等離子體技術

360361等離子體技術一、等離子體含有足夠數(shù)量的自由帶電粒子,有較大的電導率,其運動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電荷幾乎處處相等。由于帶電粒子之間的作用主要是長程的庫侖力，每個粒子都同時和四周很多粒子發(fā)生作用，因此等離子體在運動過程中一般表現(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、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、等離子體物理學爭論等離子體的形成、性質(zhì)和運動規(guī)律的一門學科。宇宙間的物質(zhì)絕大局部處于等離子體狀態(tài)。天體物理學和空間物理學所爭論的對象中，如太陽耀斑、日冕、日珥、太陽黑子、太陽風、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,這個過程的實現(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、加熱等物理問題。所以，等離子體物理學是天體物理學、空間物理學和受控熱核聚變爭論的試驗與理論根底。此外，低溫等離子體的多項技術應用，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，以及火箭推動劑等爭論，也都離不開等離子體物理學。金屬及半導體中電子氣的運動規(guī)律，也與等離子體物理有聯(lián)系。1、進展簡史19;1920理學的爭論；1950年前后開頭對受控熱核聚變的爭論；以及低溫等離子體技術應用的爭論，從四個方面推動了這門學科的進展。1930年月英國的MJ.J.湯姆孫、J.S.E.湯森德等人相繼爭論氣體放電現(xiàn)象，這實際上是等離子體試驗爭論的起步時期。1879W.克魯克斯承受“物質(zhì)第四態(tài)”這個名詞來描述氣體放電管中的電離氣體。美國的I.朗繆爾在19281929年美國的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.亥維賽等為了這個假說為英國的E.V.阿普頓用試驗證明。英國的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，即棄去碰撞項的無碰撞方程。朗道碰撞積分和符拉索夫方程的提出，標志著動力論的發(fā)端。1942H.阿爾文指出，當抱負導電流體處在磁場中，會產(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爭論弛豫過程。1946年朗道證明當朗繆爾波傳播時，共振電子會吸取波的能量造成波衰減，這稱為朗道阻尼。朗道的這個理論，開創(chuàng)了等離子體中波和粒子相互作用和微觀不穩(wěn)定性這些的爭論領域。19351952H.HM.玻恩等從劉維定BBGKY這給等離子體動力論奠定了理論根底。1950年以后，由于英、美、蘇等國開頭大力爭論受控熱核反響，促使等離子體1929R.de奧地利的F.G.豪特曼斯提出設想，太陽內(nèi)部輕元素的核之間的熱核反響所釋放的能量是太陽能的來源，這是自然的自控熱核反響。1957J.D.勞孫提出受控熱核反響實現(xiàn)能量增益的條件，即勞孫判據(jù)。50年月以來已建成了一批受控聚變的試驗裝置，如美國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試驗裝置。60年月后又建立一批慣性約束聚變試驗裝置。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)狀磁場中的等離子體的輸運系數(shù)首先由聯(lián)邦德國的D.普菲爾施等作了爭論(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過程被命名為經(jīng)典理論。自從蘇聯(lián)在1957和空間試驗室，獲得很多觀測和試驗數(shù)據(jù)，這極大地推動天體和空間等離子體物理學的進展。1959J.A.范艾倫預言地球上空存在著強輻射帶，這一預言為日后的試驗證明，即稱為范艾倫帶。1958E.N.帕克提出了太陽風模型。1974D.A.格內(nèi)特依據(jù)衛(wèi)星資料，證認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也在以往氣體放電和電弧技術的根底上，進一步得到應用與推廣，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等，都推動了對非完全電離的低溫等離子體性質(zhì)的爭論。2、爭論方法等離子體物理學現(xiàn)在已進展成為物理學的一個內(nèi)容豐富的興分支。由于等離子體種類繁多、現(xiàn)象簡單、而且應用廣泛，對這一物質(zhì)狀態(tài)的爭論，正方興未艾，從試驗、理論、數(shù)值計算三個方面，相互結合，向深度和廣度進展。試驗爭論用試驗方法爭論等離子體有如下特點。