等离子体基本概念课件.ppt

1、第第2章章 等离子体基本概念等离子体基本概念 n介绍一些介绍一些等离子体物理的基本概念等离子体物理的基本概念, ,为进一为进一步学习等离子体物理做些引导。步学习等离子体物理做些引导。 2.1 等离子体与等离子体物理学等离子体与等离子体物理学 n等离子体等离子体：当物质的温度从低到高变化时，物质将当物质的温度从低到高变化时，物质将逐次经历固体、液体和气体三种状态，当温度进一逐次经历固体、液体和气体三种状态，当温度进一步升高时，气体中的原子、分子将出现步升高时，气体中的原子、分子将出现电离状态，电离状态，形成电子、离子组成的体系，形成电子、离子组成的体系，这种由大量带电粒子这种由大量带电粒子（有时

2、还有中性粒子）组成的体系便是等离子体（有时还有中性粒子）组成的体系便是等离子体n等离子体是物质存在的第等离子体是物质存在的第4种状态，称种状态，称物质第四态物质第四态。n等离子体广泛存在于宇宙空间（从电离层到宇宙深等离子体广泛存在于宇宙空间（从电离层到宇宙深处物质几乎都是电离状态），宇宙空间处物质几乎都是电离状态），宇宙空间99%是等离是等离子体。地球表面几乎没有自然存在的等离子体。只子体。地球表面几乎没有自然存在的等离子体。只有闪电、气体放电等实验室中出现的电离气体，即有闪电、气体放电等实验室中出现的电离气体，即等离子体。等离子体。* 宇宙中的宇宙中的暗物质暗物质n宇宙中存在着许多不发光的天

3、体，诸如暗星、行宇宙中存在着许多不发光的天体，诸如暗星、行星和黑洞等，并且在星际空间还存在着大量不可星和黑洞等，并且在星际空间还存在着大量不可见的尘埃和气体，即暗物质。因此，我们看到的见的尘埃和气体，即暗物质。因此，我们看到的物质显然比宇宙中实际存在的物质少。物质显然比宇宙中实际存在的物质少。n在整个宇宙中必然存在着大量的不可见物质或暗在整个宇宙中必然存在着大量的不可见物质或暗物质。物质。n天文观测数据还表明，宇宙中不仅存在暗物质，天文观测数据还表明，宇宙中不仅存在暗物质，而且暗物质还将占宇宙物质的绝大部分。而且暗物质还将占宇宙物质的绝大部分。 “Plasma”n等离子体英文词等离子体英文词

4、“Plasma” 源予希腊文源予希腊文“”，是，是1928年朗缪尔把辉光放电年朗缪尔把辉光放电产生的电离气体命名为产生的电离气体命名为“Plasma”而引入而引入的。的。n中文译词中文译词“等离子体等离子体”（台湾称（台湾称“电浆电浆”）其本意是电离状态气体正负电荷大体相等，其本意是电离状态气体正负电荷大体相等，整体上处于电中性（准电中性）。整体上处于电中性（准电中性）。 等离子体物理学等离子体物理学n19世纪世纪30年代气体放电管中电离气体的研究年代气体放电管中电离气体的研究n20世纪世纪30年代到年代到50年代初在借鉴其它学科研究方年代初在借鉴其它学科研究方法的基础上建立了等离子体物理的基

5、本理论框架法的基础上建立了等离子体物理的基本理论框架和描述方法，同时把其研究范围从电离气体、金和描述方法，同时把其研究范围从电离气体、金属中电子气拓展到电离层和天体。属中电子气拓展到电离层和天体。n20世纪世纪50年代起，在受控热聚变研究和空间技术年代起，在受控热聚变研究和空间技术的巨大推动下，等离子体物理才得到充分的发展的巨大推动下，等离子体物理才得到充分的发展并成熟起来，并成熟起来，n20世纪世纪70年代末成为物理学界公认的一门新的物年代末成为物理学界公认的一门新的物理学独立分支学科。理学独立分支学科。 等离子体物理学影响与作用等离子体物理学影响与作用n等离子体广泛存在于宇宙空间，认识和掌

