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等离子体输运

/plasma transport/
条目作者胡希伟

胡希伟

最后更新 2022-12-23
浏览 173
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在多粒子体系中,各个状态量,如流体描述时流体元的密度、温度和速度这些可观测量,在空间的定向转移过程。

英文名称
plasma transport
所属学科
物理学

其中由于粒子间弹性碰撞而产生的粒子扩散、热传导和流体的黏滞现象是在物理学严格意义上的输运。还有两类广义的输运现象,即由初始和边界条件决定的定向转移——对流,和与上面两个起因无关的状态量空间定向转移——反常输运,如各种湍流引起的湍流输运等。这是三类性质不同的现象,但由于在实验测量中很难将它们分开,所以在讨论输运时往往会将它们放在一起考虑,这就是通常意义下的输运现象。等离子体是由带电粒子组成的多粒子体系,它也有相应的输运现象,只是这时不同的带电粒子系有各自不同的输运流,所以要分别考虑。

严格物理定义下的碰撞输运又分为两大类:自扩散和集体输运。

自扩散又称弛豫过程,是试探粒子近似下的输运。它描述一群特指(选)的粒子(被称为试探粒子)与等离子体的背景粒子碰撞后,试探粒子的状态量(动量,沿初始运动方向能量和垂直这个方向上的动能)是如何改变的,即所谓的弛豫过程。这时既不考虑试探粒子间的碰撞,也不考虑背景粒子受到试探粒子碰撞后有何改变。这种现象典型出现在数密度比较低的高能量电子束或离子束入射密度较大的等离子体中。而高温等离子体中由各种原因自生的高能带电粒子束(如磁约束装置等离子体中的逃逸电子,激光核聚变等离子体内爆过程中产生的高能热电子,聚变等离子体中产生的高能离子)在背景等离子体中的演化也可以近似用自扩散过程来描述。

但当讨论的是数量相当的两群或多群(带电或不带电)粒子间的弹性碰撞时,已经不能将这些粒子区分试探还是背景,这时不同种粒子群间的碰撞以及同一种群粒子之间的碰撞和相互影响都要考虑。其导致的物理现象就是所谓的集体输运。典型的集体输运过程是:粒子从密度高的区域扩散到密度低的区域(即扩散过程);热量从高温区传导到低温区(热导过程);动量从速度大的区域传递到速度小的区域(黏滞过程);电流从电位高的区域(沿电场)流向电位低的区域(电导过程)。以上典型过程又被称为对角的输运过程,但还存在着众多的所谓非对角输运过程,如由于温差或电场引起的粒子流,以及压强差引起的热流等。

等离子体集体输运通常是由一组简化的双流体方程组——输运方程组来描述的。这时在双流体方程组中略去了自洽场的影响,因而与描述自洽扰动场的麦克斯韦方程解耦。在输运方程组中已包括了三类状态量产生变化的机制,即碰撞输运、对流效应和反常输运。反常输运囊括了所有非对流和非碰撞起因所引起的变化,但湍流是被关注得最多的因素。湍流是扰动自洽场发展而成的,所以如果要严格考虑湍流的影响,应该将输运方程与描述自洽场的麦克斯韦方程耦合起来。但多数情况下,为了简单,只是将输运方程中由碰撞引起的经典输运系数换成反常输运系数,来半定量描述湍流造成的影响。由于这三种效应同时对粒子系的几个状态量的时空变化都起作用,所以密度、动量和能量的输运是相互影响的,它们对应的输运方程也是相互耦合的。只有在一定的条件下,才有可能将它们部分解耦或完全解耦。

粒子系的能量可分为内能、(平)动能和热(运动)能。在发生分子解离、原子电离、离子能级变化(能级间跃迁)及核聚变(一般称非弹性碰撞)时,带电粒子的内能不但会改变,还会引起动能和热能的相应变化。一般内能变化的比例不大,变化大的是外能,即动能和热能。由于在热力学平衡态下,热能可以通过测量粒子系的温度来得知,所以能量输运往往通过温度输运方程来描述。但在核聚变等离子体中,聚变反应产生的带电氦离子能量不仅相当大,其能谱也不是麦克斯韦分布,因而不能完全用其温度来描述。这时它的能量输运过程就不能用温度输运方程描述,甚至不能用流体方程来描述,而很可能要通过动理学描述来解决。

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