等離子體技術

等離子體技術一、等離子體含有足夠數量的自由帶電粒子,有較大的電導率,其運動主要受電磁力支配的物質狀態(tài)。等離子體由帶正電的離子和帶負電的電子，也可能還有一些中性的原子和分子所組成。等離子體在宏觀上一般是電中性的，即它所含有的正電荷和負電荷幾乎處處相等。由于帶電粒子之間的作用主要是長程的庫侖力，每個粒子都同時和周圍很多粒子發(fā)生作用，因此等離子體在運動過程中一般表現出明顯的集體行為。等離子體的性質不同于固體、液體和氣體，常稱為物質的第四態(tài)。閃電、極光等是地球上的天然等離子體的輻射現象。電弧、日光燈中發(fā)光的電離氣體，以及實驗室中的高溫電離氣體等是人造的等離子體。在地球以外，如圍繞地球的電離層、太陽及其他恒星、太陽風、很多種星際物質，都是等離子體。天然的等離子體在地球上雖不多見，但在宇宙間卻是物質存在的主要形式，它占宇宙間物質總量的絕大部分。幾種典型的等離子體的電子數密度和溫度的范圍可見圖1各種等離子體的參量范圍。m■人造等離f體10"同f:（待研制）慣性約束3聚變堆卻金牛座T型星m■人造等離f體10"同f:（待研制）慣性約束3聚變堆卻金牛座T型星L1（L1（產 10"電f數密度《米電f數密度《米'）（日面等離子體）1雄洞2凝聚區(qū)3燿斑爆發(fā)區(qū)4冕色過渡區(qū)$色球層&日珥7計狀物?耀斑二、等離子體物理學研究等離子體的形成、性質和運動規(guī)律的一門學科。宇宙間的物質絕大部分處于等離子體狀態(tài)。天體物理學和空間物理學所研究的對象中，如太陽耀斑、日冕、日珥、太陽黑子、太陽風、地球電離層、極光以及一般恒星、星云、脈沖星等等，都涉及等離子體。處于等離子狀態(tài)的輕核，在聚變過程中釋放了大量的能量,因此,這個過程的實現，將為人類開發(fā)取之不盡的能源。要利用這種能量，必須解決等離子體的約束、加熱等物理問題。所以，等離子體物理學是天體物理學、空間物理學和受控熱核聚變研究的實驗與理論基礎。此外，低溫等離子體的多項技術應用，如磁流體發(fā)電、等離子體冶煉、等離子體化工、氣體放電型的電子器件，以及火箭推進劑等研究，也都離不開等離子體物理學。金屬及半導體中電子氣的運動規(guī)律，也與等離子體物理有聯系。1、發(fā)展簡史19世紀以來對氣體放電的研究;19世紀中葉開始天體物理學及20世紀對空間物理學的研究；1950年前后開始對受控熱核聚變的研究；以及低溫等離子體技術應用的研究，從四個方面推動了這門學科的發(fā)展。19世紀30年代英國的M.法拉第以及其后的J.J.湯姆孫、J.S.E.湯森德等人相繼研究氣體放電現象，這實際上是等離子體實驗研究的起步時期。1879年英國的W.克魯克斯采用“物質第四態(tài)”這個名詞來描述氣體放電管中的電離氣體。美國的I.朗繆爾在1928年首先引入等離子體這個名詞，等離子體物理學才正式問世。1929年美國的L.湯克斯和朗繆爾指出了等離子體中電子密度的疏密波（即朗繆爾波）。對空間等離子體的探索，也在20世紀初開始。1902年英國的0?亥維賽等為了解釋無線電波可以遠距離傳播的現象，推測地球上空存在著能反射電磁波的電離層。這個假說為英國的E.V.阿普頓用實驗證實。英國的D.R?哈特里（1931）和阿普頓（1932）提出了電離層的折射率公式，并得到磁化等離子體的色散方程。