等離�體物理是研究等離子體的形�、性質(zhì)和運動規(guī)律的一門�(xué)�。宇宙間的物�(zhì)絕大部分處于等離子體狀�(tài)。等離子體物理學(xué)是天體物理學(xué)、空間物理學(xué)和受�?zé)岷司圩冄芯康膶嶒炁c理論基礎(chǔ)。此�,低溫等離子體的多項技�(shù)�(yīng)�,如磁流體發(fā)�、等離子體冶�、等離子體化�、氣體放電型的電子器件,以及火箭推�(jìn)劑等研究,也都離不開等離子體物理�(xué)。金屬及半導(dǎo)�中電子氣的運動規(guī)律,也與等離子體物理有聯(lián)��
19世紀(jì)以來對氣體放電的研究;19世紀(jì)中葉開始天體物理�(xué)�20世紀(jì)對空間物理學(xué)的研��1950年前后開始對受控?zé)岷司圩兊难芯?;以及低溫等離子體技�(shù)�(yīng)用的研究,從四個方面推動了這門�(xué)科的�(fā)展�
19世紀(jì)30年代英國的M.法拉第以及其后的J.J.湯姆�、J.S.E.湯森德等人相繼研究氣體放電現(xiàn)�,這實際上是等離子體實驗研究的起步時期�1879年英國的W.克魯克斯采用“物�(zhì)第四�(tài)”這個名詞來描述氣體放電管中的電離氣�。美國的I.朗繆爾在1928年首先引入等離子體這個名詞,等離子體物理�(xué)才正式問��1929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)�
對空間等離子體的探索,也�20世紀(jì)初開��1902年英國的O.亥維賽等為了解釋無線電波可以�(yuǎn)距離傳播的現(xiàn)象,推測地球上空存在著能反射電磁波的電離�。這個假說為英國的E.V.阿普頓用實驗證實。英國的D.R.哈特�(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��1941年英國的S.查普曼和V.C.A.費拉羅認(rèn)為太陽會�(fā)射出高速帶電粒子流,粒子流會把地磁場包�,并使它受壓縮而變��
�20世紀(jì)30年代�,磁流體力學(xué)及等離子體動力論逐步形成。等離子體的速度分布函數(shù)服從福克-普朗克方程。蘇�(lián)的�.Д.朗道�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的碰撞積分形式�1938年蘇�(lián)的A.A.符拉索夫提出了符拉索夫方�,即棄去碰撞項的無碰撞方�。朗道碰撞積分和符拉索夫方程的提出,�(biāo)志著動力論的�(fā)��
1942年瑞典的H.阿爾文指�,當(dāng)理想�(dǎo)電流體處在磁場中,會�(chǎn)生沿磁力線傳播的橫波(即阿爾文�)。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,共振電子會吸收波的能量造成波衰�,這稱為朗道阻�。朗道的這個理�,開�(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�(lǐng)��
�1935年延�(xù)�1952�,蘇�(lián)的H.H.博戈留博�、英國的M.玻恩等從劉維定理出發(fā),得到了不封閉的方程組系�,名為BBGKY�。由它可�(dǎo)出符拉索夫方程等,這給等離子體動力論奠定了理論基礎(chǔ)�
1950年以�,因為英、美、蘇等國開始大力研究受控?zé)岷朔�?yīng),促使等離子體物理蓬勃發(fā)�。熱核反�(yīng)的概念最早出�(xiàn)�1929年,�(dāng)時英國的R.de阿特金森和奧地利的F.G.豪特曼斯提出�(shè)�,太陽內(nèi)部輕元素的核之間的熱核反�(yīng)所釋放的能量是太陽能的來源,這是天然的自�?zé)岷朔�?yīng)�1957年英國的J.D.勞孫提出受控?zé)岷朔�?yīng)實現(xiàn)能量增益的條�,即勞孫判據(jù)�
50年代以來已建成了一批受控聚變的實驗裝置,如美國的仿星器和磁鏡以及蘇�(lián)的托卡馬�,這三種是磁約束熱核聚變實驗裝��60年代后又建立一批慣性約束聚變實驗裝置�
�(huán)狀磁約束等離子體的平衡問題由蘇�(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�,即扭曲不穩(wěn)定性的判據(jù)�1958年美國的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)狀磁場中的等離子體的輸運系�(shù)首先由聯(lián)邦德國的D.普菲爾施等作了研�(1962),他們給出在密度較大區(qū)的擴(kuò)散系�(shù),蘇�(lián)的A.A.加列耶夫等給出了密度較小區(qū)的擴(kuò)散系�(1967),這一理論適用于托卡馬克這類�(huán)狀磁約束等離子體中的輸運過程被命名為新�(jīng)典理��
自從蘇聯(lián)�1957年發(fā)射了顆人造衛(wèi)星以�,很多國家陸�(xù)�(fā)射了科學(xué)�(wèi)星和空間實驗�,獲得很多觀測和實驗�(shù)�(jù),這極大地推動天體和空間等離子體物理學(xué)的發(fā)��1959年美國的J.A.范艾倫預(yù)言地球上空存在著強(qiáng)輻射�,這一�(yù)言為日后的實驗證實,即稱為范艾倫帶�1958年美國的E.N.帕克提出了太陽風(fēng)模型�1974年美國的D.A.格內(nèi)特根�(jù)�(wèi)星資�,證�(rèn)出地球是一顆輻射星�,輻射千米波�
在此期間,一些低溫等離子體技�(shù)也在以往氣體放電和電弧技�(shù)的基�(chǔ)�,�(jìn)一步得到應(yīng)用與推廣,如等離子體切割、焊接、噴�、磁流體�(fā)電,等離子體化工,等離子體冶�,以及火箭的離子推�(jìn)�,都推動了對非完全電離的低溫等離子體性質(zhì)的研��
等離子體物理�(xué)�(xiàn)在已�(fā)展成為物理學(xué)的一個內(nèi)容豐富的新興分支。由于等離子體種類繁�、現(xiàn)象復(fù)�、而且�(yīng)用廣泛,對這一物質(zhì)狀�(tài)的研�,正方興未艾,從實驗、理論、數(shù)值計算三個方�,互相結(jié)�,向深度和廣度發(fā)��
(1) 實驗研究 用實驗方法研究等離子體有如下特點�
對于天然的等離子�,即天體、空間和地球大氣中出�(xiàn)的等離子�,人們不可能用地面上實驗室中的一般方法主動地�(diào)節(jié)實驗條件或加以控制,而主要只能通過各種日益增多的天文和空間觀測手�,如光�(xué)、射�、X射線以及�(xiàn)代的高空飛行器和人造衛(wèi)星──“空間實驗室�,來接收它們所�(fā)射的各種輻射(包括各種粒子)。根�(jù)大量的觀測結(jié)�,并在天體物理學(xué)和空間物理學(xué)的認(rèn)識基�(chǔ)�,依靠目前已建立的等離子體物理理論和已有的各項基本實驗數(shù)�(jù),�(jìn)行分析和綜合,方能深入地�(rèn)識這些天然等離子體的現(xiàn)�、本�(zhì)、結(jié)�(gòu)、運動和演化的規(guī)��
要研究或利用各種人造的等離子體,必須先把它們制造出�;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�(rèn)識。由此可�,對于人造等離子�,只能采取邊制造邊研究,研究和制造循�(huán)�(jié)合、逐步前�(jìn)的辦�。例�,受控核聚變等離子體的研�,就是通過一代又一代的實驗裝置,來�(chǎn)生具有特定性能的等離子�,逐步提高它們的溫度和約束程�。而每一代裝置的�(shè)�,又必須在已有等離子體實驗的基礎(chǔ)�,通過理論方面的外推和定量演算,加以確�。特別是較大類型裝置的建造,必須立足于各項經(jīng)過試驗的、成熟的工程技�(shù),輔之以必需和能夠及時開�(fā)出來的單項新技�(shù),例如強(qiáng)流電子束和離子束技�(shù)。裝置建成后,實驗的步是使用各種儀器手�,對裝置中產(chǎn)生的等離子體�(jìn)行測�;測量數(shù)�(jù)要按照已有的理論�(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)�,這些就是等離子體診斷�(xué)的內(nèi)�。對實驗條件的調(diào)節(jié)和控制也必需有測量診斷的�(jié)果作為依�(jù),然后方可接上現(xiàn)代的信息和控制技�(shù),構(gòu)成閉�(huán)的操�,從而推�(jìn)實驗研究�
實驗�(jié)果要同參量條件相對應(yīng)的理論分析�(jìn)行對比校�,以判定實驗及理論的前�(jìn)方向。等離子體實驗的因素�(fù)雜多變,難度�,精確度不高,而理論描述又�(yuǎn)未完�;實驗中意料之外的結(jié)果常會出�(xiàn),而成為理論創(chuàng)新的前導(dǎo)�
(2) 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(xué)都屬于近似方�。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,只討論單個粒子在外加電磁場中的運動特�,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�。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�,通過每種粒子軌道的確�,也可對等離子體運動作適�(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�(yīng),粒子間耦合得很緊,因此這種理論的局限性很��
磁流體力�(xué)不討論單個粒子的運動,而是把等離子體當(dāng)作導(dǎo)電的連續(xù)媒質(zhì)來處�,在流體力學(xué)方程中加上電磁作用項,再和麥克斯韋方程組聯(lián)�,就構(gòu)成磁流體力學(xué)方程�,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�、宏觀�(wěn)定性等問題,也適用于研究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�,它無法揭示出波粒相互作用和微觀不穩(wěn)定性等一系列�(xì)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�,所以嚴(yán)格的處理方法就是�(tǒng)計方�,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�,動力論采用符拉索夫方程來研�。對于弛豫過程和輸運問題,動力論采用?�?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。例如在波動問題方面,只有動力論才能�(dǎo)出朗道阻�。至于微觀不穩(wěn)定�,主要討論速度空間中偏離平衡態(tài)所引起的不�(wěn)定性,這類問題是宏觀理論無法研究�。從動力論方程出�(fā),可以導(dǎo)出磁流體力學(xué)的連續(xù)方程、動量方程和能量方程�
(3) �(shù)值計算 �(xiàn)有的理論描述�,磁流體力學(xué)、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精確和全面地包羅各種效應(yīng),因此數(shù)值計算在等離子體研究中的作用越來越大。另�,由于高溫等離子體的實驗和診斷都較難�(jìn)�,所以自70年代以來,�(fā)展了一種數(shù)值實驗的方法。就是在大容量的計算�(jī)�,用大量粒子來模擬等離子體的運動,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�
(1)單粒子運動 主要研究單個帶電粒子在外磁場中的運�。在均勻恒定磁場�,帶電粒子運動很簡單。平行磁場的是等速運動,垂直磁場的是繞磁力線的圓運動(拉莫爾圓),即帶電粒子的回旋運�。如果除磁場�,還有其他外力F,則粒子除沿磁場運動�,在垂直磁場方�,一面作回旋運動,一面作漂移運動。漂移運動是拉莫爾圓的圓心(即導(dǎo)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(fù)電荷的漂移相�,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�,會形成電流�
�(dāng)磁場隨時間及空間變化十分緩慢時,可以把粒子運動看成是回旋運動和導(dǎo)向中心運動的疊加。為使問題簡化起�,可以不考慮快速的回旋運動而只考慮�(dǎo)向中心的運動,這就是漂移近�。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動�
在緩變磁場中,有三個絕熱不變量,其中比較重要的一個是粒子的磁� 是垂直于磁場B的速度分量,m是質(zhì)量。這個性質(zhì)和帶電粒子在磁力作用下動能不�,使得帶電粒子會被一定形�(tài)的非均勻磁場約束�。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�?zé)岷司圩兊拇喷R裝置也是利用了這個性質(zhì)來約束等離子體的�
(2) 波動 這是等離子體的基本運動形�(tài),因此對等離子體中的波的研究具有極為重要的意�。此�,由于波提供了理論與實驗的聯(lián)�,一旦了解波�,就可用波來測量等離子體的各種參�,還可利用波來改變等離子體的狀�(tài),如用波來加熱或約束等離子體。而且,研究波動有著明顯的實用意�,例如波在電離層中的傳播等。波動還和不�(wěn)定性等問題緊密�(guān)�(lián),因為不�(wěn)定性往往表現(xiàn)為振幅隨時間增長的波�
等離子體中的波動模式非常�(fù)�。既有橫波(波矢k與電場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�,也有圓偏振和線偏振�。波的相速可以大于、等于或小于真空光� 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,這是因為,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�。如果有外加磁場,則波動、磁場的擾動和粒子的運動互相影響,就使得波的模式更加繁雜。例�,正�(fù)電荷的分離,會產(chǎn)生靜電場,其庫侖力是恢復(fù)力,由此�(chǎn)生了朗繆爾波;磁力線的彎�,其張力是恢�(fù)�,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)生了漂移泀�
波可以粗分為冷等離子體波與熱等離子體��
�(dāng)粒子的熱速遠(yuǎn)小于波速,以及回旋半徑(對磁化等離子體來說)遠(yuǎn)小于波長�,這時是冷等離子體,其波動�(xiàn)象采用磁流體力學(xué)方法來研��
非磁化冷等離子體中的波有光波,波速比真空光速c�。對于磁化冷等離子體,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�(zhì)中會有兩支波一�,�
化冷等離子體中也有兩支波:尋常波與非常波�
�(dāng)?shù)入x子體的折射率 n = 0�,波被截止而反�,當(dāng)n � � �,波與共振粒子作用而被粒子吸收。例�,�(dāng)波矢k與外磁場平行�,頻率為 w = wce的非常波會與繞磁場回旋的電子共振,w = wci的尋常波則會與回旋離子共�,wce � wci 分別是電子及離子的回旋頻�,此時,波的能量被吸收,形成回旋阻��
對于熱等離子體,粒子的熱運動以及有限回旋半徑引�(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�,還有電子朗繆爾波及離子聲波。朗繆爾波會與速度相近的電子共振而形成朗道阻��
磁化熱等離子體中波的一個特點是,由于多普勒效應(yīng)等原�,頻率� w =lwce ( l = 0�1�2,�)的非常波會與回旋電子共振, w =lwci ( l = 0�1�2,�)的尋常波會與回旋離子共振,形成切倫科夫阻尼及回旋阻尼�
在非均勻等離子體中,除了會產(chǎn)生漂移波�,在一定條件下,不同模式的波可以互相轉(zhuǎn)�,例如非常波可轉(zhuǎn)化為尋常波或縱波�
非線性波有激�、無碰撞激泀孤立波�。如考慮到非線性效�(yīng),則不同模式的波既可互相�(zhuǎn)�,也可互相激�(fā),如橫波可以激�(fā)縱波�
波動理論不僅研究色散�(guān)�,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��
(3) 平衡 平衡問題是位形平衡問題的簡稱,它研究在一定的約束條件�,等離子體如何才能在力學(xué)上處于靜�?fàn)顟B(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(xué),可以得到磁約束的平衡方程組(采用高斯單位制�
- ?p + j? B/c = 0 �
?? B = 4pmoj/c �
?·B = 0 �
p是等離子體壓力,j是電流密�,c是光�。平衡問題從�(shù)�(xué)上說,就是在給定邊界條件下求解這組方程�
