等离子体物理基础

为了丰富学生的知识，书中章节用简练的语言把一些等离子体*新的研究进展作了简单介绍。此外，教材中增设了以往其它教材没有的内容：第一章中增设了等离子体鞘层及其应用；第二章中增设了磁镜场及其应用介绍；第五章增设了螺旋波等离子体及其应用，这些都是等离子体基础的较新发展，在以往教材中都没有介绍。*后为了增加学生对等离子体的了解，教材中还增添了国内外等离子体发展历史和一些重要的科学家的科研轶事。

“等离子体物理基础”教材基础部分共九章，包括等离子体概述、单粒子轨道理论、等离子体中的碰撞与输运、磁流体力学、等离子体中的波、等离子体业衡与稳定性、等离子体动理学简介、低温等离子体应用和高温等离子体应用等。教材中尽量使用比较简单的语言和数学过程描述等离子体中的物理现象，增加了大量的冬示以帮助学生对物理理论和现象的理解。作者还在教材的适当章节把目前等离子体领域的一些重要研究进展以简单易懂的形式展现，以便增加学生们对等离子体前沿的认识。教材后设置较多的思考题以帮助加深学生对等离子体理论的理解。

教育经历：1997/9 – 2000/5，华中科技大学，物理系，博士生，导师：姚凯轮1986/9 – 1989/6，华中科技大学，物理系，硕士生，导师：刘祖黎1982/9 – 1986/6，湖北大学，物理系，本科生科研与学术工作经历：2006/6 – 至今，华中科技大学，物理学院，教授2005/3 – 2005/9，Rensselaer Polytechnic Institute，Aeronautical Engineering，visiting scholar2001/3 – 2004/3，香港理工大学，机械工程，访问学者1998/9 – 1999/9，莫斯科大学， 物理系， 访问学者1995/6 – 2006/5，华中科技大学，物理系，副教授

