目錄 前言 符號(hào)表 第一部分 物理基礎(chǔ) 第1章 等離子體和等離子體裝置 003 1.1 引言 003 1.2 自然界中的等離子體 004 1.2.1 概述 004 1.2.2 太陽(yáng)等離子體 004 1.3 實(shí)驗(yàn)室/裝置應(yīng)用中的等離子體 005 1.3.1 概述 005 1.3.2 等離子體裝置分類 005 參考文獻(xiàn) 006 習(xí)題 006 第2章 氣體動(dòng)理學(xué)理論 008 2.1 引言 008 2.2 動(dòng)理學(xué)理論基本假設(shè) 008 2.3 壓強(qiáng)、溫度和內(nèi)能 009 2.4 動(dòng)理學(xué)理論和輸運(yùn)過(guò)程 012 2.4.1 粒子碰撞 012 2.4.2 輸運(yùn)現(xiàn)象（黏性、傳導(dǎo)、擴(kuò)散） 013 2.5 平衡狀態(tài)動(dòng)理學(xué)理論的數(shù)學(xué)表達(dá)式 018 2.5.1 分布函數(shù)和平均值 018 2.5.2 速度和速度（矢量）分布函數(shù) 019 2.5.3 速度的平均值 023 參考文獻(xiàn) 026 習(xí)題 026 第3章 分子能量分布和氣體電離 028 3.1 引言 028 3.2 分子能量 028 3.2.1 能量分布函數(shù) 028 3.2.2 分子能量計(jì)算 029 3.2.3 配分函數(shù)和能量評(píng)估 030 3.2.4 高溫空氣的平衡組分 034 3.2.5 高溫氣體性能概述 038 3.2.6 凍結(jié)流的定義及對(duì)氣體特性影響 039 3.2.7 化學(xué)動(dòng)力學(xué)——質(zhì)量作用定律 041 3.3 氣體電離 042 3.3.1 引言 042 3.3.2 原子結(jié)構(gòu)和電子排列 043 3.3.3 氣體的電離 044 3.3.4 電離過(guò)程 045 3.3.5 電離（電子）損耗機(jī)制 048 3.3.6 等離子體的輻射（能量）損失 048 3.3.7 氣體平衡電離——Saha方程 049 參考文獻(xiàn) 051 習(xí)題 052 第4章 電磁學(xué) 054 4.1 引言 054 4.2 電荷和電場(chǎng)——靜電學(xué) 054 4.3 電流和磁場(chǎng)——靜磁學(xué) 056 4.4 電荷守恒 057 4.5 Faraday定律 059 4.6 Ampere定律 059 4.7 Maxwell方程 060 4.8 附加磁場(chǎng)產(chǎn)生的力和電流 060 4.8.1 力060 4.8.2 電流傳導(dǎo)——電導(dǎo)率和Ohm定律 061 4.8.3 電導(dǎo)率的計(jì)算 061 4.8.4 等離子體的介電特性 063 4.9 氣體放電中的等離子體行為 063 4.9.1 引言 063 4.9.2 放電形成 063 4.9.3 電場(chǎng)中的電離過(guò)程 064 4.9.4 高頻氣體放電中的電離 065 4.10 Maxwell方程的應(yīng)用 067 4.10.1 閉環(huán)磁探針 067 4.10.2 磁箍縮和磁探針響應(yīng) 068 參考文獻(xiàn) 069 習(xí)題 069 第二部分 等離子體概念和行為 第5章 等離子體參數(shù)及相互作用 073 5.1 引言 073 5.2 外界參數(shù) 073 5.3 粒子（碰撞）參數(shù) 073 5.4 鞘層結(jié)構(gòu)及其效應(yīng) 073 5.5 等離子體振蕩和等離子體頻率 075 5.6 磁場(chǎng)的相關(guān)參數(shù) 077 5.7 Langmuir探針中的靜電粒子收集 077 參考文獻(xiàn) 081 習(xí)題 082 第6章 粒子軌道理論 083 6.1 引言 083 6.2 