第1章 概述
　　1.1 引言
　　众所周知，电荷加速会产生电磁辐射。这种现象的一个重要例子是电磁波对电荷加速时产生的电磁辐射。当入射的电磁波频率w足够低，以至于hw远小于电荷的静止能量mec2时，这种相互作用通常被称为汤姆孙散射①。本书将讨论等离子体(由大量的自由正负电荷组成)的电磁辐射与实验应用。
　　对于单个电荷，散射强度、频率和相位的角分布取决于该电荷相对于观察者的位置分布。同样，对于大量电荷，散射谱与所有电荷的位置分布有关，或者更确切地说，在实际应用中，与群体的平均行为有关。从下面的分析中我们发现，从等离子体的散射谱中，原则上可以确定电子温度、离子温度、电离状态、电离态的密度、等离子体中磁场的方向和强度，以及等离子体内的所有涨落(波动、不稳定性)信息。实际上，受可用的辐射源所限制，散射截面很小，导致实验室等离子体测量能力有限，直到高功率激光器出现为止。第一次测量是20世纪50年代后期开展的来自电离层的无线电波的散射。附录E简要讨论了该主题的历史。
　　第1章的主要目的是给读者介绍等离子体的一些基本特性以及辐射与等离子体的相互作用。先建立辐射穿透等离子体的条件，讨论主要局限在辐射能够传输的情况，在这种情况下，我们可以合理地处理等离子体中每个电荷的相互作用；接着评估单个电荷对辐射的响应，发现散射功率与电荷质量成反比，因此，我们可以认为散射基本上仅来自电子。
　　*后，总体上讨论了散射体中大量电子散射波的累加问题，发现散射谱包括两个部分，第一个是在没有电荷相互作用的情况下获得的频谱，即“非集体性谱”；第二个是这些相互作用的结果(集体性效应)。
　　第2章，推导了散射功率谱与等离子体密度涨落之间的一般关系式，并引入了谱密度函数S(k，w)。
　　第3章，推导了非磁化准平衡态等离子体的一般散射谱，分析了碰撞的影响。
　　第4章，推导了等离子体非集体性散射谱的表达式(包含一个稳态磁场)，讨论了其应用。
　　第5章，分析了集体性散射谱的一些结果，讨论了其在实验中的应用，并给出了一些重要实验工作的解释说明。
　　第6章，讨论了利用散射作为诊断技术应用时出现的问题和局限。
　　第7章，介绍了光学仪器函数、光谱仪与光学标准。
　　第8章，以一些有趣的应用来说明如何使用汤姆孙散射技术。
　　第9章，讨论了工业等离子体、高能离子散射和聚变等离子体。
　　第10章，给出了磁化等离子体的一般散射谱的推导，并讨论了其应用。
　　第11章，讨论了使用硬X射线(高能光子)来探测温稠密物质和致密等离子体，介绍了康普顿散射与等离子体激元散射的近期应用。
　　第12章，综述了不稳定等离子体散射的工作，例如，由等离子体波湍流或激光-等离子体相互作用导致的等离子体增强涨落的散射。
　　附录A，简要评述了相关的数学方法。
　　附录B，评述了等离子体的动力学理论。
　　附录C，给出了热磁化均匀等离子体的一般色散关系的推导。
　　附录D，简要讨论了汤姆孙散射谱的计算技巧，给出了一种求解散射谱的简单方法。
　　附录E，回顾了历史上等离子体辐射散射有关的工作。
　　附录F，列表给出了物理常数和重要公式，后者包括不同近似条件下的散射谱。
　　1.2 等离子体
　　等离子体是自由电子和正离子的集合，基本是电中性。因此，虽然局部可能存在电荷不平衡，但对整个等离子体而言，存在近似相等数量的电子和正离子。Langmuir(1928)使用术语“等离子体”来描述电弧放电中的电离状态。对于气体温度①>1eV(11600K)，有很多粒子具有足够高的能量来电离，因此产生了大量的自由电荷。理想的等离子体状态可以通过以下特征长度来表征：
　　(1.2.1)