1941年英國的S.查普曼和V.C.A.費拉羅認為太陽會發(fā)射出高速帶電粒子流，粒子流會把地磁場包圍，并使它受壓縮而變形。從20世紀30年代起，磁流體力學及等離子體動力論逐步形成。等離子體的速度分布函數服從?？艘黄绽士朔匠?。蘇聯的R?口.朗道在1936年給出方程中由于等離子體中的粒子碰撞而造成的碰撞項的碰撞積分形式。1938年蘇聯的A.A.符拉索夫提出了符拉索夫方程，即棄去碰撞項的無碰撞方程。朗道碰撞積分和符拉索夫方程的提出，標志著動力論的發(fā)端。1942年瑞典的H.阿爾文指出，當理想導電流體處在磁場中，會產生沿磁力線傳播的橫波（即阿爾文波）。印度的S.錢德拉塞卡在1942年提出用試探粒子模型來研究弛豫過程。1946年朗道證明當朗繆爾波傳播時，共振電子會吸收波的能量造成波衰減，這稱為朗道阻尼。朗道的這個理論，開創(chuàng)了等離子體中波和粒子相互作用和微觀不穩(wěn)定性這些新的研究領域。從1935年延續(xù)至1952年，蘇聯的H.H.博戈留博夫、英國的M.玻恩等從劉維定理出發(fā)，得到了不封閉的方程組系列，名為BBGKY鏈。由它可導出符拉索夫方程等，這給等離子體動力論奠定了理論基礎。1950年以后，因為英、美、蘇等國開始大力研究受控熱核反應，促使等離子體物理蓬勃發(fā)展。熱核反應的概念最早出現于1929年，當時英國的R.de阿特金森和奧地利的F.G.豪特曼斯提出設想，太陽內部輕元素的核之間的熱核反應所釋放的能量是太陽能的來源，這是天然的自控熱核反應。1957年英國的J.D.勞孫提出受控熱核反應實現能量增益的條件，即勞孫判據。50年代以來已建成了一批受控聚變的實驗裝置，如美國的仿星器和磁鏡以及蘇聯的托卡馬克，這三種是磁約束熱核聚變實驗裝置。60年代后又建立一批慣性約束聚變實驗裝置。環(huán)狀磁約束等離子體的平衡問題由蘇聯的V.D.沙弗拉諾夫等解決。美國的M.克魯斯卡和沙弗拉諾夫導出了最重要的一種等離子體不穩(wěn)定性，即扭曲不穩(wěn)定性的判據。1958年美國的I.B?伯恩斯坦等提出分析宏觀不穩(wěn)定性的能量原理。處在環(huán)狀磁場中的等離子體的輸運系數首先由聯邦德國的D.普菲爾施等作了研究(1962)，他們給出在密度較大區(qū)的擴散系數，蘇聯的A.A?加列耶夫等給出了密度較小區(qū)的擴散系散(1967)，這一理論適用于托卡馬克這類環(huán)狀磁約束等離子體中的輸運過程被命名為新經典理論。自從蘇聯在1957年發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星以后，很多國家陸續(xù)發(fā)射了科學衛(wèi)星和空間實驗室，獲得很多觀測和實驗數據，這極大地推動天體和空間等離子體物理學的發(fā)展。1959年美國的J.A?范艾倫預言地球上空存在著強輻射帶，這一預言為日后的實驗證實，即稱為范艾倫帶。1958年美國的E.N.帕克提出了太陽風模型。1974年美國的D.A.格內特根據衛(wèi)星資料，證認出地球是一顆輻射星體，輻射千米波。在此期間，一些低溫等離子體技術也在以往氣體放電和電弧技術的基礎上，進一步得到應用與推廣，如等離子體切割、焊接、噴鍍、磁流體發(fā)電，等離子體化工等離子體冶金，以及火箭的離子推進等，都推動了對非完全電離的低溫等離子體性質的研究。