等离子体中的输运过程
等离子体的输运
等离子体的输运
等离子体的输运：（或称弛豫过程）是一种重要的基本过程。
例如，对于磁约束的准稳态力学平衡系统，其状态的演化一般主要由输运过程所决定；即使是很快的过程，如波动、不稳定性或激波等，输运过程所引起的耗散效应有时也是十分重要的。
输运：本质上是动力论过程，但解动力论方程一般是十分困难的。
通常是采用宏观的电磁流体方程讨论问题，在输运问题中这些方程也称为输运方程。
出现在输运方程中的各种输运系数一般由实验确定或由动力论方程求出，确定输运系数是输运理论的基本任务。
等离子体碰撞
" 符号表
粒子1
粒子2
质量
mα
mβ
速度
vα
v
' a
vβ
v
' β
动量 pα
p'a
pβ
p
' β
动能
Ekα
Ek' a
Ek β
Ek' β
– 质心速度与约化质量
（描述碰撞过程中的动量与动能传递特性）
质心坐标 质心速度
动量守恒
R = mα rα + mβ rβ mα + mβ
v = R = mα vα + mβ vβ mα + mβ
子系统的不同能级中跃迁时产生电磁辐射或光 子辐射 • 每种原子系统都有其独特的原子能级（决定于 束缚电子与原子核之间的电磁作用）
原子能级表示法
• 原子能级的计算需要求解薛定谔方程，但只有H原子的 能级可以解析求解
• 经验方法：利用Grotrian Diagrams （能级图），LS （Russell-Saunders）耦合方法确定能级
" 前三种碰撞为带电粒子与带电粒
子之间的碰撞，库仑力作用，无 需粒子直接接触，为库仑碰撞
" 后三种中碰撞的粒子至少有一方
为中性粒子，需要直接接触才会 产生相互作用力
" 电子与原子碰撞主要过程有弹性
散射（电子动量改变）和激发、 电离等
" 离子与原子碰撞主要过程有弹性
散射（动量和能量交换）和共振 电荷转移等
典型的碰撞截面
e-Ne弹性碰撞截面
e-惰性气体原子电离碰撞截面
e-Ar激发（488nm辐射）碰撞截面
e-Ar动量转移碰撞截面
多组元等离子体的新经典输运理论
多组元等离子体的新经典输运理论这些新经典输运理论包括：
1、最优驱动离子输运理论：这是用一组最优驱动方程来描述一组正负离子的输运过程的理论。
它以电荷的介质的表示方式来表明各离子的输运机制，并将它们划分为两类：对流输运及偏执性输运；
2、基于体积改变的输运理论：这是一种通过体积改变（离子库仑力的调控）来描述离子的输运过程的理论，其核心思想是驱动离子形成静电网络，从而改变水分子体积；
3、栅样拟合输运理论：这是基于电位差和传输系数测量输运过程的理论，它认为电位差是离子输运的发射依据，而传输系数是控制其输运速度的因素；
4、动力学输运理论：这是一种针对离子输运过程的动力学理论，它将复杂的离子输运过程分解为诸多物理学、化学过程的组合，其基本的输运机制认为是通过空穴来完成离子的输运。
第八章 等离子体中的输运过程
1 S DA τ
(8-39)
d 2S 1 =− S 2 dx Dτ
其解为
(8-40)
S = A cos
x x + B sin 1/ 2 ( Dτ ) (Leabharlann Dτ )1/ 2(8-41)
我们应当期望在壁处密度接近于零， 而在中间有一个或几个峰值。 最简单的解是具有单个极 大值的解。由于对称性可去掉方程中的正弦项。那么,在 x = ± L 处边界条件 S = 0 就要求
zα e T gradn 1 E− α − gradTα µαa ν αa µαa ν αa n µαa ν αa
（8-6）
uα = uα E + uαn + uαT
（8-7）
其中第一项决定于带电粒子在电场中加速有关的定向速度。 速度与场之间的比例系数称为迁 移率
uαE = zα bα E
，
bα =
由（8-52）和（8-53）式中消去矢积 [u⊥ ×h ] ，得到定向速度的横向分量
（8-53）
u⊥ =
e [ E⊥ × h ] [h ×grad⊥ (nT )] + 2 2 2 2 mΩc (1 + µ ν 2 2 ) ZmΩc (1 + µ ν 2 2 ) m Ωc m Ωc
（8-54）
+
µν grad (nT ) Zeµν E⊥ + 2 2 ⊥ 2 2 2 2 2 m Ωc + µ ν m Ωc + µ ν
