内容简介

本书系统地介绍了等离子体物理的基本概念和基本方法。主要内容包括：

等离子体的一般性质；单粒子轨道理论；磁流体力学；等离子体中的波；宏观不

稳定性；等离子体动力论；输运过程；等离子体非线性现象；等离子体辐射和受

控核聚变。

本书主要供等离子体物理和受控核聚变专业的高年级大学生、研究生使

用，也可供大学物理、天体物理、核物理、核工程等相关专业师生以及从事等离

子体物理研究的科技人员参考。

目录

第一章 绪论

1.1什么是等离子体

1.1.1等离子体是物质的第四态

1.1.2等离子体的定义

1.1.3自然界中的等离子体

1.1.4等离子体物理的发展过程

1.1.5等离子体物理的描述方法

1.2等离子体的准电中性和德拜长度

1.2.1等离子体的准电中性

1.2.2德拜屏蔽长度

1.3等离子体振荡和朗缪尔频率

1.3.1等离子体电子振荡

1.3.2等离子体离子振荡

1.3.3电荷分离的时间尺度

1.4等离子体中的碰撞

1.4.1二体碰撞

1.4.2库仑碰撞

习题

第二章 单粒子轨道理论

2.1引言

2.2带电粒子在均匀电磁场中的运动

2.2.1带电粒子在均匀恒定磁场中的运动

2.2.2均匀恒定电磁场中的电漂移

2.2.3重力漂移

2.3带电粒子在变化磁场中的运动

2.3.1漂移近似

2.3.2梯度漂移

2.3.3曲率漂移

2.3.4带电粒子在随时间缓变磁场中的漂移

2.4绝热不变量

2.4.1磁矩不变量和磁镜

2.4.2纵向不变量和费米加速

2.5带电粒子在变化电场中的运动

2.6带电粒子在环形磁场中的运动

2.6.1带电粒子在简单圆环形磁场中的运动

2.6.2磁力线的转动变换

2.6.3托卡马克中带电粒子的运动

习题

第三章 磁流体力学

3.1流体力学的基本方程

3.2磁流体力学方程

3.2.1运动导电流体内的准静态电磁场方程

3.2.2考虑电磁力的流体动力学方程

3.2.3磁流体力学方程组

3.3磁压强和磁张力

3.4磁场的扩散与冻结

3.4.1磁场的演化方程

3.4.2磁场的扩散

3.4.3磁场的冻结

3.5双流体模型和广义欧姆定律

3.5.1单流体模型

3.5.2双流体模型

3.5.3广义欧姆定律

3.6等离子体的平衡

3.6.1平衡方程

3.6.2直线箍缩等离子体柱的平衡

3.6.3动力箍缩的雪耙模型

习题

第四章 等离子体中的波

4.1引言

4.2有关波动的几个基本概念

4.2.1波的表示法

4.2.2相速度

4.2.3群速度

4.2.4波的偏振

4.3非磁化冷等离子体中的振荡与波

4.3.1朗缪尔振荡

4.3.2非磁化等离子体中的电磁波

4.4非磁化等离子体中的静电波

4.4.1朗缪尔波

4.4.2离子声波和离子静电波

4.5磁流体力学波

4.5.1阿尔芬波和磁声波的物理图象

4.5.2关于扰动速度的方程

4.5.3磁声波的性质

4.5.4阿尔芬波的性质

4.6垂直于磁场的静电波

4.6.1高混杂静电振荡和高混杂波

4.6.2低混杂振荡和低混杂波

4.7垂直于磁场的高频电磁波

4.7.1寻常波

4.7.2非寻常波

4.7.3截止与共振

4.8平行于磁场的高频电磁波

4.8.1左旋圆偏振波和右旋圆偏振波

4.8.2哨音波

4.8.3法拉弟旋转

习题

第五章 磁流体力学不稳定性

5.1引言

5.2交换不稳定性

5.3能量原理

5.3.1扰动方程

5.3.2能量原理

5.4直线箍缩等离子体柱的不稳定性

5.4.1腊肠形不稳定性

5.4.2扭曲不稳定性

5.4.3螺旋不稳定性

5.5撕裂模不稳定性

5.5.1撕裂模不稳定性的物理机制

5.5.2撕裂模不稳定性的增长率

习题

第六章 等离子体辐射

6.1回旋辐射

6.1.1单电子的回旋辐射

6.1.2等离子体的回旋辐射功率

6.1.3频谱展宽

6.2轫致辐射

6.3复合辐射

6.4激发辐射

习题

第七章 等离子体动力论

7.1玻耳兹曼方程

7.1.1分布函数与统计平均值

7.1.2动力论方程

7.1.3玻耳兹曼碰撞项

7.2矩方程

7.2.1矩方程

7.2.2连续性方程

7.2.3动量方程

7.2.4能量方程

7.3符拉索夫方程