定常勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域內(nèi)帶電粒子的運(yùn)動(dòng) 084 6.3 帶電粒子在均勻電場(chǎng)與磁場(chǎng)下的運(yùn)動(dòng) 086 6.4 帶電粒子在非均勻磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng) 089 6.5 帶電粒子在磁場(chǎng)中的曲率漂移 091 6.6 帶電粒子在隨時(shí)間變化磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng) 092 6.7 帶電粒子在磁鏡中的運(yùn)動(dòng) 094 6.8 絕熱不變量 096 參考文獻(xiàn) 097 習(xí)題 097 第7章 等離子體宏觀方程 102 7.1 引言 102 7.2 電磁場(chǎng)的能量與動(dòng)量傳遞 102 7.3 磁流體力學(xué)中的守恒方程 105 7.4 磁流體力學(xué)中的單流體方程 110 7.5 磁流體約化 115 7.6 相似參數(shù) 117 參考文獻(xiàn) 119 習(xí)題 119 第8章 磁流體動(dòng)力學(xué)——等離子體的流動(dòng)行為 122 8.1 引言 122 8.2 連續(xù)等離子體動(dòng)力學(xué)的基本方程 122 8.3 等離子體與等離子體裝置中的輸運(yùn)效應(yīng) 123 8.3.1 粒子橫跨磁場(chǎng)的擴(kuò)散過(guò)程 123 8.3.2 雙極擴(kuò)散 124 8.3.3 能量平衡 125 8.3.4 磁場(chǎng)對(duì)輸運(yùn)過(guò)程的影響 126 8.3.5 反常輸運(yùn) 127 8.4 等離子體中的磁場(chǎng)動(dòng)力學(xué) 128 8.4.1 等離子體中的磁擴(kuò)散效應(yīng) 128 8.4.2 等離子體中的磁對(duì)流項(xiàng) 129 8.4.3 對(duì)流項(xiàng)與擴(kuò)散參數(shù)的定義 131 8.5 磁流體靜力學(xué) 132 8.5.1 等離子體流體中的磁壓 133 8.5.2 流體與等離子體結(jié)構(gòu)平衡 134 8.6 磁流體穩(wěn)定性 136 8.6.1 MHD穩(wěn)定性的物理考量 136 8.6.2 MHD擾動(dòng)分析 138 8.7 等離子體波——擾動(dòng)的傳播 142 8.7.1 電磁波的色散和截至現(xiàn)象 143 8.7.2 離子聲波 143 8.7.3 垂直于B的縱向電子振蕩 144 8.7.4 垂直于B的縱向離子振蕩 145 8.7.5 Alfven波——磁擾動(dòng)沿磁場(chǎng)方向的傳播 145 8.8 等離子體中的流體波和激波 148 8.8.1 可壓縮等離子體介質(zhì)中的波 148 8.8.2 激波的形成與等離子體流動(dòng)效應(yīng) 158 8.8.3 激波的結(jié)構(gòu) 173 8.8.4 等離子體激波物理的拓展回顧 174 參考文獻(xiàn) 177 習(xí)題 178 第9章 等離子體的動(dòng)理學(xué)行為分析導(dǎo)論 180 9.1 等離子體的動(dòng)理學(xué)描述 180 9.2 關(guān)于粒子密度分布函數(shù)的Boltzmann方程和Vlasov方程 181 9.3 Vlasov方程與MHD方程的關(guān)系 182 9.4 等離子體波動(dòng)行為的動(dòng)理學(xué)分析 183 9.4.1 復(fù)雜等離子體中的電子波 185 9.4.2 電磁場(chǎng)橫波 186 9.5 粒子碰撞模型 187 9.5.1 Boltzmann碰撞積分 187 9.5.2 Krook碰撞算子 188 9.5.3 FokkerPlanck碰撞項(xiàng) 188 參考文獻(xiàn) 189 習(xí)題 189 第10章 等離子體的數(shù)值仿真及應(yīng)用概述 190 10.1 引言 190 10.2 MHD仿真 190 10.2. 