電漿中的波，電漿內傳播的擾動。
基本介紹
- 中文名：電漿中的波
- 含義：電漿內傳播的擾動
處於平衡狀態的電漿受到某種擾動時，內部會產生相應的集體運動，使這種擾動能傳播到電漿的其他區域。如果擾動的振幅在傳播過程中不隨時間改變，這種擾動稱為穩定的電漿波，否則可能是阻尼波或不穩定波。如果擾動振幅隨時間越來越大，最終可將電漿的平衡形態破壞，這種擾動簡稱為不穩定性。電漿中存在熱壓力、靜電力和磁力三種不同的力。它們對電漿的擾動都能起到準彈性恢復力的作用。熱壓力能引起聲波，靜電力能產生靜電波，磁力（電磁感應）能引起電磁波。此外，電漿溫度和密度的空間不均勻性可造成粒子盛譽提漂移，進而激發各種漂移波。電漿中存在磁場時，磁力線的擾驗頌滲局動與電漿的凍結效應可產生各種磁流體波；磁力線的彎曲和分布的不均勻性也會激發各種漂移波。而且，波與波又會耦合成更為複雜的混合波。在熱核聚變研究中，電漿不穩定性問題、波加熱電漿問題、穩態電流驅動以及電漿參數的測量，都與電漿中的波密切相關。電漿中波動問題的第一種處理方法是電漿的流體描述法，將電漿看成由電子和離子組成的導電的連續介質。介質的性質由它的電導率和介質常數來描述。通過確定波的頻率和波矢關係（也就是色散關係）來確定電漿中可能存在的波的全部性質。第二種方法就是利用波的伏拉索夫理論，也就是波的動力理論。以下採用第一種方法來描述電漿中的波動現象。無磁場時的電漿中的波 又稱非磁化電漿。朗繆爾振盪 均勻無界的冷電漿中，如果某處的電子相對於離子發生位移，電中性被破壞，則在該處建立起擾動電場。電場的方向是把這些電子拉回到平衡位置。電子到達平衡位置時動能最大，慣性使電子衝過平衡位置繼續運動，引起電荷分離，產生電場。該電場又將電子拉回平衡位置。如此循環往復，電子便以一定頻率在其平衡位置附近建立振盪電場。離子的質量比電子的大很多，對電場的變化來不及反應，可看作是不動的，地訂僅提供了均勻的正電荷背景。電子的這種振盪稱為朗繆爾振盪或電子振盪。這種振盪只發生在局部，不會傳播到別處去。朗繆爾波 電漿中電子溫度不為零時，則以熱運動速度流入鄰近電漿區域中的電子能把振盪區域發生的振盪帶到鄰近的電漿區域，使鄰近的電漿區域發生振盪而形成波。這種波是縱波，稱為煉斷漿電子電漿波或朗繆爾波，又稱空間電荷波。離子朗繆爾波 電漿中受到低頻靜電擾動時，電子壓強梯度的力可阻擋擾動靜電場對它的作用。由於電子質量小，活動很活躍，可近似認為電子呈均勻分布。而離子則通過電荷分離建立電場，在該電場的作用下在其平衡位置產生振盪，通過離挨諒勸子熱壓力將離子振盪傳播出去形成波。如果波長遠小於德拜禁止長度，則稱為離子朗繆爾波，反之則稱為離子聲波。離子聲波 離子聲波是波長遠大於德拜禁止長度的靜電波。驅動離子聲波的力有離子的熱壓力和電荷分離的靜電力兩種。如果電子溫度和離子溫度接近時，離子聲波的相速度近似等於離子的熱速度，這時離子與波發生強烈的相互作用，動力學理論證明這時的離子聲波是強阻尼的。因此，僅當離子溫度遠小於電子溫度時，離子聲波才存在。電磁波 無外加磁場的電漿中還存在一種橫波，波的電場振動方向與波的傳播方向相互垂直，這種波是電磁波。這時電漿中除擾動電場外還有擾動磁場，它們通過電磁感應的方式在電漿中傳播。當波的頻率大於電漿的振盪頻率，電鞏才探磁波在電漿內傳播，反之電磁波不能在電漿內傳播，而要被反射。