7.3.1符拉索夫方程

7.3.2自洽场

7.3.3方程的线性化

7.4福克－普朗克方程

7.4.1福克－普朗克碰撞项

7.4.2福克－普朗克系数的计算

7.5朗道阻尼

7.5.1朗道解

7.5.2t→∞时，f1（k，v，t）和E1（k，t）的渐近解

7.5.3纵振荡的频率和阻尼率

7.5.4朗道阻尼的物理机制

7.5.5与简正模分析法和MHD理论结果的比较

7.6微观不稳定性

7.6.1微观不稳定性概述

7.6.2双流不稳定性

习题

第八章 等离子体中的输运过程

8.1引言

8.2无磁场时弱电离等离子体的输运系数

8.2.1克洛克模型

8.2.2输运系数的计算

8.3完全电离等离子体的输运系数

8.3.1电导率

8.3.2横越磁场的扩散

8.3.3粒子约束时间和横向扩散系数之间的关系

8.4新经典输运理论

8.4.1流体区的输运性质

8.4.2香蕉形区捕获粒子的扩散和热传导

8.4.3平台区的输运性质

8.5托卡马克定标律

8.6辅助加热时的约束特性——L模和H模

8.7反常输运和涨落现象

8.7.1反常输运

8.7.2涨落现象

习题

第九章 等离子体中的非线性现象

9.1非线性现象简介

9.2有质动力

9.3等离子体中的孤立子

9.3.1浅水面孤立波和KdV方程

9.3.2离子声波孤立子

9.3.3朗缪尔波孤立子

第十章 受控核聚变

10.1引言

10.1.1聚变能源及其优点

10.1.2劳逊判据

10.2聚变等离子体的约束

10.2.1磁约束的基本原理

10.2.2托卡马克装置

10.3聚变等离子体的加热

10.3.1欧姆加热的原理及其局限性

10.3.2中性粒子束注入加热方法

10.3.3射频波加热原理

10.4磁约束核聚变研究的现状

10.5惯性约束聚变

10.5.1惯性约束聚变原理

10.5.2激光与等离子体的相互作用

10.5.3激光内爆

10.5.4靶丸结构

10.5.5聚变驱动器

10.5.6激光聚变研究的进展

10.6低温等离子体的应用

10.6.1引言

10.6.2低温等离子体与固体表面的作用

10.6.3低温等离子体的光学特性及应用

10.6.4热等离子体热源

习题

参考文献

磁流体动力学是研究导电流体在电磁场中运动规律的一种宏观

理论。它把流体力学和电动力学结合起来来描述电磁场中导电流体

的运动。当研究等离子体的宏观运动时，当把等离子体视为导电流体

时，就可以用磁流体动力学描述。

磁流体理论最适合稠密等离子体，适合于研究缓慢变化的等离

子体现象。所谓缓慢变化是指等离子体的特征长度和特征时间远大

于等离子体粒子的平均自由程和平均碰撞时间。磁流体力学主要用

于研究等离子体的平衡、宏观不稳定性和冷等离子体中的波。

等离子体动力论就是等离子体的统计理论。它是从微观的粒子

运动的观点，用统计的方法来研究分布函数的演变和宏观的不可逆

过程，在求出粒子分布函数以后，对所有粒子的微观量经过统计平均

得到宏观量，从而把宏观理论中所出现的一些输运系数与物质的微

观结构联系起来。该理论能够讨论很多用磁流体力学所不能讨论的

现象，如等离子体中的某些波和微观不稳定性及湍流等。等离子体是

由大量微观粒子组成的系统，因而用统计物理学的方法研究它是更

适宜的。等离子体动力论的基础是微观粒子的分布函数及它的演化

方程——各种形式的动力论方程。从动力论的观点出发，可以讨论等

离子体中的波动现象、朗道阻尼、微观不稳定性、弛豫过程和输运过

程等。

基于计算物理的成就而发展起来的各种数值模拟技术广泛应用

于等离子体物理研究。在等离子体物理领域，数值模拟方法可用以定

量研究复杂的磁流体系统，可描述决定输运过程的非线性集体效应，

也可用以研究湍动的产生及性质。经验表明，计算机数值模拟是洞

察非线性等离子体过程的最佳方法之一，如它能比符拉索夫描述更

好地给出等离子体波和粒子的相互作用。

1.2 等离子体的准电中性和德拜长度［3～4］

1.2.1 等离子体的准电中性

在没有外部扰动时，等离子体是宏观电中性的，或者说是准电中

性的。这就是说，在一个等离子体体积内（这个体积，对于含有大量的

带电粒子来说是足够大的，而对于宏观参数如密度和温度的变化来

说又是足够小的），正离子和电子的空间电荷互相抵消。