2、研究方法等離子體物理學現在已發(fā)展成為物理學的一個內容豐富的新興分支。由于等離子體種類繁多、現象復雜、而且應用廣泛，對這一物質狀態(tài)的研究，正方興未艾，從實驗、理論、數值計算三個方面，互相結合，向深度和廣度發(fā)展。實驗研究用實驗方法研究等離子體有如下特點。對于天然的等離子體，即天體、空間和地球大氣中出現的等離子體，人們不可能用地面上實驗室中的一般方法主動地調節(jié)實驗條件或加以控制，而主要只能通過各種日益增多的天文和空間觀測手段，如光學、射電、X射線以及現代的高空飛行器和人造衛(wèi)星一一“空間實驗室”，來接收它們所發(fā)射的各種輻射(包括各種粒子)。根據大量的觀測結果，并在天體物理學和空間物理學的認識基礎上，依靠目前已建立的等離子體物理理論和已有的各項基本實驗數據，進行分析和綜合，方能深入地認識這些天然等離子體的現象、本質、結構、運動和演化的規(guī)律。要研究或利用各種人造的等離子體，必須先把它們制造出來；而要制造任何一種新的等離子體或者擴展它的性能參量，又往往必須對它先有一定的認識。由此可見，對于人造等離子體，只能采取邊制造邊研究，研究和制造循環(huán)結合、逐步前進的辦法。例如，受控核聚變等離子體的研究，就是通過一代又一代的實驗裝置，來產生具有特定性能的等離子體，逐步提高它們的溫度和約束程度。而每一代裝置的設計，又必須在已有等離子體實驗的基礎上，通過理論方面的外推和定量演算，加以確定。特別是較大類型裝置的建造，必須立足于各項經過試驗的、成熟的工程技術，輔之以必需和能夠及時開發(fā)出來的單項新技術，例如強流電子束和離子束技術。裝置建成后，實驗的第一步是使用各種儀器手段，對裝置中產生的等離子體進行測量；測量數據要按照已有的理論進行處理，以得出裝置中等離子體具體形成過程和現象細節(jié)性質的定性和定量的結果，這些就是等離子體診斷學的內容。對實驗條件的調節(jié)和控制也必需有測量診斷的結果作為依據，然后方可接上現代的信息和控制技術，構成閉環(huán)的操作，從而推進實驗研究。實驗結果要同參量條件相對應的理論分析進行對比校驗，以判定實驗及理論的前進方向。等離子體實驗的因素復雜多變，難度大，精確度不高，而理論描述又遠未完善；實驗中意料之外的結果常會出現，而成為理論創(chuàng)新的前導。理論描述包括近似方法和統計方法。粒子軌道理論和磁流體力學都屬于近似方法。粒子軌道理論是把等離子體看成由大量獨立的帶電粒子組成的集體,只討論單個粒子在外加電磁場中的運動特性,而略去粒子間的相互作用，也就是近似地求解粒子的運動方程。這種理論只適用于研究稀薄等離子體。在一定條件下的稠密等離子體，通過每種粒子軌道的確定，也可對等離子體運動作適當的描寫，也能提供稠密等離子體的某些性質。不過，由于稠密等離子體具有很強的集體效應，粒子間耦合得很緊，因此這種理論的局限性很大。磁流體力學不討論單個粒子的運動，而是把等離子體當作導電的連續(xù)媒質來處理，在流體力學方程中加上電磁作用項,再和麥克斯韋方程組聯立,就構成磁流體力學方程組，這是等離子體的宏觀理論。它適用于研究稠密等離子體的宏觀性質如平衡、宏觀穩(wěn)定性等問題，也適用于研究冷等離子體中的波動問題。