等離子體技術(shù)

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)和周圍很多粒子發(fā)生作用，因此等離子體在運(yùn)動(dòng)過程中一般表現(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、極光等是地球上的天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，以及實(shí)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、太陽及其他恒星、太陽風(fēng)、很多種星際物質(zhì)，都是等離子體。天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)總量的絕大部分。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。m■人造等離f體10"同f:（待研制）慣性約束3聚變堆卻金牛座T型星m■人造等離f體10"同f:（待研制）慣性約束3聚變堆卻金牛座T型星L1（L1（產(chǎn) 10"電f數(shù)密度《米電f數(shù)密度《米'）（日面等離子體）1雄洞2凝聚區(qū)3燿斑爆發(fā)區(qū)4冕色過渡區(qū)$色球?qū)?日珥7計(jì)狀物?耀斑二、等離子體物理學(xué)研究等離子體的形成、性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一門學(xué)科。宇宙間的物質(zhì)絕大部分處于等離子體狀態(tài)。天體物理學(xué)和空間物理學(xué)所研究的對(duì)象中，如太陽耀斑、日冕、日珥、太陽黑子、太陽風(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，在聚變過程中釋放了大量的能量,因此,這個(gè)過程的實(shí)現(xiàn)，將為人類開發(fā)取之不盡的能源。要利用這種能量，必須解決等離子體的約束、加熱等物理問題。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)岷司圩冄芯康膶?shí)驗(yàn)與理論基礎(chǔ)。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，以及火箭推進(jìn)劑等研究，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、發(fā)展簡(jiǎn)史19世紀(jì)以來對(duì)氣體放電的研究;19世紀(jì)中葉開始天體物理學(xué)及20世紀(jì)對(duì)空間物理學(xué)的研究；1950年前后開始對(duì)受控?zé)岷司圩兊难芯?；以及低溫等離子體技術(shù)應(yīng)用的研究，從四個(gè)方面推動(dòng)了這門學(xué)科的發(fā)展。19世紀(jì)30年代英國(guó)的M.法拉第以及其后的J.J.湯姆孫、J.S.E.湯森德等人相繼研究氣體放電現(xiàn)象，這實(shí)際上是等離子體實(shí)驗(yàn)研究的起步時(shí)期。1879年英國(guó)的W.克魯克斯采用“物質(zhì)第四態(tài)”這個(gè)名詞來描述氣體放電管中的電離氣體。美國(guó)的I.朗繆爾在1928年首先引入等離子體這個(gè)名詞，等離子體物理學(xué)才正式問世。1929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）。對(duì)空間等離子體的探索，也在20世紀(jì)初開始。1902年英國(guó)的0?亥維賽等為了解釋無線電波可以遠(yuǎn)距離傳播的現(xiàn)象，推測(cè)地球上空存在著能反射電磁波的電離層。這個(gè)假說為英國(guó)的E.V.阿普頓用實(shí)驗(yàn)證實(shí)。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。1941年英國(guó)的S.查普曼和V.C.A.費(fèi)拉羅認(rèn)為太陽會(huì)發(fā)射出高速帶電粒子流，粒子流會(huì)把地磁場(chǎng)包圍，并使它受壓縮而變形。從20世紀(jì)30年代起，磁流體力學(xué)及等離子體動(dòng)力論逐步形成。等離子體的速度分布函數(shù)服從?？艘黄绽士朔匠獭ＬK聯(lián)的R?口.朗道在1936年給出方程中由于等離子體中的粒子碰撞而造成的碰撞項(xiàng)的碰撞積分形式。1938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。1942年瑞典的H.阿爾文指出，當(dāng)理想導(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年提出用試探粒子模型來研究弛豫過程。1946年朗道證明當(dāng)朗繆爾波傳播時(shí)，共振電子會(huì)吸收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)定性這些新的研究領(lǐng)域。從1935年延續(xù)至1952年，蘇聯(lián)的H.H.博戈留博夫、英國(guó)的M.玻恩等從劉維定理出發(fā)，得到了不封閉的方程組系列，名為BBGKY鏈。由它可導(dǎo)出符拉索夫方程等，這給等離子體動(dòng)力論奠定了理論基礎(chǔ)。1950年以后，因?yàn)橛ⅰ⒚馈⑻K等國(guó)開始大力研究受控?zé)岷朔磻?yīng)，促使等離子體物理蓬勃發(fā)展。熱核反應(yīng)的概念最早出現(xiàn)于1929年，當(dāng)時(shí)英國(guó)的R.de阿特金森和奧地利的F.G.豪特曼斯提出設(shè)想，太陽內(nèi)部輕元素的核之間的熱核反應(yīng)所釋放的能量是太陽能的來源，這是天然的自控?zé)岷朔磻?yīng)。