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奥坤鑫:浅谈关于等离子体的弛豫和输运
2016.10.21
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  【真空等离子设备】非热平衡等离子体中向平衡态过渡出现的过程可分为弛豫和输运两类。前者是从非热平衡速度分布向热平衡麦克斯韦分布过渡的过程,后者是描写稳定的非热平衡态有物质、动量、能量等在空间流动时的过程。
 
  弛豫过程一般通过各种弛豫时间来描述。这里最基本的是带电粒子间的碰撞过程。
 
  带电粒子间的作用力是长程库仑力,一个粒子可以同时和德拜长度范围内的多个粒子发生作用,它们之间可以产生近碰撞(两个粒子近距离碰撞)和远碰撞(一个粒子和距离较远的多个粒子碰撞)。远碰撞的作用大大超过近碰撞,这是等离子体中带电粒子碰撞的一个特点。碰撞时间和平均自由程 l都主要由远碰撞决定。它们是(采用高斯单位制)
 
  式中T为温度,单位为电子伏,m、n为粒子质量及数密度,e为电子电荷,lnΛ为库仑对数,它反映远碰撞的效应。【等离子Plasma
 
  对于高温等离子体,有三个比较重要的弛豫时间:纵向减速时间 t// ,横向偏转时间 t^ ,能量均化时间 tE 。电子和离子的弛豫时间并不相同。一个初始为非热平衡的等离子体,经过碰撞,电子会首先达到热平衡,尔后离子达到热平衡,最后达到电子和离子之间的热平衡。
 
  等离子体中的输运过程包括电导、扩散、粘性和热导等,它们具有某些特点。特点之一是双极扩散。例如电子扩散时,电子和离子间的静电力会使离子跟着一起扩散,结果电子的扩散减慢了,离子的扩散加快了,最后这二者是以相同的速率扩散,这称为双极扩散。另一个特点是处在磁场中的等离子体,沿磁场的输运基本上不受磁场的影响,但横越磁场的输运却受到磁场的阻挡。
 
  【常压等离子设备】处于环形磁场中的高温稀薄等离子体,磁场梯度引起的漂移会改变约束粒子的轨道,从而加大了迁移自由程,这就大大提高输运系数。分析这种磁场位形所得到的输运理论名为新经典理论,它仍然是一种碰撞理论。在受控热核聚变的研究中,这种理论很重要,它在一定程度上说明了环形装置中观察到的较大的离子热导等输运系数。
 
  根据目前托卡马克等的实验结果,某些输运系数如电子热导等有时明显大于新经典理论的结果。在惯性约束聚变及其他某些实验中,发现输运系数明显小于经典理论的结果。凡是碰撞理论无法说明的输运现象就称为反常输运。
 
  目前流行的观点是,反常输运是由湍流等非线性过程所引起。反常输运已成为当前聚变理论研究中的一个重大课题,因为它关系到能否有效地约束住等离子体的粒子和能量。【等离子处理机


 
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