i 式中 ν i = na sea v 是决定电子能量分布函数的平均电离率。上方程为零阶贝赛尔方程，它
的有界解为贝塞尔函数
n = n0 J 0 ( r ) ， ∧ = DA i ∧ ν
等离子体物理学中的电子加热与输运
等离子体物理学中的电子加热与输运等离子体物理学是研究等离子体的性质和行为的学科。
等离子体是由电离的气体或者是高温下的固体或液体中的电离粒子组成的。
在等离子体中，电子是主要的激发和传导能量的粒子。
因此，电子加热和输运是等离子体物理学中的重要课题。
电子加热是指通过外部能量源向等离子体中的电子注入能量，从而提高等离子体的温度。
在等离子体中，电子的能量主要通过碰撞传递给其他粒子，如离子和中性粒子。
电子加热可以通过不同的机制实现，包括电磁波加热、粒子束加热和电子束加热等。
电磁波加热是一种常用的电子加热方法。
通过向等离子体中输入高频电磁波，可以使电子在电场中受到加速，并且通过与其他粒子碰撞，将能量转移到其他粒子上。
这种加热方法可以通过调节电磁波的频率和功率来控制等离子体的温度。
在聚变等离子体物理学中，电磁波加热被广泛应用于控制等离子体的温度和密度。
粒子束加热是另一种常见的电子加热方法。
粒子束加热是通过将高能粒子注入等离子体中，使粒子与等离子体中的电子发生碰撞，从而将能量传递给电子和其他粒子。
粒子束加热可以通过调节粒子束的能量和注入速度来控制等离子体的温度。
这种加热方法在等离子体物理学中也有广泛的应用，特别是在等离子体诊断和聚变研究中。
电子束加热是一种高效的电子加热方法。
通过使用高能电子束，可以将能量直接传递给等离子体中的电子，从而实现快速加热。
电子束加热不仅可以提高等离子体的温度，还可以控制等离子体的密度和流动性。
这种加热方法在等离子体物理学中被广泛应用于等离子体诊断和聚变研究。
除了电子加热，电子输运也是等离子体物理学中的重要课题。
电子输运是指电子在等离子体中的运动和传输。
在等离子体中，电子的输运过程受到电磁场和粒子碰撞的影响。
电子输运的研究对于理解等离子体的性质和行为非常重要，特别是在等离子体诊断和聚变研究中。
电子加热和输运是等离子体物理学中的重要课题。
通过电子加热，可以提高等离子体的温度和密度，从而实现对等离子体的控制和操纵。
等离子体输运过程中的扩散系数
等离子体输运过程中的扩散系数
等离子体输运过程中的扩散系数是现在许多物理学家非常
注重的问题。
它是用来描述粒子在等离子体中扩散的一种量化
指标，它可以用来衡量粒子传输、热流和物料吸附速率。
因此，确定等离子体输运过程中的扩散系数也成为现代物理研究中十
分重要的一部分。
计算等离子体输运过程中的扩散系数的常用方式是应用热
力学方法和计算机模拟数值计算方法。
这种方法能够更好地揭
示等离子体中粒子的扩散特性，而且可以很好的反映实际等离
子体的扩散性质。
热力学方法是一种非常有效的确定等离子体输运过程中扩
散系数的方法。
它可以通过测量粒子在等离子体中的场内动量
来测定，有助于建立粒子在等离子体中的运动轨迹。
这对于对
等离子体中粒子的运动机制的研究非常有用。
计算机模拟方法可以更准确地分析等离子体输运过程中扩
散系数的值。
这种方法通过模拟计算等离子体中粒子的运动轨
迹来分析粒子扩散系数，可以更好的研究粒子的扩散性质。
这
样可以使我们对等离子体的物理特性有更深入的理解和认识。
总之，等离子体输运过程中的扩散系数是一个重要的概念，有助于我们更好地了解等离子体的物理特性。
热力学方法和计
算机模拟方法是目前测量等离子体输运过程中扩散系数的常用
方法，它们的使用有助于更准确的测量粒子在等离子体中的扩
散系数，从而可以更好的研究粒子运动机制。
聚变等离子体中的湍流和输运
聚变等离子体中的湍流和输运徐国盛，万宝年，张炜，凌必利，李亚东，林士耀中国科学院等离子体物理研究所，合肥市1126信箱，邮编230031摘要：过去二十年对等离子体约束的研究已经显示出等离子体横越磁场的输运主要是由低频漂移波湍流所驱动的。
本文简要综述了在磁约束聚变领域中对湍流和输运研究的历史和现状。
从上个世纪60年代，初步的等离子体湍流理论的建立至今，伴随着全世界范围内的磁约束聚变能研究，已经发展了大量的理论模型和数值模拟代码，并积累了丰富的实验结果。