1957年英國(guó)的J.D.勞孫提出受控?zé)岷朔磻?yīng)實(shí)現(xiàn)能量增益的條件，即勞孫判據(jù)。50年代以來已建成了一批受控聚變的實(shí)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實(shí)驗(yàn)裝置。60年代后又建立一批慣性約束聚變實(shí)驗(yàn)裝置。環(huán)狀磁約束等離子體的平衡問題由蘇聯(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)。1958年美國(guó)的I.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.普菲爾施等作了研究(1962)，他們給出在密度較大區(qū)的擴(kuò)散系數(shù)，蘇聯(lián)的A.A?加列耶夫等給出了密度較小區(qū)的擴(kuò)散系散(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)過程被命名為新經(jīng)典理論。自從蘇聯(lián)在1957年發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星以后，很多國(guó)家陸續(xù)發(fā)射了科學(xué)衛(wèi)星和空間實(shí)驗(yàn)室，獲得很多觀測(cè)和實(shí)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)的發(fā)展。1959年美國(guó)的J.A?范艾倫預(yù)言地球上空存在著強(qiáng)輻射帶，這一預(yù)言為日后的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，即稱為范艾倫帶。1958年美國(guó)的E.N.帕克提出了太陽風(fēng)模型。1974年美國(guó)的D.A.格內(nèi)特根據(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)的基礎(chǔ)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，以及火箭的離子推進(jìn)等，都推動(dòng)了對(duì)非完全電離的低溫等離子體性質(zhì)的研究。2、研究方法等離子體物理學(xué)現(xiàn)在已發(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(duì)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。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(duì)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(cè)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(cè)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，依靠目前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(duì)它先有一定的認(rèn)識(shí)。由此可見，對(duì)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(duì)裝置中產(chǎn)生的等離子體進(jìn)行測(cè)量；測(cè)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(duì)實(shí)驗(yàn)條件的調(diào)節(jié)和控制也必需有測(cè)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(duì)應(yīng)的理論分析進(jìn)行對(duì)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(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(duì)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(duì)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(duì)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(jiǎn)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。3、主要內(nèi)容單粒子運(yùn)動(dòng)主要研究單個(gè)帶電粒子在外磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)。在均勻恒定磁場(chǎng)中，帶電粒子運(yùn)動(dòng)很簡(jiǎn)單。平行磁場(chǎng)的是等速運(yùn)動(dòng)，垂直磁場(chǎng)的是繞磁力線的圓運(yùn)動(dòng)(拉莫爾圓)，即帶電粒子的回旋運(yùn)動(dòng)。如果除磁場(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，一面作回旋運(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)電荷的漂移相同，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)間及空間變化十分緩慢時(shí)，可以把粒子運(yùn)動(dòng)看成是回旋運(yùn)動(dòng)和導(dǎo)向中心運(yùn)動(dòng)的疊加。