等离子体物理学

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  等离子体物理学汉语拼音:Dengliziti Wulixue;英语:Plasma Physics),研究等离子体形态和集体运动规律、等离子体与电磁场及其他形态物质相互作用的学科物理学新兴的分支。

  等离子体物理学自1879年英国科学家W.克鲁克斯提出物质第四态这一概念以来已发展成为物理学的重要分支。从学科整体研究状况来看,对核聚变等离子体高温等离子体)物理和天体等离子体物理的研究相对来讲较为成熟,但对低温等离子体物理还缺少研究,而且一些新的研究领域还在不断地涌现出来,因此仍待进一步发展。等离子体物理在能源、国防、通信、材料科学生物学医学等领域不断获得广泛的应用。

简史

  人类对于等离子体的认识,始于19世纪70年代对气体放电管中电离气体的研究。20世纪20年代建立了等离子体的基本概念和时空的特征尺度。30~50年代初,在借鉴其他学科研究方法的基础上,创立了等离子体物理基本理论框架和描述方法,同时把研究范围从实验室的电离气体扩展到电离层和某些天体的电离气体。自50年代起,在受控热核聚变研究和空间技术的推动下,等离子体物理得到了充分的发展,成为物理学的独立分支学科。在此期间,以气体放电和电弧技术为基础发展了低温等离子体物理和工艺。20世纪末,在基础工业、国防工业以及高技术领域中,低温等离子体得到广泛应用,推动了等离子体物理和其他物理学科及技术科学的相互渗透。随着等离子体物理研究的深入,研究领域逐渐扩展:从传统的电中性等离子体扩展到非电中性等离子体;从弱耦合的等离子体伸展到强耦合等离子体;从纯等离子体拓展到尘埃等离子体;从线性现象发展到非线性现象。此外,激光技术的新进展,推动了超短脉冲强激光与等离子体相互作用的研究。这些领域的研究给等离子体研究增添了新的活力。

研究方法

  有实验研究、理论研究和粒子模拟。

实验研究

  对于天然等离子体(天体、空间和地球大气中存在的等离子体)的实验研究和探测,通常是在地球表面或在高空的飞行器和“空间试验室”中进行,观察和接收它们所发射的可见光、射电、X射线以及其他辐射。将这些测量结果和已有的数据和理论进行分析比较,从而认识这些天然等离子体的现象、本质、运动、机构和演化规律。对于人为产生的等离子体(实验室等离子体)的实验研究,只能利用已有的技术产生所要求的等离子体,然后测出等离子体的各种参量。把这些测量结果与已有的理论进行综合分析后,推断出等离子体的行为和性质,或建立新的理论。

理论研究

  有以下几种理论描述法:①单粒子轨道描述法。它是描述等离子体中单个带电粒子,在外加的电场或磁场作用下运动轨道的变化。单粒子的轨道可简单地用牛顿定律和粒子的初始条件(空间位置和速度)完全确定。在无碰撞等离子体(如空间等离子体)中,碰撞的平均自由程大大超过等离子体本身的空间尺度,粒子间碰撞对等离子体行为几乎没有影响,这时单粒子的轨道描述常常能对一些观测结果给出定性的描述。但轨道描述的目的大都不是为了给出等离子体的行为,而是作为进一步讨论粒子间相互作用对等离子体行为影响时的零级近似,也即作为理论分析和讨论实际问题的出发点。单粒子轨道描述法能给出很直观的物理图像,对磁约束聚变研究概念的提出及发展起过重要作用(见仿星器、托克马克)。②磁流体描述法。将等离子体看成是导电的流体,而不考虑其中不同粒子间运动的差异,其行为用流体力学方程和电磁学方程进行描述。磁流体描述法可用来描述等离子体的宏观行为,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。③统计描述法。等离子体是由大量粒子组成的体系,用统计物理学的方法可深刻揭示其运动规律,包括描述无碰撞等离子体中波和粒子相互作用的弗拉索夫波动理论和碰撞等离子体中碰撞过程的动理学理论。单粒子轨道描述法和磁流体描述法由于都是近似描述法,前者不考虑不同粒子间运动的差异,后者忽略了粒子间的相互作用,因而它们既不能用来研究有关波与粒子相互作用的现象,也不能揭示由于粒子体系分布函数在速度空间中偏离平衡态而引起的不稳定性。统计描述法能严格描述波与粒子的相互作用及一些微观现象。统计描述法虽然严格,但数学处理复杂,物理图像缺少直观性。

