩(wěn)定性，即等離子體與約束磁揚(yáng)的位置發(fā)生交換；撕裂模，即等離子體被磁場(chǎng)撕裂成細(xì)束，等等。宏觀不穩(wěn)定性通常都承受磁流體力學(xué)來(lái)爭(zhēng)論。其中能量原理是一種很有效的方法，也就是依據(jù)偏離平衡的小位移引起系統(tǒng)的勢(shì)能變化，來(lái)確定平衡是否穩(wěn)定。這種方法特別適用于幾何外形簡(jiǎn)單的磁場(chǎng)。除能量原理外，簡(jiǎn)正模法也是常用的一種分析方法。它假設(shè)擾動(dòng)量的形式為q(r,t)=qr)e-t。解出的一般是復(fù)數(shù):=+ir

。假設(shè)i

0ti<0，系統(tǒng)是穩(wěn)定的。微觀不穩(wěn)定性的起因有多種。一種來(lái)自空間的非均勻性，例如密度、溫度、磁場(chǎng)的梯度等，這會(huì)引起漂移，有可能激發(fā)起不穩(wěn)定性。另一種來(lái)自速度空間的不均勻性，如速度、溫度、壓力的各向異性。另外，如波和波相互作用等，也可能引起微觀不穩(wěn)定性?？傊?，偏離熱平衡態(tài)的等離子體具有多余的自由能，必定要把它釋放出來(lái)以趨向平衡態(tài)。自由能的釋放就有可能驅(qū)動(dòng)微觀不穩(wěn)定性。有微觀不穩(wěn)定性的等離子體的特征是消滅不斷增長(zhǎng)的漲落現(xiàn)象。這往往導(dǎo)致湍流的產(chǎn)生和形成反常輸運(yùn)現(xiàn)象。微觀不穩(wěn)定性的種類極多。重要的有：二流不穩(wěn)定性，這是由兩束相對(duì)流淌的粒子所引起；漂移不穩(wěn)定性，由各種梯度造成的漂移運(yùn)動(dòng)所引起;損失錐不穩(wěn)定性,由速度分布的各向異性所引起；以及由波和波相互作用引起的參量不穩(wěn)定性等。微觀不穩(wěn)定性的理論建立在動(dòng)力論上，也就是從符拉索夫方程動(dòng)身來(lái)爭(zhēng)論的。通常在爭(zhēng)論不穩(wěn)定性時(shí)用的是線性理論，它只能推斷系統(tǒng)穩(wěn)定與否，有些狀況下它能給出初始時(shí)刻的不穩(wěn)定性增長(zhǎng)率。當(dāng)擾動(dòng)振幅增大后以及在適當(dāng)狀況下趨向飽和的演化問(wèn)題，需要用非線性理論來(lái)爭(zhēng)論。弛豫和輸運(yùn)非熱平衡等離子體中向平衡態(tài)過(guò)渡消滅的過(guò)程可分為弛豫和輸運(yùn)兩類。前者是從非熱平衡速度分布向熱平衡麥克斯韋分布過(guò)渡的過(guò)程，后者是描寫穩(wěn)定的非熱平衡態(tài)有物質(zhì)、動(dòng)量、能量等在空間流淌時(shí)的過(guò)程。弛豫過(guò)程一般通過(guò)各種弛豫時(shí)間來(lái)描述。這里最根本的是帶電粒子間的碰撞過(guò)程。帶電粒子間的作用力是長(zhǎng)程庫(kù)侖力，一個(gè)粒子可以同時(shí)和德拜長(zhǎng)度范圍內(nèi)的多個(gè)粒子發(fā)生作用，它們之間可以產(chǎn)生近碰撞〔兩個(gè)粒子近距離碰撞〕和遠(yuǎn)碰撞〔一個(gè)粒子和距離較遠(yuǎn)的多個(gè)粒子碰撞。遠(yuǎn)碰撞的作用大大超過(guò)近碰撞，這是等離子體中帶電粒子碰撞的一個(gè)特點(diǎn)。碰撞時(shí)間和平均自由程l都主要由遠(yuǎn)碰撞打算。它們是〔承受高斯單位制〕22 ， l ，ne4

