等離子體物理

等離子體物理是研究等離子體的形成及其各種性質和運動規律的學科。宇宙間的大部分物質處於等離子體狀態。例如：太陽中心區的溫度超過一千萬度，太陽中的絕大部分物質處於等離子體狀態。地球高空的電離層也處於等離子體狀態。

19世紀以來對於氣體放電的研究、20世紀初以來對於高空電離層的研究，推動了等離子體的研究工作。從20世紀50年代起，為了利用輕核聚變反應解決能源問題，促使等離子體物理學研究蓬勃發展。

圖書信息

等離子體物理學已發展成為物理學的一個內容豐富的新興分支。由於等離子體種類繁多、現象複雜、而且應用廣泛，對這一物質狀態的研究，正方興未艾，從實驗、理論、數值計算三個方面，互相結合，向深度和廣度發展。

（1）實驗研究　用實驗方法研究等離子體有如下特點。

對於天然的等離子體，即天體、空間和地球大氣中出現的等離子體，人們不可能用地面上實驗室中的一般方法主動地調節實驗條件或加以控制，而主要只能通過各種日益增多的天文和空間觀測手段，如光學、射電、X射線以及現代的高空飛行器和人造衛星──“空間實驗室”，來接收它們所發射的各種輻射（包括各種粒子）。根據大量的觀測結果，並在天體物理學和空間物理學的認識基礎上，依靠已建立的等離子體物理理論和已有的各項基本實驗數據，進行分析和綜合，方能深入地認識這些天然等離子體的現象、本質、結構、運動和演化的規律。

要研究或利用各種人造的等離子體，必須先把它們製造出來；而要製造任何一種新的等離子體或者擴展它的性能參量，又往往必須對它先有一定的認識。由此可見，對於人造等離子體，只能採取邊製造邊研究，研究和製造循環結合、逐步前進的辦法。例如，受控核聚變等離子體的研究，就是通過一代又一代的實驗裝置，來產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。而每一代裝置的設計，又必須在已有等離子體實驗的基礎上，通過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造，必須立足於各項經過試驗的、成熟的工程技術，輔之以必需和能夠及時開發出來的單項新技術，例如強流電子束和離子束技術。裝置建成后，實驗的第一步是使用各種儀器手段，對裝置中產生的等離子體進行測量；測量數據要按照已有的理論進行處理，以得出裝置中等離子體具體形成過程和現象細節性質的定性和定量的結果，這些就是等離子體診斷學的內容。對實驗條件的調節和控制也必需有測量診斷的結果作為依據，然後方可接上現代的信息和控制技術，構成閉環的操作，從而推進實驗研究。

實驗結果要同參量條件相對應的理論分析進行對比校驗，以判定實驗及理論的前進方向。等離子體實驗的因素複雜多變，難度大，精確度不高，而理論描述又遠未完善；實驗中意料之外的結果常會出現，而成為理論創新的前導。

(2) 理論描述　包括近似方法和統計方法。

粒子軌道理論和磁流體力學都屬於近似方法。粒子軌道理論是把等離子體看成由大量獨立的帶電粒子組成的集體，只討論單個粒子在外加電磁場中的運動特性，而略去粒子間的相互作用，也就是近似地求解粒子的運動方程。這種理論只適用於研究稀薄等離子體。在一定條件下的稠密等離子體，通過每種粒子軌道的確定，也可對等離子體運動作適當的描寫，也能提供稠密等離子體的某些性質。不過，由於稠密等離子體具有很強的集體效應，粒子間耦合得很緊，因此這種理論的局限性很大。

磁流體力學不討論單個粒子的運動，而是把等離子體當作導電的連續媒質來處理，在流體力學方程中加上電磁作用項，再和麥克斯韋方程組聯立，就構成磁流體力學方程組，這是等離子體的宏觀理論。它適用於研究稠密等離子體的宏觀性質如平衡、宏觀穩定性等問題，也適用於研究冷等離子體中的波動問題。然而，由於它不考慮粒子的速度空間分佈函數，因此，它無法揭示出波粒相互作用和微觀不穩定性等一系列細緻和重要的性質。

等離子體按其本性是一個含有大量帶電粒子的多粒子體系，所以嚴格的處理方法就是統計方法，即求出粒子分佈函數隨時間的演化過程。這種理論就是等離子體動力論，也稱為等離子體的微觀理論。對於波動和微觀不穩定性，動力論採用符拉索夫方程來研究。對於弛豫過程和輸運問題，動力論採用福克-普朗克方程。

微觀理論可以得到宏觀理論所得不到的許多知識。例如在波動問題方面，只有動力論才能導出朗道阻尼。至於微觀不穩定性，主要討論速度空間中偏離平衡態所引起的不穩定性，這類問題是宏觀理論無法研究的。從動力論方程出發，可以導出磁流體力學的連續方程、動量方程和能量方程。

