第一部分物理基础
　　第1章等离子体和等离子体装置
　　1.1引言
　　人类所处的世界与质量、体积和能量所定义的物理特征是一致的。 我们的自然环境非常良好——氮气和氧气组成了气体环境，气压为105 N/m2，温度为-30～40℃，粒子数密度为1025/m3。由于地球的自转、地球围绕太阳运动且轨道作年度周期修正，我们得以连续不断地从太阳接收强度约300 W/m2的辐射能量。
　　在历史进程中，人类已观测到局部环境中能量的异常自然表现，它证实了在人类控制之外的力和能量的存在。太阳本身无疑是一个温度极高、瞬态强有力的爆发体。太阳大气风暴显示了巨大的风能，闪电雷击产生激波，导致局部高温，并引起点火燃烧。对于太阳极地纬度数据显示的极强动态光激发结果，也需要进一步理解和解释。所有这些自然现象证实并表明，大气的高能激发基于地球物理的电场和磁场机制。实际上，在整个物理世界中，除了近地环境外，我们存在的环境介质是由高能粒子组成的电荷，它们在不断运动，有时是指向的，有时是随机的。简而言之，物理宇宙主要由等离子体组成。
　　本书介绍这种带电运动粒子的特性和行为，以及一些已经开发出来的利用等离子体能量和力传递特性的装置。等离子体是一种介质，其包括不同种类的带电粒子，等离子体动力学是对这种介质中力的产生和能量传递的描述和分析。气态等离子体的重要特征是其能够与电场和磁场相互作用的物理本质，特别是电流在等离子体中的传导。在概念上，等离子体与固态导电体相似，流动的电子和电磁波在静态的离子间流过，对电场和磁场作出反应。由于电场和磁场与附近大量带电粒子的相互作用，带电等离子体粒子形成有组织（集体）的行为。由于能量平衡及等离子体组成粒子种类质量的差异，从而产生局部电场，这就是粒子运动与电磁场复杂相互作用的起源。通过掌握等离子体的这些行为细节，人们可以利用等离子体来实现具有独特性能的装置。
　　基于原子结构、电荷和电流、电场和磁场及电磁辐射的发展和认识，人类已经开始定义并施控粒子行为，开发新装置，并服务于我们的需要。特别是在最近的50年，利用等离子体知识发明和研制出的许多新型装置已问世，其增强了光和发电、通信、物理和生物科学诊断及空间探测等领域的应用能力。本书旨在向相关领域的学生和研究人员介绍利用带电粒子所研制的装置中内在粒子的相互作用过程，并为理解带电粒子在新装置中的进一步应用提供框架。
　　1.2自然界中的等离子体
　　1.2.1概述
　　根据等离子体区域不同的粒子数密度和粒子温度范围，自然界中观测到的等离子体描述如图1.1所示。
　　1.2.2太阳等离子体
　　可以确定，太阳系内的气体密度和温度覆盖范围可以从太阳核心的1033m-3和107K到地球极光区域的109m-3和105K[2]。两种极端的性质都代表了等离子体具有重要的物理特性，如果等离子体在实验室中生产，则可以用于实际装置和设备。可以看到，在大气压力状态下产生的闪电，其典型温度为10000K，甚至更高。
　　太阳等离子体及其释放的能量对环境非常重要，作为参考，它非常有助于我们认识地球等离子体特定的属性和参数量级。行星际间的等离子体源自太阳，太阳的质量为2×1030kg，直径为1.4×106 km，由75%的氢和25%的氦组成。氢热核聚变为氦，使太阳核心温度达到1.6×107K，日冕温度为5×106K。太阳等离子体向各个方向逃逸，并扩展到太阳系的所有区域。在离太阳的地球半径处，质子和电子的粒子数密度约为250px-3，质子温度为4×104K，电子温度为1.5×105K，最重要的是，太阳风的流动速度为400m/s。流动的太阳风等离子体与地球磁场相互作用产生了非对称磁层（磁气圈）流场[3]，如图1.2所示。图1.2太阳等离子体和地球磁层结构示意图[4]
　　1.3实验室/装置应用中的等离子体
　　1.3.1概述
　　图1.3不同类型等离子体装置中的
　　等离子体数密度和温度[8]
　　由于等离子体在新的革命性装置中的应用具有巨大的潜力，而这些装置在众多技术领域得到了应用[5]，人们已经对较大范围内的密度和温度、稳态和瞬态过程、小尺度和大尺度、不同的功率等级和等离子体源，以及几何尺寸条件下的电离气体等离子体行为进行了探究，创建了各类实验室装置用于基础科学研究[6]并作为实验平台进行产品开发[7]。正如任何新技术一样，对工作原理的认识是最基础的，对工作原理可扩展性的解释是拓宽工作范围的关键。当今已经发展出的一些通用等离子体装置如图1.3所示。等离子体长度尺度一般用等离子体电荷分离（图1.3左上）、粒子平均自由程λ(i表示离子、e表示电子)和地球物理学尺寸（图1.3右下）来表征。
　　1.3.2等离子体装置分类