对于低频等离子体湍流所造成的横越磁场的粒子、热能和动量输运已经获得了较为深刻的理解。
未来要实现聚变反应堆的高经济性能，需要我们对等离子体输运获得完全的理解，并找到有效的控制手段。
以往用来预测未来聚变装置中等离子体约束性能，主要是通过经验定标率外推。
这些是不够的，目前迫切需要的是在已经获得的理解的基础上建立全面的可用来做预测的输运理论模型以及相应的数值模拟代码。
获得可预测能力对于耗资巨大的聚变能发展来说是至关重要。
各种空间不均匀性都可能成为不稳定性的驱动源，相应的产生了大量的微观不稳定性理论模型，在不同的等离子体参数范围、不同时空尺度、不同的输运通道适用不同的模型，至今没有一个适用于各种情况下的被普遍接受的模型。
在现有的这些理论模型中，有几个主要的候选。
等离子体芯部高温低碰撞区耗散捕获电子模（TEM）是主要的候选；等离子体周边温度较低区域，非线性驱动的环形电子漂移模可能克服磁剪切阻尼而不稳。
在等离子体边界的低温高碰撞区一些流体模型如电阻气球模可能适用，边界的情况比较复杂，一些原子过程如电荷交换和复合也可能起作用。
实验中观察到边界相对较高的涨落水平，这些边界的涨落到底是来源于边界特有的不稳定性模式还是与芯部相同的模式，或者是芯部的漂移波传播过来的，至今仍然不清楚。
70年代以后高功率中性束和离子回旋加热发展起来了，离子被加热到超过了电子温度，鉴于离子通道对于热核反应的重要性，离子温度梯度模（ITG）得到了长足的发展。
等离子体中的输运过程
Vc R&c 常矢量
&r&= F (r)
Vc 为质心运动速度， m m /(m为 折 m合 )（约化）质量。
结果：质心保持匀速直线运动，相对运动相当于
质量为μ的一个粒子受力心固定的有心力 F (r)
作用的单粒子运动。于是在质心坐标系中，就可以 把二体碰撞化为单体问题，使问题简化。
2. 碰撞微分截面
为热传导系数，可采用实验测定的数据；
或粘采滞用张理量想流t 体由近牛似顿粘滞t定律0 用uα的分量表示，
经过这样处理，方程组就可以封闭。
输运方程组中含的碰撞项可以从动理学方程得到
R m n (u u )
Q nT (T T )
式中 为 α,β粒子间动量平衡的平均碰撞频率，
为温度T 平衡的平均碰撞频率。
2. 运动方程
m nBiblioteka du dtn q (E u B) p
t
R
R R
为弹性碰撞造成的对α粒子的摩擦阻力，
( ) 表示不同类粒子弹性碰撞的动量交换。 对于 t理 想为流粒体子弹 性t 碰 0撞。引起的对粒子的粘滞力，
3. 能量平衡方程
3 2 n
dT dt
p u
q
Q
q 为热流矢量， Q为 交换的热能。
设两个粒子其质量和运动速度
分别为mα、vα，mβ、 vβ ， 粒子间的相互作用力 F (r ) 为有心力，则运动方程为
m &r&a F (r ) m &r& F (r )
r r r
引入质心坐标与相对坐标
Rc (m r m r ) /(m m ) r r r
因无外力 R&&c 0
等离子体内部存在密度、速度、温度的空间不均 匀或存在电场时，将会出现粒子流、动量流、能 量流或电流，这些属于一定物理量在空间的传输 过程称输运过程，也涉及等离子体中粒子间的碰 撞。
分析等离子体中的粒子输运和等离子体激发
分析等离子体中的粒子输运和等离子体激发1. 等离子体的基本概念和特性等离子体是第四态物质，由带正电荷的离子和带负电荷的电子组成，整体呈电中性。
等离子体是自然界中最常见的物质状态之一，存在于太阳、星际空间、地球磁层等地方。
在实验室中，通过高温、高压或强电场等方式也可以产生等离子体。
在等离子体中，粒子之间存在着复杂的相互作用和输运过程。
2. 等离子体粒子输运过程粒子输运是指在等离子体中粒子的运动和传输过程。
主要包括扩散、对流和漂移三种方式。
2.1 扩散扩散是指粒子由于热运动而发生的无序传输过程。
在扩散过程中，粒子会从高浓度区域自发地向低浓度区域传播。
扩散系数是衡量扩散速率的重要参数，它与温度、压强和种类有关。
2.2 对流对流是指由于外部力场作用下引起粒子流动的过程。
外部力场可以是温度梯度、电场或磁场等。
对流可以加速粒子的输运速度，并对等离子体的性质产生重要影响。
2.3 漂移漂移是指粒子在电场或磁场作用下发生的有序运动。