粒子模拟

  此法是跟踪几千个甚至百万个粒子的运动轨道来描述等离子体体系的行为,能同时给出众多有关波和粒子的物理量以及其间的关联函数的时间演变。但典型的实验室等离子体(聚变装置中的等离子体)中粒子密度约为1019/米3,空间等离子体的密度虽然很稀,但体积巨大(尺度大于或等于几千千米),以密度1018/千米3来计粒子数也是很大的。对这些粒子的轨道如果都加以考虑,现代计算机的容量是远远不够的。若仅限于研究某类等离子体的某些行为,则只需考察一个相对小的模拟体系,其尺度和粒子数只要足以描述所要研究的等离子体现象即可,这样就能用粒子模拟法来描述等离子体的行为。

研究内容

  等离子体物理研究的基本内容大致可分为单个带电粒子在电磁场中的行为、等离子体平衡、波动和不稳定性、弛豫和输运、电磁辐射等几个方面。

单个带电粒子在电磁场中的行为

  带电粒子在磁力线的垂直方向上围绕磁力线做圆运动(称为回旋运动或拉摩运动),而沿磁力线方向带电粒子也作自由运动,因而粒子的合成运动是以磁力线为轴沿着磁力线做螺旋运动。如果带电粒子还受到其他外力的作用,则粒子还要在垂直于磁力线和该力这两者的方向上运动。这种由外力引起的运动称为漂移运动。外力如果是电场力、重力、由磁场梯度或磁场曲率引起的力或广义力,则由它们引起的漂移运动便分别称为电漂移、重力漂移、梯度漂移和曲率漂移。磁场若随空间和时间缓慢变化,则粒子在垂直于磁力线方向上的动能和磁场强度的比(称为磁矩)是一个不变量。以上这些简单物理图像,对于受控热核聚变中磁约束途径的探索、天体等离子体的行为、对磁控溅射原理的理解具有重要意义。

等离子体平衡

  等离子体在一定条件下的宏观形态会受其内部热压力、外加电磁场及重力产生的力的影响。这些力达到平衡时,等离子体的宏观形态及其各参量的数值和空间分布都不再随时间改变。平衡时的等离子体形态及其参数和空间分布是讨论等离子体行为的基础。

波动和不稳定性

  处于平衡状态的等离子体受到某种扰动时,等离子体内部会产生相应的集体运动,使这种扰动传播到等离子体的其他区域。这种传播的扰动称为等离子体波。如果扰动的振幅在传播过程中不随时间改变,则这种波称为稳定的等离子体波,否则是阻尼波或不稳定波。如果在传播过程中,扰动幅度随时间越来越大,最终可将等离子体的平衡形态破坏,则这种扰动简称为不稳定性。扰动方式的不同,波动的类型及属性也不同。等离子体内部热压力的扰动产生声波。空间电荷分离产生静电波。电磁感应引起电磁波。等离子体温度和密度空间不均匀性造成粒子漂移运动进而激发各种漂移波。等离子体中磁力线的扰动与等离子体的冻结效应可产生各种磁流体波;磁力线的弯曲和分布不均匀性也会激发各种漂移波。而且波与波之间又会耦合成更为复杂的混合波。

  等离子体不稳定性类型繁多,大致分为宏观不稳定性和微观不稳定性两大类。等离子体宏观参量(密度、温度、压强等)的不均匀以及磁力线的曲率等引起的自由能,可产生宏观不稳定性,通常用磁流体方程处理,故称磁流体力学不稳定性。等离子体速度空间中速度分布的各向异性、偏离麦克斯韦速度分布律等引起的自由能,会产生微观不稳定性(又称速度空间不稳定性),通常用动力学方程处理,故称动力学不稳定性。