為使問題簡(jiǎn)化起見，可以不考慮快速的回旋運(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，主要就是采用漂移近似來研究粒子的運(yùn)動(dòng)。在緩變磁場(chǎng)中，有三個(gè)絕熱不變量，其中比較重要的一個(gè)是粒子的磁矩mv2A=mv^V是垂直于磁場(chǎng)B的速度分量,m是質(zhì)量。這個(gè)性質(zhì)和帶電粒子在磁2B丄力作用下動(dòng)能不變，使得帶電粒子會(huì)被一定形態(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裝置也是利用了這個(gè)性質(zhì)來約束等離子體的。（2） 波動(dòng)這是等離子體的基本運(yùn)動(dòng)形態(tài)，因此對(duì)等離子體中的波的研究具有極為重要的意義。此外，由于波提供了理論與實(shí)驗(yàn)的聯(lián)系，一旦了解波動(dòng)，就可用波來測(cè)量等離子體的各種參量，還可利用波來改變等離子體的狀態(tài),如用波來加熱或約束等離子體。而且,研究波動(dòng)有著明顯的實(shí)用意義，例如波在電離層中的傳播等。波動(dòng)還和不穩(wěn)定性等問題緊密關(guān)聯(lián)，因?yàn)椴环€(wěn)定性往往表現(xiàn)為振幅隨時(shí)間增長(zhǎng)的波。等離子體中的波動(dòng)模式非常復(fù)雜。既有橫波（波矢k與電場(chǎng)E垂直），也有縱波（k與E平行），也有非橫非縱的波。有橢圓偏振波，也有圓偏振和線偏振波。波的相速可以大于、等于或小于真空光速c。波的群速和相速可以平行、不平行或反平行。波的形式如此之多，這是因?yàn)?，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。如果有外加磁場(chǎng)，則波動(dòng)、磁場(chǎng)的擾動(dòng)和粒子的運(yùn)動(dòng)互相影響，就使得波的模式更加繁雜。例如，正負(fù)電荷的分離，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，以及回旋半徑（對(duì)磁化等離子體來說）遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)時(shí)，這時(shí)是冷等離子體，其波動(dòng)現(xiàn)象采用磁流體力學(xué)方法來研究。非磁化冷等離子體中的波有光波，波速比真空光速c大。對(duì)于磁化冷等離子體,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：尋常波與非常波。當(dāng)?shù)入x子體的折射率n=0時(shí)，波被截止而反射，當(dāng)nf00時(shí)，波與共振粒子作用而被粒子吸收。例如，當(dāng)波矢k與外磁場(chǎng)平行時(shí)，頻率為ro=ro的非常波會(huì)與繞磁場(chǎng)回旋的電子共振，ro=ro.的尋常波則會(huì)與回旋離子共振，ro"和ro.分別ci ce ci是電子及離子的回旋頻率,此時(shí)，波的能量被吸收，形成回旋阻尼。對(duì)于熱等離子體，粒子的熱運(yùn)動(dòng)以及有限回旋半徑引進(jìn)了一些新的模式和新的效應(yīng)。非磁化熱等離子體中的波除光波外，還有電子朗繆爾波及離子聲波。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)等原因，頻率為ro=lroe（l=0，1，2,…）的非常波會(huì)與回旋電子共振,ro=lro（l=0，1，2,…）的ci尋常波會(huì)與回旋離子共振，形成切倫科夫阻尼及回旋阻尼。在非均勻等離子體中，除了會(huì)產(chǎn)生漂移波外，在一定條件下，不同模式的波可以互相轉(zhuǎn)化，例如非常波可轉(zhuǎn)化為尋常波或縱波。非線性波有激波、無碰撞激波、孤立波等。如考慮到非線性效應(yīng)，則不同模式的波既可互相轉(zhuǎn)化，也可互相激發(fā)，如橫波可以激發(fā)縱波。波動(dòng)理論不僅研究色散關(guān)系，也研究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。平衡平衡問題是位形平衡問題的簡(jiǎn)稱，它研究在一定的約束條件下，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，平衡問題就是用磁壓力來平衡等離子體壓力。從磁流體力學(xué)，可以得到磁約束的平衡方程組(采用高斯單位制)-Vp+jxB/c=0,VxB=4叩j/c,oV?B=0 。p是等離子體壓力，j是電流密度,c是光速。平衡問題從數(shù)學(xué)上說，就是在給定邊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。凡是發(fā)展的區(qū)域遠(yuǎn)大于粒子的回旋半徑和德拜長(zhǎng)度等微觀尺度的不穩(wěn)定性，統(tǒng)稱為宏觀不穩(wěn)定性；而僅在微觀尺度上發(fā)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)重破壞作用。它的起因主要是等離子體中儲(chǔ)藏了過剩的與磁場(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說，這是一個(gè)十分緊要的問題。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)定性通常都采用磁流體力學(xué)來研究。