等离子体物理学导论(原书第三版)

1星价 ¥121.0 (7.2折)

2星价￥121.0 定价￥168.0

作者：（美）Francis F. Chenaf

出版社：科学出版社

本类榜单：自然科学

分类：自然科学 > 物理学

暂无评论

图文详情

ISBN：9787030711397
装帧：一般胶版纸
册数：暂无
重量：暂无
开本：B5
页数：424
出版时间：2022-03-01
条形码：9787030711397 ; 978-7-03-071139-7

本书特色

适读人群：物理、电子、电气等学科的高年级本科生、研究生和等离子体相关的科研工作者一本为等离子体物理学初学者写的书。相较于第二版，第三版增加了近30年来等离子体物理学取得了很多进步，比如尘埃等离子体和等离子体加速器、国际热核聚变实验堆(ITER)、劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的国家点火装置(NIF)等的介绍。

内容简介

等离子体技术是推动高技术发展和传统工业升级改造甚至改变世界的动力源泉之一。本书围绕等离子体技术的聚变应用，介绍了等离子体基本概念、微观的单粒子运动基础理论、宏观的流体力学基础理论、波动与输运现象、平衡与稳定性现象、动理学理论与阻尼现象，以及鞘层等其他非线性现象。为了拓宽读者视野，本书还介绍了非中性等离子体、固态等离子体、尘埃等离子体、空间等离子体、大气压等离子体等重要的特殊等离子体类型，并给出了等离子体在聚变、半导体刻蚀、航天器推进等领域的应用实例。

