1、等离子体的磁约束原理张玉萍在辉光放电、弧光放电的阳极柱里,气体处在高度电离状态,但是其中正、负电荷密度几乎相等,这时的系统同普通的气体有明显的区别,1929 年,美国的朗默尔(Langmuir)将它取名为“plasma”,译名为“等离子体”。 在热核反应的高温(约在几百万开甚至一亿开左右)下,物质处于等离子态,但在热核反应的高温下,任何固体材料的容器早已熔毁,而且散热的速度随温度的升高而急剧增加。 目前在大多数受控热核反应的实验装置里用磁场来约束等离子体,使之脱离器壁并限制它的热导。下面简单介绍等离子体磁约束的原理。我们知道,带电粒子的速度 v 和磁感强度 B 成任意夹角时,此带电粒子在磁场中
2、作螺旋线运动,且回旋半径 R 与磁感强度 B 成反比,磁场越强,半径越小,这样一来,在很强的磁场中,每个带电粒子的运动便被约束在一根磁感线附近的很小的范围内(右图),也就是说,带电粒子回旋轨道的中心(也叫引导中心)只能沿磁感线纵向移动,而不能横越它,只有当粒子发生碰撞时,引导中心才能由一根磁感线跳到另一根磁感线,因此,强磁场可以使带电粒子的横向输运过程(如扩散、热导)受到很大的限制。实际问题中,例如受控热核反应,不仅要求引导中心受到横向约束,也希望有纵向约束。 下述磁镜装置便能限制引导中心的纵向移动。如上图(a)所示,两个电流方向相同的线圈产生中央弱两端强的不均匀磁场,当处于中间区域的带电粒子
3、沿着 z 轴向右运动时,设粒子带正电荷 q,速度 v 沿 z 轴,如图 5-2(b)所示,粒子受到洛伦兹力 Bvq作用,使粒子向着如上图(b)所示方向(垂直屏幕向里)偏转,可见粒子将获得绕轴旋转的运动速度 v(图中用 代表其方向),随着粒子分速度 v的出现,又将受到洛伦兹力 F 的作用,其径向分量 rF使粒子向轴线偏转,轴向分量 zF使带电粒子的轴向速度 v 减少,因为 BvFq,B 增大,v 减小得也快,粒子运动到右端线圈附近时,由于该处 B 很大,如 果 v 初始速度较小,则 v 有可能减至为零,然后就反向运动,犹如光线射到镜面上反射回来一样。 如果处于中间区域的带电粒子沿着 z 轴向左运
4、动,类似分析,如上图(c),可以得出带电粒子运动到左端线圈附近时,带电粒子轴向速度也有可能减至为零,然后带电粒子反向运动,我们通常把这种能约束运动带电粒子(见右图动画)的磁场分布叫做磁镜,又形象地称为磁瓶,上图(a)所示的便是一种磁镜装置,对于其中的带电粒子来说,相当于两端各有一面磁镜,那些纵向速度 v不是太大的带电粒子将在两磁镜之间来回反射,被约束在两面“镜子”之间的中间区域而不能逃脱。 如前所述,不仅带电粒子的横向运动可被磁场抑制,而且纵向运动又被磁镜所反射,所以这样的磁场分布就象牢宠一样,可以把带电粒子或等离子体约束在其中。 但磁镜装置有个缺点,即总有一部分纵向速度较大的粒子会从两端逃逸,所以采用下左图所示的环形磁场结构,可以避免这个缺点。 在受控热核聚变中,除了磁镜的约束外,还有其他的一些磁瓶装置,如托卡马克装置、仿星器等,它们的结构虽然不尽相同,但都是采用某种特定形态的磁场来约束等离子体。应该指出,磁镜约束也存在于自然界中,例如地球磁场两极强、中间弱就是一个天然磁瓶,它使得来自宇宙射线的带电粒子在两磁极间来回振荡,(如上右图)从而形成第十章所提到的范阿仑辐射带。生活在地球上的人类及其他生物都应十分感谢这个天然的磁镜约束,正是靠它才将来自宇宙空间、能致生物于死命的各种高能射线或粒子捕获住,使人类和其他生物不被伤害,得以安全地生存下来。 参考资料