等離子體的磁約束原理.doc

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1、等離子體的磁約束原理張玉萍　在輝光放電、弧光放電的陽(yáng)極柱里，氣體處在高度電離狀態(tài)，但是其中正、負(fù)電荷密度幾乎相等，這時(shí)的系統(tǒng)同普通的氣體有明顯的區(qū)別，1929年，美國(guó)的朗默爾（Langmuir）將它取名為“plasma”，譯名為“等離子體”。在熱核反應(yīng)的高溫（約在幾百萬(wàn)開甚至一億開左右）下，物質(zhì)處于等離子態(tài)，但在熱核反應(yīng)的高溫下，任何固體材料的容器早已熔毀，而且散熱的速度隨溫度的升高而急劇增加。目前在大多數(shù)受控?zé)岷朔磻?yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置里用磁場(chǎng)來(lái)約束等離子體，使之脫離器壁并限制它的熱導(dǎo)。下面簡(jiǎn)單介紹等離子體磁約束的原理。我們知道，帶電粒子的速度v和磁感強(qiáng)度B成任意夾角時(shí)，此帶電粒子在磁場(chǎng)中作螺旋

2、線運(yùn)動(dòng)，且回旋半徑R與磁感強(qiáng)度B成反比，磁場(chǎng)越強(qiáng)，半徑越小，這樣一來(lái)，在很強(qiáng)的磁場(chǎng)中，每個(gè)帶電粒子的運(yùn)動(dòng)便被約束在一根磁感線附近的很小的范圍內(nèi)（右圖），也就是說，帶電粒子回旋軌道的中心（也叫引導(dǎo)中心）只能沿磁感線縱向移動(dòng)，而不能橫越它，只有當(dāng)粒子發(fā)生碰撞時(shí)，引導(dǎo)中心才能由一根磁感線跳到另一根磁感線，因此，強(qiáng)磁場(chǎng)可以使帶電粒子的橫向輸運(yùn)過程（如擴(kuò)散、熱導(dǎo)）受到很大的限制?！　　?shí)際問題中，例如受控?zé)岷朔磻?yīng)，不僅要求引導(dǎo)中心受到橫向約束，也希望有縱向約束。下述磁鏡裝置便能限制引導(dǎo)中心的縱向移動(dòng)。如上圖（a）所示，兩個(gè)電流方向相同的線圈產(chǎn)生中央弱兩端強(qiáng)的不均勻磁場(chǎng)，當(dāng)處于中間區(qū)域的帶電粒子沿著

3、z軸向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，設(shè)粒子帶正電荷q，速度v沿z軸，如圖5-2（b）所示，粒子受到洛倫茲力作用，使粒子向著如上圖（b）所示方向（垂直屏幕向里）偏轉(zhuǎn)，可見粒子將獲得繞軸旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)速度（圖中用代表其方向），隨著粒子分速度的出現(xiàn)，又將受到洛倫茲力F的作用，其徑向分量使粒子向軸線偏轉(zhuǎn)，軸向分量使帶電粒子的軸向速度v減少，因?yàn)椋珺增大，v減小得也快，粒子運(yùn)動(dòng)到右端線圈附近時(shí)，由于該處B很大，如果v初始速度較小，則v有可能減至為零，然后就反向運(yùn)動(dòng)，猶如光線射到鏡面上反射回來(lái)一樣。如果處于中間區(qū)域的帶電粒子沿著z軸向左運(yùn)動(dòng)，類似分析，如上圖（c），可以得出帶電粒子運(yùn)動(dòng)到左端線圈附近時(shí)，帶電粒子軸向速度也有

4、可能減至為零，然后帶電粒子反向運(yùn)動(dòng)，我們通常把這種能約束運(yùn)動(dòng)帶電粒子（見右圖動(dòng)畫）的磁場(chǎng)分布叫做磁鏡，又形象地稱為磁瓶，上圖（a）所示的便是一種磁鏡裝置，對(duì)于其中的帶電粒子來(lái)說，相當(dāng)于兩端各有一面磁鏡，那些縱向速度不是太大的帶電粒子將在兩磁鏡之間來(lái)回反射，被約束在兩面“鏡子”之間的中間區(qū)域而不能逃脫?！　∪缜八?，不僅帶電粒子的橫向運(yùn)動(dòng)可被磁場(chǎng)抑制，而且縱向運(yùn)動(dòng)又被磁鏡所反射，所以這樣的磁場(chǎng)分布就象牢寵一樣，可以把帶電粒子或等離子體約束在其中。但磁鏡裝置有個(gè)缺點(diǎn)，即總有一部分縱向速度較大的粒子會(huì)從兩端逃逸，所以采用下左圖所示的環(huán)形磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)，可以避免這個(gè)缺點(diǎn)?！???在受控?zé)岷司圩冎校?/p>

5、磁鏡的約束外，還有其他的一些磁瓶裝置，如托卡馬克裝置、仿星器等，它們的結(jié)構(gòu)雖然不盡相同，但都是采用某種特定形態(tài)的磁場(chǎng)來(lái)約束等離子體。應(yīng)該指出，磁鏡約束也存在于自然界中，例如地球磁場(chǎng)兩極強(qiáng)、中間弱就是一個(gè)天然磁瓶，它使得來(lái)自宇宙射線的帶電粒子在兩磁極間來(lái)回振蕩，（如上右圖）從而形成第十章所提到的范·阿侖輻射帶。生活在地球上的人類及其他生物都應(yīng)十分感謝這個(gè)天然的磁鏡約束，正是靠它才將來(lái)自宇宙空間、能致生物于死命的各種高能射線或粒子捕獲住，使人類和其他生物不被傷害，得以安全地生存下來(lái)。參考資料