然而，由于它不考慮粒子的速度空間分布函數，因此，它無法揭示出波粒相互作用和微觀不穩(wěn)定性等一系列細致和重要的性質。等離子體按其本性是一個含有大量帶電粒子的多粒子體系，所以嚴格的處理方法就是統計方法，即求出粒子分布函數隨時間的演化過程。這種理論就是等離子體動力論，也稱為等離子體的微觀理論。對于波動和微觀不穩(wěn)定性，動力論采用符拉索夫方程來研究。對于弛豫過程和輸運問題，動力論采用?？?普朗克方程。微觀理論可以得到宏觀理論所得不到的許多知識。例如在波動問題方面，只有動力論才能導出朗道阻尼。至于微觀不穩(wěn)定性，主要討論速度空間中偏離平衡態(tài)所引起的不穩(wěn)定性，這類問題是宏觀理論無法研究的。從動力論方程出發(fā)，可以導出磁流體力學的連續(xù)方程、動量方程和能量方程。數值計算現有的理論描述中，磁流體力學、符拉索夫方程、?？?普朗克方程都是非線性偏微分方程,包含很多參量，為了求出解析解，物理模型往往過分簡化以至無法精確和全面地包羅各種效應，因此數值計算在等離子體研究中的作用越來越大。另外，由于高溫等離子體的實驗和診斷都較難進行,所以自70年代以來,發(fā)展了一種數值實驗的方法。就是在大容量的計算機上，用大量粒子來模擬等離子體的運動，以研究它的宏觀和微觀不穩(wěn)定性等問題。這已成為一種有力的研究方法。3、主要內容單粒子運動主要研究單個帶電粒子在外磁場中的運動。在均勻恒定磁場中，帶電粒子運動很簡單。平行磁場的是等速運動，垂直磁場的是繞磁力線的圓運動(拉莫爾圓)，即帶電粒子的回旋運動。如果除磁場外，還有其他外力F,則粒子除沿磁場運動外,在垂直磁場方向，一面作回旋運動，一面作漂移運動。漂移運動是拉莫爾圓的圓心(即導向中心)垂直于磁場的運動，可以由靜電力或重力引起。對于非均勻磁場，漂移也可以由磁場梯度和磁場的曲率等引起。靜電力引起的正負電荷的漂移相同，因而不形成電流。而非靜電力引起的正負電荷的漂移是相反的，會形成電流。當磁場隨時間及空間變化十分緩慢時，可以把粒子運動看成是回旋運動和導向中心運動的疊加。為使問題簡化起見，可以不考慮快速的回旋運動而只考慮導向中心的運動，這就是漂移近似。在粒子軌道理論中，主要就是采用漂移近似來研究粒子的運動。在緩變磁場中，有三個絕熱不變量，其中比較重要的一個是粒子的磁矩mv2A=mv^V是垂直于磁場B的速度分量,m是質量。這個性質和帶電粒子在磁2B丄力作用下動能不變，使得帶電粒子會被一定形態(tài)的非均勻磁場約束住。例如地磁場就能約束帶電粒子形成地球輻射帶（范艾倫帶）。受控熱核聚變的磁鏡裝置也是利用了這個性質來約束等離子體的。（2） 波動這是等離子體的基本運動形態(tài)，因此對等離子體中的波的研究具有極為重要的意義。此外，由于波提供了理論與實驗的聯系，一旦了解波動，就可用波來測量等離子體的各種參量，還可利用波來改變等離子體的狀態(tài),如用波來加熱或約束等離子體。而且,研究波動有著明顯的實用意義，例如波在電離層中的傳播等。波動還和不穩(wěn)定性等問題緊密關聯，因為不穩(wěn)定性往往表現為振幅隨時間增長的波。等離子體中的波動模式非常復雜。既有橫波（波矢k與電場E垂直），也有縱波（k與E平行），也有非橫非縱的波。