目录
译者序
前言
第1章绪论 1
1.1 等离子体在自然界的存在 1
1.2 等离子体的定义 2
1.3 温度的概念 3
1.4 德拜屏蔽 7
1.5 等离子体参量 9
1.6 等离子体判据 10
1.7 等离子体物理学的应用 11
1.7.1 气体放电(气体电子学) 11
1.7.2 受控热核聚变 12
1.7.3 空间物理学 12
1.7.4 现代天体物理学 13
1.7.5 MHD能量转换和离子推进 13
1.7.6 固态等离子体 14
1.7.7 气体激光器 14
1.7.8 粒子加速器 15
1.7.9 工业等离子体 15
1.7.10 大气压等离子体 15
第2章单粒子运动 17
2.1 引言 17
2.2 均匀E场和B场 17
2.2.1 E=0 17
2.2.2 有限E场 19
2.2.3 重力场 21
2.3 非均匀B场 23
2.3.1 B：B梯度漂移 23
2.3.2 弯曲B场：曲率漂移 24
2.3.3 B：磁镜 25
2.4 非均匀E场 30
2.5 随时间变化的E场 32
2.6 随时间变化的B场 34
2.7 导向中心漂移总结 35
2.8 绝热不变量 36
2.8.1 **个绝热不变量? 36
2.8.2 第二个绝热不变量J 37
2.8.3 第三个绝热不变量? 40
第3章作为流体的等离子体 43
3.1 引言 43
3.2 等离子体物理学与普通电磁学的关系 43
3.2.1 麦克斯韦方程组 43
3.2.2 磁性材料的经典处理 44
3.2.3 电介质的经典处理 45
3.2.4 等离子体的介电常数 46
3.3 流体运动方程 47
3.3.1 随体导数 47
3.3.2 压力张量 49
3.3.3 碰撞 52
3.3.4 和普通流体动力学的比较 52
3.3.5 连续性方程 53
3.3.6 状态方程 53
3.3.7 完整的流体方程组 54
3.4 垂直于B的流体漂移 55
3.5 平行于B的流体漂移 60
3.6 等离子体近似 61
第4章等离子体中的波 63
4.1 波的表示法 63
4.2 群速度 64
4.3 等离子体振荡 65
4.4 电子等离子体波 69
4.5 声波 75
4.6 离子波 76
4.7 等离子体近似的有效性 77
4.8 离子波和电子波的比较 78
4.9 垂直于B的静电电子振荡 80
4.10 垂直于B的静电离子波 85
4.11 低混杂频率 88
4.12 B0=0的电磁波 89
4.13 实验应用 91
4.14 垂直于B0的电磁波 95
4.14.1 寻常波，E1||B0 95
4.14.2 非寻常波，E1B0 96
4.15 截止和共振 98
4.16 平行于B0的电磁波 100
4.17 实验结果 102
4.17.1 哨声模 102
4.17.2 法拉第旋转 103
4.18 磁流体波 106
4.19 磁声波 110
4.20 基本等离子体波小结 112
4.21 CMA图 113
第5章扩散和电阻率 121
5.1 弱电离气体中的扩散和迁移 121
5.1.1 碰撞参数 121
5.1.2 扩散参数 122
5.2 扩散引起的等离子体衰减 123
5.2.1 双极扩散 123
5.2.2 平板中的扩散 125
5.2.3 柱体中的扩散 127
5.3 稳态解 128
5.3.1 恒定电离函数 128
5.3.2 平面源 129
5.3.3 线源 129
5.4 复合 129
5.5 横越磁场的扩散 131
5.5.1 横越B的双极扩散 133
5.5.2 实验检验 134
5.6 全电离等离子体中的碰撞 136
5.6.1 等离子体电阻率 137
5.6.2 库仑碰撞的机理 138
5.6.3 的物理意义 140
5.6.4的值 141
5.6.5 脉冲电流 142
5.7 单流体MHD方程 142
5.8 全电离等离子体的扩散 144
5.9 扩散方程的解 146
5.9.1 时间依赖关系 146
5.9.2 与时间无关的解 146
5.10 玻姆扩散和新经典扩散 147
第6章平衡和稳定性 154
6.1 引言 154
6.2 磁流体平衡 155
6.3 β的概念 156
6.4 磁场向等离子体中的扩散 158
6.5 不稳定性的分类 161
6.5.1 流动不稳定性 161
6.5.2 瑞利-泰勒不稳定性 161
6.5.3 普适不稳定性 162
6.5.4 动理学不稳定性 162
6.6 双流不稳定性 162
6.7 “重力”不稳定性 166
6.8 阻性漂移波 169
6.9 威布尔不稳定性 172
第7章动理学理论 174
7.1 f(v)的含义 174
7.2 动理学方程 178
7.3 流体方程的推导 182
7.4 等离子体振荡和朗道阻尼 184
7.5 朗道阻尼的含义 188
7.5.1 电子束动能 191
7.5.2 初始条件的影响 194
7.6 朗道阻尼的物理推导 195
7.6.1 共振粒子 199
7.6.2 两个“悖论”的消除 200
7.7 BGK模和范坎彭模 200
7.8 实验验证 201
7.9 离子朗道阻尼 204
7.9.1 等离子体色散函数 205
7.9.2 离子波及其阻尼 206
7.10 磁场的动理学效应 210
7.10.1 热等离子体介电张量 211
7.10.2 回旋阻尼 212
7.10.3 伯恩斯坦波 213
第8章非线性效应 219
8.1 引言 219
8.2 鞘层 221
8.2.1 鞘层的必然性 221
8.2.2 平面鞘层方程 221
8.2.3 玻姆鞘层判据 223
8.2.4 蔡尔德-朗缪尔定律 224
8.2.5 静电探针 225
8.3 离子声激波 227
8.3.1 萨格捷夫势 227
8.3.2 临界马赫数 230
8.3.3 波陡化 231
8.3.4 实验观测 232
8.3.5 电双层 233
8.4 有质动力 233
8.5 参量不稳定性 236
8.5.1 耦合振荡器 236
8.5.2 频率匹配 237
8.5.3 不稳定性阈值 240
8.5.4 物理机理 241
8.5.5 振荡双流不稳定性 243
8.5.6 参量衰减不稳定性 245
8.6 等离子体回波 248
8.7 非线性朗道阻尼 251
8.8 非线性等离子体物理学方程 253
8.8.1 KdV方程 253
8.8.2 非线性薛定谔方程 257
8.9 重联 266
8.10 湍流 268
8.11 鞘层边界 272
第9章特殊等离子体 274
9.1 非中性等离子体 274
9.1.1 纯电子等离子体 274
9.1.2 实验 275
9.2 固态超冷等离子体 276
9.3 离子对等离子体 277
9.4 尘埃等离子体 279
9.4.1 尘埃声波 282
9.4.2 尘埃离子声波 284
9.5 螺旋波等离子体 285
9.6 空间等离子体 288
9.7 大气压等离子体 289
9.7.1 介质阻挡放电 290
9.7.2 射频铅笔型放电 290
第10章等离子体的应用 292
10.1 引言 292
10.2 聚变能 293
10.2.1 箍缩和脉冲功率 295
10.2.2 磁镜 300
10.2.3 反场位形 304
10.2.4 仿星器 305
10.2.5 托卡马克 308
10.2.6 球马克和球形托卡马克 318
10.3 等离子体加速器 321
10.4 惯性聚变 326
10.4.1 玻璃激光器 326
10.4.2 氟化氪激光器 330
10.5 半导体刻蚀 331
10.6 航天器推进 336
10.6.1 一般原理 336
10.6.2 推进器类型 337
10.7 日常生活中的等离子体 340
附录A 单位、常量、公式与矢量关系 341
附录B 均匀冷等离子体波理论 345
附录C 3小时期末测试样例 350
附录D 部分习题答案 355