其中能量原理是一種很有效的方法，也就是根據(jù)偏離平衡的小位移引起系統(tǒng)的勢(shì)能變化，來確定平衡是否穩(wěn)定。這種方法特別適用于幾何形狀復(fù)雜的磁場(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8q(r,t)=6q(r)e-血。解出的w一般是復(fù)數(shù)：ro=w+iw。如果w>0,則擾動(dòng)量的振幅會(huì)隨t增長(zhǎng)，也就是不穩(wěn)定，反之如巴<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x熱平衡態(tài)的等離子體具有多余的自由能，必然要把它釋放出來以趨向平衡態(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出現(xiàn)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)流動(dòng)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出發(fā)來研究的。通常在研究不穩(wěn)定性時(shí)用的是線性理論，它只能判斷系統(tǒng)穩(wěn)定與否，有些情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)情況下趨向

飽和的演化問題，需要用非線性理論來研究。（5） 弛豫和輸運(yùn)非熱平衡等離子體中向平衡態(tài)過渡出現(xiàn)的過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渡的過程，后者是描寫穩(wěn)定的非熱平衡態(tài)有物質(zhì)、動(dòng)量、能量等在空間流動(dòng)時(shí)的過程。弛豫過程一般通過各種弛豫時(shí)間來描述。這里最基本的是帶電粒子間的碰撞過程。中帶電粒子碰撞的一個(gè)特點(diǎn)。是（采用高斯單位制）mT32中帶電粒子碰撞的一個(gè)特點(diǎn)。是（采用高斯單位制）mT32in—ne4lnAT2ln—ne4lnA式中T為溫度，單位為電子伏,m、n為粒子質(zhì)量及數(shù)密度，e為電子電荷,lnA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t/z，橫向偏轉(zhuǎn)時(shí)間T,,能量均化時(shí)間弘。電子和離子的弛豫時(shí)間并不相同。一個(gè)初始為非熱平丄 E衡的等離子體，經(jīng)過碰撞，電子會(huì)首先達(dá)到熱平衡，爾后離子達(dá)到熱平衡，最后達(dá)到電子和離子之間的熱平衡。等離子體中的輸運(yùn)過程包括電導(dǎo)、擴(kuò)散、粘性和熱導(dǎo)等，它們具有某些特點(diǎn)。特點(diǎn)之一是雙極擴(kuò)散。例如電子擴(kuò)散時(shí)，電子和離子間的靜電力會(huì)使離子跟著一起擴(kuò)散，結(jié)果電子的擴(kuò)散減慢了,離子的擴(kuò)散加快了,最后這二者是以相同的速率擴(kuò)散，這稱為雙極擴(kuò)散。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)基本上不受磁場(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)中的高溫稀薄等離子體，磁場(chǎng)梯度引起的漂移會(huì)改變約束粒子的軌道，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)理論名為新經(jīng)典理論，它仍然是一種碰撞理論。在受控?zé)岷司圩兊难芯恐?，這種理論很重要，它在一定程度上解釋了環(huán)形裝置中觀察到的較大的離子熱導(dǎo)等輸運(yùn)系數(shù)。根據(jù)目前托卡馬克等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，某些輸運(yùn)系數(shù)如電子熱導(dǎo)等有時(shí)明顯大于新經(jīng)典理論的結(jié)果。在慣性約束聚變及其他某些實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)輸運(yùn)系數(shù)明顯小于經(jīng)典理論的結(jié)果。凡是碰撞理論無法解釋的輸運(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程所引起。反常輸運(yùn)已成為當(dāng)前聚變理論研究中的一個(gè)重大課題，因?yàn)樗P(guān)系到能否有效地約束住等離子體的粒子和能量。（6） 輻射對(duì)等離子體輻射的研究的意義在于，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)輻射的研究也是通過等離子體光譜等方面的細(xì)致分析，來認(rèn)識(shí)等離子體運(yùn)動(dòng)的必要基礎(chǔ)。這對(duì)于天體物理和空間物理尤其重要，因?yàn)閷?duì)遙遠(yuǎn)的等離子體的了解，幾乎完全是通過對(duì)輻射的研究而獲得的。等離子體的輻射，有軔致輻射、回旋輻射、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－電子碰撞不改變電子的總動(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?；匦椛浠蚍Q回旋加速器輻射，是帶電粒子（主要是電子）繞磁力線作回旋運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的輻射。