等离子体物理学

§2 等离子体物理学

研究等离子体的形成、性质和运动规律的一门学科。宇宙间的物质绝大部分处于等离子体状态。天体物理学和空间物理学所研究的对象中，如太阳耀斑、日冕、日珥、太阳黑子、太阳风、地球电离层、极光以及一般恒星、星云、脉冲星等等，都涉及等离子体。处于等离子状态的轻核，在聚变过程中释放了大量的能量,因此,这个过程的实现，将为人类开发取之不尽的能源。要利用这种能量，必须解决等离子体的约束、加热等物理问题。所以，等离子体物理学是天体物理学、空间物理学和受控热核聚变研究的实验与理论基础。此外，低温等离子体的多项技术应用，如磁流体发电、等离子体冶炼、等离子体化工、气体放电型的电子器件，以及火箭推进剂等研究，也都离不开等离子体物理学。金属及半导体中电子气的运动规律，也与等离子体物理有联系。

一发展简史

19世纪以来对气体放电的研究;19世纪中叶开始天体物理学及20世纪对空间物理学的研究；1950年前后开始对受控热核聚变的研究；以及低温等离子体技术应用的研究，从四个方面推动了这门学科的发展。

19世纪30年代英国的M.法拉第以及其后的J.J.汤姆孙、J.S.E.汤森德等人相继研究气体放电现象，这实际上是等离子体实验研究的起步时期。1879年英国的W.克鲁克斯采用“物质第四态”这个名词来描述气体放电管中的电离气体。美国的I.朗缪尔在1928年首先引入等离子体这个名词，等离子体物理学才正式问世。1929年美国的L.汤克斯和朗缪尔指出了等离子体中电子密度的疏密波（即朗缪尔波）。

对空间等离子体的探索，也在20世纪初开始。1902年英国的O.亥维赛等为了解释无线电波可以远距离传播的现象，推测地球上空存在着能反射电磁波的电离层。这个假说为英国的E.V.阿普顿用实验证实。英国的D.R.哈特里(1931)和阿普顿(1932)提出了电离层的折射率公式，并得到磁化等离子体的色散方程。1941年英国的S.查普曼和V.C.A.费拉罗认为太阳会发射出高速带电粒子流，粒子流会把地磁场包围，并使它受压缩而变形。

从20世纪30年代起，磁流体力学及等离子体动力论逐步形成。等离子体的速度分布函数服从福克－普朗克方程。苏联的Л.Д.朗道在1936年给出方程中由于等离子体中的粒子碰撞而造成的碰撞项的碰撞积分形式。1938年苏联的A.A.符拉索夫提出了符拉索夫方程，即弃去碰撞项的无碰撞方程。朗道碰撞积分和符拉索夫方程的提出，标志着动力论的发端。

1942年瑞典的H.阿尔文指出，当理想导电流体处在磁场中，会产生沿磁力线传播的横波(即阿尔文波)。印度的S.钱德拉塞卡在1942年提出用试探粒子模型来研究弛豫过程。1946年朗道证明当朗缪尔波传播时，共振电子会吸收波的能量造成波衰减，这称为朗道阻尼。朗道的这个理论，开创了等离子体中波和粒子相互作用和微观不稳定性这些新的研究领域。

从1935年延续至1952年，苏联的H.H.博戈留博夫、英国的M.玻恩等从刘维定理出发，得到了不封闭的方程组系列，名为BBGKY链。由它可导出符拉索夫方程等,这给等离子体动力论奠定了理论基础。

1950年以后，因为英、美、苏等国开始大力研究受控热核反应，促使等离子体物理蓬勃发展。热核反应的概念最早出现于1929年，当时英国的R.de阿特金森和奥地利的F.G.