6、握各种等离子体广泛存在于宇宙空间，认识和掌握各种条件下等离子体运动规律是人类认识宇宙中各种条件下等离子体运动规律是人类认识宇宙中各种现象的基本前提。所以，现象的基本前提。所以，等离子体物理是向我们等离子体物理是向我们提供太阳、恒星、行星际介质和银河系知识的基提供太阳、恒星、行星际介质和银河系知识的基石之一。石之一。 n等离子体物理学研究为人类解决能源问题带来希等离子体物理学研究为人类解决能源问题带来希望。因为受控核聚变可以为人类提供长期用之不望。因为受控核聚变可以为人类提供长期用之不竭的新能源。然而，实现核聚变能利用，要求改竭的新能源。然而，实现核聚变能利用，要求改善约束和加热等离子体的方法。

7、因此，善约束和加热等离子体的方法。因此，掌握高温掌握高温等离子体的运动规律是实现受控核聚变的关键。等离子体的运动规律是实现受控核聚变的关键。 n等离子体物理学是人类认识和控制地球环境变化、等离子体物理学是人类认识和控制地球环境变化、开发空间产业、维持全球通讯的重要保证。太阳等开发空间产业、维持全球通讯的重要保证。太阳等离子体热核能量的输出和传输、磁层和电离层中能离子体热核能量的输出和传输、磁层和电离层中能量的转化和分配，对于认识和保障地球环境有深远量的转化和分配，对于认识和保障地球环境有深远的意义。空间等离子体物理学研究能为保障航天安的意义。空间等离子体物理学研究能为保障航天安全和空间应用提供

8、理论依据。研究电离层等离子体全和空间应用提供理论依据。研究电离层等离子体环境及其对电波传播的影响，保障和改善通讯、导环境及其对电波传播的影响，保障和改善通讯、导航和授时精度的重要作用。航和授时精度的重要作用。 n等离子体物理学研究可促进低温等离子体技术在国等离子体物理学研究可促进低温等离子体技术在国民经济各领域中广泛应用。等离子体处理加工技术民经济各领域中广泛应用。等离子体处理加工技术已成为一些重要产业（如微电子、半导体、材料、已成为一些重要产业（如微电子、半导体、材料、航天、冶金等）的关键技术，而在灭菌、消毒、环航天、冶金等）的关键技术，而在灭菌、消毒、环境污染处理、发光和激光的气体放电、等

9、离子体显境污染处理、发光和激光的气体放电、等离子体显示、表面改性、同位素分离、开关和焊接技术等方示、表面改性、同位素分离、开关和焊接技术等方面的应用已创造了极大的经济效益。面的应用已创造了极大的经济效益。 n等离子体物理学研究开辟了由高技术开发的新领域。等离子体物理学研究开辟了由高技术开发的新领域。非中性等离子体的研究产生了一批崭新的具有革命非中性等离子体的研究产生了一批崭新的具有革命性意义的高技术项目，如相干辐射源的研制和粒子性意义的高技术项目，如相干辐射源的研制和粒子加速器新概念的提出。将在能源、国防、通讯、材加速器新概念的提出。将在能源、国防、通讯、材料科学和生物医学中发挥重要作用。对基

10、本物理过料科学和生物医学中发挥重要作用。对基本物理过程的深入研究已成为推动这些技术取得突破性进展程的深入研究已成为推动这些技术取得突破性进展的关键。的关键。 n等离子体物理学各领域的研究还提出了一些带有共等离子体物理学各领域的研究还提出了一些带有共性、密切相关的基本问题，如波和粒子相互作用、性、密切相关的基本问题，如波和粒子相互作用、等离子体加热、混沌、湍流和输运、等离子体鞘层等离子体加热、混沌、湍流和输运、等离子体鞘层和边界层和边界层, ,磁场重联和发动机效应等。这些问题构磁场重联和发动机效应等。这些问题构成了等离子体物理进一步发展的重要内容。成了等离子体物理进一步发展的重要内容。 等离子体

11、物理学科方向等离子体物理学科方向主要研究内容主要研究内容 n等离子体物理主要研究等离子体的整体形态和集体等离子体物理主要研究等离子体的整体形态和集体运动规律、等离子体与电磁场及其它形态物质的相运动规律、等离子体与电磁场及其它形态物质的相互作用。互作用。 n等离子体物理研究范围非常广泛：磁约束聚变等离等离子体物理研究范围非常广泛：磁约束聚变等离子体、惯性约束聚变等离子体、空间等离子体、天子体、惯性约束聚变等离子体、空间等离子体、天体等离子体、低温等离子体、非中性等离子体、尘体等离子体、低温等离子体、非中性等离子体、尘埃等离子体、基础等离子体等埃等离子体、基础等离子体等n等离子体物理在理论上也是对