有橢圓偏振波，也有圓偏振和線偏振波。波的相速可以大于、等于或小于真空光速c。波的群速和相速可以平行、不平行或反平行。波的形式如此之多，這是因為，等離子體中的帶電粒子可以和波的電磁場發(fā)生作用而影響波的傳播。如果有外加磁場，則波動、磁場的擾動和粒子的運動互相影響，就使得波的模式更加繁雜。例如，正負電荷的分離，會產生靜電場，其庫侖力是恢復力，由此產生了朗繆爾波；磁力線的彎曲，其張力是恢復力，由此產生了阿爾文波；等離子體中各種梯度，如密度梯度、溫度梯度等，會引起漂移運動，漂移可以和波的模式耦合，由此產生了漂移波。波可以粗分為冷等離子體波與熱等離子體波。當粒子的熱速遠小于波速，以及回旋半徑（對磁化等離子體來說）遠小于波長時，這時是冷等離子體，其波動現象采用磁流體力學方法來研究。非磁化冷等離子體中的波有光波，波速比真空光速c大。對于磁化冷等離子體,它是各向異性的,介電常數成為張量。如同其他各向異性介質中會有兩支波一樣,磁化冷等離子體中也有兩支波：尋常波與非常波。當等離子體的折射率n=0時，波被截止而反射，當nf00時，波與共振粒子作用而被粒子吸收。例如，當波矢k與外磁場平行時，頻率為ro=ro的非常波會與繞磁場回旋的電子共振，ro=ro.的尋常波則會與回旋離子共振，ro"和ro.分別ci ce ci是電子及離子的回旋頻率,此時，波的能量被吸收，形成回旋阻尼。對于熱等離子體，粒子的熱運動以及有限回旋半徑引進了一些新的模式和新的效應。非磁化熱等離子體中的波除光波外，還有電子朗繆爾波及離子聲波。朗繆爾波會與速度相近的電子共振而形成朗道阻尼。磁化熱等離子體中波的一個特點是，由于多普勒效應等原因，頻率為ro=lroe（l=0，1，2,…）的非常波會與回旋電子共振,ro=lro（l=0，1，2,…）的ci尋常波會與回旋離子共振，形成切倫科夫阻尼及回旋阻尼。在非均勻等離子體中，除了會產生漂移波外，在一定條件下，不同模式的波可以互相轉化，例如非常波可轉化為尋常波或縱波。非線性波有激波、無碰撞激波、孤立波等。如考慮到非線性效應，則不同模式的波既可互相轉化，也可互相激發(fā)，如橫波可以激發(fā)縱波。波動理論不僅研究色散關系，也研究等離子體中波和波相互作用、等離子體中波和粒子相互作用等。平衡平衡問題是位形平衡問題的簡稱，它研究在一定的約束條件下，等離子體如何才能在力學上處于靜止狀態(tài)。對于磁場約束的等離子體，平衡問題就是用磁壓力來平衡等離子體壓力。從磁流體力學，可以得到磁約束的平衡方程組(采用高斯單位制)-Vp+jxB/c=0,VxB=4叩j/c,oV?B=0 。p是等離子體壓力，j是電流密度,c是光速。平衡問題從數學上說，就是在給定邊界條件下求解這組方程。通常是引入一個磁面函數，則平衡方程組轉為一個磁面方程，這樣，平衡問題變成在適當邊界條件下求解磁面方程。不穩(wěn)定性等離子體不穩(wěn)定性大體上分為宏觀不穩(wěn)定性及微觀不穩(wěn)定性兩類。凡是發(fā)展的區(qū)域遠大于粒子的回旋半徑和德拜長度等微觀尺度的不穩(wěn)定性，統稱為宏觀不穩(wěn)定性；而僅在微觀尺度上發(fā)展的不穩(wěn)定性則稱為微觀不穩(wěn)定性。宏觀不穩(wěn)定性會造成等離子體大范圍的擾動，對平衡具有嚴重破壞作用。