通常是引入一個磁面函�(shù),則平衡方程組轉(zhuǎn)為一個磁面方�,這樣,平衡問題變成在適當(dāng)邊界條件下求解磁面方��
(4) 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度等微觀尺度的不�(wěn)定�,統(tǒng)稱為宏觀不穩(wěn)定�;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)定性會造成等離子體大范圍的擾動,對平衡具有�(yán)重破壞作�。它的起因主要是等離子體中儲藏了過剩的與磁場相結(jié)合的能量,此�,如等離子體的抗磁性等,也會引起宏觀不穩(wěn)定�。對于受�?zé)岷司圩冄b置中的約束等離子體來�,這是一個十分緊要的問題�
宏觀不穩(wěn)定性種類很�。除扭曲不穩(wěn)定性外,比較重要的有交換不�(wěn)定性,即等離子體與約束磁揚(yáng)的位置發(fā)生交換;撕裂�,即等離子體被磁場撕裂成�(xì)�,等等�
宏觀不穩(wěn)定性通常都采用磁流體力學(xué)來研�。其中能量原理是一種很有效的方�,也就是根據(jù)偏離平衡的小位移引起系統(tǒng)的勢能變�,來確定平衡是否�(wěn)定。這種方法特別適用于幾何形狀�(fù)雜的磁場。除能量原理外,簡正模法也是常用的一種分析方�。它假設(shè)擾動量的形式� dq(r,t)=dq(r)e-iwt 。解出的 w 一般是�(fù)�(shù): w = wr + iwi 。如� wi > 0 ,則擾動量的振幅會隨t增長,也就是不穩(wěn)定,反之� wi < 0 ,系�(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�,例如密度、溫�、磁場的梯度�,這會引起漂移,有可能激�(fā)起不�(wěn)定�。另一種來自速度空間的不均勻�,如速度、溫�、壓力的各向異�。另外,如波和波相互作用�,也可能引起微觀不穩(wěn)定�??傊?,偏離熱平衡�(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�(tài)。自由能的釋放就有可能驅(qū)動微觀不穩(wěn)定��
有微觀不穩(wěn)定性的等離子體的特征是出現(xiàn)不斷增長的漲落現(xiàn)象。這往往�(dǎo)致湍流的�(chǎn)生和形成反常輸運�(xiàn)��
微觀不穩(wěn)定性的種類極多。重要的有:二流不穩(wěn)定性,這是由兩束相對流動的粒子所引起;漂移不�(wěn)定性,由各種梯度造成的漂移運動所引起;損失錐不�(wěn)定�,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出發(fā)來研究的�
通常在研究不�(wěn)定性時用的是線性理論,它只能判斷系�(tǒng)�(wěn)定與�,有些情況下它能給出初始時刻的不�(wěn)定性增長率。當(dāng)擾動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 非熱平衡等離子體中向平衡�(tài)過渡出現(xiàn)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�,后者是描寫�(wěn)定的非熱平衡�(tài)有物�(zhì)、動�、能量等在空間流動時的過��
弛豫過程一般通過各種弛豫時間來描述。這里最基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�(nèi)的多個粒子發(fā)生作�,它們之間可以產(chǎn)生近碰撞(兩個粒子近距離碰撞)和�(yuǎn)碰撞(一個粒子和距離較遠(yuǎn)的多個粒子碰撞)。遠(yuǎn)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� l都主要由�(yuǎn)碰撞決定。它們是(采用高斯單位制�
式中T為溫度,單位為電子伏,m、n為粒子質(zhì)量及�(shù)密度,e為電子電�,lnΛ為庫侖對�(shù),它反映�(yuǎn)碰撞的效�(yīng)�
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� t// ,橫向偏�(zhuǎn)時間 t^ ,能量均化時間 tE 。電子和離子的弛豫時間并不相同。一個初始為非熱平衡的等離子�,經(jīng)過碰�,電子會首先�(dá)到熱平衡,爾后離子達(dá)到熱平衡,達(dá)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(dǎo)、擴(kuò)散、粘性和熱導(dǎo)�,它們具有某些特�。特點之一是雙極擴(kuò)�。例如電子擴(kuò)散時,電子和離子間的靜電力會使離子跟著一起擴(kuò)散,�(jié)果電子的�(kuò)散減慢了,離子的擴(kuò)散加快了,這二者是以相同的速率�(kuò)�,這稱為雙極擴(kuò)�。另一個特點是處在磁場中的等離子體,沿磁場的輸運基本上不受磁場的影�,但橫越磁場的輸運卻受到磁場的阻��
處于�(huán)形磁場中的高溫稀薄等離子�,磁場梯度引起的漂移會改變約束粒子的軌道,從而加大了遷移自由�,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新�(jīng)典理�,它仍然是一種碰撞理�。在受控?zé)岷司圩兊难芯�?,這種理論很重�,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)等輸運系�(shù)�
根據(jù)目前托卡馬克等的實驗�(jié)�,某些輸運系�(shù)如電子熱�(dǎo)等有時明顯大于新�(jīng)典理論的�(jié)�。在慣性約束聚變及其他某些實驗�,發(fā)�(xiàn)輸運系數(shù)明顯小于�(jīng)典理論的�(jié)果。凡是碰撞理論無法解釋的輸運�(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�(dāng)前聚變理論研究中的一個重大課�,因為它�(guān)系到能否有效地約束住等離子體的粒子和能量�
(6) 輻射 對等離子體輻射的研究的意義在�,一方面,這是等離子體能量耗散的一個重要途徑,另�,對輻射的研究也是通過等離子體光譜等方面的�(xì)致分�,來�(rèn)識等離子體運動的必要基礎(chǔ)。這對于天體物理和空間物理尤其重要,因為對遙遠(yuǎn)的等離子體的了解,幾乎完全是通過對輻射的研究而獲得的�
等離子體的輻�,有軔致輻射、回旋輻�、黑體輻射、切倫科夫輻�,以及原�、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�(chǎn)生的連續(xù)輻射。電子-電子碰撞不改變電子的總動量,所以不�(chǎn)生軔致輻��
在等離子體中,軔致輻射主要來自遠(yuǎn)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�,這是一項很重要的輻射損失�
回旋輻射或稱回旋加速器輻射,是帶電粒子(主要是電子)繞磁力線作回旋運動時產(chǎn)生的輻射。非相對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,除基頻外,還以諧頻�(fā)出輻�。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�,譜線會加寬,當(dāng)?shù)入x子體密度加大�,譜線頻率會向高頻方向移動�
相對論性電子的回旋輻射稱為同步加速器輻射或同步輻�,輻射功率大,方向性弱,集中在一個小區(qū)域內(nèi),是連續(xù)��
�20世紀(jì)20年代特別�50年代以來,等離子體物理學(xué)已發(fā)展成為物理學(xué)的一個十分活躍的分支。在實驗�,已�(jīng)建成了包括一批聚變實驗裝置在�(nèi)的很多裝置,�(fā)射了不少科學(xué)�(wèi)星和空間實驗�,從而取得大量的實驗�(shù)�(jù)和觀測資�。在理論上,利用粒子軌道理論、磁流體力學(xué)和動力論已經(jīng)闡明等離子體的很多性質(zhì)和運動規(guī)律,還發(fā)展了�(shù)值實驗方�。最近半個多世紀(jì)來的巨大成就,使人們對等離子體的認(rèn)識大大深�;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�,而對天體和空間的觀測的�(jìn)一步開�,以及受�?zé)岷司圩兒偷蜏氐入x子體�(yīng)用研究的�(fā)�,又必定會帶來更多新的問�。今后一個相�(dāng)長的時期�(nèi),等離子體物理學(xué)將繼�(xù)取得多方面的�(jìn)��