12、物理学的严峻挑战。等离子体物理在理论上也是对物理学的严峻挑战。它涉及多体的长程相互作用、强磁场以及电磁场与它涉及多体的长程相互作用、强磁场以及电磁场与多粒子体系耦合等。多粒子体系耦合等。 2.2 等离子体的基本性质等离子体的基本性质 1. 电荷屏蔽电荷屏蔽现象现象与等离子体准与等离子体准电中性电中性n电荷屏蔽电荷屏蔽现象：现象： 等离子体是由大量带电粒子组成的多等离子体是由大量带电粒子组成的多粒子体系。两个带电粒子之间本来是粒子体系。两个带电粒子之间本来是简单的库仑作用，由于周围大量带电简单的库仑作用，由于周围大量带电粒子的存在，会出现电荷屏蔽现象，粒子的存在，会出现电荷屏蔽现象，这是等离子体

13、的重要特征之一。这是等离子体的重要特征之一。 n在等离子体中考察任一个在等离子体中考察任一个带电粒子，由于它的静电带电粒子，由于它的静电场作用，在其附近会吸引场作用，在其附近会吸引异号电荷的粒子、同时排异号电荷的粒子、同时排斥同号电荷的粒子，从而斥同号电荷的粒子，从而在其周围会出现净的异号在其周围会出现净的异号“电荷云电荷云”，这样就削弱，这样就削弱了这个带电粒子对远处其了这个带电粒子对远处其他带电粒子的作用，这就他带电粒子的作用，这就是电荷屏蔽现象。因此在是电荷屏蔽现象。因此在等离子体中，一个带电粒等离子体中，一个带电粒子对较远处的另一个带电子对较远处的另一个带电粒子的作用，就不再是库粒子的

14、作用，就不再是库仑势，而应是仑势，而应是“屏蔽库仑屏蔽库仑势势”。 +电荷屏蔽现象计算电荷屏蔽现象计算n原点处有电荷为原点处有电荷为q q的粒子的粒子, ,空间电荷分布为空间电荷分布为n球对称空间电势分布应满足方程球对称空间电势分布应满足方程 n由于离子惯性比电子大得多，可以忽略离由于离子惯性比电子大得多，可以忽略离子运动的影响，即子运动的影响，即 n0是离子不受中心电荷是离子不受中心电荷q影响时的均匀分布影响时的均匀分布 ( )( )ierZnen eqr20( )( )/rr 0iinnn假设电子受电势的影响处于热平衡状态，假设电子受电势的影响处于热平衡状态，电子密度平衡分布可取势场为电子

15、密度平衡分布可取势场为时的玻尔兹时的玻尔兹曼分布曼分布ne0为不受中心电荷影响时的电子密度为不受中心电荷影响时的电子密度, Te为电为电子温度子温度 n电中性（初始）电中性（初始）： n空间电荷分布空间电荷分布 n高温条件：高温条件：/0eeTeenn e00ieZnn/0( )(1)( )eeTern eeqr2200( )/( )/( )eeDrn eTqrqr eeT/1/eeTeeeT n方程为方程为n方程的解方程的解n电荷屏蔽效应后中心电荷电荷屏蔽效应后中心电荷q q的作用势，称的作用势，称为为屏蔽库仑势屏蔽库仑势n参量参量 具有长度的量纲，称为德拜屏蔽长具有长度的量纲，称为德拜屏蔽

16、长度，它是反映电荷屏蔽效应的特征长度。度，它是反映电荷屏蔽效应的特征长度。 200/DeeTn e2200( )( )/( )/Drrqr /0( )4DrqrerD电荷屏蔽效应的特征长度意义电荷屏蔽效应的特征长度意义 两个粒子之间的作用为库仑势两个粒子之间的作用为库仑势 n 因子起重要作用。因子起重要作用。n一般情况下，等离子体中带电粒子间长程一般情况下，等离子体中带电粒子间长程部分的相互作用是主要的。部分的相互作用是主要的。n 是等离子体的一个重要特征参量，它可是等离子体的一个重要特征参量，它可作为等离子体空间宏观尺度的量度。作为等离子体空间宏观尺度的量度。 Dr0( )/4rqrDr/D