它的起因主要是等離子體中儲藏了過剩的與磁場相結合的能量，此外，如等離子體的抗磁性等，也會引起宏觀不穩(wěn)定性。對于受控熱核聚變裝置中的約束等離子體來說，這是一個十分緊要的問題。宏觀不穩(wěn)定性種類很多。除扭曲不穩(wěn)定性外，比較重要的有交換不穩(wěn)定性，即等離子體與約束磁揚的位置發(fā)生交換；撕裂模，即等離子體被磁場撕裂成細束，等等。宏觀不穩(wěn)定性通常都采用磁流體力學來研究。其中能量原理是一種很有效的方法，也就是根據偏離平衡的小位移引起系統的勢能變化，來確定平衡是否穩(wěn)定。這種方法特別適用于幾何形狀復雜的磁場。除能量原理外，簡正模法也是常用的一種分析方法。它假設擾動量的形式為8q(r,t)=6q(r)e-血。解出的w一般是復數：ro=w+iw。如果w>0,則擾動量的振幅會隨t增長，也就是不穩(wěn)定，反之如巴<0，系統是穩(wěn)定的。微觀不穩(wěn)定性的起因有多種。一種來自空間的非均勻性，例如密度、溫度、磁場的梯度等，這會引起漂移，有可能激發(fā)起不穩(wěn)定性。另一種來自速度空間的不均勻性，如速度、溫度、壓力的各向異性。另外，如波和波相互作用等，也可能引起微觀不穩(wěn)定性?？傊x熱平衡態(tài)的等離子體具有多余的自由能，必然要把它釋放出來以趨向平衡態(tài)。自由能的釋放就有可能驅動微觀不穩(wěn)定性。有微觀不穩(wěn)定性的等離子體的特征是出現不斷增長的漲落現象。這往往導致湍流的產生和形成反常輸運現象。微觀不穩(wěn)定性的種類極多。重要的有：二流不穩(wěn)定性，這是由兩束相對流動的粒子所引起；漂移不穩(wěn)定性，由各種梯度造成的漂移運動所引起;損失錐不穩(wěn)定性,由速度分布的各向異性所引起；以及由波和波相互作用引起的參量不穩(wěn)定性等。微觀不穩(wěn)定性的理論建立在動力論上，也就是從符拉索夫方程出發(fā)來研究的。通常在研究不穩(wěn)定性時用的是線性理論，它只能判斷系統穩(wěn)定與否，有些情況下它能給出初始時刻的不穩(wěn)定性增長率。當擾動振幅增大后以及在適當情況下趨向

飽和的演化問題，需要用非線性理論來研究。（5） 弛豫和輸運非熱平衡等離子體中向平衡態(tài)過渡出現的過程可分為弛豫和輸運兩類。前者是從非熱平衡速度分布向熱平衡麥克斯韋分布過渡的過程，后者是描寫穩(wěn)定的非熱平衡態(tài)有物質、動量、能量等在空間流動時的過程。弛豫過程一般通過各種弛豫時間來描述。這里最基本的是帶電粒子間的碰撞過程。中帶電粒子碰撞的一個特點。是（采用高斯單位制）mT32中帶電粒子碰撞的一個特點。是（采用高斯單位制）mT32in—ne4lnAT2ln—ne4lnA式中T為溫度，單位為電子伏,m、n為粒子質量及數密度，e為電子電荷,lnA為庫侖對數，它反映遠碰撞的效應。對于高溫等離子體,有三個比較重要的弛豫時間：縱向減速時間t/z，橫向偏轉時間T,,能量均化時間弘。電子和離子的弛豫時間并不相同。一個初始為非熱平丄 E衡的等離子體，經過碰撞，電子會首先達到熱平衡，爾后離子達到熱平衡，最后達到電子和離子之間的熱平衡。等離子體中的輸運過程包括電導、擴散、粘性和熱導等，它們具有某些特點。特點之一是雙極擴散。