在等离子体中，电场漂移和磁场漂移是主要的漂移方式。
电场漂移是指粒子在非均匀电场中受到力的作用而发生的运动，而磁场漂移则是由于粒子带有电荷而受到磁力作用而发生的运动。
3. 等离子体激发和能量交换过程等离子体激发是指外部能量输入导致等离子体中能级分布产生变化，并引起粒子之间能量交换和转化过程。
3.1 碰撞激发碰撞激发是指由于碰撞引起粒子能级变化的过程。
在等离子体中，带正电荷的离子和带负电荷的电子之间会进行碰撞，从而导致能级分布产生变化。
碰撞激发对于等离子体中物理过程和性质具有重要影响。
3.2 电子碰撞激发电子碰撞激发是指电子与离子碰撞后引起能级变化的过程。
在等离子体中，电子与离子的碰撞是主要的能量交换方式，从而导致等离子体中能级分布的变化。
3.3 辐射激发辐射激发是指由于等离子体中粒子之间相互作用而引起辐射能量释放的过程。
在等离子体中，粒子之间相互作用会导致能级分布的变化，从而引起辐射过程。
托卡马克等离子体粒子运输
托卡马克等离子体粒子运输介绍托卡马克是一种用于实现核聚变反应的装置，它通过将氢等离子体加热至极高温度并将其稳定在磁场中，从而使核聚变反应发生。
然而，在实现核聚变反应的过程中，需要对等离子体粒子进行运输和控制。
本文将详细探讨托卡马克等离子体粒子运输的相关问题。
等离子体粒子运输的挑战在托卡马克等离子体中，等离子体粒子的运输是一个复杂而关键的过程。
等离子体粒子的运输过程中面临着以下挑战：1. 粒子的损失等离子体粒子在运输过程中可能会与周围环境相互作用，导致粒子的损失。
这些相互作用包括碰撞、辐射损失等，这些损失将影响等离子体的稳定性和聚变反应的效率。
2. 粒子的热传导等离子体粒子的运输过程中，热传导是一个重要的因素。
等离子体粒子的热传导会导致能量的损失和等离子体的不稳定性，因此需要采取措施来减小热传导的影响。
3. 粒子的输运等离子体粒子的输运是指等离子体粒子在磁场中的运动。
由于磁场的复杂性，等离子体粒子的输运过程中可能会出现混乱和不稳定的现象，因此需要采取措施来控制粒子的输运。
等离子体粒子运输的方法为了解决等离子体粒子运输过程中的挑战，科学家们提出了多种方法和技术。
下面将介绍几种常见的等离子体粒子运输方法。
1. 磁约束磁约束是一种常见的等离子体粒子运输方法，它利用磁场来约束等离子体粒子的运动。
通过调整磁场的强度和方向，可以控制等离子体粒子的输运路径，从而实现粒子的运输和控制。
2. 高功率激光高功率激光是一种将能量传递给等离子体粒子的方法。
通过激光的作用，可以加热和操控等离子体粒子，从而实现粒子的运输和控制。
3. 等离子体注入等离子体注入是一种将等离子体粒子注入到托卡马克中的方法。
通过控制注入速度和位置，可以实现粒子的运输和控制。
等离子体粒子运输的应用等离子体粒子运输在核聚变研究和应用中具有重要的意义。
下面将介绍几个等离子体粒子运输的应用领域。
1. 聚变能源等离子体粒子运输是实现核聚变反应的关键步骤。
通过控制和运输等离子体粒子，可以实现高温和高能量的核聚变反应，从而产生清洁和可持续的能源。
等离子体中的电离度与能量输运
等离子体中的电离度与能量输运等离子体是一种高温高能量状态下的物质，其中的原子或分子离子化，并被自由电子所包围。
它具有许多独特的物性和应用价值。
而等离子体的电离度和能量输运是等离子体研究中的两个重要方面。
等离子体的电离度是指在等离子体中离子化的程度。
等离子体中存在大量的自由电子和离子，当能量输入到系统中时，原子或分子发生电离。
电离度可以通过衡量等离子体中的自由电子浓度来确定。
电离度的高低与多种因素有关，包括温度、密度、电磁场等。
温度是影响电离度的主要因素，温度越高，分子的热运动越剧烈，电离度也越高。
此外，等离子体的密度也对电离度产生影响。
密度越高，原子或分子之间的相互作用越强，电离度也越高。
电磁场可以通过激发或加速自由电子，从而增加等离子体的电离度。
而能量输运是指等离子体中能量从高能区向低能区传输的过程。
在等离子体中，能量输运主要是通过能量和粒子相互作用而进行的。
能量输运分为两个主要过程：碰撞和传导。
在碰撞过程中，高能电子与原子或分子碰撞，将能量传递给它们，使它们得以激发或电离。
传导过程是指通过等离子体中的电子和离子之间的相互作用来传输能量。