　　可采用多种方法对产生和利用等离子体的特定装置进行分类。从历史发展来看，发光的装置是最基本的，荧光放电管已经有超过100年的应用历史，用于通信设备稳压和信号调理的气体放电真空管[9]促进了社会进步。但是，最有效的装置分类标准是根据等离子体的数密度和温度范围进行分类，见表1.1。

目录
前言
符号表
第一部分 物理基础
第1章 等离子体和等离子体装置 003
1.1 引言 003
1.2 自然界中的等离子体 004
1.2.1 概述 004
1.2.2 太阳等离子体 004
1.3 实验室/装置应用中的等离子体 005
1.3.1 概述 005
1.3.2 等离子体装置分类 005
参考文献 006
习题 006
第2章 气体动理学理论 008
2.1 引言 008
2.2 动理学理论基本假设 008
2.3 压强、温度和内能 009
2.4 动理学理论和输运过程 012
2.4.1 粒子碰撞 012
2.4.2 输运现象（黏性、传导、扩散） 013
2.5 平衡状态动理学理论的数学表达式 018
2.5.1 分布函数和平均值 018
2.5.2 速度和速度（矢量）分布函数 019
2.5.3 速度的平均值 023
参考文献 026
习题 026
第3章 分子能量分布和气体电离 028
3.1 引言 028
3.2 分子能量 028
3.2.1 能量分布函数 028
3.2.2 分子能量计算 029
3.2.3 配分函数和能量评估 030
3.2.4 高温空气的平衡组分 034
3.2.5 高温气体性能概述 038
3.2.6 冻结流的定义及对气体特性影响 039
3.2.7 化学动力学——质量作用定律 041
3.3 气体电离 042
3.3.1 引言 042
3.3.2 原子结构和电子排列 043
3.3.3 气体的电离 044
3.3.4 电离过程 045
3.3.5 电离（电子）损耗机制 048
3.3.6 等离子体的辐射（能量）损失 048
3.3.7 气体平衡电离——Saha方程 049
参考文献 051
习题 052
第4章 电磁学 054
4.1 引言 054
4.2 电荷和电场——静电学 054
4.3 电流和磁场——静磁学 056
4.4 电荷守恒 057
4.5 Faraday定律 059
4.6 Ampere定律 059
4.7 Maxwell方程 060
4.8 附加磁场产生的力和电流 060
4.8.1 力060
4.8.2 电流传导——电导率和Ohm定律 061
4.8.3 电导率的计算 061
4.8.4 等离子体的介电特性 063
4.9 气体放电中的等离子体行为 063
4.9.1 引言 063
4.9.2 放电形成 063
4.9.3 电场中的电离过程 064
4.9.4 高频气体放电中的电离 065
4.10 Maxwell方程的应用 067
4.10.1 闭环磁探针 067
4.10.2 磁箍缩和磁探针响应 068
参考文献 069
习题 069
第二部分 等离子体概念和行为
第5章 等离子体参数及相互作用 073
5.1 引言 073
5.2 外界参数 073
5.3 粒子（碰撞）参数 073
5.4 鞘层结构及其效应 073
5.5 等离子体振荡和等离子体频率 075
5.6 磁场的相关参数 077
5.7 Langmuir探针中的静电粒子收集 077
参考文献 081
习题 082
第6章 粒子轨道理论 083
6.1 引言 083
6.2 定常匀强磁场区域内带电粒子的运动 084
6.3 带电粒子在均匀电场与磁场下的运动 086
6.4 带电粒子在非均匀磁场中的运动 089
6.5 带电粒子在磁场中的曲率漂移 091
6.6 带电粒子在随时间变化磁场中的运动 092
6.7 带电粒子在磁镜中的运动 094
6.8 绝热不变量 096
参考文献 097
习题 097
第7章 等离子体宏观方程 102
7.1 引言 102
7.2 电磁场的能量与动量传递 102
7.3 磁流体力学中的守恒方程 105
7.4 磁流体力学中的单流体方程 110
7.5 磁流体约化 115
7.6 相似参数 117
参考文献 119
习题 119
第8章 磁流体动力学——等离子体的流动行为 122
8.1 引言 122
8.2 连续等离子体动力学的基本方程 122
8.3 等离子体与等离子体装置中的输运效应 123
8.3.1 粒子横跨磁场的扩散过程 123
8.3.2 双极扩散 124
8.3.3 能量平衡 125
8.3.4 磁场对输运过程的影响 126
8.3.5 反常输运 127
8.4 等离子体中的磁场动力学 128
8.4.1 等离子体中的磁扩散效应 128
8.4.2 等离子体中的磁对流项 129
8.4.3 对流项与扩散参数的定义 131
8.5 磁流体静力学 132
8.5.1 等离子体流体中的磁压 133