波不能傳播的現象稱為波的截止。電漿振盪頻率是電磁波在電漿內的臨界截止頻率。截止頻率由電漿密度決定，只要測出波在電漿中的截止頻率，就可確定電漿的電子密度。垂直於磁場的靜電波 有外加磁場的電漿受到擾動後產生的波動現象，比無外加磁場時要複雜得多。高混雜靜電振盪和高混雜波 電漿受到高頻擾動時，離子質量很大可看作不動的正電荷背景，電子的運動是主要的。①冷電漿情形。電漿受到高頻擾動後，電子受到與離子的電荷分離產生的靜電力以及和磁場相互作用產生的洛倫茲力的作用，運動軌道是橢圓。這種擾動只能發生在局部區域，不向外傳播，稱為高混雜靜電振盪。②電子具有一定溫度時受到的恢復力，除靜電力和洛倫茲力外還有電子的熱壓力。這種擾動可通過電子的熱運動以波的形式傳播出去，稱為高混雜波，其頻率接近電子的迴旋頻率或電漿頻率。低混雜振盪和低混雜波 電漿受到低槳陵抹頌頻擾動時，電子總是跟著離子運動以保持電中性。①冷電漿中低頻靜電擾動只能限於局部區域，不能傳播出去，稱為低混雜振盪，它是由於靜電力和洛倫茲力聯合作用的結果。②具有一定電子溫度的電漿，電子受到的恢復力除了靜電力和洛倫茲力以外，還有電子的熱壓力。這種擾動可以通過電子的熱運動傳播出去而形成波，稱之為低混雜波。對於密度較高的電漿，低混雜頻率介於電子的迴旋頻率和離子的迴旋頻率之間。沿垂直於磁場方向傳播的高頻電磁波高頻電磁波在電漿內沿外加磁場的垂直方向傳播時，電磁波中的電場矢量相對於外加磁場方向有二者趨向平行和二者趨向垂直兩個趨向。前者稱為尋常波；後者稱為非尋常波。尋常波 帶電粒子在波電場作用下沿磁場方向運動，磁場對粒子的運動及對電磁波都沒有影響，因而這種波與無磁場的電漿中的電磁波是類似的。非尋常波 非尋常波是橢圓偏振波。波的性質將隨頻率的變化而改變。頻率很高的，非尋常波將被電漿反射。頻率與高混雜靜電振盪頻率相等的，電漿中出現波的共振，波的能量被電漿吸收，轉變成高混雜靜電振盪。頻率接近低混雜靜電振盪頻率時，電漿內發生共振，波變成電漿局部區域中的低混雜振盪，並將能量傳給電漿。在熱核聚變研究中，低混雜波共振加熱電漿和低混雜波電流驅動是重要的研究課題。沿磁場方向傳播的高頻電磁波 沿磁場方向傳播的高頻電磁波是圓偏振波。它也分為兩支。其中波電場矢量繞外磁場的旋轉方向與離子的迴旋方向相同，稱為左旋圓偏振波，又稱離子迴旋波；另一個波電場矢量的旋轉方向與電子的迴旋方向相同，稱為右旋圓偏振波，又稱電子迴旋波。左旋波的頻率與離子的迴旋頻率相同時，波電場矢量使離子迴旋運動發生共振，稱為離子迴旋共振。離子從波中不斷吸取能量而被加熱，稱為離子迴旋共振加熱。右旋波的頻率與電子迴旋頻率相等時，波電場將使電子迴旋運動發生共振，稱為電子迴旋共振。電子從波中吸取能量而得到加熱，稱為電子迴旋共振加熱。這兩種迴旋共振加熱是熱核聚變研究中加熱電漿的有效方法。利用這兩種波還可測量電漿的密度和沿波傳播方向的磁場強度。磁流體力學波－阿爾文波 在外磁場存在的情況下電漿內出現的低頻電磁波。低頻電磁波的傳播方向如果垂直於外磁場的方向，稱為磁聲波；傳播方向如果平行於外磁場方向，則稱為阿爾文波。1942年，H.阿爾文首先在理論上提出了在電漿導電流體中可產生沿磁場方向傳播的低頻電磁波，故將這種波命名為阿爾文波。熱核聚變研究中阿爾文波可用來加熱電漿。