　　其中，是当两个相似的电荷q彼此接近时势能和动能相等的距离;是粒子间平均距离；n是带电粒子的数密度；De是“德拜长度”，表示带电粒子电势被周围电荷屏蔽的特征长度；.c是平均碰撞长度，对于卢瑟福散射(简单的)；Lp是等离子体特征尺度。
　　关键特征是电荷移动的自由度、通过远程库仑力的相互作用，以及一个给定电荷的德拜球内电荷集体性相互作用。为了使这个集体性相互作用有效，我们需要，例如。
　　基于该定义框架，除了高温气体等离子体外，还存在其他各种各样的等离子体。固体中的自由电子和“空穴”以及液体中的自由离子(例如盐溶液)也构成等离子体。虽然本书重点关注气态等离子体散射，但大多数结果也适用于其他等离子体。
　　等离子体的应用非常广泛：火焰与荧光灯、气体激光器、磁流体动力学发生器、惯性约束聚变(ICF)和等离子体推进系统，以及离地球比较远的电离层、磁层、太阳风、太阳和恒星等离子体。等离子体在聚变能的释放中起重要作用，较轻元素(H，2H，3H等)的核可以在碰撞后产生较重的元素。在该聚变中，一些结合能被释放出来，例如在反应中：
　　(1.2.2)
　　除非原子核以足够快的速度运动以克服库仑排斥力，否则将简单地彼此散射(不要将这种粒子散射与电荷的辐射散射混淆了)。对于聚变能量的有效释放，需要将一定量的轻元素提高到足够高的温度，例如，氢、氘、氚。目前，在实验室有两种主流方法产生聚变等离子体。在磁聚变能(MFE)中，来自材料壁的热等离子体被磁场约束足够长时间，以使原子核聚变。该领域的工作表明，在10.20keV的温度下，聚变反应堆可产生氘与氚密度为1014.1015个/cm3的等离子体，该等离子体被2.10T的磁场所约束。惯性约束聚变(ICF)是一种依赖于燃料物质的惯性来提供约束的聚变方法。能量从驱动装置迅速传递到腔体，加热并膨胀。向外膨胀产生一个向内的力，压缩聚变材料，产生高于1025个/cm3的电子密度，温度达到10.20keV。
　　另一方面，电离层等离子体密度为105个/cm3，电子温度<1eV。在它们之间是自然界广泛存在的等离子体，等离子体参数变化范围如图1.1所示。
　　图1.1 自然界以及实验室内典型等离子体密度、温度范围
　　所有这些等离子体的研究都有一个共同问题。我们如何在不扰动等离子体的情况下诊断它？传统的诊断设备，例如，测量静电和磁场的探针，不仅干扰等离子体，而且对于研究等离子体微观结构来说显得太大。此外，它们不适用于温稠密物质和ICF研究中的致密等离子体。
　　很自然就想到，利用电磁辐射探测等离子体。在理想情况下，强度很低，不对等离子体形成干扰。此外，原则上，我们可以根据研究的等离子体特征长度选择合适的电磁辐射波长。
　　入射波束的振荡电场加速等离子体中的每个带电粒子，这些带电粒子随后再辐射(图1.2)。相互作用主要与电子有关，因为离子质量大，加速度比较小。辐射这种有价值的诊断技术之前，我们讨论将要用到的单位制系统，然后回顾一下等离子体的基本特征以及电磁波与它的相互作用。
　　图1.2 自由电荷辐射的散射
　　1.3 单位制
　　高斯单位制被广泛用于各种理论计算中，这是因为此领域中大多数重要的工作都是用高斯单位制完成的。然而，为了读者考虑，所有重要的结果都将会用高斯和国际单位制给出(参见(Jackson，1998)，“国际单位制与高斯单位制之间方程与数量的转换”附录4)。利用单位电荷的定义方法来说明两个单位制之间的差异。
　　1.3.1 高斯单位制
　　这里，单位电荷q由库仑定律定义：
　　(1.3.1)
　　其中，是从电荷1到电荷2的单位矢量。
　　在真空中，两个相同单位电荷间隔距离为r12=1cm，则会受到1达因的排斥力。电子的电荷量为4:8￡10.10静库仑。