展开全部

节选

第1章　绪论 1.1　等离子体在自然界的存在现在人们认为，宇宙是由69%的暗能量、27%的暗物质和1%的普通物质等所组成。我们所能看到的天空中的所有物质都仅是普通物质的一部分，这种普通物质处于等离子体状态，并且能够发出辐射。物理学中的等离子体(plasma)，不能将其误解为血浆(blood plasma)，它是一种“电离”的气体，其中至少有一个电子已经脱离原子，留下被称为离子的带正电的核。等离子体有时还被称为“物质第四态”。当固体被加热，会变成液体；当液体被加热，会变成气体；进一步加热，气体会被电离成等离子体。由于等离子体由带电的离子和电子组成，电场无处不在，所以粒子间的“碰撞”不仅仅发生在它们相遇时，即使它们相距很远，只要能“感受”到电场的存在，也可以发生“碰撞”。流体动力学被用于描述水管中或比赛中快艇周围的水流、飞机机翼周围的气流，它已经足够复杂了。相比而言，增加了电场作用的等离子体大幅扩展了运动情况的范围，更不用说同时存在磁场的情况，描述起来更加复杂。等离子体通常仅能在真空中存在，这主要是因为空气会冷却等离子体，导致离子和电子复合成为普通中性原子。在实验室中，需要从真空室抽出空气来维持真空；而在太空的真空中，大部分气体处于等离子体态，可以被我们观察到。恒星内部及其大气层、气体星云甚至整个银河系能被我们观察到，就是因为它们处于等离子体态。然而在地球上，大气层环境使得我们能体验到的等离子体为数不多，如闪电的闪光、北极光(aurora borealis)的柔光、荧光灯管和等离子体电视像素单元的发光。我们所生活的环境只是宇宙很小的一部分，其中等离子体无法天然存在；否则，我们将无法生存。从萨哈方程(Saha equation)可以看到上述论点的理由，由该方程可得处于热平衡的气体的电离量为 (1-1) 其中，和分别为已电离原子(即离子)和中性原子的密度(每立方米的粒子数)；T为气体温度(单位为)；为玻尔兹曼常数；为气体的电离能——使*外层电子离开原子所需的能量(本书采用mks单位制或者国际单位制)。对于室温下的普通空气，选取(见习题1-1)，(氮原子)，其中。根据式(1-1)计算的电离度，微乎其微：当气体温度升高时，在达到Ui的几分之一之前，气体的电离度一直都很小。之后急剧增大，气体就会处于等离子态。进一步升高温度，会使低于，等离子体*终会完全电离。这就是在温度达百万度的天体中存在等离子体，而地球上不存在等离子体的原因。生物很难与等离子体共存——至少不能与我们讨论的这种等离子体共存。等离子体之所以被称为“物质第四态”，就是因为它在高温下能够自然存在。虽然并不打算深入说明萨哈方程，然而我们应当指出它的物理意义。气体中原子的热能满足一定分布，当原子偶然受到一次高能(足够轰击出一个电子)碰撞时，原子就被电离。在冷气体中，一个原子必须通过一系列“有利的碰撞”才被加速到远高于平均值的能量，因此这种高能碰撞很少发生。式(1-1)中的指数因子表示高速原子数目随的增加呈指数级下降。一旦一个原子被电离，它就保持带电，直到遇到一个电子时为止；那时它极可能与一个电子复合而再次变成中性原子。复合速率显然依赖于电子密度，可认为电子密度与相等。所以平衡态的离子分数应当随减少，这就是式(1-1)右边出现因子的原因。星际媒质中能存在等离子体，归功于值低(大约每立方厘米一个)，使得复合速率低。 1.2　等离子体的定义当然，并不是任何电离的气体都能被称为等离子体；任何气体中总会存在某种小程度的电离。下面是一个比较准确的定义：等离子体是带电粒子和中性粒子组成的表现出集体行为的准中性气体。现在，我们必须确定“准中性”(quasineutral)和“集体行为”(collective behavior)的含义。准中性的含义将在1.4节详细地阐述。“集体行为”的含义如下：考虑作用在一个分子(比如普通空气的一个分子)上的力。由于分子是中性的，分子上不存在电磁力，重力也是可以忽略的。那么，在这个分子与另一个分子碰撞前，它将不受干扰地运动，只有这些碰撞支配粒子的运动，作用在中性气体上的宏观力(像扬声器产生的声波)将通过碰撞传给单个原子。在有带电粒子的等离子体中，情况就完全不同。当这些电荷到处运动时，它们能引起正电荷或负电荷的局部集中，就产生了电场。