例如電子擴散時，電子和離子間的靜電力會使離子跟著一起擴散，結果電子的擴散減慢了,離子的擴散加快了,最后這二者是以相同的速率擴散，這稱為雙極擴散。另一個特點是處在磁場中的等離子體，沿磁場的輸運基本上不受磁場的影響，但橫越磁場的輸運卻受到磁場的阻擋。處于環(huán)形磁場中的高溫稀薄等離子體，磁場梯度引起的漂移會改變約束粒子的軌道，從而加大了遷移自由程，這就大大提高輸運系數。分析這種磁場位形所得到的輸運理論名為新經典理論，它仍然是一種碰撞理論。在受控熱核聚變的研究中，這種理論很重要，它在一定程度上解釋了環(huán)形裝置中觀察到的較大的離子熱導等輸運系數。根據目前托卡馬克等的實驗結果，某些輸運系數如電子熱導等有時明顯大于新經典理論的結果。在慣性約束聚變及其他某些實驗中，發(fā)現輸運系數明顯小于經典理論的結果。凡是碰撞理論無法解釋的輸運現象就稱為反常輸運。目前流行的觀點是，反常輸運是由湍流等非線性過程所引起。反常輸運已成為當前聚變理論研究中的一個重大課題，因為它關系到能否有效地約束住等離子體的粒子和能量。（6） 輻射對等離子體輻射的研究的意義在于，一方面，這是等離子體能量耗散的一個重要途徑，另外，對輻射的研究也是通過等離子體光譜等方面的細致分析，來認識等離子體運動的必要基礎。這對于天體物理和空間物理尤其重要，因為對遙遠的等離子體的了解，幾乎完全是通過對輻射的研究而獲得的。等離子體的輻射，有軔致輻射、回旋輻射、黑體輻射、切倫科夫輻射，以及原子、分子或離子躍遷過程中的線輻射等。軔致輻射是自由電子與離子碰撞，也就是電子在離子的庫侖場中變速時產生的連續(xù)輻射。電子－電子碰撞不改變電子的總動量，所以不產生軔致輻射。在等離子體中，軔致輻射主要來自遠碰撞，波長一般分布在紫外線到X射線范圍。對于高溫等離子體,這是一項很重要的輻射損失?；匦椛浠蚍Q回旋加速器輻射，是帶電粒子（主要是電子）繞磁力線作回旋運動時產生的輻射。非相對論性電子的輻射稱為回旋輻射，它的單色性強，在電子回旋頻率處以譜線形式出現，電子能量較高時，除基頻外，還以諧頻發(fā)出輻射。這種輻射接近各向同性，功率較弱。在等離子體中，由于碰撞等原因，譜線會加寬，當等離子體密度加大時，譜線頻率會向高頻方向移動。相對論性電子的回旋輻射稱為同步加速器輻射或同步輻射，輻射功率大，方向性弱，集中在一個小區(qū)域內，是連續(xù)譜。4、展望自20世紀20年代特別是50年代以來，等離子體物理學已發(fā)展成為物理學的一個十分活躍的分支。在實驗上，已經建成了包括一批聚變實驗裝置在內的很多裝置，發(fā)射了不少科學衛(wèi)星和空間實驗室，從而取得大量的實驗數據和觀測資料。在理論上，利用粒子軌道理論、磁流體力學和動力論已經闡明等離子體的很多性質和運動規(guī)律，還發(fā)展了數值實驗方法。最近半個多世紀來的巨大成就，使人們對等離子體的認識大大深化；但是一些已提出多年的問題，特別是一些非線性問題如反常輸運等尚未得到完善解決，而對天體和空間的觀測的進一步開展，以及受控熱核聚變和低溫等離子體應用研究的發(fā)展，又必定會帶來更多新的問題。今后一個相當長的時期內，等離子體物理學將繼續(xù)取得多方面的進展。三、等離子體和表面的相互作用等離子體和固體表面接近或接觸時，等離子體和周圍氣相、表面相、固相之間交換能量、物質和信息的過程。