17、reD等离子体定义等离子体定义(1)(1)n 是等离子体空间尺度的下限，当等离子体是等离子体空间尺度的下限，当等离子体空间尺度空间尺度 时时, ,才能保证等离子体的准电才能保证等离子体的准电中性。中性。n电荷屏蔽效应能保持等离子体在电荷屏蔽效应能保持等离子体在 范围范围内为电中性，称为内为电中性，称为准电中性准电中性。这是电离气体。这是电离气体成为等离子体的基本条件之一。成为等离子体的基本条件之一。n等离子体的定义等离子体的定义：由大量正负带电粒子组成：由大量正负带电粒子组成的准电中性的体系的准电中性的体系。 DlDDl离子离子屏蔽效应与动屏蔽问题屏蔽效应与动屏蔽问题* *n如果考虑离子的屏蔽

18、效应，电子、离子分布：如果考虑离子的屏蔽效应，电子、离子分布：n电荷分布：电荷分布：( )( )ierZnen eqr/0eeTeenn e2221/1/1/DDeDi200/DeeeTn e/0iZeTiinn e220020( )(/)( )/( )eeiiDrenTn ZTqrqr 2200/DiiiTn Z e等离子体振荡与振荡频率等离子体振荡与振荡频率 n现在讨论由于某种原现在讨论由于某种原因引起的局部电荷分因引起的局部电荷分离，产生的等离子体离，产生的等离子体振荡现象。振荡现象。n电子等离子体振荡电子等离子体振荡 因为这种振荡是因为这种振荡是1920年朗缪尔年朗缪尔(Langmui

19、r)发现的，所以又称朗发现的，所以又称朗缪尔振荡缪尔振荡 等离子体振荡频率等离子体振荡频率n离子当成一种均匀分布的正电荷背景，振荡只是离子当成一种均匀分布的正电荷背景，振荡只是电子的集体运动行为，可用磁流体模型来研究电电子的集体运动行为，可用磁流体模型来研究电子等离子体振荡子等离子体振荡n电场是电子运动产生的电荷分离引起的电场是电子运动产生的电荷分离引起的n只讨论小振幅的振荡只讨论小振幅的振荡 0eeennt ueeeeeem nent uuuE00/ee nn En小振幅的振荡小振幅的振荡n角标角标1为扰动量，为扰动量，线性化方程线性化方程 ：0111,eeeennntttruurEEr10

20、111110/0/eeeeentnmteen uuEEn设扰动发生在设扰动发生在z轴方向，这时也沿轴方向，这时也沿z轴方向，轴方向，取平面波的解：取平面波的解：n代入线性化方程，得代入线性化方程，得n任意消去两个未知量，得任意消去两个未知量，得 ()111(,)i kzteenuEe101111100/eeeeei nin kuimueEikEen 22001(/)0een emun必需满足：必需满足：n由此得电子等离子体振荡频率由此得电子等离子体振荡频率 ：n与等离子体的密度、电子质量、电荷有关，与等离子体的密度、电子质量、电荷有关，所以它是所以它是等离子体的特征频率等离子体的特征频率。相应

21、的振。相应的振荡周期可作为衡量等离子体荡周期可作为衡量等离子体准电中性的特准电中性的特征时间。征时间。n对于热核等离子体，振荡频率对于热核等离子体，振荡频率n电子电子- -离子碰撞频率离子碰撞频率 2200/0en em200peen em1210pe410ei离子等离子体振荡离子等离子体振荡n如果出现离子的电荷涨落，它在静电力的作用下如果出现离子的电荷涨落，它在静电力的作用下也会向其原来的电中性平衡位置运动，产生离子也会向其原来的电中性平衡位置运动，产生离子等离子体振荡或简称离子振荡。等离子体振荡或简称离子振荡。n离子的运动速度比电子的慢得多，离子振荡周期离子的运动速度比电子的慢得多，离子振

22、荡周期比电子振荡周期长得多，在离子完成一个振荡周比电子振荡周期长得多，在离子完成一个振荡周期内，电子依靠热运动就可以在空间实现均匀分期内，电子依靠热运动就可以在空间实现均匀分布。因此可以认为，离子的振荡是在均匀的电子布。因此可以认为，离子的振荡是在均匀的电子背景中产生的背景中产生的n离子振荡频率离子振荡频率 200/piin empipe等离子体宏观时间尺度等离子体宏观时间尺度 n电子等离子体振荡特征时间：电子等离子体振荡特征时间：n作为等离子体宏观时间尺度。作为等离子体宏观时间尺度。 因为因为 ，电子等离子体振荡总是存在；，电子等离子体振荡总是存在； 仅当仅当 ，空间电荷、空间电场等的时间平