8.5.2 流体与等离子体结构平衡 134
8.6 磁流体稳定性 136
8.6.1 MHD稳定性的物理考量 136
8.6.2 MHD扰动分析 138
8.7 等离子体波——扰动的传播 142
8.7.1 电磁波的色散和截至现象 143
8.7.2 离子声波 143
8.7.3 垂直于B的纵向电子振荡 144
8.7.4 垂直于B的纵向离子振荡 145
8.7.5 Alfven波——磁扰动沿磁场方向的传播 145
8.8 等离子体中的流体波和激波 148
8.8.1 可压缩等离子体介质中的波 148
8.8.2 激波的形成与等离子体流动效应 158
8.8.3 激波的结构 173
8.8.4 等离子体激波物理的拓展回顾 174
参考文献 177
习题 178
第9章 等离子体的动理学行为分析导论 180
9.1 等离子体的动理学描述 180
9.2 关于粒子密度分布函数的Boltzmann方程和Vlasov方程 181
9.3 Vlasov方程与MHD方程的关系 182
9.4 等离子体波动行为的动理学分析 183
9.4.1 复杂等离子体中的电子波 185
9.4.2 电磁场横波 186
9.5 粒子碰撞模型 187
9.5.1 Boltzmann碰撞积分 187
9.5.2 Krook碰撞算子 188
9.5.3 FokkerPlanck碰撞项 188
参考文献 189
习题 189
第10章 等离子体的数值仿真及应用概述 190
10.1 引言 190
10.2 MHD仿真 190
10.2. 1MHD模型处理方法 190
10.2.2 MHD的求解方法 192
10.2.3 边界条件设置和计算结果示例 195
10.3 粒子网格仿真 201
10.3.1 PIC方法及粒子碰撞概述 201
10.3.2 时间步长和网格划分 202
10.3.3 粒子的受力与运动 203
10.3.4 等离子体碰撞/无碰撞处理 205
10.3.5 边界条件和粒子入射条件 208
10.3.6 加速方法的应用 210
10.3.7 仿真程序的验证和应用算例 212
10.4 粒子流体混合仿真 215
10.4.1 概述 215
10.4.2 粒子流体混合模型和仿真方法 215
10.5 动理学仿真手段 219
10.5.1 基于相空间分裂的半拉格朗日型方程方案 220
10.5.2 无分裂的欧拉方程型网格方案 221
参考文献 223
习题 225
第三部分 等离子体物理应用
第11章 等离子体加速与能量转换 229
11.1 引言 229
11.2 稳态一维通道流动 229
11.3 黏性作用下的磁流体通道流动 231
11.4 超声速气体电磁加速的通道流动 240
11.5 等离子体相互作用在流动控制中的应用 242
参考文献 243
第12章 等离子体推力器 245
12.1 引言 245
12.2 影响等离子体动量和能量的电磁项 245
12.3 脉冲等离子体推力器 246
12.4 磁等离子体推力器和附加场磁等离子体推力器 250
12.5 离子推力器（静电加速） 256
12.6 Hall推力器（静电及电磁加速） 261
参考文献 264
第13章 磁压缩和加热 267
13.1 引言 267
13.2 动力学（θ）箍缩 267
13.3 沿磁力线的等离子体流动（考虑碰撞） 275
参考文献 277
第14章 波加热等离子体 279
14.1 引言 279
14.2 等离子体波加热 279
14.3 无碰撞加热——Landau阻尼 280
14.4 空间推进装置中的等离子体波加热 283
14.4.1 可变比冲磁等离子体动力火箭的概念 283
14.4.2 无碰撞磁膨胀过程中的等离子体边界损失 284
14.5 等离子体的激光加热（θ箍缩） 286
参考文献 289
第15章 磁约束聚变等离子体 290
15.1 引言 290
15.2 Z箍缩——等离子体参数及装置发展 291
15.3 附加环形场构型——等离子体参数和装置发展 295
15.3.1 托卡马克 296
15.3.2 反场箍缩 298
15.3.3 仿星器 299
15.4 紧凑型环流器——等离子体参数及装置发展 301
15.4.1 场反位型 302
15.4.2 球马克 304
15.5 反应堆概念描述 306
参考文献 307
第16章 空间等离子体环境与等离子体动力学 310
16.1 引言 310
16.2 太阳风与地磁等离子体流 311
16.3 地球物理磁层与弓激波 314
16.4 太阳风与磁层耦合 318
16.5 地球的电离层区 320
16.6 空间等离子体实验 322
参考文献 323
附录A 单位制换算对照表 325
附录B 高斯积分公式 327
习题 参考答案 328