电子和离子通过相互碰撞将能量传导给彼此，完成能量输运。
在等离子体中，电离度和能量输运之间存在着密切的联系。
电离度越高，等离子体的电子和离子越多，能量输运的速率也越快。
因为更多的电子和离子之间的碰撞会导致更多的能量交换。
而能量输运也会影响电离度的分布。
通过精确控制能量输运的过程，我们可以调节等离子体中的电离度分布，从而实现对等离子体的控制和调节。
等离子体的电离度和能量输运在许多领域具有广泛的应用。
在等离子体物理和聚变研究中，了解电离度和能量输运对于实现核聚变反应具有重要意义。
探索等离子体中的电离度和能量输运机制有助于开发新型等离子体能源装备和技术，推动能源转型和可持续发展。
此外，在等离子体医学和材料加工中，电离度和能量输运也被广泛应用于等离子体的治疗和加工过程中。
等离子体的产生、运输及作用原理
等离子体的产生、运输及作用原理等离子体的产生、运输及作用原理是基于等离子体的特性和物理原理。
等离子体是由带正电荷的离子和带负电荷的电子组成的气体状态。
产生等离子体的常见方式有电离、辐射、高温等。
其中，电离是最常见的方法，通过外加电场或电弧等作用下，原子或分子中的电子被剥离，形成离子和电子混合的气体即为等离子体。
等离子体的运输主要依靠电磁场作用。
在等离子体中，带电粒子会受到电场和磁场的力的作用，从而产生运动。
例如，在等离子体中加入外加电场，正电荷粒子会受到电场的力向相应方向运动，负电荷粒子则相反。
而在磁场作用下，带电粒子会受到洛伦兹力的作用，使得粒子运动轨迹发生弯曲，甚至形成闭合的等离子体环流。
等离子体作用的原理主要体现在以下几个方面：1. 等离子体的导电性：等离子体由带电粒子组成，在电场的作用下产生电流，并能传导电能。
这一特性使得等离子体在电子学、能源、材料处理等领域有广泛应用。
2. 等离子体的辐射性：等离子体在高温下能产生辐射光子，包括可见光、紫外光、X射线等。
这一特性使得等离子体在激光技术、荧光显示、医学诊断等领域有重要应用。
3. 等离子体的化学反应性：等离子体中的带电粒子与未带电粒子相互碰撞，从而引发化学反应。
这一特性使得等离子体在表面处理、气体清洁、化学合成等领域有应用。
4. 等离子体的医学应用：等离子体在医学中可以用于切割、凝固、消毒、刺激细胞治疗等。
等离子体在医学中的应用主要是基于其高温、高能量和高活性的特性。
综上所述，等离子体的产生、运输及作用原理主要是通过电离和电磁场作用实现，包括导电性、辐射性、化学反应性和医学应用等多个方面。
这些原理为等离子体在各个领域的应用提供了理论基础和技术支持。
第四章,等离子体约束和输运
等离子体内的输运过程
和新经典理论的差距
经典输运
D e2 ei
i i2 ii
e e2 ee
新经典输运
实验结果较新经典理论： Ｌ－模：电子：大２个量级
离子：大１个量级
Ｈ－模：电子：仍然高 离子；接近
D 3 / 2 (e q(r ))2 ei
vt q (r ) 2 D e R
Ｉ型，压强驱动， 对约束影响小
III型，幅度小， 电流驱动，对约 束影响大
DIIID上几种运行模式的边 缘电子密度和温度
ASDEX上用反向中性粒子注入实现的改善约束模
其它ETB改善约束模
两个方向注入时极向比压随时 间变化，不同测量和计算方法
密度剖面随时间变化
电子热输运减少， 离子热输运达新经 典水平
TFTR上的反剪切改善约束模(ERS)
Phys.Rev.Lett. 7591995) 4417 粒子和离子热扩散达到或低于新 经典输运值
电流和中性粒子注入功率波形
转换前后电子密度和压强分布
两个时刻的q轮廓
无反剪切的ITB改善约束模
DIIID硼化后的VH模
能量约束时间为ITER98定标率的3.5 倍，高的中心电子密度和离子温度， Zeff接近１，无反剪切．
存在临界密度，其定标律
代入定标率，得到饱和能量约束时间
sat E 0.0455 Ai BT Ra
Ｌ－模运转
实行辅助加热后，能量约束低于ＬＯＣ定标律的期望，称为Ｌ模， 其特征为低的温度和边界区温度梯度。Goldston定标律
G 0.037
利用
I p ( MA) R1.75 0.5 P( MW ) 0.5 a 0.37
第四章，等离子体约束和输运
等离子体约束和输运