23、均都，空间电荷、空间电场等的时间平均都为为0，因此，因此，电子等离子体振荡特征时间是衡量电子等离子体振荡特征时间是衡量等离子体准电中性的时间下限。等离子体准电中性的时间下限。1/pepepepe德拜长度距离上两粒子作用时间德拜长度距离上两粒子作用时间 n德拜长度距离上两粒子作用时间：德拜长度距离上两粒子作用时间：n粒子特征热运动速度粒子特征热运动速度 n等离子体振荡周期与德拜长度距离上两粒子作用等离子体振荡周期与德拜长度距离上两粒子作用时间是一致的。因此，用时间是一致的。因此，用电子振荡特征时间作为电子振荡特征时间作为等离子体宏观存在时间等离子体宏观存在时间是合适的是合适的 20/1/peDe

24、eeeeepeTn eTmv20/1/piDiiiiiipiTneTmv/T mv等离子体的定义等离子体的定义 （2）n由大量正负带电粒子组成的、空间尺度由大量正负带电粒子组成的、空间尺度和时间尺度和时间尺度的准电中性的体系。的准电中性的体系。 Dl1/pe3. 等离子体的碰撞等离子体的碰撞 n等离子体中的粒子碰撞与中性气体中的粒子碰撞等离子体中的粒子碰撞与中性气体中的粒子碰撞有有显著不同显著不同。n中性粒子间的作用是短程力中性粒子间的作用是短程力（力程约粒子线度大力程约粒子线度大小），在两个粒子之间是自由的，仅当接近到粒小），在两个粒子之间是自由的，仅当接近到粒子半径距离附近才有明显作用，因

25、此它们间的弹子半径距离附近才有明显作用，因此它们间的弹性碰撞是性碰撞是近距离的二体碰撞近距离的二体碰撞，碰撞引起的偏转角，碰撞引起的偏转角是显著的、多半是大角度的。是显著的、多半是大角度的。n等离子体中的带电粒子之间相互作用是等离子体中的带电粒子之间相互作用是长程库仑长程库仑力力，一个带电粒子同时与许多带电粒子发生作用，一个带电粒子同时与许多带电粒子发生作用，即即多体相互作用多体相互作用，因而等离子体中的，因而等离子体中的带电粒子带电粒子“碰撞碰撞”是极其复杂的。是极其复杂的。 n等离子体中带电粒子间的相互作用是屏蔽库仑势，等离子体中带电粒子间的相互作用是屏蔽库仑势，力程为德拜屏蔽长度。带电粒

26、子的库仑相互作用力程为德拜屏蔽长度。带电粒子的库仑相互作用分成了两部分：即在德拜球（以德拜长度为半径分成了两部分：即在德拜球（以德拜长度为半径的球体）以外的长程库仑作用和在德拜球以内的的球体）以外的长程库仑作用和在德拜球以内的短程库仑作用，长程库仑作用的结果表现出带电短程库仑作用，长程库仑作用的结果表现出带电粒子的集体行为，而短程库仑作用的结果则是库粒子的集体行为，而短程库仑作用的结果则是库仑碰撞。仑碰撞。n“库仑碰撞库仑碰撞”总是一个带电粒子同时与大量其它总是一个带电粒子同时与大量其它带电粒子相带电粒子相“碰撞碰撞”n在磁约束热核聚变装置中，磁场能改变带电粒子在磁约束热核聚变装置中，磁场能改

27、变带电粒子的运动方向，对带电粒子在屏蔽库仑场作用下速的运动方向，对带电粒子在屏蔽库仑场作用下速度方向的偏转也会有额外的贡献，自然也会影响度方向的偏转也会有额外的贡献，自然也会影响到粒子间的碰撞。到粒子间的碰撞。n可以证明，在一定条件下，等离子体中带电粒子可以证明，在一定条件下，等离子体中带电粒子间的多体碰撞，可以间的多体碰撞，可以近似地等于二体碰撞叠加近似地等于二体碰撞叠加。 n在等离子体中，粒子速度方向经一次碰撞就偏转在等离子体中，粒子速度方向经一次碰撞就偏转9090的几率，比每次碰撞只偏转很小角度，但经的几率，比每次碰撞只偏转很小角度，但经过多次碰撞后积累到偏转过多次碰撞后积累到偏转909