ln

ne4

lnT,m、ne,lnΛ為庫(kù)侖對(duì)數(shù)，它反映遠(yuǎn)碰撞的效應(yīng)。對(duì)于高溫等離子體,有三個(gè)比較重要的弛豫時(shí)間:縱向減速時(shí)間，橫向偏轉(zhuǎn)時(shí)間,能量均化時(shí)間E。電子和離子的弛豫時(shí)間并不一樣。一個(gè)初始為非熱平衡的等離子體，經(jīng)過(guò)碰撞，電子會(huì)首先到達(dá)熱平衡，此后離子到達(dá)熱平衡，最終達(dá)到電子和離子之間的熱平衡。等離子體中的輸運(yùn)過(guò)程包括電導(dǎo)、集中、粘性和熱導(dǎo)等，它們具有某些特點(diǎn)。特點(diǎn)之一是雙極集中。例如電子集中時(shí)，電子和離子間的靜電力會(huì)使離子跟著一起這稱為雙極集中。另一個(gè)特點(diǎn)是處在磁場(chǎng)中的等離子體，沿磁場(chǎng)的輸運(yùn)根本上不受磁場(chǎng)的影響，但橫越磁場(chǎng)的輸運(yùn)卻受到磁場(chǎng)的阻擋。處于環(huán)形磁場(chǎng)中的高溫淡薄等離子體，磁場(chǎng)梯度引起的漂移會(huì)轉(zhuǎn)變約束粒子的軌道，從而加大了遷移自由程，這就大大提高輸運(yùn)系數(shù)。分析這種磁場(chǎng)位形所得到的輸運(yùn)理論名為經(jīng)典理論，它仍舊是一種碰撞理論。在受控?zé)岷司圩兊臓?zhēng)論中，這種理論很重要，它在肯定程度上解釋了環(huán)形裝置中觀看到的較大的離子熱導(dǎo)等輸運(yùn)系數(shù)。依據(jù)目前托卡馬克等的試驗(yàn)結(jié)果，某些輸運(yùn)系數(shù)如電子熱導(dǎo)等有時(shí)明顯大于經(jīng)典理論的結(jié)果。在慣性約束聚變及其他某些試驗(yàn)中，覺察輸運(yùn)系數(shù)明顯小于經(jīng)典理論的結(jié)果。但凡碰撞理論無(wú)法解釋的輸運(yùn)現(xiàn)象就稱為反常輸運(yùn)。目前流行的觀點(diǎn)是，反常輸運(yùn)是由湍流等非線性過(guò)程所引起。反常輸運(yùn)已成為當(dāng)前聚變理論爭(zhēng)論中的一個(gè)重大課題，由于它關(guān)系到能否有效地約束住等離子體的粒子和能量。輻射對(duì)等離子體輻射的爭(zhēng)論的意義在于，一方面，這是等離子體能量耗散的一個(gè)重要途徑，另外，對(duì)輻射的爭(zhēng)論也是通過(guò)等離子體光譜等方面的細(xì)致分析，來(lái)生疏等離子體運(yùn)動(dòng)的必要根底。這對(duì)于天體物理和空間物理尤其重要，由于對(duì)遙遠(yuǎn)的等離子體的了解，幾乎完全是通過(guò)對(duì)輻射的爭(zhēng)論而獲得的。等離子體的輻射，有軔致輻射、盤旋輻射、黑體輻射、切倫科夫輻射，以及原子、分子或離子躍遷過(guò)程中的線輻射等。軔致輻射是自由電子與離子碰撞，也就是電子在離子的庫(kù)侖場(chǎng)中變速時(shí)產(chǎn)生的連續(xù)輻射。電子－電子碰撞不轉(zhuǎn)變電子的總動(dòng)量，所以不產(chǎn)生軔致輻射。在等離子體中，軔致輻射主要來(lái)自遠(yuǎn)碰撞，波長(zhǎng)一般分布在紫外線到X射線范圍。對(duì)于高溫等離子體,這是一項(xiàng)很重要的輻射損失。盤旋輻射或稱盤旋輻射，是帶電粒子〔主要是電子〕繞磁力線作盤旋運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的輻射。非相對(duì)論性電子的輻射稱為盤旋輻射，它的單色性強(qiáng)，在電子盤旋頻率處以譜線形式消滅，電子能量較高時(shí)，除基頻外，還以諧頻發(fā)出輻射。這種輻射接近各向同性，功率較弱。在等離子體中，由于碰撞等緣由，譜線會(huì)加寬，當(dāng)?shù)入x子體密度加大時(shí)，譜線頻率會(huì)向高頻方向移動(dòng)。相對(duì)論性電子的盤旋輻射稱為同步輻射或同步輻射，輻射功率大，方向性弱，集中在一個(gè)小區(qū)域內(nèi)，是連續(xù)譜。4、展望202050個(gè)格外活潑的分支。在試驗(yàn)上，已經(jīng)建成了包括一批聚變?cè)囼?yàn)裝置在內(nèi)的很多裝置，放射了不少科學(xué)衛(wèi)星和空間試驗(yàn)室，從而取得大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和觀測(cè)資料。在理論上，利用粒子軌道理論、磁流體力學(xué)和動(dòng)力論已經(jīng)說(shuō)明等離子體的很多性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，還進(jìn)展了數(shù)值試驗(yàn)方法。