第1章等离子体概述(1)
1.1概念(1)
1.2等离子体存在形式(3)
1.3等离子体分类(4)
1.4等离子体产生(5)
1.4.1直流放电(6)
1.4.2射频辉光放电(8)
1.4.3微波放电(9)
1.4.4电晕放电(10)
1.4.5介质阻挡放电(11)
1.5等离子体的描述方法(12)
1.6等离子体振荡(13)
1.6.1等离子体振荡频率(14)
1.6.2振荡频率的物理意义(16)
1.6.3等离子体激元(16)
1.7徳拜屏蔽效应(17)
1.7.1德拜屏蔽概念(17)
1.7.2徳拜长度(18)
1.7.3徳拜势(20)
1.7.4徳拜长度的物理意义(20)
1.8等离子体鞘层(21)
1.8.1鞘层的产生(21)
1.8.2等离子体鞘层厚度和电势分布(22)
1.8.3金属表面电势(23)
1.8.4等离子体鞘层的玻姆判据(24)
1.8.5等离子体鞘层的作用(25)
1.9等离子体判据(27)
1.10等离子体基本参量(27)
1.11等离子体发展简史(29)
思考题(32)
第2章单粒子轨道运动(34)
2.1引言(34)
2.2带电粒子在均匀恒定电磁场中的运动(35)
2.2.1带电粒子在均匀磁场中的运动(35)
2.2.2带电粒子在均匀电磁场中的漂移运动(37)
2.2.3重力场中的漂移运动(39)
2.3带电粒子在非均匀电磁场中的运动(40)
2.3.1回旋中心(引导中心)近似(40)
2.3.2均匀磁场和非均匀电场漂移运动(41)
2.3.3带电粒子在梯度磁场中的漂移运动(43)
2.3.4带电粒子在弯曲磁场中的漂移运动(47)
2.3.5带电粒子在磁镜场中的运动(49)
2.4带电粒子在随时间缓变的电磁场中的运动(52)
2.4.1带电粒子在随时间缓变电场中的极化漂移(52)
2.4.2带电粒子在随时间缓变的磁场中的径向漂移(53)
2.4.3拓展知识：随时间缓变磁场中的等离子体应用(56)
2.5绝热不变量(浸渐不变量)(58)
2.5.1第一个绝热不变量：磁矩(58)
2.5.2第二个绝热不变量：纵向不变量(60)
2.5.3第三个绝热不变量：磁通不变量(62)
2.5.4范艾伦辐射带与极光(62)
2.6带电粒子在高频电磁波中的运动(64)
2.6.1在弱电磁波中的颤抖运动(65)
2.6.2高频电磁场的作用与有质动力(66)
2.6.3超强激光尾场中的电子加速(68)
2.7漂移速度总结(70)
思考题(71)
第3章等离子体中的碰撞与输运(73)
3.1引言(73)
3.2等离子体中的二体碰撞(74)
3.2.1粒子间二体碰撞的一般描述(74)
3.2.2二体碰撞过程中动量及能量变化(76)
3.2.3碰撞过程中偏转角的表达(79)
3.2.4微分散射截面的定义及物理意义(82)
3.2.5碰撞的积分特征量(84)
3.3等离子体中的库仑碰撞(86)
3.3.1库仑碰撞(86)
3.3.2库仑对数(86)
3.3.3库仑对数与碰撞相关物理参量(88)
3.3.4电阻率(89)
3.4输运过程的经验定律(91)
3.4.1等离子体中的碰撞(91)
3.4.2扩散过程(92)
3.4.3热传导过程(92)
3.4.4黏滞过程(93)
3.5非磁化弱电离等离子体中的输运过程(93)
3.5.1迁移率与扩散系数(93)
3.5.2双极扩散(96)
3.5.3气体放电等离子体中带电粒子密度分布(98)
3.6均匀恒定磁场中弱电离等离子体中的输运过程(102)
思考题(106)
第4章磁流体力学(108)
4.1磁流体力学的发展及应用(108)
4.2流体力学方程组(111)
4.2.1流体(111)
4.2.2流体力学方法(111)
4.2.3应力张量(116)
4.2.4流体力学方程组(119)
4.3磁流体力学方程组(122)
4.3.1考虑电磁力的流体力学方程(122)
4.3.2电动力学方程组(123)
4.3.3完整的磁流体方程组(124)
4.3.4双磁流体方程组和广义欧姆定律(125)
4.4磁应力(磁压力和磁张力)(129)
4.5磁扩散与磁冻结(132)
4.5.1磁感应方程(132)
4.5.2磁扩散效应(133)
4.5.3磁冻结效应(136)
4.6均匀定常磁场中的抗磁漂移(141)
4.6.1抗磁性漂移(垂直于磁场的流体漂移)(141)
4.6.2玻尔兹曼关系(平行于磁场的流体运动)(143)
4.7磁流体动力学平衡与等离子体约束(144)
4.7.1θ箍缩(Pinch)平衡方程(144)
4.7.2z箍缩平衡方程(146)
思考题(147)
第5章等离子体中的波(149)
5.1引言(149)
5.2波的描述方法和色散关系(150)
5.2.1波的表示方法(150)
5.2.2相速度(151)
5.2.3群速度(151)
5.2.4波的偏振(152)
5.2.5波的色散关系(153)
5.3磁流体力学波(154)
5.3.1中性气体中的声波(154)
5.3.2阿尔文波(156)
5.3.3磁流体力学波(159)
5.4非磁化等离子体中的波(164)
5.4.1电子静电波(朗缪尔波)(164)
5.4.2离子静电波/声波(166)
5.4.3电磁波(169)
5.4.4电磁波的截止现象(171)
5.4.5补充知识：电磁波色散关系及截止现象的相关应用(173)
5.5磁化等离子体中的波(175)
5.5.1垂直于磁场的静电电子振荡和高混杂波(175)
5.5.2垂直于磁场的低混杂振荡和低混杂波(177)
5.5.3垂直于磁场的高频电磁波(180)
5.5.4平行于磁场的高频电磁波(184)
5.6磁化等离子体中的螺旋波(188)
5.6.1螺旋波研究进展简介(188)
5.6.2螺旋波的色散关系(190)
5.6.3螺旋波激发及天线类型(191)
5.6.4螺旋波等离子体应用(193)
5.7等离子体中的波总结(195)
5.8等离子体中的波简史及人物小传(195)
思考题(197)
第6章等离子体平衡与稳定性(199)
6.1引言(199)
6.2等离子体力学平衡(201)
6.2.1平衡方程(201)
6.2.2磁面与磁通(203)
6.2.3一维螺旋磁场平衡方程(205)
6.3双流不稳定性(208)
6.4瑞利泰勒不稳定性(211)
6.4.1重力驱动流体中的瑞利泰勒(RT)不稳定性(212)
6.4.2重力驱动等离子体中的RT不稳定性(212)
6.5撕裂模不稳定性(214)
6.6几种常见的不稳定性介绍(216)
6.6.1电流不稳定性(216)
6.6.2交换不稳定性(218)
6.6.3气球模不稳定性(219)
思考题(219)
第7章动理学理论介绍(221)
7.1分布函数与弗拉索夫方程(221)
7.1.1分布函数(222)
7.1.2弗拉索夫方程(226)
7.2等离子体电子静电波及朗道阻尼(228)
7.2.1等离子体电子静电波色散关系(228)
7.2.2奇点的处理方法(230)
7.2.3朗道阻尼(232)
7.3朗道阻尼的物理意义(233)
7.3.1朗道阻尼的唯像解释(233)
7.3.2朗道阻尼的本质(235)
7.3.3补充知识：留数、留数定理(237)
思考题(238)
第8章低温等离子体应用(240)
8.1等离子体磁流体应用(240)
8.1.1磁流体发电技术(240)
8.1.2磁流体推进技术(244)
8.2等离子体在半导体中的应用(246)
8.3等离子体在民生新技术中的应用(255)
8.4等离子体在纳米材料制备中的应用(260)
思考题(262)
第9章高温等离子体应用(263)
9.1引言(263)
9.2核聚变原理(264)
9.3聚变点火条件(266)
9.4磁约束聚变(268)
9.5惯性约束聚变(271)
9.6磁惯性约束聚变(276)
9.7我国热核聚变的研究历程(281)
9.8ITER时代的机遇与挑战(284)
思考题(287)
附录A汤森放电理论(288)
附录B常用矢量与张量运算(291)
参考文献(293)