电磁辐射

  等离子体发出的电磁波可分为自发辐射和受激辐射两大类。自发辐射包括黑体辐射、线辐射、复合辐射、轫致辐射、回旋辐射(又称磁轫致辐射)、同步辐射等。大多数的实验等离子体发出的是自发辐射,等离子体激光物质产生的激光、在地球及若干行星的磁层中观测到的一些电磁辐射则为受激辐射。探测等离子体的辐射可得到等离子体的一些参量。

弛豫与输运

  等离子体从非平衡状态趋向平衡状态的过程称为弛豫过程。不均匀等离子体中,带电粒子从高密度区域向低密度区域扩散,热量从高温区向低温区传导,动量从大区域向小区域转移(即黏滞现象),统称为输运过程。传统理论认为,弛豫和输运是由粒子间的库仑弹性碰撞引起的,通常用碰撞的动理论处理,所得出的特征弛豫时间(慢化时间、扩散时间等)和各种输运系数(扩散系数、导热系数、黏滞系数、电导系数等)称为经典的。如果考虑了环形磁场对相碰粒子轨道运动的几何效应,则相应的弛豫和输运称为新经典的。各种新经典值比经典值大一个数量级。此外,在许多等离子体(包括空间等离子体、磁约束等离子体)中输运系数比新经典的要高2~4个数量级,称为反常输运,这可能和等离子体中非线性的集体运动有关。

分支领域

  等离子体物理学已形成了以下一些彼此相关又有相对独立研究方向的分支领域。

受控热核聚变等离子体物理学

  受控热核聚变是指在被控制条件下将两个轻核(常用的是氘和氚)在高温(几亿度)条件下结合成重核的反应。受控热核聚变等离子体物理就是研究实现这种热核聚变反应的实验装置以及未来的核聚变反应堆中的等离子体(又称高温等离子体)所涉及的各种物理问题。概括地说,受控热核聚变等离子体物理的研究课题主要集中在如何将燃料等离子体加热到几亿度的反应温度,以及如何将密度足够高的高温等离子体约束足够长的时间,使其进行充分的核反应等方面。

  受控热核聚变研究开始于20世纪中叶。20世纪后期直到21世纪初受控热核聚变研究,主要集中在利用磁场来约束等离子体(磁约束)的托卡马克和利用等离子体粒子惯性来约束其自身(惯性约束)的激光核聚变方面。其中所涉及的等离子体物理问题,自然就是受控热核聚变等离子体物理的主要研究内容。

空间等离子体物理学和等离子体天体物理学

  日地空间是由太阳大气、太阳风、地球磁层和电离层组成并相互关联的等离子体系统。空间等离子体物理学就是研究此系统所发生的等离子体物理过程的分支学科,它是由太阳大气、日层及行星际、行星磁层和行星电离层等离子体物理等子学科组成的,因而它是等离子体物理学、空间物理和太阳物理的交叉学科。近年来空间等离子体物理学迅速发展。在日地空间物理前沿领域(日地系统能量传输和耦合机制)研究中所涉及的等离子体物理的基本问题是磁力线重联、波–粒子相互作用和反常输运、无碰撞激波、等离子体加热和高能粒子加速、空间等离子体湍流、大尺度等离子体流分别和磁场及中性气体的相互作用方面。空间等离子体物理对于航天安全和空间应用、环境监测和预报、无线电通信、了解太阳活动引起地球生态环境的变化、预测天气的长期变化,以及对于研究等离子体的各种非线性现象具有十分重要的意义。

  等离子体天体物理学是天体物理学和等离子体物理学相互结合的交叉学科。天体等离子体物理始于20世纪前半叶,主要研究内容集中在宇宙粒子的加速、天体等离子体的辐射机制,及不稳定性和有关的爆发图像等方面。自80年代以来,该学科则主要研究天体等离子体诸多的非线性现象方面、辐射与等离子体的相互作用、天体等离子体中的原子和分子过程、粒子加速机制等。

