等離子體的磁約束原理

1、等離子體的磁約束原理張玉萍在輝光放電、弧光放電的陽極柱里，氣體處在高度電離狀態(tài)，但是其中正、負(fù)電荷密度幾乎 相等，這時(shí)的系統(tǒng)同普通的氣體有明顯的區(qū)別， 1929 年，美國的朗默爾（ Langmuir ）將它取名 為“ plasma ”，譯名為“等離子體”。在熱核反應(yīng)的高溫（約在幾百萬開甚至一億開左右）下，物質(zhì)處于等離子態(tài)， 但在熱核反應(yīng)的高溫下， 任何固體材料的容器早已熔毀， 而且散熱的速度隨 溫度的升高而急劇增加。 目前在大多數(shù)受控?zé)岷朔磻?yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置里用磁場來約束等離子體，使 之脫離器壁并限制它的熱導(dǎo)。下面簡單介紹等離子體磁約束的原理。我們知道，帶電粒子的速度 v 和磁感強(qiáng)度 B 成任意夾角

2、時(shí)，此帶電粒子在磁場中作螺旋線運(yùn)動(dòng)，且回旋半徑 R與磁感強(qiáng)度 B成反比，磁場越強(qiáng)，半徑越小，這樣一來，在很強(qiáng)的磁場中， 每個(gè)帶電粒子的運(yùn)動(dòng)便被約束在一根磁感線附近的很小的范圍內(nèi)（右圖），也就是說， 帶電粒子回旋軌道的中心（也叫引導(dǎo)中心）只能沿磁感線縱向移動(dòng)，而不能橫越它，只有當(dāng)粒子發(fā)生碰撞時(shí)，引導(dǎo)中心才能由一根磁感線跳到另一根磁感線，因此， 強(qiáng)磁場可以使帶電粒子的橫向輸運(yùn)過 程（如擴(kuò)散、熱導(dǎo)）受到很大的限制/ Zf FrV(h)下q，所實(shí)際問題中，例如受控?zé)岷朔磻?yīng)， 不僅要求引導(dǎo)中心受到橫向約束，也希望有縱向約束。述磁鏡裝置便能限制引導(dǎo)中心的縱向移動(dòng)。如上圖（a）所示，兩個(gè)電流方向相同的線圈產(chǎn)

3、生中央弱兩端強(qiáng)的不均勻磁場，當(dāng)處于中間區(qū)域的帶電粒子沿著z軸向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，設(shè)粒子帶正電荷速度v沿z軸，如圖5-2 （b）所示，粒子受到洛倫茲力 qv B作用，使粒子向著如上圖（b） 示方向（垂直屏幕向里） 偏轉(zhuǎn)，可見粒子將獲得繞軸旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)速度v二（圖中用：代表其方向）向分量Fz使帶電粒子的軸向速度 v減少，因?yàn)镕二qv B , B增大，v減小得也快，粒子運(yùn)動(dòng) 到右端線圈附近時(shí)，由于該處B很大，如 果v初始速度較小，則 v有可能減至為零，然后就反向運(yùn)動(dòng)，猶如光線射到鏡面上反射回來一樣。如果處于中間區(qū)域的帶電粒子沿著z軸向左運(yùn)動(dòng)，類似分析，如上圖（c），可以得岀帶電粒子運(yùn)動(dòng)到左端線圈附近時(shí)，帶電粒

4、子軸向速度也有可 能減至為零，然后帶電粒子反向運(yùn)動(dòng)，我們通常把這種能約束運(yùn)動(dòng)帶電粒子（見右圖動(dòng)畫）的磁場分布叫做磁鏡，又形象地稱為磁瓶，上圖（a）所示的便是一種磁鏡裝置，對(duì)于其中的帶電粒子來說，相當(dāng)于兩端各有一面磁鏡，那些縱向速度v不是太大的帶電粒子將在兩磁鏡之間來回反射，被約束在兩面“鏡子”之間的中間區(qū)域而不能逃脫。如前所述，不僅帶電粒子的橫向運(yùn)動(dòng)可被磁場抑制，而且縱向運(yùn)動(dòng)又被磁鏡所反射，所以這樣的磁場分布就象牢寵一樣，可以把帶電粒子或等離子體約束在其中。但磁鏡裝置有個(gè)缺點(diǎn)，即總有一部分縱向速度較大的粒子會(huì)從兩端逃逸，所以采用下左圖所示的環(huán)形磁場結(jié)構(gòu)，可以避 免這個(gè)缺點(diǎn)在受控?zé)岷司圩冎?，除了磁鏡的約束外，還有其他的一些磁瓶裝置，如托卡馬克裝置、仿星器等，它們的結(jié)構(gòu)雖然不盡相同，但都是采用某種特定形態(tài)的磁場來約束等離子體。應(yīng)該指出，磁鏡約束也存在于自然界中，例如地球磁場兩極強(qiáng)、中間弱就是一個(gè)天然磁瓶，它使得來自宇宙射線的帶電粒子在兩磁極間來回振蕩，（如上右圖）從而形成第十章所提到的范阿侖輻射帶。生活在地球上的人類及其他生物都應(yīng)十分感