等離子體和表面的相互作用，例如濺射，已發(fā)現了一個世紀以上，但只有這一領域和受控熱核聚變研究相結合，才得到迅速發(fā)展。在受控熱核聚變研究的早期階段，就已發(fā)現并研究了單極弧、氣體循環(huán)等現象。但當時等離子體參量比較低，這些研究并未引起足夠的重視。20世紀70年代，由于受控熱核聚變、特別是托卡馬克的進展，逐漸認識到雜質問題的重要性，對這一課題投入越來越多的工作，發(fā)展成為受控熱核聚變研究的一個分支。因此，作為一個研究領域，等離子體和表面的相互作用主要指受控熱核聚變裝置中的高溫等離子體和表面的相互作用。等離子體和表面相互作用是一個邊緣研究領域，它和等離子體物理、表面物理、等離子體化學、原子物理、分子物理等學科都存在密切的關系。由于等離子體可以劃分為低溫等離子體和高溫等離子體，等離子體和表面的相互作用也可劃分為兩個方面。低溫等離子體和表面的相互作用主要發(fā)生在等離子體切割、焊接、冶煉和表面處理，磁流體發(fā)電機的器壁和電極，以及當運載火箭通過大氣層時在火箭外殼表面形成的等離子體和外殼之間，等等。這種等離子體的溫度約為103?104K,密度較高，壓強接近一大氣壓。高溫等離子體和表面的相互作用主要發(fā)生在受控熱核聚變的實驗裝置，以及未來的聚變反應堆的反應室的第一壁（即等離子體直接照射的固體壁）、偏濾器、孔闌以及磁鏡裝置的能量直接轉換器表面。在這些表面附近,也存在著溫度比較低的等離子體,即所謂邊界層。但在反應室的中心存在著幾百萬度以至于幾千萬度、幾億度以上的高溫等離子體，從中輻射出高能粒子和各個頻段的電磁波。在聚變堆中，還有像高能中子以及粒子等這樣的熱核反應產物。這些粒子和輻射到達固體表面，產生各種形式的作用。在受控熱核聚變實驗裝置和聚變堆中，這種等離子體和表面的相互作用產生兩方面的影響。首先，這一相互作用使大量不能參加核反應的雜質離開表面，進入等離子體，造成污染。這不但降低了反應粒子的濃度，而且冷卻了等離子體，使反應速率降低，甚至停止。其次，這一相互作用對反應室的器壁造成損傷，縮短其使用壽命。因此，必須對這種相互作用過程進行研究和控制。1、基本過程等離子體和表面的相互作用主要有以下一些基本過程。吸附和解吸。在等離子體裝置中，由于放電對表面的活化作用，表面可能對氣體發(fā)生強烈的吸附。而在等離子體作用下，可能發(fā)生熱解吸、電子解吸和光解吸。蒸發(fā)。即固體表面接受來自等離子體的能量而熔化、蒸發(fā)。濺射。當離子或中性粒子入射到表面時，它的一部分能量傳給少數靶原子，其中有些在點陣達到熱平衡之前發(fā)射出去，這就是濺射。濺射是閾值性的，即當入射粒子的能量大于某一閾值（通常為5?50eV）時,才出現濺射。化學濺射。發(fā)生在等離子體裝置表面的化學過程。主要是由于表面催化作用引起的。當粒子入射到表面后，在表面進行化學反應生成揮發(fā)性產物而釋放。這個過程稱為化學濺射。背散射、再發(fā)射和植入。當離子或中性粒子入射到固體內后，它與固體內原子碰撞，逐漸失去原來的能量。最后可能產生兩種結果:或者還殘留一部分能量,從固體表面發(fā)射出去，這就是背散射；或者與固體原子達到熱平衡，逐漸擴散到表面，再發(fā)射出去，這就是再發(fā)射。這些粒子，特別是能量較高時，沿固體深度形成一個分布，稱為植入。起