對于自然的等離子體，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室中的一般方法主動地調(diào)整試驗條件或加以掌握，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(xiàn)代的高空飛行器〔包括各種粒子依據(jù)大量的觀測結果，并在天體物理學和空間物理學的生疏根底上，依靠目前已建立的等離子體物理理論和已有的各項根本試驗數(shù)據(jù)，進展分析和綜合，方能深入地生疏這些自然等離子體的現(xiàn)象、本質(zhì)、構造、運動和演化的規(guī)律。要爭論或利用各種人造的等離子體，必需先把它們制造出來；而要制造任何一種的等離子體或者擴展它的性能參量，又往往必需對它先有肯定的生疏。由此可見，對于人造等離子體，只能實行邊制造邊爭論，爭論和制造循環(huán)結合、逐步前進的方法。例如，受控核聚變等離子體的爭論，就是通過一代又一代的試驗裝置，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。而每一代裝置的設計，又必需在已有等離子體試驗的根底上，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筑，必需立足于各項經(jīng)過試驗的、成熟的工程技術，輔之以必需和能夠準時開發(fā)出來的單項技術，例如強流電子束和離子束技術。裝置建成后，試驗的第一步是使用各種儀器手段，對裝置中產(chǎn)生的等離子體進展測量；測量數(shù)據(jù)要依據(jù)已有的理論進展處理，以得出裝置中等離子體具體形成過程和現(xiàn)象細節(jié)性質(zhì)的定性和定量的結果，這些就是等離子體診斷學的內(nèi)容。對試驗條件的調(diào)整和掌握也必需有測量診斷的結果作為依據(jù)，然前方可接上現(xiàn)代的信息和掌握技術，構成閉環(huán)的操作，從而推動試驗爭論。試驗結果要同參量條件相對應的理論分析進展比照校驗，以判定試驗及理論的前進方向。等離子體試驗的因素簡單多變，難度大，準確度不高，而理論描述又遠未完善；試驗中意料之外的結果常會消滅，而成為理論創(chuàng)的前導。理論描述包括近似方法和統(tǒng)計方法。粒子軌道理論和磁流體力學都屬于近似方法。粒子軌道理論是把等離子體看成由大量獨立的帶電粒子組成的集體,只爭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。這種理論只適用于研究淡薄等離子體。在肯定條件下的稠密等離子體，通過每種粒子軌道確實定，也可對等離子體運動作適當?shù)拿鑼?，也能供給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。磁流體力學不爭論單個粒子的運動，而是把等離子體當作導電的連續(xù)媒質(zhì)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(lián)立,就構成磁流體力學方程組，這是等離子體的宏觀理論。它適用于爭論稠密等離子體的宏觀性質(zhì)如平衡、宏觀穩(wěn)定性等問題，也適用于爭論冷等離子體中的波動問題。然而，由于它不考慮粒子的速度空間分布函數(shù)，因此，它無法提醒出波粒相互作用和微觀不穩(wěn)定性等一系列細致和重要的性質(zhì)。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(tǒng)計方法，即求出粒子分布函數(shù)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。對于波動和微觀不穩(wěn)定性，動力論承受符拉索夫方程來爭論。對于弛豫過程和輸運問題，動力論承受?？?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問。例如在波動問題方面，只有動力論才能導出朗道阻尼。至于微觀不穩(wěn)定性，主要爭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爭論的。從動力論方程動身，可以導出磁流體力學的連續(xù)方程、動量方程和能量方程。數(shù)值計算現(xiàn)有的理論描述中，磁流體力學、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，物理模型往往過分簡化以至無法準確和全面地包羅各種效應，因此數(shù)值計算在等離子體爭論中的作用越來越大。另外，由于高溫等離子體的試驗和診斷都較難進展,所以自70年月以來,進展了一種數(shù)值試驗的方法。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，以爭論它的宏觀和微觀不穩(wěn)定性等問題。這已成為一種有力的爭論方法。3、主要內(nèi)容〔拉莫爾圓，即帶電粒子的盤旋運動。假設除磁場外，還有其他外力F，則粒子除沿磁場運動外,在垂直磁場方向，一面作盤旋運動，一面作漂移運動。漂移運動是拉莫爾圓的圓心〔即導向中心〕垂直于磁場的運動，可以由靜電力或重力引起。對于非均勻磁場，漂移也可以由磁場梯度和磁場的曲率等引起。靜電力引起的正負電荷的漂移一樣，因而不形成電流。而非靜電力引起的正負電荷的漂移是相反的，會形成電流。當磁場隨時間及空間變化格外緩慢時，可以把粒子運動看成是盤旋運動和導向中心運動的疊加。為使問題簡化起見，可以不考慮快速的盤旋運動而只考慮導向中心的運動，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爭論粒子的運動。mv2 v2B o