豪特曼斯提出设想，太阳内部轻元素的核之间的热核反应所释放的能量是太阳能的来源，这是天然的自控热核反应。1957年英国的J.D.劳孙提出受控热核反应实现能量增益的条件，即劳孙判据。

50年代以来已建成了一批受控聚变的实验装置，如美国的仿星器和磁镜以及苏联的托卡马克，这三种是磁约束热核聚变实验装置。60年代后又建立一批惯性约束聚变实验装置。

环状磁约束等离子体的平衡问题由苏联的V.D.沙弗拉诺夫等解决。美国的M.克鲁斯卡和沙弗拉诺夫导出了最重要的一种等离子体不稳定性，即扭曲不稳定性的判据。1958年美国的I.B.伯恩斯坦等提出分析宏观不稳定性的能量原理。处在环状磁场中的等离子体的输运系数首先由联邦德国的D.普菲尔施等作了研究(1962)，他们给出在密度较大区的扩散系数，苏联的A.A.加列耶夫等给出了密度较小区的扩散系散(1967)，这一理论适用于托卡马克这类环状磁约束等离子体中的输运过程被命名为新经典理论。

自从苏联在1957年发射了第一颗人造卫星以后，很多国家陆续发射了科学卫星和空间实验室，获得很多观测和实验数据，这极大地推动天体和空间等离子体物理学的发展。1959年美国的J.A.范艾伦预言地球上空存在着强辐射带，这一预言为日后的实验证实，即称为范艾伦带。1958年美国的E.N.帕克提出了太阳风模型。1974年美国的D.A.格内特根据卫星资料，证认出地球是一颗辐射星体，辐射千米波。

在此期间，一些低温等离子体技术也在以往气体放电和电弧技术的基础上，进一步得到应用与推广，如等离子体切割、焊接、喷镀、磁流体发电，等离子体化工，等离子体冶金，以及火箭的离子推进等，都推动了对非完全电离的低温等离子体性质的研究。

二研究方法

等离子体物理学现在已发展成为物理学的一个内容丰富的新兴分支。由于等离子体种类繁多、现象复杂、而且应用广泛，对这一物质状态的研究，正方兴未艾，从实验、理论、数值计算三个方面，互相结合，向深度和广度发展。

三实验研究

用实验方法研究等离子体有如下特点。

对于天然的等离子体，即天体、空间和地球大气中出现的等离子体，人们不可能用地面上实验室中的一般方法主动地调节实验条件或加以控制，而主要只能通过各种日益增多的天文和空间观测手段,如光学、射电、X射线以及现代的高空飞行器和人造卫星──“空间实验室”，来接收它们所发射的各种辐射（包括各种粒子）。根据大量的观测结果，并在天体物理学和空间物理学的认识基础上，依靠目前已建立的等离子体物理理论和已有的各项基本实验数据，进行分析和综合，方能深入地认识这些天然等离子体的现象、本质、结构、运动和演化的规律。

要研究或利用各种人造的等离子体，必须先把它们制造出来；而要制造任何一种新的等离子体或者扩展它的性能参量，又往往必须对它先有一定的认识。由此可见，对于人造等离子体，只能采取边制造边研究，研究和制造循环结合、逐步前进的办法。例如，受控核聚变等离子体的研究，就是通过一代又一代的实验装置，来产生具有特定性能的等离子体，逐步提高它们的温度和约束程度。而每一代装置的设计，又必须在已有等离子体实验的基础上，通过理论方面的外推和定量演算，加以确定。特别是较大类型装置的建造，必须立足于各项经过试验的、成熟的工程技术，辅之以必需和能够及时开发出来的单项新技术，例如强流电子束和离子束技术。装置建成后，实验的第一步是使用各种仪器手段，对装置中产生的等离子体进行测量；测量数据要按照已有的理论进行处理，以得出装置中等离子体具体形成过程和现象细节性质的定性和定量的结果，这些就是等离子体诊断学的内容。对实验条件的调节和控制也必需有测量诊断的结果作为依据，然后方可接上现代的信息和控制技术，构成闭环的操作，从而推进实验研究。

实验结果要同参量条件相对应的理论分析进行对比校验，以判定实验及理论的前进方向。等离子体实验的因素复杂多变，难度大，精确度不高，而理论描述又远未完善；实验中意料之外的结果常会出现，而成为理论创新的前导。