等离子体物理导论”课程作为华中科技大学物理学院专业课已经开设数十年，开始使用的参考教材是F.F.Chen编写的《等离子体物理导论》，后来根据需要又使用了中国科学技术大学李定教授编写的《等离子体物理学》，但经过几年教学，我们发现这本教材理论性较强，特别是对某些物理过程的矢量推导比较深奥、烦琐，对于本科生来讲理解起来有很大难度。因此，根据多年的教学经验，我们考虑撰写一本本科生容易学习的教材。经过讨论和协商，我们决定由物理学院和电气学院的老师一起撰写一本适用于物理和电气学院本科生的等离子体物理教材。本书共9章，包括等离子体概述、单粒子轨道运动、等离子体中的碰撞与输运、磁流体力学、等离子体中的波、等离子体平衡与稳定性、动理学理论介绍、低温等离子体应用和高温等离子体应用等。前8章由本人撰写，*后一章由电气学院的郭伟欣老师撰写。教材中尽量使用比较简单的语言和数学过程描述等离子体中的物理现象，教材中配了大量的图示以增进学生对物理理论和现象的理解。我们还在教材的适当章节把目前等离子体领域的一些重要研究进展以简单易懂的形式进行介绍，以便增加学生们对等离子体前沿研究的认识。本书设置了较多的思考题，以帮助学生加深对等离子体理论的理解。本书的编写主要参考了李定和马腾才编写的教材。作为物质的第四态，等离子体覆盖着几乎整个可见的宇宙。等离子体物理是物理学的重要分支之一，其研究对人类面临的能源、环境、健康和宇宙演化及起源等许多全局性问题的解决具有重大意义，已经成为支撑本世纪产业和科学技术的必要基础。通过本课程的学习，学生应掌握等离子体的基本性质，了解等离子体的描述方法，了解等离子体独特的物理特性和基本规律，了解等离子体在许多尖端科技领域的应用，从而拓展交叉思维能力，为今后更深层次的科学研究及宽口径的就业打下必要的基础。等离子体的一个基本属性就是集体行为，集体行为来源于带电粒子之间的电磁相互作用。集体行为是等离子体的本征行为，只有当一个体系具有集体行为时，才能称为等离子体。等离子体的许多行为和现象都是由集体行为引起的，如德拜屏蔽、等离子体振荡、等离子体中的波、等离子体输运和等离子体的平衡与稳定性。了解等离子体的集体行为对于理解等离子体的许多行为和现象很有帮助。感谢刘祖黎教授和刘明海教授在教材编写过程中给予的帮助(包括提供PPT、资料及建议等)！