DIIID上的阵发现象和 blob
Phys.Plasmas 8(2001)4826
束发射光谱得到的密度分布，高密 度区域尺度为2cm，极向径向速度分 别为5km/s,1.5km/s．
几种测量信号的相关
Ｌ模和Ｈ模粒子流幅度
边缘台基(pedestal)作用
DIIID能量约束增大因子和 台基压强(kPa)的定标
(x x)4 (x x)
2 2
PDF分析：斜度，Gauss分布＝０
峰度， Gauss分布＝３
Blob:删削区涨落非线 性耦合产生的相干结构
结构沿磁力线伸长，截面近园形
密度温度较周围高 曲率漂移产生极化，E×B力向外运动， 形成阵发型非扩散粒子损失 Ｌ模的损失幅度远大于Ｈ模
数值模拟研究Blob稳定性
等离子体约束和输运
• 引言 • 实验结果 • L-H转换物理 • 能量约束定标律 • 粒子输运 • 动量约束
L-H转换物理 输运垒的特征
• 宽度0.5-3cm，离子极向回旋半径量级 • 密度梯度增加，温度梯度增加 • 大的径向电场，一般为负值 • 离子极向旋转速度增加 • 湍流得到抑制 密度涨落和磁涨落幅度降低 涨落量间位相差变化 径向相关长度降低
Zonal流的时空结构 （从相关函数）
空间相关（不同时间）
H-1heliac的实验结 果
Blob现象：直线装置PISCES和Tore-Supra实验结果比较
Phys.Rev.Lett.87(2001)965001
skewness
(x x)3 (x x)
2 3/ 2
flatness kurtosis
Reynold strees
~ ~ E 1 V ~ vr B B r
钛合金双辉无氢渗碳中等离子体输运过程分析
２ Ｎ ｎｉｇＵ ｖ ｒｉ ｆ ｅｏ ａ ｔ ｓａ ｄＡｓ ｏ ａ ｔ ｓＮ ｎｉｇ ２ ０ １ ， ｈｎ ） ． ａ ｊ ｎ ｅ ｔ ｏ ｒ ｎ ｕｉ ｎ ｔ ｎ ｕｉ ， ａ ｊ １０ ６ Ｃ ｉａ ｎ ｉ ｓ ｙ Ａ ｃ ｒ ｃ ｎ
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等离子体碰撞
本章主要内容第五章等离子体中的碰撞与输运•二体碰撞类型"前三种碰撞为带电粒子与带电粒子之间的碰撞，库仑力作用，无需粒子直接接触，为库仑碰撞"后三种中碰撞的粒子至少有一方为中性粒子，需要直接接触才会产生相互作用力"电子与原子碰撞主要过程有弹性散射（电子动量改变）和激发、电离等"离子与原子碰撞主要过程有弹性散射（动量和能量交换）和共振电荷转移等"分子气体中还包括分解、分解复合、电子吸附和解吸附e-Ne弹性碰撞截面e-惰性气体原子电离碰撞截面e-Ar激发（488nm辐射）碰撞截面e-Ar动量转移碰撞截面5.3 原子碰撞原子能级•原子中电子与电磁辐射的关系：束缚电子在原子系统的不同能级中跃迁时产生电磁辐射或光子辐射原子碰撞类型生成物"反射"无新的生成物"激发态粒子具有很好的化学活性，有些激发态粒子较稳定，称亚稳态电子碰撞双原子分解"阈值能比电离能低(0~10V) 有助于形成化学活性基"维持等离子体的存在！"只需要较低的电离能！容易产生电离"也称潘宁电离(Penning Ionization)，B的电离能低于A*的激发能"激发态不稳定，发光的重要过程！"光波长决定于能级差"三体碰撞，必须有第三者介入才能同时维持动量、能量守恒"往往容易产生激发态中性粒子"发射出光子同样应该为三体碰撞，另一个粒子没画出"卤族原子和氧原子，相关气体分子如SF等容易发6生也可以为三体碰撞，"这种碰撞产生复合的可能性很小•分子的离解能–气体的标准生成热0252分子碰撞的类型一般要先激发，后离解不是所有气体分子都能直接电离,如CF4+非常不稳定辐射光子，三体复合中多余能量给第三个粒子势能2谷底5.5 等离子体中的输运过程输运过程或输运现象•输运过程包括：扩散过程、热传导过程、粘滞过程根据通量流表达式可得双极电场。
等离子体内部输运垒
等离子体内部输运垒
等离子体内部输运障碍是等离子体研究中的一个重要问题。
这种障碍包括电子输运、离子输运和能量输运等。
它们直接影响等离子体的性质和性能，对等离子体的应用也有着重要的影响。
电子输运是等离子体内部输运中的一个重要问题。
等离子体内部的电子输运包括自由电子的输运和束缚电子的输运。