B,m力作用下動能不變，使得帶電粒子會被肯定形態(tài)的非均勻磁場約束住。例如地磁場就能約束帶電粒子形成地球輻射帶〔范艾倫帶。受控熱核聚變的磁鏡裝置也是利用了這共性質(zhì)來約束等離子體的。波動這是等離子體的根本運動形態(tài)，因此對等離子體中的波的爭論具有極為重要的意義。此外，由于波供給了理論與試驗的聯(lián)系，一旦了解波動，就可用約束等離子體。而且,爭論波動有著明顯的有用意義，例如波在電離層中的傳播等。等離子體中的波動模式格外簡單。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發(fā)生作用而影響波的傳播。假設有外加磁場，則波動、磁場的擾動和粒子的運動相互影響，就使得波的模式更加繁雜。例如，正負電荷的分別，會產(chǎn)生靜電場，其庫侖力是恢復力，由此產(chǎn)生了朗繆爾波；磁力線的彎曲，其張力是恢復力，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，會引起漂移運動，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。當粒子的熱速遠小于波速，以及盤旋半徑〔對磁化等離子體來說〕遠小于波長時，這時是冷等離子體，其波動現(xiàn)象承受磁流體力學方法來爭論。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?shù)入x子體的折射率n0n→∞時，波與共振粒k與外磁場平行時，頻率為ce

的格外波會與繞磁場盤旋的電子共振，=ci

的尋常波則會與盤旋離子共振， 和 分別ce ci是電子及離子的盤旋頻率,此時，波的能量被吸取，形成盤旋阻尼。對于熱等離子體，粒子的熱運動以及有限盤旋半徑引進了一些的模式和的效應。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特點是，由于多普勒效應等緣由,頻率為＝lcel0，1，2，?)的格外波會與盤旋電子共振,＝lci尋常波會與盤旋離子共振，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、無碰撞激波、孤立波等。如考慮到非線性效應，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。波動理論不僅爭論色散關系，也爭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。平衡平衡問題是位形平衡問題的簡稱，它爭論在肯定的約束條件下，等離子體如何才能在力學上處于靜止狀態(tài)。對于磁場約束的等離子體，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，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。通常是引入一個磁面函數(shù)，則平衡方程組轉(zhuǎn)為一個磁面方程，這樣，平衡問題變成在適當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。但凡進展的區(qū)域遠大于粒子的盤旋半徑和德拜長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)定性會造成等離子體大范圍的擾動，對平衡具有嚴峻破壞作用。它的起因主要是等離子體中貯存了過剩的與磁場相結合的能量，此外，如等離子體的抗磁性等，也會引起宏觀不穩(wěn)定性。對于受控熱核聚變裝置中的約束等離子體來說，這是一個格外緊要的問題。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的位置發(fā)生交換；撕裂模，即等離子體被磁場撕裂成細束，等等。宏觀不穩(wěn)定性通常都承受磁流體力學來爭論。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)的勢能變化，來確定平衡是否穩(wěn)定。這種方法特別適用于幾何外形簡單的磁場。除能量原理外，簡正模法也是常用的一種分析方法。它假設擾動量的形式為q(r,t)=qr)e-t。解出的一般是復數(shù):=+ir

