基础空间等离子体物理学-上册

中国科学院研究生院基础空间等离子体物理学(上册)陈涛编写2010，2本课程讲义分上、下两册,由ppt文件直接打印装订成册.上册由陈涛编写,内容包括:导论等离子体的基本概念第一部分单粒子轨道理论下册由刘永编写,内容包括:第二部分磁流体力学理论第三部分等离子体动理学理论注1：plasma一词在物理学领域翻译成等离子体（大陆学者），或电浆（台湾学者）。注2：以前一些书刊中把kinetictheory翻译成动力论，容易混淆dynamic和kinetic两词的物理区别。Dynamic(动力的)一词用在描述与力有关的过程，而kinetic描述与粒子运动速度有关的过程。为了区分它们，后来国家标准词条把kinetictheory重新翻译成动理学理论，简称动理论。本课程中我们采用动理学理论（或动理论）的翻译名称。主要参考书目录：[1]W.BaumjohannandR.A.Treumann,BasicSpacePlasmaPhysics,ImperialCollegePress,1997[2]R.A.TreumannandW.Baumjohann,AdvancedSpacePlasmaPhysics,ImperialCollegePress,1997[3]G.K.Parks,PhysicsofSpacePlasmas:AnIntroduction,SecondEdition:WestviewPress,AMemberofthePerseusBooksGroup，2004[4]PaulM.Bellan,FundamentalsofPlasmaPhysics,CambridgeUniversityPress,2006[5]T.J.M.BoydandJ.J.Sanderson,ThePhysicsofPlasmas,CambridgeUniversityPress,2003[6]徐家鸾，金尚宪，等离子体物理学，原子能出版社，1981[7]国家自然基金委员会，等离子体物理学，科学出版社，1994[8]胡希伟，等离子体理论基础，北京大学出版社，2006[9]李定，陈银华，马锦秀，杨维紘，等离子体物理学，高等教育出版社，2006[10]康寿万，陈雁萍，等离子体物理学手册，科学出版社，1981[11]吴望一，流体力学，北京大学出版社，１９８２上册目录:导论等离子体的基本概念…………………………………3第一部分单粒子轨道理论………………………………28第一章单粒子在外加电磁场中的运动…………………28第二章捕获粒子…………………………………………53第二部分磁流体力学理论………………………………70第一章磁流体力学基本理论…………………………71第二章等离子体波的磁流体理论……………………126第三章磁流体力学激波………………………………189第四章磁流体力学不稳定性…………………………219第五章磁场重联（补充内容）………………………255导论等离子体的基本概念●等离子体的定义●等离子体物理研究的几个相对独立的领域●等离子体物理研究的基本问题●等离子体物理的三种理论描述方法●等离子体的几个基本参数●碰撞●等离子体电导率●等离子体的定义等离子体是由大量正、负电荷数相等的带电粒子组成的非凝聚系统。等离子体状态是物质存在的基本形态之一，与固态、液态和气态并列，称为物质的第四态。宇宙中大部分物质处于等离子体状态，人造等离子体在科学技术中的重要性正在迅速提高。等离子体物理学研究等离子体的基本运动规律。等离子体的主要特征是：粒子间存在长程库仑（Coulomb）相互作用。等离子体的运动与电磁场的运动紧密耦合，存在极其丰富的集体效应（collectiveeffect）和集体运动模式。等离子体物理学以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他形态物质的相互作用为主要研究对象。