　　电荷q产生的电场强度E定义为
　　(1.3.2)
　　这个单位制有点不合理，例如，方程(1.3.2)没有引入来表示球对称性。
　　1.3.2SI单位制
　　这里，单位电荷由单位电流(安培)来定义。安培定义为两个在真空中相距1m，横截面积忽略不计的无限长平行线，每单位长度的横向力为时流过的电流。
　　根据这个定义，库仑定律为
　　(1.3.3)
　　其中常数
　　F的单位是牛顿，q1和q2的单位是库仑，r12的单位是米。接下来给出了这两个单位制中的麦克斯韦方程与洛伦兹力表达式。
　　1.3.3单位电荷q的麦克斯韦方程和洛伦兹力
　　高斯单位制
　　(1.3.4)
　　SI单位制
　　P=电极化强度;M=磁化强度
　　(1.3.5)
　　(对于本书讨论的内容，M=0。)

目录
译者序
前言
致谢
第1章 概述 1
1.1 引言 1
1.2 等离子体 2
1.3 单位制 5
1.3.1 高斯单位制 5
1.3.2 SI单位制 6
1.3.3 单位电荷q的麦克斯韦方程和洛伦兹力 6
1.4 等离子体中的特征长度和特征时间 7
1.5 等离子体对电磁辐射的散射 8
1.6 运动电荷的辐射 8
1.7 电磁波对电荷的加速 11
1.7.1 无外力作用时的低速电荷 11
1.7.2 无外力作用时的高速电荷 14
1.7.3 有外力作用时的低速电荷 15
1.7.4 在外加磁场下的高速电荷 15
1.8 本书中用于计算的一般约束条件 16
1.8.1 辐射与等离子体的宏观相互作用 16
1.8.2 一般限制 17
1.8.3 非集体性谱和集体性谱 18
习题 19
奇数习题答案 20
第2章 散射功率谱 26
2.1 谱密度函数S(k，w) 26
2.1.1 集合平均 26
2.1.2 电子密度的涨落ne(k，w) 26
2.1.3 S(k，w)的定义 27
2.2 等离子体的动力学方程 28
2.2.1 克利蒙托维奇方程 28
2.2.2 近平衡态等离子体的碰撞 30
2.3 散射功率[Ps(k，ws)] 31
2.3.1 通解[Ps(R，ws)] 31
2.3.2 低温等离子体(v/c)＜＜1 134
2.3.3 高温等离子体(v/c)2＜＜1 135
2.3.4 S(k，w)傅里叶-拉普拉斯变换和碰撞 36
习题 37
奇数习题答案 37
第3章 等离子体理论中的散射谱 38
3.1 引言 38
3.2 B=0和v=0时ne(k，w)的推导 39
3.2.1 基本方程 39
3.3 电子密度涨落ne(k，w) 40
3.3.1 第一项 42
3.3.2 第二项 43
3.3.3 第三项 43
3.4 无碰撞等离子体的谱密度函数S(k，w) 43
3.4.1 任意函数 43
3.5 热等离子体的散射功率 44
3.5.1 完全相对论功率谱 45
3.5.2 二阶ˉ 47
3.6 关于各种初始条件影响的讨论 48
3.6.1 电荷初始条件 48
3.6.2 非平衡初始条件 50
3.7 对于碰撞等离子体B=0的S(k，w) 50
3.7.1 任意分布函数 50
3.7.2 具有麦克斯韦速度分布的解 52
3.8 涨落-耗散理论的散射谱S(k，w) 54
习题 55
奇数习题答案 56
第4章 非集体性散射 60
4.1 引言 60
4.2 散射频率中多普勒频移的来源 62
4.3 对β的一阶项和二阶项的比较 66
4.4 有限渡越时间效应 67
4.5 热力学平衡下的等离子体非集体性散射 68
4.5.1 散射功率的频谱 68
4.5.2 微分散射截面 69
4.5.3 波长谱 69