1MHD模型處理方法 190 10.2.2 MHD的求解方法 192 10.2.3 邊界條件設(shè)置和計(jì)算結(jié)果示例 195 10.3 粒子網(wǎng)格仿真 201 10.3.1 PIC方法及粒子碰撞概述 201 10.3.2 時(shí)間步長(zhǎng)和網(wǎng)格劃分 202 10.3.3 粒子的受力與運(yùn)動(dòng) 203 10.3.4 等離子體碰撞/無(wú)碰撞處理 205 10.3.5 邊界條件和粒子入射條件 208 10.3.6 加速方法的應(yīng)用 210 10.3.7 仿真程序的驗(yàn)證和應(yīng)用算例 212 10.4 粒子流體混合仿真 215 10.4.1 概述 215 10.4.2 粒子流體混合模型和仿真方法 215 10.5 動(dòng)理學(xué)仿真手段 219 10.5.1 基于相空間分裂的半拉格朗日型方程方案 220 10.5.2 無(wú)分裂的歐拉方程型網(wǎng)格方案 221 參考文獻(xiàn) 223 習(xí)題 225 第三部分 等離子體物理應(yīng)用 第11章 等離子體加速與能量轉(zhuǎn)換 229 11.1 引言 229 11.2 穩(wěn)態(tài)一維通道流動(dòng) 229 11.3 黏性作用下的磁流體通道流動(dòng) 231 11.4 超聲速氣體電磁加速的通道流動(dòng) 240 11.5 等離子體相互作用在流動(dòng)控制中的應(yīng)用 242 參考文獻(xiàn) 243 第12章 等離子體推力器 245 12.1 引言 245 12.2 影響等離子體動(dòng)量和能量的電磁項(xiàng) 245 12.3 脈沖等離子體推力器 246 12.4 磁等離子體推力器和附加場(chǎng)磁等離子體推力器 250 12.5 離子推力器（靜電加速） 256 12.6 Hall推力器（靜電及電磁加速） 261 參考文獻(xiàn) 264 第13章 磁壓縮和加熱 267 13.1 引言 267 13.2 動(dòng)力學(xué)（θ）箍縮 267 13.3 沿磁力線的等離子體流動(dòng)（考慮碰撞） 275 參考文獻(xiàn) 277 第14章 波加熱等離子體 279 14.1 引言 279 14.2 等離子體波加熱 279 14.3 無(wú)碰撞加熱——Landau阻尼 280 14.4 空間推進(jìn)裝置中的等離子體波加熱 283 14.4.1 可變比沖磁等離子體動(dòng)力火箭的概念 283 14.4.2 無(wú)碰撞磁膨脹過(guò)程中的等離子體邊界損失 284 14.5 等離子體的激光加熱（θ箍縮） 286 參考文獻(xiàn) 289 第15章 磁約束聚變等離子體 290 15.1 引言 290 15.2 Z箍縮——等離子體參數(shù)及裝置發(fā)展 291 15.3 附加環(huán)形場(chǎng)構(gòu)型——等離子體參數(shù)和裝置發(fā)展 295 15.3.1 托卡馬克 296 15.3.2 反場(chǎng)箍縮 298 15.3.3 仿星器 299 15.4 緊湊型環(huán)流器——等離子體參數(shù)及裝置發(fā)展 301 15.4.1 場(chǎng)反位型 302 15.4.2 球馬克 304 15.5 反應(yīng)堆概念描述 306 參考文獻(xiàn) 307 第16章 空間等離子體環(huán)境與等離子體動(dòng)力學(xué) 310 16.1 引言 310 16.2 太陽(yáng)風(fēng)與地磁等離子體流 311 16.3 地球物理磁層與弓激波 314 16.4 太陽(yáng)風(fēng)與磁層耦合 318 16.5 地球的電離層區(qū) 320 16.6 空間等離子體實(shí)驗(yàn) 322 參考文獻(xiàn) 323 附錄A 單位制換算對(duì)照表 325 附錄B 高斯積分公式 327 習(xí)題 參考答案 328