自由电子的输运主要依赖于对电子碰撞的描述，而束缚电子的输运则需要考虑到电离、复合、激发等过程。
离子输运也是等离子体内部输运中的一个重要问题。
离子输运主要涉及到离子的扩散、漂移、输运等过程。
这些过程主要受到离子的电荷状态、质量、速度以及等离子体中的电场、磁场等因素的影响。
能量输运是等离子体内部输运中的另一个重要问题。
等离子体内部的能量输运主要涉及到等离子体内部的能量传递、能量耗散、能量储存等过程。
这些过程对等离子体的稳定性、能量转换效率和应用性能等方面都有着重要的影响。
要解决等离子体内部输运障碍，需要进行深入的研究，建立起适合等离子体内部输运的模型和理论。
同时，需要开发出适合等离子体内部输运研究的实验设备，以便进行有效的实验验证。
这样，才能更好地理解等离子体的性质和性能，为等离子体研究和应用提供更加可靠的理论和技术支持。
- 1 -。
等离子体物理学中的电子输运现象研究
等离子体物理学中的电子输运现象研究等离子体是一种电中性的气体，其中的电子和离子被高能量的电场激发而产生电离。
电子在等离子体中的输运现象是等离子体物理学中的重要研究内容之一。
电子输运现象对于理解等离子体的性质和行为至关重要，也为等离子体应用提供了实验和理论基础。
在等离子体中，电子的运动方式可以通过输运系数来描述。
常用的输运系数有电子扩散系数、电导率和流体电导率等。
电子的扩散系数描述了电子在等离子体中自由运动的情况，电导率则是描述电流流动的能力。
流体电导率包括电子和离子的输运情况。
电子输运现象的研究可以从实验和理论两个角度进行。
实验上，常用的技术包括激光诱导荧光、微波电子探测和分光光度法等。
这些实验技术可以通过测量等离子体中电子的浓度分布、速度分布和温度分布等参数来研究电子的输运行为。
理论上，可以使用玻尔兹曼方程、焓输运方程和拓扑诱导非线性电子输运等方法进行研究。
电子输运的研究不仅仅是为了理解等离子体的基本性质，也涉及到等离子体的应用。
等离子体在材料加工、等离子体显示器、光源和能源等领域都有广泛的应用。
电子输运现象的研究可以帮助我们改进这些应用技术，提高效率和性能。
在等离子体显示器方面，电子输运现象对等离子体的功耗和亮度有直接影响。
通过研究电子输运现象，可以设计出更高效能的等离子体显示器，降低功耗并提高亮度。
在光源方面，等离子体中的激发态电子是产生光辐射的主要来源。
电子输运现象对于光源的能量损失和辐射强度有重要影响。
通过研究电子输运现象，可以改进光源的能量利用率和产生更强的光辐射，有助于提高照明设备和激光器的性能。
在能源领域，等离子体聚变是一种理论上可行的清洁能源技术。
聚变反应中的高温等离子体中的电子输运现象对于聚变反应的稳定运行和能量损耗有重要影响。
通过研究电子输运现象，可以改善聚变反应的效率和稳定性，推动聚变技术的发展。
总之，电子输运现象是等离子体物理学中的重要研究内容。
电子输运现象的研究不仅帮助我们更好地理解等离子体的性质和行为，也为等离子体应用提供了实验和理论基础。
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为热传导系数，可采用实验测定的数据；
粘滞张量 由牛顿粘滞定律用uα的分量表示， 或采用理想流体近似 0 经过这样处理，方程组就可以封闭。
输运方程组中含的碰撞项可以从动理学方程得到 T R m n (u u ) Q n (T T ) 式中 为α,β粒子间动量平衡的平均碰撞频 T 率， 为温度平衡的平均碰撞频率。
（2）输运方程组中的 E、B是外场，不包含等离子 体自身运动产生的波场，因而不需要麦克斯韦方 程组。输运方程与磁流体力学方程的重要区别是 输运方程组考虑弹性碰撞项，但不考虑波场，因 而不存在和麦克斯韦方程组耦合的问题。
6.2 库仑碰撞