4.5.4 实验上的应用 70
4.5.5 光子散射率 72
4.5.6 非对称分布函数 73
4.5.7 电子温度的测量 73
4.5.8 磁聚变等离子体的电子温度测量 73
4.6 磁化等离子体的非集体性散射 77
4.6.1 单电子的散射功率 78
4.6.2 热力学平衡下磁化等离子体的非集体性散射 78
4.7 散射谱 80
4.7.1 精细结构 80
4.7.2 精细结构分辨率 80
4.7.3 谱包络 81
4.7.4 磁场强度的测量 82
4.8 等离子体磁场方向测量 83
习题 85
奇数习题答案 86
第5章 等离子体的集体性散射 89
5.1 引言 89
5.2 S(k，w)，麦克斯韦分布函数 90
5.2.1 高频 92
5.2.2 低频 92
5.3 S(k，w)，萨普陀近似 93
5.3.1 电子分量-萨普陀近似 93
5.3.2 离子分量-萨普陀近似 93
5.3.3 完整的谱密度函数-萨普陀近似 94
5.3.4 电子等离子体共振 94
5.3.5 离子声波共振 94
5.3.6 电子与离子的相对漂移 95
5.4 实验应用 97
5.4.1 实验原理 98
5.4.2 电子等离子体波 99
5.4.3 离子声波 103
5.5 碰撞等离子体 108
5.5.1 电子等离子体共振 108
5.5.2 离子声波共振 110
5.6 总散射截面 112
5.6.1 萨普陀近似 112
5.6.2 任意的Te/Ti 113
5.6.3 流体模型 114
习题 116
奇数习题答案 118
第6章 散射实验的约束条件 125
6.1 引言 125
6.2 源的选择 125
6.2.1 X射线探针的要求 125
6.3 散射角的选择 128
6.3.1 寄生辐射 129
6.3.2 散射角Δθ的范围 131
6.4 信噪比 131
6.4.1 量子统计噪声 131
6.4.2 单脉冲信号的测量 132
6.4.3 多脉冲的测量平均值 132
6.4.4 等离子体噪声 132
6.5 散射功率与轫致辐射功率之比 134
6.5.1 轫致辐射 134
6.5.2 散射功率与轫致辐射功率之比 135
6.5.3 散射功率和轫致辐射功率之比的有趣特征 .135
6.5.4 线辐射 137
6.5.5 同步检波 138
6.6 入射波束对等离子体的影响 139
6.6.1 引言 139
6.6.2 经典碰撞损耗 140
6.6.3 库仑碰撞 141
6.6.4 量子力学效应 142
6.6.5 中性粒子的碰撞和电离 142
6.6.6 集体效应 143
6.7 探测器 144
6.7.1 光电子探测器 144
6.7.2 热探测器 146
6.7.3 X射线探测器 149
6.7.4 等效噪声功率 151
6.7.5 克服背景噪声的外差和零差法 152
习题 157
奇数习题答案 159
第7章 光学系统 161
7.1 引言 161
7.2 光谱仪的一般属性：仪器函数 162
7.2.1 单色谱 163
7.2.2 分辨能力 163
7.2.3 宽输入谱 163
7.3 衍射光栅光谱仪：理论 164
7.3.1 介绍性说明 164
7.3.2 仪器函数 166
7.3.3 时间仪器函数 167
7.4 光谱仪：图像解析器与应用 168
7.4.1 光栅光谱仪 168
7.4.2 晶体光谱仪 170
7.4.3 举例 171
7.5 法布里-珀罗标准具：理论 173
7.6 法布里-珀罗标准具光谱仪：图像解析器与应用 176
7.6.1 典型的光谱仪 176
7.6.2 图像解析器与多标准具系统 178