最近半個(gè)多世紀(jì)來(lái)的巨大成就，使人們對(duì)等離子體的生疏大大深化；但是一些已提出多年的問(wèn)題，特別是一些非線性問(wèn)題如反常輸運(yùn)等尚未得到完善解決，而對(duì)天體和空間的觀測(cè)的進(jìn)一步開展，以及受控?zé)岷司圩兒偷蜏氐入x子體應(yīng)用爭(zhēng)論的進(jìn)展，又必定會(huì)帶來(lái)更多的問(wèn)題。今后一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)，等離子體物理學(xué)將連續(xù)取得多方面的進(jìn)展。三、等離子體和外表的相互作用等離子體和固體外表接近或接觸時(shí)，等離子體和四周氣相、外表相、固相之間交換能量、物質(zhì)和信息的過(guò)程。等離子體和外表的相互作用，例如濺射，已覺察了一個(gè)世紀(jì)以上，但只有這一領(lǐng)域和受控?zé)岷司圩儬?zhēng)論相結(jié)合，才得到快速進(jìn)展。在受控?zé)岷司圩儬?zhēng)論的早期階段，就已覺察并爭(zhēng)論了單極弧、氣體循環(huán)等現(xiàn)象。但當(dāng)時(shí)等離子體參量比較低，這些爭(zhēng)論并未引起足夠的重視。20世紀(jì)70年月，由于受控?zé)岷司圩?、特別是托卡馬克的進(jìn)展，漸漸生疏到雜質(zhì)問(wèn)題的重要性，對(duì)這一課題投入越來(lái)越多的工作，進(jìn)展成為受控?zé)岷司圩儬?zhēng)論的一個(gè)分支。因此，作為一個(gè)爭(zhēng)論領(lǐng)域，等離子體和外表的相互作用主要指受控?zé)岷司圩冄b置中的高溫等離子體和外表的相互作用。等離子體和外表相互作用是一個(gè)邊緣爭(zhēng)論領(lǐng)域，它和等離子體物理、外表物理、等離子體化學(xué)、原子物理、分子物理等學(xué)科都存在親熱的關(guān)系。由于等離子體可以劃分為低溫等離子體和高溫等離子體，等離子體和外表的相互作用也可劃分為兩個(gè)方面。低溫等離子體和外表的相互作用主要發(fā)生在等離子體切割、焊接、冶煉和外表處理，磁流體發(fā)電機(jī)的器壁和電極，以及當(dāng)運(yùn)載火箭通過(guò)大氣層時(shí)在火箭外殼外表103～104壓強(qiáng)接近一大氣壓。高溫等離子體和外表的相互作用主要發(fā)生在受控?zé)岷司圩兊脑囼?yàn)裝置，以及未來(lái)的聚變反響堆的反響室的第一壁〔即等離子體直接照耀的固體壁、偏濾器、孔闌以及磁鏡裝置的能量直接轉(zhuǎn)換器外表在這些外表四周,也存在著溫度比較低的等離子體,即所謂邊界層。但在反響室的中心存在著幾百萬(wàn)度以至于幾千萬(wàn)度、幾億度以上的高溫等離子體，從中輻射出高能粒子和各個(gè)頻段的電磁波。在聚變堆中，還有像高能中子以及 粒子等這樣的熱核反響產(chǎn)物。這些粒子和輻射到達(dá)固體外表，產(chǎn)生各種形式的作用。在受控?zé)岷司圩冊(cè)囼?yàn)裝置和聚變堆中，這種等離子體和外表的相互作用產(chǎn)生兩方面的影響。首先，這一相互作用使大量不能參與核反響的雜質(zhì)離開外表，進(jìn)入等離子體，造成污染。這不但降低了反響粒子的濃度，而且冷卻了等離子體，使反響速率降低，甚至停頓。其次，這一相互作用對(duì)反響室的器壁造成損傷，縮短其使用壽命。因此，必需對(duì)這種相互作用過(guò)程進(jìn)展?fàn)幷摵驼莆铡?、根本過(guò)程等離子體和外表的相互作用主要有以下一些根本過(guò)程。①吸附和解吸。在等離子體裝置中，由于放電對(duì)外表的活化作用，外表可能對(duì)氣體發(fā)生猛烈的吸附。而在等離子體作用下，可能發(fā)生熱解吸、電子解吸和光解吸。②蒸發(fā)。即固體外表承受來(lái)自等離子體的能量而熔化、蒸發(fā)。③濺射。當(dāng)離子或中性粒子入射到外表時(shí)，它的一局部能量傳給少數(shù)靶原子，其中有些在點(diǎn)陣到達(dá)熱平衡之前放射出去，這就是濺射。濺射是閾值性的，即當(dāng)入射粒子的能量大于某一閾值〔5～50eV〕時(shí),才消滅濺射。④化學(xué)濺射。發(fā)生在等離子體裝置外表的化學(xué)過(guò)程。主要是由于外表催化作用引起的。當(dāng)粒子入射到外表后，在外表進(jìn)展化學(xué)反響生成揮發(fā)性產(chǎn)物而釋放。這個(gè)過(guò)程稱為化學(xué)濺射。⑤背散射、再放射和植入。當(dāng)離子或中性粒子入射到固體內(nèi)后，它與固體內(nèi)原子碰撞，漸漸失去原來(lái)的能量。最終可能產(chǎn)生兩種結(jié)果:或者還殘留一局部能量,從固體外表放射出去，這就是背散射；或者與固體原子到達(dá)熱平衡，漸漸集中到外表，再放射出去，這就是再放射。這些粒子，特別是能量較高時(shí)，沿固體深度形成一個(gè)分布，稱為植入。⑥起泡。當(dāng)有肯定能量的氣體離子在固體內(nèi)肯定深度植入，并漸漸積存，假設(shè)其劑量到達(dá)肯定程度，就