低温等离子体物理

  低温等离子体是指在实验室和工业设备中,通过气体放电或高温燃烧产生的温度低于几十万度的部分电离气体。按其物理性质,低温等离子体可分为热等离子体(近局域热力学平衡等离子体)、冷等离子体(非平衡等离子体)和燃烧等离子体三大类。热等离子体和冷等离子体在工业中已被广泛应用,故统称为工业等离子体。低温等离子体物理就是研究部分电离气体的产生、性质与运动规律的科学。低温等离子体中粒子的组分,除电子和离子(密度在106~1013厘米-3之间)外,还有大量的中性粒子(原子、分子、自由基)。粒子的组分及其间的相互作用(包括各种多体碰撞与光子参与的过程)均随产生等离子体的方法及条件而改变。这些情况使得低温等离子体物理远比完全电离的高温等离子体物理的研究困难得多。低温等离子体涉及大规模集成电路的制造、材料表面的处理、改性和薄膜沉积,包括超细粉和超纯材料制备在内的化工生产、气体放电光源(高、低气压照明灯)、气体激光器、等离子体显示器、磁流体发电等许多应用方面,故其研究有着十分重要的实际意义。

前沿发展领域

  有受控热核聚变、空间和天体等离子体、低温等离子体的应用等方面。在研究推动下,以下一些新领域成为等离子体物理研究的前沿和热点。

非中性等离子体物理

  非中性等离子体是指由单种荷电粒子(电子、离子)和中性粒子组成的,整体呈非电中性的等离子体。非中性等离子体物理就是研究非中性等离子体的理论和实验技术的分支学科,现已渗透到原子和分子物理、凝聚态物理、新型加速器物理、自由电子激光物理、高功率微波物理等许多领域。其研究的主要内容是:纯电子或纯离子组成的等离子体中的各种宏观和微观不稳定性及其非线性过程,强流束的传播及其粒子的约束和输运,制冷方法,由气态向液态和固态的相变(强耦合相互作用)等。

强耦合等离子体物理

  强耦合(关联)等离子体是指粒子间的平均相互作用能(位能)与粒子动能之比(称为耦合系数)大于1的等离子体系统。常见的等离子体的耦合系数小于1,因而是弱耦合的。以激光为驱动器的惯性约束等离子体、由激光爆轰物质产生的等离子体、高度演化的天体内部的物质状态、电子温度降到很低时的纯电子等离子体、离子温度降到很低时的纯离子等离子体、尘埃粒子带有足够电量的尘埃等离子体,均为强耦合的等离子体。强耦合体系是复杂的多粒子系统,用两体关联函数不足以研究其某些特性,需要关于多体关联函数的知识。描述这种体系的动力学相关特性的理论有待建立,强耦合等离子体物理正处在发展阶段。

非线性等离子体物理

  等离子体系统本质上是非线性的。备受注意的两个非线性研究领域是非相干的非线性现象(湍流现象)和相干的非线性结构。等离子体湍流是由大量彼此相互作用的等离子体本征模组成的无明显位相特征的集体运动状态,它可能是产生反常电阻、反常扩散和反常热导的机制。相干非线性现象指的是相位信息密切相关的一些非线性过程。弱非线性的相干现象出现在三波、四波相互作用和等离子体回声等过程中。强非线性相干行为往往呈现出长寿命的空间有序结构,如孤子、腔子和涡旋等。这种相干结构对等离子体输运性质的影响以及与等离子体湍流之间的关系,是非线性等离子体物理研究的重要内容。