7.6.3 举例 179
7.6.4 干涉滤波器 180
7.7 校准与对准 181
7.7.1 瑞利散射 181
7.7.2 拉曼散射 183
7.7.3 电子回旋加速器辐射截止数据 184
7.7.4 微湍流与相干波的集体性散射系统的校准 .185
7.7.5 散射体积与对准 189
7.8 典型的集体性散射实验装置与一些考虑 189
7.8.1 实验装置 189
7.8.2 参数选择与散射体积定义 191
习题 193
奇数习题答案 194
第8章 汤姆孙散射技术 196
8.1 引言 196
8.1.1 一些有趣的技术 197
8.2 前向散射、相位闪烁成像与相位对比成像 204
8.3 来自驱动(非热)波的汤姆孙散射 212
8.4 直接前向汤姆孙散射 214
8.5(w，k)-分辨汤姆孙散射 216
8.6 受激拉曼散射的亚皮秒时间分辨汤姆孙散射 217
8.7 多离子声速汤姆孙散射用于探测(Te，ne) 218
第9章 工业等离子体与高能离子散射 221
9.1 工业与其他的低温等离子体 221
9.2 高能离子的散射 228
9.2.1 快离子分布函数 228
9.2.2 快离子散射 229
9.2.3 ITER的实验数据和计划 231
9.3 燃烧等离子体 235
9.3.1 磁聚变 235
9.3.2 为ITER提出的其他系统示例 236
9.3.3 惯性聚变 236
习题 241
奇数习题答案 242
第10章 磁化等离子体的散射 245
10.1 引言 245
10.1.1 动力学方程 245
10.1.2 有用的恒等式 246
10.2 谱密度函数S(k，w)的计算 247
10.2.1 密度涨落的计算 247
10.2.2 纵向近似 249
10.2.3 非磁化离子 250
10.3 S(k，w)，麦克斯韦分布函数 251
10.3.1 非磁化离子 252
10.4 碰撞磁化等离子体 253
10.4.1 任意分布函数 253
10.4.2 麦克斯韦分布函数 254
10.5 横向模式 255
10.6 磁化谱的一般特征 257
10.6.1 参数 257
10.6.2 极限情况 259
10.7 总散射截面ST(k) 259
10.8 高频谱 262
10.8.1 262
10.8.2 265
10.9 低频谱 268
10.9 268
10.9.2 268
习题 270
奇数习题答案 270
第11章 X射线汤姆孙散射 272
11.1 概述 272
11.2 X射线散射关系式 273
11.3 X射线散射实验 276
11.4 应用 281
习题 287
奇数习题答案 291
第12章 不稳定等离子体的散射 293
12.1 引言 293
12.1.1 不稳定等离子体 293
12.1.2 增强散射 293
12.1.3 不稳定性尺度 295
12.2 微观不稳定性理论 295
12.2.1 基本方程 295
12.2.2 不稳定性的产生 296
12.2.3 不稳定性的初始演化 298
12.2.4 准线性理论 298
12.2.5 弱湍流 299
12.2.6 强湍流 299
12.3 临界稳定等离子体散射 300
12.3.1 漂移不稳定性的产生 300
12.3.2 离子-声波不稳定性的观测 301
12.4 弱不稳定等离子体的散射 303
12.4.1 波束-等离子体不稳定性 303
12.4.2 不稳定波束-等离子体系统散射 303
12.5 激波前沿微湍流的散射 304
12.5.1 引言 304
12.5.2 实验 305
12.6 磁约束等离子体的不稳定性 308