28、0的几率约小的几率约小2 2个数量个数量级。因此在等离子体中，通过大量小角度散射积级。因此在等离子体中，通过大量小角度散射积累到大的偏转比只经过一次散射就得到大的偏转累到大的偏转比只经过一次散射就得到大的偏转大几十倍。大几十倍。小角度散射是主要的！小角度散射是主要的！n在等离子体中，把通过在等离子体中，把通过大量小角度散射积累到大大量小角度散射积累到大的偏转（的偏转（9090）称为）称为“碰撞碰撞”，实现这样碰撞，实现这样碰撞所经历的平均时间称平均碰撞时间。所经历的平均时间称平均碰撞时间。n几种平均碰撞时间的数量级：几种平均碰撞时间的数量级：n平均碰撞频率平均碰撞频率 :1:/:/eeiiie

29、ieiemmmm:/:/:1eeiiieieiemmmmn库仑相互作用短程部分所造成的碰撞过程的时间库仑相互作用短程部分所造成的碰撞过程的时间尺度与库仑相互作用长程部分所造成集体运动的尺度与库仑相互作用长程部分所造成集体运动的等离子体振荡周期相比较：等离子体振荡周期相比较：n等离子体中的碰撞过程比等离子体集体振荡过程等离子体中的碰撞过程比等离子体集体振荡过程慢得多。说明慢得多。说明等离子体的特性是以集体效应为主等离子体的特性是以集体效应为主。实际上，在短程碰撞引起等离子体性质改变的时实际上，在短程碰撞引起等离子体性质改变的时间尺度内，就能出现各种等离子体集体现象间尺度内，就能出现各种等离子体集

30、体现象( (如等如等离子体波、不稳定性等离子体波、不稳定性等) )，因而，因而在多数场合，这种在多数场合，这种短程碰撞影响都可忽略。短程碰撞影响都可忽略。 /1eepe1/pepe等离子体定义（统一的等离子体定义（统一的 ） n必须指出，并非任何带电粒子组成的体系必须指出，并非任何带电粒子组成的体系都是等离子体，只有具备了等离子体特性都是等离子体，只有具备了等离子体特性的带电粒子体系，才可称为等离子体。的带电粒子体系，才可称为等离子体。n等离子体是由大量正负带电粒子组成的等离子体是由大量正负带电粒子组成的( ( 有 时 还 有 中 性 粒 子有 时 还 有 中 性 粒 子 ) ) 、 在 空

31、间 尺 度、 在 空 间 尺 度 和时间尺度和时间尺度 具有准电中性的、在具有准电中性的、在电磁场及其他长程力作用下粒子的运动和电磁场及其他长程力作用下粒子的运动和行为以行为以集体效应为主集体效应为主的体系的体系。 Dl1/pe等离子体辐射等离子体辐射 n等离子体中存在大量的以各种形式运动的等离子体中存在大量的以各种形式运动的带电粒子，因而会引起多种的辐射，称等带电粒子，因而会引起多种的辐射，称等离子体辐射。离子体辐射。n等离子体辐射：轫致辐射、复合辐射、回等离子体辐射：轫致辐射、复合辐射、回旋辐射、激发辐射以及契仑柯夫辐射等旋辐射、激发辐射以及契仑柯夫辐射等n对磁约束热核聚变等离子体，最重要

32、的辐对磁约束热核聚变等离子体，最重要的辐射过程是：轫致辐射和回旋辐射。射过程是：轫致辐射和回旋辐射。轫致辐射轫致辐射n轫致辐射是自由带电粒子受外场作用、使其运动轫致辐射是自由带电粒子受外场作用、使其运动速度发生变化而辐射的电磁波。速度发生变化而辐射的电磁波。n等离子体中，电子受到离子的作用而做加速运动等离子体中，电子受到离子的作用而做加速运动时，就会产生轫致辐射。轫致辐射的光谱是时，就会产生轫致辐射。轫致辐射的光谱是连续连续光谱光谱（X X射线）。因为电子射线）。因为电子- -电子作用对轫致辐射电子作用对轫致辐射的贡献很小，可以忽略，所以等离子体中的轫致的贡献很小，可以忽略，所以等离子体中的轫