。假設i

0ti<0，系統(tǒng)是穩(wěn)定的。微觀不穩(wěn)定性的起因有多種。一種來自空間的非均勻性，例如密度、溫度、磁場的梯度等，這會引起漂移，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。總之，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以趨向平衡態(tài)。自由能的釋放就有可能驅(qū)動微觀不穩(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的漲落現(xiàn)象。這往往導致湍流的產(chǎn)生和形成反常輸運現(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動所引起;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力論上，也就是從符拉索夫方程動身來爭論的。通常在爭論不穩(wěn)定性時用的是線性理論，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刻的不穩(wěn)定性增長率。當擾動振幅增大后以及在適當狀況下趨向飽和的演化問題，需要用非線性理論來爭論。弛豫和輸運非熱平衡等離子體中向平衡態(tài)過渡消滅的過程可分為弛豫和輸運兩類。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)、動量、能量等在空間流淌時的過程。弛豫過程一般通過各種弛豫時間來描述。這里最根本的是帶電粒子間的碰撞過程。帶電粒子間的作用力是長程庫侖力，一個粒子可以同時和德拜長度范圍內(nèi)的多個粒子發(fā)生作用，它們之間可以產(chǎn)生近碰撞〔兩個粒子近距離碰撞〕和遠碰撞〔一個粒子和距離較遠的多個粒子碰撞。遠碰撞的作用大大超過近碰撞，這是等離子體中帶電粒子碰撞的一個特點。碰撞時間和平均自由程l都主要由遠碰撞打算。它們是〔承受高斯單位制〕22 ， l ，ne4