同时电荷的运动也会产生电流，因而引发磁场。这些场会影响远处其他带电粒子的运动。考虑等离子体中相距为r的两个带电区域的相互影响(图1-1)。在A和B之间的库仑力随的减小而减小。然而，对于给定的立体角(即/r)，在B中能影响A的等离子体体积随增加而增加。所以，相距很远的等离子体单元也能互相施加作用力。这个长程库仑力导致等离子体中存在种类繁多的运动，同时也丰富了等离子体物理学的研究领域。其中*有意义的结果是“无碰撞”等离子体部分，此时，长程电磁力远大于普通局部碰撞作用力，以致后者可以被完全忽略。“集体行为”指的是运动不仅取决于局部条件，而且也取决于远距离区域等离子体的状态。图1-1 等离子体中静电力长程性的图示等离子体这个词乍看起来像是一个误称，它来自希腊文π，本义为被塑造或制造的东西。由于集体行为，等离子体并不趋于顺从外界影响，而常常表现出似乎有其自身的秉性。 1.3　温度的概念在进一步讨论问题以前，应回顾并扩展对“温度”这一物理概念的认识。处于热平衡的气体中具有任意速度的粒子，这些速度的*概然分布称为麦克斯韦分布。为简单起见，考虑一种气体，其粒子只在一维上运动(这并非毫无价值，如强磁场可约束电子使之只能沿着磁力线运动)。一维的麦克斯韦分布由下式给出： (1-2) 其中，是速度在u到u之间每立方米(单位体积)内的粒子数；是动能；K是玻尔兹曼常数图1-2 麦克斯韦速度分布注意：这里用大写K表示玻尔兹曼常数，而小写k为波的传播常数。密度n(每立方米的粒子数)由下式给出(图1-2)： (1-3) 常数A与密度n的关系为(习题1-2) (1-4) 分布的宽度由常数T来表征，称之为温度。为了了解T的确切意义，可以计算这个分布中粒子的平均动能： (1-5) 定义 (1-6) 式(1-2)可写为式(1-5)可写为可用分部积分法求出分子中的积分：约去积分后，可得 (1-7) 于是，平均动能为KT。很容易将这个结果推广到三维，则麦克斯韦分布为 (1-8) 其中 (1-9) 平均动能是注意到由于麦克斯韦分布是各向同性的，该表达式对u、v和w是对称的。因此分子中三项的每一项都与其他项相同。那么只需要计算**项并乘以3，则有采用前面的结果，可得 (1-10) 更一般的结果为：每个自由度的平均动能等于。由于T和是紧密相关的，所以在等离子体物理学中，温度通常用能量单位来表示。为了避免在所包含维数上发生混淆，不用而用对应于的能量来表示温度。对于则换算因子为 (1-11) 一个的等离子体指的是其KT =，或者说在三维(空间)中。有趣的是，等离子体能同时具有几个温度。离子和电子经常服从于不同温度的独立麦克斯韦分布。这是因为离子之间或电子之间的碰撞速率大于离子和电子之间的碰撞速率。这样，每一种粒子能处于自身的热平衡中，而等离子体也许不能持续足够长的时间以使两个温度相等。当存在磁场B时，连单一种类粒子(如离子)都可能有两个温度。这是因为沿着B作用在离子上的力与垂直B作用在离子上的力是不同的(由于洛伦兹力)。这样，垂直于B和平行于B的速度分量可能属于具有温度的不同麦克斯韦分布。在结束对温度概念的讨论之前，我们应当消除一种流行的错误观念，即高温度必然意味着大量的热。人们在听到荧光灯管内电子温度大约是20000K时，通常感到惊讶。“啊！并不感到那么热呀！”。当然，还必须考虑热容量。在荧光管内的电子密度远低于大气压下的气体密度，电子以它们的热速度轰击器壁而传递到器壁的总热量，并不是那么大。每个人都有这样的经验，香烟灰落在手上不伤手。虽然其温度高到足以引起燃烧，但包含的总热量是不大的。很多实验室的等离子体具有1000000K(100eV)量级的温度，但密度只有，因此并不需要重视器壁发热的问题。习题 1-1　在下列条件下，计算理想气体的密度(以m-3为单位)： (1) 在0℃、760Torr(1Torr = 1mmHg)压强下的密度。这被称为洛施密特常量(Loschmidt number)。 (2) 在室温(20℃)、真空度Torr()下的密度。这是实验人员所熟知的一个有用的数。 1-2　对于归一化的一维麦克斯韦分布推导常数A，使提示：为了简便，用代替(式(1-6))。 1-2a(进阶题)　请推导出二维麦克斯韦分布的归一化常数A。用柱坐标来求解可加分。