激光等离子体物理

  研究激光与等离子体相互作用的科学,是激光核聚变与核武器物理、X射线激光、激光驱动粒子加速器等重大应用的学科基础。主要研究方面有:①激光与聚变等离子体的相互作用,激光与冕区等离子体相互作用中出现的各种激光等离子体不稳定性及其对激光与聚变靶耦合作用的影响。②激光驱动高能粒子加速器物理。激光加速器以等离子体为介质,加速电场可达109~1012伏/米,甚至更高,比直线加速器的极限加速电场(106~108伏/米)高几个数量级,可将粒子加速到太电子伏(1太电子伏=1012电子伏)量级的超高能量。主要围绕在加速电场的产生机制、波–波及波–粒子相互作用过程、各种不稳定性对相干加速过程的影响等方面。③超短脉冲强激光与等离子体的相互作用。这是20世纪末开始研究的重要领域。激光技术的发展,使得获得脉宽为50~1,000飞秒(1飞秒=10-15秒)、聚焦功率密度为1014~1021瓦/厘米2的超短脉冲强激光成为可能,从而开创出一个全新的前沿研究领域。因为这样强的光使场强超过原子内部的库仑场,所以这一研究领域又称为强场物理。④天体物理过程的实验室模拟。由激光与靶相互作用产生的激光等离子体与天体等离子体有着相互的对应关系。如辐照在靶上的激光使靶物质蒸发、离化与膨胀而产生的燃烧等离子体,对应于具有较高扩张速度的星风和超新星爆发;激光等离子体中靶内形成的朝激光方向扩展的冲击波,对应于超新星爆发喷流驱动的冲击波;激光辐照玻璃板上的金属薄靶产生的强耦合等离子体,对应于太阳内部、白矮星、巨行星内部的强耦合物质等。激光等离子体物理或激光聚变的原理与天体物理规律虽可相互对应,但两者过程的时间和空间尺度极不相同。只要把两者相对应的物理量的尺度进行成比例地变换(这种变换称为标度变换),就可由激光等离子体物理过程来模拟相应的天体物理过程。20世纪末建立的强激光等离子体相互作用的流体动力学与超新星、超新星遗迹的动力学之间的标度变换是成功的典范。

高能组分等离子体物理

  随着空间探测技术的发展,除在太阳风中外,还在太阳射电爆发、弓形激波、地球极区辐射、电双层、地磁脉动、磁暴等物理过程中观测到高能粒子的存在。在聚变等离子体中,则存在反应产生的高能α粒子。这些高能粒子与背景等离子体相互作用,可改变原有波模的稳定性或激发一些新的不稳定模式,影响等离子体的约束和输运。对具有高能组分等离子体物理的深入研究,发展成为一个重要领域。主要内容是高能粒子在背景等离子体中的弛豫、加速、加热和辐射、对背景等离子体平衡、稳定等的影响。

尘埃等离子体物理

  混入等离子体中的电中性固体微粒,可因电子和离子热运动速度的差别而荷负电,或因受强紫外线、外部激光等的辐照引起光电子发射而荷正电。当这些带电尘埃粒子的数量足够多时,等离子体原有的集体效应会发生改变,这时的等离子体特称为尘埃等离子体。

  尘埃粒子在实验室等离子体和天体等离子体中普遍存在。实验室等离子体中因器壁、电极或基片受到高能粒子轰击溅射出的微粒、两种工作气体在等离子体状态下发生反应的生成物逐渐长大而成的固体微粒等,都是实验室等离子体中的尘埃粒子源。天体间物质的碎片、陨石微粒、月球的抛射物、人类对空间的“污染”物等形成了天体等离子体中的尘埃粒子源。微电子工业(如等离子体刻蚀、溅射镀膜等工艺)中,尘埃粒子对产品的影响是很严重的。半导体材料生产中50%的损失是由于制作过程中尘埃粒子的污染造成的。实验室尘埃等离子体中观察到了尘埃粒子的自组织现象,形成了尘埃等离子体晶体,粒子间呈现出强耦合(关联)作用现象。宇宙飞船对木星和火星的探测证实了它们的光环是由尺度从10-8~1米的各种大小的尘埃粒子组成的。太阳系的黄道光由分布在太阳周围3~19个地球半径处的,尺度为2~10微米的尘埃粒子对太阳辐射的散射或吸收后的热辐射所造成。人们对尘埃粒子在实验室等离子体和天体等离子体中的奇特作用越来越重视,尘埃等离子体物理已成为当前等离子体物理学中一个很活跃的研究领域。