環形電漿

環形電漿中的帶狀流存在兩個分支：低頻帶狀流和測地聲模。約束電漿的一種好的形式為帶剪下的環形螺旋督磁力線，這種環形約束裝置稱托卡馬克。

基本介紹

• 中文名：環形電漿
• 外文名：peripheral plasma
• 套用學科：能源工程
• 範疇：工程技術

環形電漿位形

軸對稱系統的磁面

在處理環形聚變電漿平衡時，一般可採用磁流體模型。其平衡方程是

其中 和 分別為動力壓強和電流密度。在軸對稱情形，用柱坐標將上式寫成分量形式

從上面第二式可得到 ，或者說在 （子午面內）電流與磁場的投影同向（或方向相反）。所以電流所在面與磁場所在面重合。但在這一面上，它們一般不重合，而有一夾角，使得滿足上述平衡方程。從這一方程可知， 垂直於這一面，所以 就是此面。這樣的曲面稱為磁面。根據一項 提出的定理，處處非零的向量場必然處在一環拓撲面上。在托卡馬克位形中，磁面結構是套在一起的拓撲環面。其中最裡面的退化為磁軸。由於磁面上的輸運遠遠大於垂直於磁面的輸運，一般磁面上的電子溫度和電子密度也相等。

對於一個環拓撲但不是軸對稱的系統如仿星器，也可定義電流和磁場所在的面為磁面。但是沒有定理顯示，一定處處存在磁面。

對於不存在電流的真空磁場，如在仿星器里，如果不存在電漿，可以在一極向截面選擇任意點，從這點出發沿磁力線多次繞環向返回這一截面所得交叉點的軌跡就是磁面。存在確定磁面的條件是存在極向磁場。一個純環向場就沒有確定的磁面。

磁通和磁面量

準確描述磁面的物理量是極向磁通。它可理解為一個封閉環形磁面內的總的極向磁通量，定義為

曲面 是一個環帶，一側為磁軸（ ），另一側在磁面上（圖1）。前一式適用於環拓撲，後一式僅適用於軸對稱。實際上，磁通可任意加減一個常量而不改變物理問題性質，所以我們可視方便令任意磁面上的磁通為零，也就是說上述積分從這個磁面開始。

用磁通 對磁面定量描述。我們說某物理量為磁面量時，與說它是 的函式一個意義，如動力壓強 。我們使用磁通的這個定義時，常常在公式中出現 。為簡單起見，常使用另一磁通定義（約化磁通）

現在我們求極向磁通的全微分。考察兩個距離非常近的磁面（圖2），令一個的極向磁通為零，用 式子的第一個求另一個的磁通，實際上就是求兩個磁面間的磁通。

環形電漿內的粒子運動

熱運動和漂移運動

在環形磁場位形中，帶電粒子做兩種運動，即無隨機的熱運動和在電場下的漂移運動。我們假設電漿的電子溫度 ，電子的平均熱運動速度是

我們假設電漿的截面為 ，電漿電流為 。則電流密度 。再設電子密度 為 ，則電子漂移速度

一般來說，電子在電場中的漂移速度比其熱運動速度小得多。所以我們首先可暫不考慮其漂移運動。

約束粒子和飛越粒子

托卡馬克有足夠強的環向磁場，帶電粒子滿足絕熱條件。環向磁場與大半徑成反比分布，外弱內強。部分粒子從外側向內側運動時，就會被強磁場反射。它們在上下兩個強場反射點間往返運動，不能達到環內側。它們在環向也作往返運動，不能持續繞大環運動。這樣的粒子稱為約束粒子。當然也有一部分粒子能越過環內側磁場最強點而環繞小截面也環繞大環在一個方向持續運動，稱為飛越粒子。通過碰撞和其它作用，兩種粒子可以相互轉換。