作者简介

原作者介绍：陈凤翔（Francis F. Chen）先生是美国加州大学洛杉矶分校电气工程系的荣誉教授。他是一位在等离子体实验和理论两个方面深耕六十多年的资深物理学家，在磁约束聚变、激光约束聚变、等离子诊断学、基础等离子体物理和低温等离子体物理等各个分支领域都开展过十年左右的研究。大多数等离子体领域的学生都熟悉他编著的教科书《等离子体物理学导论》（国内译名）。陈教授1929年出生于中国广州，分别于1950年、1953年、1954年获得美国哈佛大学的物理学学士、硕士和博士学位。毕业后先后在美国普林斯顿大学、加州大学洛杉矶分校任教。1968年当选美国物理学会会士，1995年获得美国物理学会的等离子体物理麦克斯韦奖。译者介绍：李永东，教授、博士生导师，西安交通大学电子与信息学部副主任（兼学部党委副书记），多功能结构与材料教育部重点实验室副主任，等离子体与微波电子学（创新）研究所副所长。从事微波功率传送相关的微波产生、传输与发射技术研究。主持完成国家自然科学基金重点项目、国家重大专项课题、973、863等科研项目课题近30项。研制微波与等离子体电子学领域工业应用软件UNIPIC、MSAT、SOS2d等。在国内外期刊上发表学术论文100 余篇，获省部级科技进步二等奖2项、软件著作权10余项、授权国家发明专利10余项。

本类五星书