等离子体物理学导论

目录

译者序

前言

第1章 绪论 1

1.1 等离子体在自然界的存在 1

1.2 等离子体的定义 2

1.3 温度的概念 3

1.4 德拜屏蔽 7

1.5 等离子体参量 9

1.6 等离子体判据 10

1.7 等离子体物理学的应用 11

1.7.1 气体放电(气体电子学) 11

1.7.2 受控热核聚变 12

1.7.3 空间物理学 12

1.7.4 现代天体物理学 13

1.7.5 MHD能量转换和离子推进 13

1.7.6 固态等离子体 14

1.7.7 气体激光器 14

1.7.8 粒子加速器 15

1.7.9 工业等离子体 15

1.7.10 大气压等离子体 15

第2章 单粒子运动 17

2.1 引言 17

2.2 均匀E场和B场 17

2.2.1 E=0 17

2.2.2 有限E场 19

2.2.3 重力场 21

2.3 非均匀B场 23

2.3.1 B：B梯度漂移 23

2.3.2 弯曲B场：曲率漂移 24

2.3.3 B：磁镜 25

2.4 非均匀E场 30

2.5 随时间变化的E场 32

2.6 随时间变化的B场 34

2.7 导向中心漂移总结 35

2.8 绝热不变量 36

2.8.1 个绝热不变量? 36

2.8.2 第二个绝热不变量J 37

2.8.3 第三个绝热不变量? 40

第3章 作为流体的等离子体 43

3.1 引言 43

3.2 等离子体物理学与普通电磁学的关系 43

3.2.1 麦克斯韦方程组 43

3.2.2 磁性材料的经典处理 44

3.2.3 电介质的经典处理 45

3.2.4 等离子体的介电常数 46

3.3 流体运动方程 47

3.3.1 随体导数 47

3.3.2 压力张量 49

3.3.3 碰撞 52

3.3.4 和普通流体动力学的比较 52

3.3.5 连续性方程 53

3.3.6 状态方程 53

3.3.7 完整的流体方程组 54

3.4 垂直于B的流体漂移 55

3.5 平行于B的流体漂移 60

3.6 等离子体近似 61

第4章 等离子体中的波 63

4.1 波的表示法 63

4.2 群速度 64

4.3 等离子体振荡 65

4.4 电子等离子体波 69

4.5 声波 75

4.6 离子波 76

4.7 等离子体近似的有效性 77

4.8 离子波和电子波的比较 78

4.9 垂直于B的静电电子振荡 80

4.10 垂直于B的静电离子波 85

4.11 低混杂频率 88

4.12 B0=0的电磁波 89

4.13 实验应用 91

4.14 垂直于B0的电磁波 95

4.14.1 寻常波，E1||B0 95

4.14.2 非寻常波，E1B0 96

4.15 截止和共振 98

4.16 平行于B0的电磁波 100

4.17 实验结果 102

4.17.1 哨声模 102

4.17.2 法拉第旋转 103

4.18 磁流体波 106

4.19 磁声波 110

4.20 基本等离子体波小结 112

4.21 CMA图 113

第5章 扩散和电阻率 121

5.1 弱电离气体中的扩散和迁移 121

5.1.1 碰撞参数 121

5.1.2 扩散参数 122

5.2 扩散引起的等离子体衰减 123

5.2.1 双极扩散 123

5.2.2 平板中的扩散 125

5.2.3 柱体中的扩散 127

5.3 稳态解 128

5.3.1 恒定电离函数 128

5.3.2 平面源 129

5.3.3 线源 129

5.4 复合 129

5.5 横越磁场的扩散 131

5.5.1 横越B的双极扩散 133

5.5.2 实验检验 134

5.6 全电离等离子体中的碰撞 136

5.6.1 等离子体电阻率 137

5.6.2 库仑碰撞的机理 138

5.6.3 的物理意义 140

5.6.4的值 141

5.6.5 脉冲电流 142

5.7 单流体MHD方程 142

5.8 全电离等离子体的扩散 144

5.9 扩散方程的解 146

5.9.1 时间依赖关系 146

5.9.2 与时间无关的解 146

5.10 玻姆扩散和新经典扩散 147

第6章 平衡和稳定性 154

6.1 引言 154

6.2 磁流体平衡 155

6.3 β的概念 156