与物质的另外三态相比，等离子体可以存在的参数范围异常宽广（其密度、温度和磁场强度都可以跨越十几个数量级）；等离子体的形态和性质受外加电磁场的强烈影响，并存在极其丰富的集体运动模式（如各种静电波、漂移波、电磁波及非线性的相干结构和湍流）；此外，等离子体对边界条件还十分敏感。因此，等离子体性质的研究强烈地依赖于具体的研究对象。●等离子体物理研究的几个相对独立的领域当今等离子体物理研究主要集中在以下几个相对独立的领域：*热核聚变能源研究（高温碰撞等离子体）*空间等离子体物理（低温无碰撞等离子体）和天体等离子体物理（各种极端参数条件下的等离子体）*气体放电和电弧的工业应用（低温等离子体及其与物质相互作用）*强流带电粒子束的现代高科技应用（非中性等离子体及其与强静电、电磁波场的相互作用）。《空间等离子体物理学》：在日地空间和整个日层空间发生的大多数物理过程是等离子体物理过程，对其中基础性的和共同性的现象与规律的研究就形成了一门新的学科分支——空间等离子体物理学。目前从整体上看它主要还是研究日地及日层空间中的等离子体物理现象。它既是等离子体物理学的一个分支，也是空间物理学的一个分支，是空间物理、太阳物理和等离子体物理之间的交叉学科，具有其独特的地位和作用。●等离子体物理研究的基本问题：*等离子体平衡位形*波动和不稳定性*电磁辐射*弛豫和输运●等离子体物理的三种理论描述方法：单粒子（或试探粒子）轨道理论，磁流体力学理论，和动理学理论。*单粒子（或试探粒子）轨道理论。它直接对大量带电粒子的集合作轨道描述，由于存在多粒子间的相互作用，此问题只能用计算机求解。但在许多情况下，可以先忽略粒子间的相互作用，把多体问题简化成单个试探粒子在给定的外加电磁场中的轨道运动。这虽然是电动力学问题，但由于在日-地空间或某些实验装置中的电磁场位形往往非常复杂，故又专门发展了一些有效的简化方法（如强磁场中的引导中心漂移近似，高频电磁场中的振荡中心近似等），统称为单粒子（或试探粒子）轨道理论，是等离子体的一种近似理论。在许多等离子体物理问题中，试探粒子的轨道描述往往可以对等离子体的行为作出更严格的零级近似。由于忽略了粒子间的相互作用，这种理论不能用来研究涉及波-粒子相互作用的现象，也不能揭示因粒子体系分布函数在速度空间中偏离平衡态所引起的等离子体不稳定性。适用条件要求等离子体必须很稀薄。*磁流体力学理论。它把等离子体当成导电流体来描述（单流体力学），把不同种类的带电粒子（如电子和离子）分别用不同的导电流体来描述（双流体力学），它也是等离子体的一种近似理论。它适用于描述随时间和空间变化的一些等离子体行为，如在给定的电、磁场中的平衡位形，低频的稳定的集体运动（磁流体力学波）和不稳定的集体运动（宏观或磁流体力学不稳定性），双流体理论还可以描述高频波及各种粒子的输运过程。由于它不考虑同一流体元中不同粒子间运动的差别，因而也不能用来研究涉及波-粒子相互作用的现象，不能揭示因粒子体系分布函数在速度空间中偏离平衡态所引起的等离子体不稳定性。适用条件要求等离子体的特征长度和特征时间必须大于粒子碰撞的平均自由程和平均时间。在磁化等离子体中要求等离子体垂直于磁场的特征长度和特征时间必须远大于粒子的回旋半径和回旋周期。*动理学理论（或统计描述的理论）。它把等离子体看成是由大量带电粒子组成的一个集团，应用统计物理的方法来研究这团粒子的集体行为，即大量带电粒子的统计平均结果，是等离子体的统计理论。它是求解以各种粒子的速度分布函数的时间演化方程为手段的理论，包括无碰撞等离子体中波和粒子间相互作用的Vlasov波动理论和碰撞等离子体中碰撞过程的动理学理论。它比单粒子轨道理论和磁流体力学理论都完整，但数学上要复杂得多，缺少物理直观性。等离子体是由正、负电荷数相等的带电粒子组成的系统，粒子之间有近距离的短程二体碰撞作用和远距离的长程电磁力作用。等离子体中粒子的密度要求相对足够的低，以使得短程二体碰撞作用可以忽略，而长程电磁力作用更有效。