研究等离子体中输运过程，首先要研究带电粒子 间的库仑碰撞。 1. 二体碰撞转化为单体问题 设两个粒子其质量和运动速度 分别为mα、vα，mβ、 vβ ， 粒子间的相互作用力 F (r ) 为应该用微观的动 理论，采用分布函数描述，用动理论方程研究分 布函数的时间演化，然后一切宏观量（如密度、 平均速度、温度、电流密度等）都是由速度分布 函数对相应微观量求平均值得到，从而得到等离 子体宏观行为。 如果只需要了解一些宏观量的变化，也可以从磁 流体力学方程出发进行研究。磁流体力学方程， 包括每一种粒子的连续性方程、运动方程、能量 方程和广义欧姆定律等，这些方程组中的电磁场 如忽略波场，即只保留外场，于是不需要麦克斯 韦方程组，这样磁流体力学方程组就是输运方程 组。因此需要联立求解等离子体中所有带电粒子 组成的流体的输运方程组，就可得到完整的输运 过程的描述，输运方程中的系数通过动理学方程 求得。本章主要介绍的就是这方面内容。
2. 运动方程
du m n n q ( E u B ) p R dt
R R
为弹性碰撞造成的对α粒子的摩擦阻力， ( ) 表示不同类粒子弹性碰撞的动量交换。 为粒子弹性碰撞引起的对粒子的粘滞力， 对于理想流体 0 。 3. 能量平衡方程
第6章 等离子体中的输运过程
在前几章，介绍并应用单粒子轨道理论、磁流体 力学方程研究和处理了等离子体中的一系列问题， 其特点都忽略了带电粒子间的碰撞。磁流体力学 模型是建立在粒子间频繁碰撞基础上的，但把它 应用于等离子体波问题时，往往又忽略其碰撞的 影响，这是因为波的频率远大于等离子体中粒子 间的碰撞频率。因而可以把碰撞的影响忽略。 现在还有一类问题，如等离子体处于不平衡状态 如何趋向平衡，这就需要等离子体中带电粒子短 程的库仑碰撞。
常矢量 Vc R c r = F (r )
Vc 为质心运动速度， m m /(m m ) 为折合（约化）质量。 结果 ： 质心保持匀速直线运动，相对运动相当于 质量为μ的一个粒子受力心固定的有心力 F (r ) 作用的单粒子运动。于是在质心坐标系中，就可 以把二体碰撞化为单体问题，使问题简化。
3 dT n p u q Q 2 dt
q 为热流矢量， Q 为交换的热能。
对输运方程组说明两点： （ 1 ） 输运方程组不封闭。现在方程组中未知的场 变量为 nα、 uα、 Tα，理应由输运方程组自洽求解。 q ，在 现在输运方程组中还有两个高阶矩 和 现有的输运方程组内无法知道的，因此需要设法 解决。通常做法是依靠实验定律，把高阶矩用低 阶矩表示。如傅里叶热传导定律： q T
2. 碰撞微分截面 在质心坐标系中，一个处在远处、质量为μ、电 荷为qα的粒子，以速度u射向固定在O点的电荷qβ 为的另一个粒子，其瞄准距离为b（也称碰撞参 ) 量），受有心力 F (r 的作用而发生偏转，其 偏转角为θ，偏转后速度为u’，经历这样一个运 动过程的称为二粒子碰撞（或称散射）。 当 为库仑作用力， 偏转角θ与碰撞参量b 之 间关系，可以证明为
6.1 等离子体的输运方程组
等离子体输运方程组可以用唯象的方法来建立， 也可以用等离子体动理学方程求速度矩来严格推 导。在第4章中已采用后一种方法得到了各种粒 子成份的磁流体力学方程组，因此很容易由此得 到输运方程组: 1. 连续性方程 n (n u ) 0 t
上式表示粒子数守恒，如令 m n 为质量密度， 则由上式，可以得到质量守恒方程。
tg ( / 2) b0 / b
或
2 sin2 ( / 2) 1/(1 b2 / b0 )
b0 q q / 4 0 u 2
当b=b0 时，θ=π/2，b0 是偏转角为π/2时的碰撞 参量，称近碰撞参量。因为b＜b0 ,θ＞π/2，称 为近碰撞。 当 b b0 / 2 为小角度偏转，称远碰撞。 设每秒单位面积入射粒子数为I ，打在 b b db 的粒子数为 I 2 bdb ，这些粒子被散射为到 d 立体角 d 2 sin d 内，则每秒单位面积强度为I 的粒子束被散射到立体角 d 内的几率
ra F (r ) m r F (r ) m
r r r
引入质心坐标与相对坐标
Rc (m r m r ) /( m m ) r r r
0 因无外力 R c
等离子体内部存在密度、速度、温度的空间不均 匀或存在电场时，将会出现粒子流、动量流、能 量流或电流，这些属于一定物理量在空间的传输 过程称输运过程，也涉及等离子体中粒子间的碰 撞。 由于等离子体中粒子间的库仑长程相互作用、离 子与电子质量相差很大，而且往往存在强磁场， 因此等离子体中的输运现象变得十分复杂。等离 子体输运现象在受控核聚变研究的很多方面都有 重要作用，因此输运过程在等离子体物理中占有 重要地位。