等離子體物理

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(zhì)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)科。其應(yīng)用前景目前集中在輕核聚變方面，即利用磁約束等離子體進(jìn)行持續(xù)的核聚變反應(yīng)。等離子體物理:簡介等離子體物理是研究等離子體的形成及其各種性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)科。宇宙間的大部分物質(zhì)處于等離子體狀態(tài)。例如：太陽中心區(qū)的溫度超過一千萬度，太陽中的絕大部分物質(zhì)處于等離子體狀態(tài)。地球高空的電離層也處于等離子體狀態(tài)。發(fā)展歷史19世紀(jì)以來對于氣體放電的研究、20世紀(jì)初以來對于高空電離層的研究，推動(dòng)了等離子體的研究工作。從20世紀(jì)50年代起，為了利用輕核聚變反應(yīng)解決能源問題，促使等離子體物理學(xué)研究蓬勃發(fā)展。研究方法:等離子體物理學(xué)已發(fā)展成為物理學(xué)的一個(gè)內(nèi)容豐富的新興分支。由于等離子體種類繁多、現(xiàn)象復(fù)雜、而且應(yīng)用廣泛，對這一物質(zhì)狀態(tài)的研究，正方興未艾，從實(shí)驗(yàn)、理論、數(shù)值計(jì)算三個(gè)方面，互相結(jié)合，向深度和廣度發(fā)展。（1）實(shí)驗(yàn)研究用實(shí)驗(yàn)方法研究等離子體有如下特點(diǎn)。對于天然的等離子體，即天體、空間和地球大氣中出現(xiàn)的等離子體，人們不可能用地面上實(shí)驗(yàn)室中的一般方法主動(dòng)地調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)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(xué)、射電、X射線以及現(xiàn)代的高空飛行器和人造衛(wèi)星一“空間實(shí)驗(yàn)室”，來接收它們所發(fā)射的各種輻射（包括各種粒子）。根據(jù)大量的觀測結(jié)果，并在天體物理學(xué)和空間物理學(xué)的認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)上，依靠已建立的等離子體物理理論和已有的各項(xiàng)基本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析和綜合，方能深入地認(rèn)識(shí)這些天然等離子體的現(xiàn)象、本質(zhì)、結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)和演化的規(guī)律。要研究或利用各種人造的等離子體，必須先把它們制造出來；而要制造任何一種新的等離子體或者擴(kuò)展它的性能參量，又往往必須對它先有一定的認(rèn)識(shí)。由此可見，對于人造等離子體，只能采取邊制造邊研究，研究和制造循環(huán)結(jié)合、逐步前進(jìn)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(shí)驗(yàn)裝置，來產(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)，又必須在已有等離子體實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)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，必須立足于各項(xiàng)經(jīng)過試驗(yàn)的、成熟的工程技術(shù)，輔之以必需和能夠及時(shí)開發(fā)出來的單項(xiàng)新技術(shù)，例如強(qiáng)流電子束和離子束技術(shù)。裝置建成后，實(shí)驗(yàn)的第一步是使用各種儀器手段，對裝置中產(chǎn)生的等離子體進(jìn)行測量；測量數(shù)據(jù)要按照已有的理論進(jìn)行處理，以得出裝置中等離子體具體形成過程和現(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。對實(shí)驗(yàn)條件的調(diào)節(jié)和控制也必需有測量診斷的結(jié)果作為依據(jù)，然后方可接上現(xiàn)代的信息和控制技術(shù)，構(gòu)成閉環(huán)的操作，從而推進(jìn)實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果要同參量條件相對應(yīng)的理論分析進(jìn)行對比校驗(yàn)，以判定實(shí)驗(yàn)及理論的前進(jìn)方向。等離子體實(shí)驗(yàn)的因素復(fù)雜多變，難度大，精確度不高，而理論描述又遠(yuǎn)未完善；實(shí)驗(yàn)中意料之外的結(jié)果常會(huì)出現(xiàn)，而成為理論創(chuàng)新的前導(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,只討論單個(gè)粒子在外加電磁場中的運(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(yùn)動(dòng)作適當(dāng)?shù)拿鑼?，也能提供稠密等離子體的某些性質(zhì)。不過，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)不討論單個(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。它適用于研究稠密等離子體的宏觀性質(zhì)如平衡、宏觀穩(wěn)定性等問題，也適用于研究冷等離子體中的波動(dòng)問題。然而，由于它不考慮粒子的速度空間分布函數(shù)，因此，它無法揭示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。對于波動(dòng)和微觀不穩(wěn)定性，動(dòng)力論采用符拉索夫方程來研究。對于弛豫過程和輸運(yùn)問題，動(dòng)力論采用?？?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(shí)。例如在波動(dòng)問題方面，只有動(dòng)力論才能導(dǎo)出朗道阻尼。至于微觀不穩(wěn)定性，主要討論速度空間中偏離平衡態(tài)所引起的不穩(wěn)定性，這類問題是宏觀理論無法研究的。從動(dòng)力論方程出發(fā)，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、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(yīng)，因此數(shù)值計(jì)算在等離子體研究中的作用越來越大。另外，由于高溫等離子體的實(shí)驗(yàn)和診斷都較難進(jìn)行,所以自70年代以來,發(fā)展了一種數(shù)值實(shí)驗(yàn)的方法。就是在大容量的計(jì)算機(jī)上，用大量粒子來模擬等離子體的運(yùn)動(dòng)，以研究它的宏觀和微觀不穩(wěn)定性等問題。這已成為一種有力的研究方法。前景:自20世紀(jì)20年代特別是50年代以來，等離子體物理學(xué)已發(fā)展成為物理學(xué)的一個(gè)十分活躍的分支。在實(shí)驗(yàn)上，已經(jīng)建成了包括一批聚變實(shí)驗(yàn)裝置在內(nèi)的很多裝置，發(fā)射了不少科學(xué)衛(wèi)星和空間實(shí)驗(yàn)室，從而取得大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和觀測資料。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)闡明等離子體的很多性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，還發(fā)展了數(shù)值實(shí)驗(yàn)方法。半個(gè)多世紀(jì)來的巨大成就，使人們對等離子體的認(rèn)識(shí)大大深化；但是一些已提