等离子体的性质由带电粒子的单个相互作用和粒子的“集体行为”(collectivebehavior)来确定。这种“集体行为”是由许多粒子通过长程库仑势（Coulombpotential）同时相互作用产生的。集体相互作用最好用统计物理的概念来描述，因而要求等离子体系统应包含足够多的粒子数目。《计算等离子体物理》：它是从一定的物理模型出发，用计算机作数值计算或模拟，以揭示等离子体的某些性质和运动规律，是计算物理的一个重要分支。由于等离子体是自由度十分巨大的体系，物理现象极为丰富又极为复杂，计算等离子体物理显得愈来愈重要。相应于等离子体的磁流体描述、统计描述和粒子轨道描述，计算等离子体物理大体分为磁流体研究、动理学研究和粒子模拟三个方面。磁流体研究和动理学研究分别在三维坐标空间和六维相空间（坐标与速度）对等离子体作连续介质描述，它们分别对磁流体方程组和Vlasov-Maxwell方程组求数值解。而粒子模拟则是跟踪每一个粒子在外加电磁场和自己产生的自洽电磁场中的轨道运动，研究粒子系和自洽波场之间的共振相互作用及其非线性的时间演化过程。●等离子体物理的几个基本参数：*德拜屏蔽(Debyeshielding)和德拜长度(Debyelength)一个电荷为的粒子在距离为处的静电库仑势(Coulombpotential)为。qr0/(4)Cqr在等离子体中，一些电子被吸引到离子附近，将离子的静电场与等离子体的其余部分屏蔽开来。同样，一个静止的电子会排斥其它电子而吸引离子。这样，一个带电粒子的静电作用被其周围过剩的异号电荷所屏蔽，这种效应改变了带电粒子附近的静电势分布，使得静电场被限制在一个短距离内,称为德拜屏蔽(Debyeshielding)。因此，一个静止电荷的静电势可以写成为一个短程静电势形式把称为德拜势（Debyepotential），其中被称为德拜长度（Debyelength），它是粒子电势下降到Coulomb势的倍时的距离，定义为(以后将给出严格的计算)0expexp,4DDDcrrqr020.........................(1)BeDkTenD1/eD图1Debye势和Coulomb势的比较当时，电势简化为简单的Coulomb势；当时,电势指数下降，点电荷周围的电势被有效地屏蔽，称为Debye屏蔽(Debyeshielding)。可见，Debye长度是等离子体中一个试验电荷作用范围的量度，短程静电势是由等离子体的动理学性质确定的。图1表示Debye势和Coulomb势的比较。*等离子体的电中性等离子体在宏观上是电中性的，满足电中性条件：其中和是电子和离子的数密度，是离子电荷数。该条件只有在Debye长度之外的区域才满足。为了使稳态等离子体维持准电中性，每个体积元内的正、负电荷数必须相等，这样的体积元必须足够大以便包含足够多的粒子，但又必须足够小以便小于宏观参量变化的特征长度（或系统的特征长度，或系统的物理尺度）。在每个体积元内粒子的微观空间电荷场必须互相抵消以便保持宏观电中性。DrDr....................(2)eiiinZneniniZ因此，等离子体系统的物理尺度必须大于Debye长度，这是等离子体不同于简单电离气体的第一个判据。*等离子体参量由于屏蔽效应是半径为的Debye球内集体行为的结果，该球必须包含足够多的粒子。Debye球内的粒子数为，其中常被称为等离子体参量，于是定义等离子体的第二个判据为由于粒子间两两相互作用位能的平均值为其中为粒子间的平均距离。而粒子的平均动能为...................(3)DLDD3(4/3)eDn3eDn31.........................(4)eDn1/3120120~/()~/Pqqrnqq2/2thBeWmvkTrL于是平均动能与平均位能的比值与等离子体参量的2/3次方有如下关系：也就是说，等离子体的第二个判据要求粒子的平均动能必须远大于平均位能，即粒子间两两相互作用位能与其动能相比可忽略不计，于是等离