(3) 數值計算　現有的理論描述中，磁流體力學、符拉索夫方程、福克-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，物理模型往往過分簡化以至無法精確和全面地包羅各種效應，因此數值計算在等離子體研究中的作用越來越大。另外，由於高溫等離子體的實驗和診斷都較難進行，所以自70年代以來，發展了一種數值實驗的方法。就是在大容量的計算機上，用大量粒子來模擬等離子體的運動，以研究它的宏觀和微觀不穩定性等問題。這已成為一種有力的研究方法。

自20世紀20年代特別是50年代以來，等離子體物理學已發展成為物理學的一個十分活躍的分支。在實驗上，已經建成了包括一批聚變實驗裝置在內的很多裝置，發射了不少科學衛星和空間實驗室，從而取得大量的實驗數據和觀測資料。在理論上，利用粒子軌道理論、磁流體力學和動力論已經闡明等離子體的很多性質和運動規律，還發展了數值實驗方法。半個多世紀來的巨大成就，使人們對等離子體的認識大大深化；但是一些已提出多年的問題，特別是一些非線性問題如反常輸運等尚未得到完善解決，而對天體和空間的觀測的進一步開展，以及受控熱核聚變和低溫等離子體應用研究的發展，又必定會帶來更多新的問題。今後一個相當長的時期內，等離子體物理學將繼續取得多方面的進展。

書 名: 等離子體物理

作　者：鄭春開

出版社：北京大學出版社

出版時間： 2009-7-1

ISBN: 9787301154731

開本： 16開

定價: 25.00元

本書比較系統地介紹了等離子體物理的基本概念、基本原理和描述問題及處理問題的方法。書中著重突出物理概念和物理原理，也有必要的數學描述和推導。全書共7章，內容包括：聚變能利用和研究進展、等離子體基本性質及相關概念、單粒子軌道理論、磁流體力學、等離子體波、庫侖碰撞與輸運過程和動理學方程簡介。這些內容都是從事核聚變和等離子體物理及相關學科研究人員所必需的，也是進一步學習核聚變與等離子體物理及相關學科專業課程的重要基礎。為教學使用和學生學習方便，本書編有附錄和習題，供查閱選用。

本書適合於核聚變、等離子體物理、空間物理以及基礎和應用等離子體物理方向的高年級本科生、研究生和研究人員使用。

第1章 聚變能利用和研究進展

1.1 聚變反應和聚變能

1.聚變反應的發現

2.聚變的燃料資源豐富

3.聚變反應是巨大太陽能的來源

1.2 聚變能利用原理

1.聚變能利用的困難

2.受控熱核反應條件——勞森判據與點火條件

1.3 實現受控熱核反應的途徑

1.磁約束——利用磁場約束等離子體

2.慣性約束——激光核聚變

1.4 磁約束原理及其發展歷史

1.磁鏡裝置

2.環形磁場裝置

3.托卡馬克裝置進展

1.5 慣性約束——激光核聚變

1.激光核聚變發展歷史

2.激光核聚變基本原理

3.激光核聚變勞森判據

4.慣性約束激光核聚變的研究進展

1.6 國際熱核試驗堆（ITER）計劃

1.ITER計劃形成的歷史過程

2.ITER計劃目標和主要設計參數

第2章 等離子體基本性質及相關概念

2.1 等離子體與等離子體物理學

1.等離子體

2.等離子體物理學

2.2 等離子體的基本性質

1.電荷屏蔽現象與等離子體准電中性

2.等離子體振蕩與等離子體振蕩頻率

3.等離子體的碰撞

4.等離子體的定義

5.等離子體輻射

2.3 等離子體參量與分類

1.等離子體參量

2.等離子體分類

2.4 等離子體的描述方法

1.單粒子軌道描述法

2.磁流體描述法

3.統計描述法

4.粒子模擬法

第3章 單粒子軌道理論

3.1 帶電粒子在均勻恆定磁場中的運動

3.2電場引起的漂移

1.電場引起的漂移

2.其他外力引起的漂移

3.3 帶電粒子在緩慢變化的電場中的運動

3.4 帶電粒子在不均勻磁場中的漂移

1.梯度漂移

2.曲率漂移

3.5 浸漸不變數及其應用

1.磁矩不變性與磁鏡約束原理

2.磁鏡約束原理

3.縱向不變數J與費米加速

4.地球輻射帶與磁通不變數

3.6 帶電粒子在環形磁場中的運動

1.帶電粒子在簡單環形磁場中的漂移

2.磁場的旋轉變換

3.托卡馬克裝置磁場位形和約束原理

第4章 磁流體力學

4.1 速度矩及矩方程

1.速度矩

2.速度矩方程

4.2 等離子體的雙流體力學方程

1.連續性方程

2.運動方程

3.能量方程

4.等離子體雙流體力學方程組

4.3 磁（單）流體力學方程

1.磁流體力學方程

……

第5章 等離子體波

第6章 庫侖碰撞與輸運過程

第7章 動理學方程簡介

附錄

習題

主要參考書