非相對(duì)論性電子的輻射稱為回旋輻射，它的單色性強(qiáng)，在電子回旋頻率處以譜線形式出現(xiàn)，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，由于碰撞等原因，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)論性電子的回旋輻射稱為同步加速器輻射或同步輻射，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(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)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。最近半個(gè)多世紀(jì)來的巨大成就，使人們對(duì)等離子體的認(rèn)識(shí)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(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)用研究的發(fā)展，又必定會(huì)帶來更多新的問題。今后一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)，等離子體物理學(xué)將繼續(xù)取得多方面的進(jìn)展。三、等離子體和表面的相互作用等離子體和固體表面接近或接觸時(shí)，等離子體和周圍氣相、表面相、固相之間交換能量、物質(zhì)和信息的過程。等離子體和表面的相互作用，例如濺射，已發(fā)現(xiàn)了一個(gè)世紀(jì)以上，但只有這一領(lǐng)域和受控?zé)岷司圩冄芯肯嘟Y(jié)合，才得到迅速發(fā)展。在受控?zé)岷司圩冄芯康脑缙陔A段，就已發(fā)現(xiàn)并研究了單極弧、氣體循環(huán)等現(xiàn)象。但當(dāng)時(shí)等離子體參量比較低，這些研究并未引起足夠的重視。20世紀(jì)70年代，由于受控?zé)岷司圩儭⑻貏e是托卡馬克的進(jìn)展，逐漸認(rèn)識(shí)到雜質(zhì)問題的重要性，對(duì)這一課題投入越來越多的工作，發(fā)展成為受控?zé)岷司圩冄芯康囊粋€(gè)分支。因此，作為一個(gè)研究領(lǐng)域，等離子體和表面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表面的相互作用。等離子體和表面相互作用是一個(gè)邊緣研究領(lǐng)域，它和等離子體物理、表面物理、等離子體化學(xué)、原子物理、分子物理等學(xué)科都存在密切的關(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，等離子體和表面的相互作用也可劃分為兩個(gè)方面。低溫等離子體和表面的相互作用主要發(fā)生在等離子體切割、焊接、冶煉和表面處理，磁流體發(fā)電機(jī)的器壁和電極，以及當(dāng)運(yùn)載火箭通過大氣層時(shí)在火箭外殼表面形成的等離子體和外殼之間，等等。這種等離子體的溫度約為103?104K,密度較高，壓強(qiáng)接近一大氣壓。高溫等離子體和表面的相互作用主要發(fā)生在受控?zé)岷司圩兊膶?shí)驗(yàn)裝置，以及未來的聚變反應(yīng)堆的反應(yīng)室的第一壁（即等離子體直接照射的固體壁）、偏濾器、孔闌以及磁鏡裝置的能量直接轉(zhuǎn)換器表面。在這些表面附近,也存在著溫度比較低的等離子體,即所謂邊界層。但在反應(yīng)室的中心存在著幾百萬度以至于幾千萬度、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應(yīng)產(chǎn)物。這些粒子和輻射到達(dá)固體表面，產(chǎn)生各種形式的作用。在受控?zé)岷司圩儗?shí)驗(yàn)裝置和聚變堆中，這種等離子體和表面的相互作用產(chǎn)生兩方面的影響。首先，這一相互作用使大量不能參加核反應(yīng)的雜質(zhì)離開表面，進(jìn)入等離子體，造成污染。這不但降低了反應(yīng)粒子的濃度，而且冷卻了等離子體，使反應(yīng)速率降低，甚至停止。其次，這一相互作用對(duì)反應(yīng)室的器壁造成損傷，縮短其使用壽命。因此，必須對(duì)這種相互作用過程進(jìn)行研究和控制。1、基本過程等離子體和表面的相互作用主要有以下一些基本過程。吸附和解吸。在等離子體裝置中，由于放電對(duì)表面的活化作用，表面可能對(duì)氣體發(fā)生強(qiáng)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。蒸發(fā)。即固體表面接受來自等離子體的能量而熔化、蒸發(fā)。濺射。當(dāng)離子或中性粒子入射到表面時(shí)，它的一部分能量傳給少數(shù)靶原子，其中有些在點(diǎn)陣達(dá)到熱平衡之前發(fā)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（通常為5?50eV）時(shí),才出現(xiàn)濺射?；瘜W(xué)濺射。發(fā)生在等離子體裝置表面的化學(xué)過程。主要是由于表面催化作用引起的。當(dāng)粒子入射到表面后，在表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)生成揮發(fā)性產(chǎn)物而釋放。這個(gè)過程稱為化學(xué)濺射。背散射、再發(fā)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，逐漸失去原來的能量。最后可能產(chǎn)生兩種結(jié)果:或者還殘留一部分能量,從固體表面發(fā)射出去，這就是背散射；或者與固體原子達(dá)到熱平衡，逐漸擴(kuò)散到表面，再發(fā)射出去，這就是再發(fā)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。起