33、致辐射辐射主要是电子主要是电子- -离子作用离子作用产生的。产生的。n电子轫致辐射损失功率密度电子轫致辐射损失功率密度 ( (W Wcmcm-3-3 ) ) 3121/2b4.81 10ieePZ nn T回旋辐射（磁轫致辐射回旋辐射（磁轫致辐射） n在热核等离子体中，离子和电子受相同的洛仑兹在热核等离子体中，离子和电子受相同的洛仑兹力，由于电子的加速度远大于离子的加速度，因力，由于电子的加速度远大于离子的加速度，因此在热核等离子体中只要考虑此在热核等离子体中只要考虑电子的回旋辐射电子的回旋辐射。 n典型的热核等离子体，电子回旋辐射频率为典型的热核等离子体，电子回旋辐射频率为10101111H

34、zHz，波长为毫米量级，属于微波范围。由于，波长为毫米量级，属于微波范围。由于回旋辐射的波长比较长回旋辐射的波长比较长，通常能为等离子体所吸，通常能为等离子体所吸收或能被适当设计的器壁所反射。收或能被适当设计的器壁所反射。n辐射导致等离子体辐射导致等离子体能量损失能量损失，辐射也可以，辐射也可以提供有提供有关等离子体的重要信息。关等离子体的重要信息。 2.3 等离子体参量与分类等离子体参量与分类 n等离子体等离子体参量参量 ： 粒子性质的物理量粒子性质的物理量 ：电子、离子质量及电荷电子、离子质量及电荷 宏观状态的物理量：电子、离子的密度，温度宏观状态的物理量：电子、离子的密度，温度n等离子体

35、等离子体分类分类：（1 1）温度很高，电子热运动速度应温度很高，电子热运动速度应考虑相对论考虑相对论效效应：应：T Te e 10keV 10keV v v0.30.3c c（2 2）等离子体的密度很高（接近固体），粒子间等离子体的密度很高（接近固体），粒子间的距离接近或小于电子德布洛依波长，应的距离接近或小于电子德布洛依波长，应考虑量考虑量子效应。子效应。量子和经典量子和经典界限：界限：1/31/eetenm v（3）按照粒子间作用强弱区分理想与非理想按照粒子间作用强弱区分理想与非理想等离子体。等离子体。 平均势能平均势能 平均动能平均动能n理想理想等离子体条件：等离子体条件：n弱耦合弱耦合

36、等离子体等离子体n强耦合强耦合等离子体等离子体 221/321/3/()peeEelene n(3/2)keET21/3/2/31pkeeEEe nT/1pkEE /1pkEE 宇宙和实验室中等离子体参量宇宙和实验室中等离子体参量n见表见表2.3.12.3.1数据数据n等离子体振荡频率比电子碰撞频率大很多等离子体振荡频率比电子碰撞频率大很多（2 23 3个量级以上），即等离子体中的碰个量级以上），即等离子体中的碰撞过程比等离子体集体振荡过程慢得多，撞过程比等离子体集体振荡过程慢得多，所以等离子体的特性是以集体效应为主的。所以等离子体的特性是以集体效应为主的。典型的等离子体密度、温度区域典型的等

37、离子体密度、温度区域 n1.1.固体等离子体；固体等离子体；n2.2.电离层；电离层；n3.3.日冕；日冕；n4.4.气体放电等离子体；气体放电等离子体；n5.5.激光热核实验等离激光热核实验等离子体；子体；n6.6.准稳热核实验等离准稳热核实验等离子体；子体；n7.7.激光热核反应堆；激光热核反应堆；n8.8.准稳热核反应堆。准稳热核反应堆。 2.4 等离子体的描述方法等离子体的描述方法n等离子体中带电粒子间既有短程库仑作用等离子体中带电粒子间既有短程库仑作用引起的碰撞，又存在长程库仑作用引起的引起的碰撞，又存在长程库仑作用引起的集体运动，其中又有外加的强磁场，还有集体运动，其中又有外加的强

38、磁场，还有自身产生的电磁场，因此要自身产生的电磁场，因此要精确描述等离精确描述等离子体的行为极其困难子体的行为极其困难。目前，只能根据不。目前，只能根据不同条件和研究的问题，采用不同的近似方同条件和研究的问题，采用不同的近似方法，对等离子体进行描述。法，对等离子体进行描述。 1. 单粒子轨道描述法单粒子轨道描述法 n单粒子轨道描述法：研究单个带电粒子在外加的单粒子轨道描述法：研究单个带电粒子在外加的电场或磁场作用下的运动，完全忽略等离子体中电场或磁场作用下的运动，完全忽略等离子体中其他带电粒子对它的作用。其他带电粒子对它的作用。n单个粒子的运动轨道只需用牛顿力学方程和粒子单个粒子的运动轨道只需