ln

ne4

lnT,m、ne,lnΛ為庫侖對數(shù)，它反映遠碰撞的效應。對于高溫等離子體,有三個比較重要的弛豫時間:縱向減速時間，橫向偏轉(zhuǎn)時間,能量均化時間E。電子和離子的弛豫時間并不一樣。一個初始為非熱平衡的等離子體，經(jīng)過碰撞，電子會首先到達熱平衡，此后離子到達熱平衡，最終達到電子和離子之間的熱平衡。等離子體中的輸運過程包括電導、集中、粘性和熱導等，它們具有某些特點。特點之一是雙極集中。例如電子集中時，電子和離子間的靜電力會使離子跟著一起這稱為雙極集中。另一個特點是處在磁場中的等離子體，沿磁場的輸運根本上不受磁場的影響，但橫越磁場的輸運卻受到磁場的阻擋。處于環(huán)形磁場中的高溫淡薄等離子體，磁場梯度引起的漂移會轉(zhuǎn)變約束粒子的軌道，從而加大了遷移自由程，這就大大提高輸運系數(shù)。分析這種磁場位形所得到的輸運理論名為經(jīng)典理論，它仍舊是一種碰撞理論。在受控熱核聚變的爭論中，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等輸運系數(shù)。依據(jù)目前托卡馬克等的試驗結果，某些輸運系數(shù)如電子熱導等有時明顯大于經(jīng)典理論的結果。在慣性約束聚變及其他某些試驗中，覺察輸運系數(shù)明顯小于經(jīng)典理論的結果。但凡碰撞理論無法解釋的輸運現(xiàn)象就稱為反常輸運。目前流行的觀點是，反常輸運是由湍流等非線性過程所引起。反常輸運已成為當前聚變理論爭論中的一個重大課題，由于它關系到能否有效地約束住等離子體的粒子和能量。輻射對等離子體輻射的爭論的意義在于，一方面，這是等離子體能量耗散的一個重要途徑，另外，對輻射的爭論也是通過等離子體光譜等方面的細致分析，來生疏等離子體運動的必要根底。這對于天體物理和空間物理尤其重要，由于對遙遠的等離子體的了解，幾乎完全是通過對輻射的爭論而獲得的。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侖場中變速時產(chǎn)生的連續(xù)輻射。電子－電子碰撞不轉(zhuǎn)變電子的總動量，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碰撞，波長一般分布在紫外線到X射線范圍。對于高溫等離子體,這是一項很重要的輻射損失。盤旋輻射或稱盤旋輻射，是帶電粒子〔主要是電子〕繞磁力線作盤旋運動時產(chǎn)生的輻射。非相對論性電子的輻射稱為盤旋輻射，它的單色性強，在電子盤旋頻率處以譜線形式消滅，電子能量較高時，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，譜線會加寬，當?shù)入x子體密度加大時，譜線頻率會向高頻方向移動。相對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，集中在一個小區(qū)域內(nèi)，是連續(xù)譜。4、展望202050個格外活潑的分支。在試驗上，已經(jīng)建成了包括一批聚變試驗裝置在內(nèi)的很多裝置，放射了不少科學衛(wèi)星和空間試驗室，從而取得大量的試驗數(shù)據(jù)和觀測資料。在理論上，利用粒子軌道理論、磁流體力學和動力論已經(jīng)說明等離子體的很多性質(zhì)和運動規(guī)律，還進展了數(shù)值試驗方法。最近半個多世紀來的巨大成就，使人們對等離子體的生疏大大深化；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爭論的進展，又必定會帶來更多的問題。今后一個相當長的時期內(nèi)，等離子體物理學將連續(xù)取得多方面的進展。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，等離子體和四周氣相、外表相、固相之間交換能量、物質(zhì)和信息的過程。等離子體和外表的相互作用，例如濺射，已覺察了一個世紀以上，但只有這一領域和受控熱核聚變爭論相結合，才得到快速進展。在受控熱核聚變爭論的早期階段，就已覺察并爭論了單極弧、氣體循環(huán)等現(xiàn)象。但當時等離子體參量比較低，這些爭論并未引起足夠的重視。20世紀70年月，由于受控熱核聚變、特別是托卡馬克的進展，漸漸生疏到雜質(zhì)問題的重要性，對這一課題投入越來越多的工作，進展成為受控熱核聚變爭論的一個分支。因此，作為一個爭論領域，等離子體和外表的相互作用主要指受控熱核聚變裝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邊緣爭論領域，它和等離子體物理、外表物理、等離子體化學、原子物理、分子物理等學科都存在親熱的關系。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)電機的器壁和電極，以及當運載火箭通過大氣層時在火箭外殼外表103～104壓強接近一大氣壓。高溫等離子體和外表的相互作用主要發(fā)生在受控熱核聚變的試驗裝置，以及未來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固體外表，產(chǎn)生各種形式的作用。在受控熱核聚變試驗裝置和聚變堆中，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，這一相互作用對反響室的器壁造成損傷，縮短其使用壽命。因此，必需對這種相互作用過程進展爭論和掌握。1、根本過程等離子體和外表的相互作用主要有以下一些根本過程。①吸附和解吸。在等離子體裝置中，由于放電對外表的活化作用，外表可能對氣體發(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)。即固體外表承受來自等離子體的能量而熔化、蒸發(fā)。③濺射。當離子或中性粒子入射到外表時，它的一局部能量傳給少數(shù)靶原子，其中有些在點陣到達熱平衡之前放射出去，這就是濺射。濺射是閾值性的，即當入射粒子的能量大于某一閾值〔5～50eV〕時,才消滅濺射。④化學濺射。發(fā)生在等離子體裝置外表的化學過程。主要是由于外表催化作用引起的。當粒子入射到外表后，在外表進展化學反響生成揮發(fā)性產(chǎn)物而釋放。這個過程稱為化學濺射。⑤背散射、再放射和植入。當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，漸漸失去原來的能量。最終可能產(chǎn)生兩種結果: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，沿固體深度形成一個分布，稱為植入。⑥起泡。當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，假設其劑量到達肯定程度，就