6.4 磁场向等离子体中的扩散 158

6.5 不稳定性的分类 161

6.5.1 流动不稳定性 161

6.5.2 瑞利-泰勒不稳定性 161

6.5.3 普适不稳定性 162

6.5.4 动理学不稳定性 162

6.6 双流不稳定性 162

6.7 “重力”不稳定性 166

6.8 阻性漂移波 169

6.9 威布尔不稳定性 172

第7章 动理学理论 174

7.1 f(v)的含义 174

7.2 动理学方程 178

7.3 流体方程的推导 182

7.4 等离子体振荡和朗道阻尼 184

7.5 朗道阻尼的含义 188

7.5.1 电子束动能 191

7.5.2 初始条件的影响 194

7.6 朗道阻尼的物理推导 195

7.6.1 共振粒子 199

7.6.2 两个“悖论”的消除 200

7.7 BGK模和范·坎彭模 200

7.8 实验验证 201

7.9 离子朗道阻尼 204

7.9.1 等离子体色散函数 205

7.9.2 离子波及其阻尼 206

7.10 磁场的动理学效应 210

7.10.1 热等离子体介电张量 211

7.10.2 回旋阻尼 212

7.10.3 伯恩斯坦波 213

第8章 非线性效应 219

8.1 引言 219

8.2 鞘层 221

8.2.1 鞘层的必然性 221

8.2.2 平面鞘层方程 221

8.2.3 玻姆鞘层判据 223

8.2.4 蔡尔德-朗缪尔定律 224

8.2.5 静电探针 225

8.3 离子声激波 227

8.3.1 萨格捷夫势 227

8.3.2 临界马赫数 230

8.3.3 波陡化 231

8.3.4 实验观测 232

8.3.5 电双层 233

8.4 有质动力 233

8.5 参量不稳定性 236

8.5.1 耦合振荡器 236

8.5.2 频率匹配 237

8.5.3 不稳定性阈值 240

8.5.4 物理机理 241

8.5.5 振荡双流不稳定性 243

8.5.6 参量衰减不稳定性 245

8.6 等离子体回波 248

8.7 非线性朗道阻尼 251

8.8 非线性等离子体物理学方程 253

8.8.1 KdV方程 253

8.8.2 非线性薛定谔方程 257

8.9 重联 266

8.10 湍流 268

8.11 鞘层边界 272

第9章 特殊等离子体 274

9.1 非中性等离子体 274

9.1.1 纯电子等离子体 274

9.1.2 实验 275

9.2 固态超冷等离子体 276

9.3 离子对等离子体 277

9.4 尘埃等离子体 279

9.4.1 尘埃声波 282

9.4.2 尘埃离子声波 284

9.5 螺旋波等离子体 285

9.6 空间等离子体 288

9.7 大气压等离子体 289

9.7.1 介质阻挡放电 290

9.7.2 射频铅笔型放电 290

第10章 等离子体的应用 292

10.1 引言 292

10.2 聚变能 293

10.2.1 箍缩和脉冲功率 295

10.2.2 磁镜 300

10.2.3 反场位形 304

10.2.4 仿星器 305

10.2.5 托卡马克 308

10.2.6 球马克和球形托卡马克 318

10.3 等离子体加速器 321

10.4 惯性聚变 326

10.4.1 玻璃激光器 326

10.4.2 氟化氪激光器 330

10.5 半导体刻蚀 331

10.6 航天器推进 336

10.6.1 一般原理 336

10.6.2 推进器类型 337

10.7 日常生活中的等离子体 340

附录A 单位、常量、公式与矢量关系 341

附录B 均匀冷等离子体波理论 345

附录C 3小时期末测试样例 350

附录D 部分习题答案 355

等离子体技术是推动高技术发展和传统工业升级改造甚至改变世界的动力源泉之一。本书围绕等离子体技术的聚变应用，介绍了等离子体基本概念、微观的单粒子运动基础理论、宏观的流体力学基础理论、波动与输运现象、平衡与稳定性现象、动理学理论与阻尼现象，以及鞘层等其他非线性现象。为了拓宽读者视野，本书还介绍了非中性等离子体、固态等离子体、尘埃等离子体、空间等离子体、大气压等离子体等重要的特殊等离子体类型，并给出了等离子体在聚变、半导体刻蚀、航天器推进等领域的应用实例。