39、用牛顿力学方程和粒子的初始条件的初始条件( (空间位置和速度空间位置和速度) )就可以完全确定就可以完全确定n单粒子轨道描述方法，单粒子轨道描述方法，是一种近似的方法，但处是一种近似的方法，但处理问题的方法简单，物理图像直观，能够给出理问题的方法简单，物理图像直观，能够给出带带电电粒子在一些复杂的电磁场作用下运动的轨迹，粒子在一些复杂的电磁场作用下运动的轨迹，能较好的解释等离子体的许多性质。能较好的解释等离子体的许多性质。 2. 磁流体描述法磁流体描述法 n它是把等离子体看成导电流体，用它是把等离子体看成导电流体，用经典流体力学和经典流体力学和电动力学相结合的方法，研究导电流体和磁场的相电动力

40、学相结合的方法，研究导电流体和磁场的相互作用，它互作用，它着重于等离子体的整体行为。着重于等离子体的整体行为。n等离子体与普通流体不同，因为导电流体的运动比等离子体与普通流体不同，因为导电流体的运动比普通流体要复杂得多，它既服从流体力学的规律，普通流体要复杂得多，它既服从流体力学的规律，又服从又服从电动力学电动力学的规律，要用流体力学方程和的规律，要用流体力学方程和电动电动力学力学方程联合进行描述，形成了研究导电流体在电方程联合进行描述，形成了研究导电流体在电磁场中运动规律的科学，称为磁流体力学（磁场中运动规律的科学，称为磁流体力学（MHDMHD）n磁流体描述法主要用于描述等离子体的宏观运动，

41、磁流体描述法主要用于描述等离子体的宏观运动，如等离子体的集体振荡、宏观平衡、宏观不稳定性如等离子体的集体振荡、宏观平衡、宏观不稳定性以及各种波动现象。以及各种波动现象。3. 统计描述法统计描述法 n单粒子轨道描述法只考察单个粒子的运动，忽略单粒子轨道描述法只考察单个粒子的运动，忽略了粒子间的相互作用；磁流体描述法只考虑整体了粒子间的相互作用；磁流体描述法只考虑整体行为，忽略了单个粒子的运动，两者都是近似的行为，忽略了单个粒子的运动，两者都是近似的描述法。描述法。n等离子体是由大量微观粒子组成的体系，用统计等离子体是由大量微观粒子组成的体系，用统计物理学的方法才可揭示其更深刻的运动规律。等物理学

42、的方法才可揭示其更深刻的运动规律。等离子体的统计描述法是最基本的描述法。离子体的统计描述法是最基本的描述法。n统计力学最基本的描述是定义粒子的位置、速度、统计力学最基本的描述是定义粒子的位置、速度、时间的分布函数，然后确定分布函数满足的方程，时间的分布函数，然后确定分布函数满足的方程，即动理学方程。即动理学方程。 4. 粒子模拟法粒子模拟法n在有些等离子体问题中，无论用磁流体描述法还是在有些等离子体问题中，无论用磁流体描述法还是统计描述法，都不足以描述等离子体行为，于是人统计描述法，都不足以描述等离子体行为，于是人们不得不去跟踪每个粒子的轨道，以了解整个体系们不得不去跟踪每个粒子的轨道，以了解

43、整个体系的行为，即粒子模拟法。的行为，即粒子模拟法。n等离子体粒子模拟就是通过跟踪大量带电粒子在自等离子体粒子模拟就是通过跟踪大量带电粒子在自洽场和外加电磁场作用下的运动来了解等离子体的洽场和外加电磁场作用下的运动来了解等离子体的某些行为。某些行为。n核聚变装置中每立方米等离子体的总粒子数约为核聚变装置中每立方米等离子体的总粒子数约为10101919个，如果对这些粒子运动轨道都考虑，当代计个，如果对这些粒子运动轨道都考虑，当代计算机的容量就远远不够。如果只限于研究某类等离算机的容量就远远不够。如果只限于研究某类等离子体的某些特殊行为，实际上只需要考察一个相对子体的某些特殊行为，实际上只需要考察一个相对小的模拟体系，这样就可能用计算机模拟等离子体小的模拟体系，这样就可能用计算机模拟等离子体系的行为。系的行为。第第2章结束章结束 谢谢！