等离子体中的波

如果扰动的振幅在传播过程中不随时间改变，这种扰动称为稳定的等离子体波，否则可能是阻尼波或不稳定波。如果扰动振幅随时间越来越大，最终可将等离子体的平衡形态破坏，这种扰动简称为不稳定性。等离子体中存在热压力、静电力和磁力三种不同的力。它们对等离子体的扰动都能起到准弹性恢复力的作用。热压力能引起声波，静电力能产生静电波，磁力（电磁感应）能引起电磁波。此外，等离子体温度和密度的空间不均匀性可造成粒子漂移，进而激发各种漂移波。等离子体中存在磁场时，磁力线的扰动与等离子体的冻结效应可产生各种磁流体波；磁力线的弯曲和分布的不均匀性也会激发各种漂移波。而且，波与波又会耦合成更为复杂的混合波。在热核聚变研究中，等离子体不稳定性问题、波加热等离子体问题、稳态电流驱动以及等离子体参数的测量，都与等离子体中的波密切相关。等离子体中波动问题的第一种处理方法是等离子体的流体描述法，将等离子体看成由电子和离子组成的导电的连续介质。介质的性质由它的电导率和介质常数来描述。通过确定波的频率和波矢关系（也就是色散关系）来确定等离子体中可能存在的波的全部性质。第二种方法就是利用波的伏拉索夫理论，也就是波的动力理论。以下采用第一种方法来描述等离子体中的波动现象。无磁场时的等离子体中的波　又称非磁化等离子体。朗缪尔振荡　均匀无界的冷等离子体中，如果某处的电子相对于离子发生位移，电中性被破坏，则在该处建立起扰动电场。电场的方向是把这些电子拉回到平衡位置。电子到达平衡位置时动能最大，惯性使电子冲过平衡位置继续运动，引起电荷分离，产生电场。该电场又将电子拉回平衡位置。如此循环往复，电子便以一定频率在其平衡位置附近建立振荡电场。离子的质量比电子的大很多，对电场的变化来不及反应，可看作是不动的，仅提供了均匀的正电荷背景。电子的这种振荡称为朗缪尔振荡或电子振荡。这种振荡只发生在局部，不会传播到别处去。朗缪尔波　等离子体中电子温度不为零时，则以热运动速度流入邻近等离子体区域中的电子能把振荡区域发生的振荡带到邻近的等离子体区域，使邻近的等离子体区域发生振荡而形成波。这种波是纵波，称为电子等离子体波或朗缪尔波，又称空间电荷波。离子朗缪尔波　等离子体中受到低频静电扰动时，电子压强梯度的力可阻挡扰动静电场对它的作用。由于电子质量小，活动很活跃，可近似认为电子呈均匀分布。而离子则通过电荷分离建立电场，在该电场的作用下在其平衡位置产生振荡，通过离子热压力将离子振荡传播出去形成波。如果波长远小于德拜屏蔽长度，则称为离子朗缪尔波，反之则称为离子声波。离子声波　离子声波是波长远大于德拜屏蔽长度的静电波。驱动离子声波的力有离子的热压力和电荷分离的静电力两种。如果电子温度和离子温度接近时，离子声波的相速度近似等于离子的热速度，这时离子与波发生强烈的相互作用，动力学理论证明这时的离子声波是强阻尼的。因此，仅当离子温度远小于电子温度时，离子声波才存在。电磁波　无外加磁场的等离子体中还存在一种横波，波的电场振动方向与波的传播方向相互垂直，这种波是电磁波。这时等离子体中除扰动电场外还有扰动磁场，它们通过电磁感应的方式在等离子体中传播。当波的频率大于等离子体的振荡频率，电磁波在等离子体内传播，反之电磁波不能在等离子体内传播，而要被反射。波不能传播的现象称为波的截止。等离子体振荡频率是电磁波在等离子体内的临界截止频率。截止频率由等离子体密度决定，只要测出波在等离子体中的截止频率，就可确定等离子体的电子密度。垂直于磁场的静电波　有外加磁场的等离子体受到扰动后产生的波动现象，比无外加磁场时要复杂得多。高混杂静电振荡和高混杂波　等离子体受到高频扰动时，离子质量很大可看作不动的正电荷背景，电子的运动是主要的。①冷等离子体情形。等离子体受到高频扰动后，电子受到与离子的电荷分离产生的静电力以及和磁场相互作用产生的洛伦兹力的作用，运动轨道是椭圆。这种扰动只能发生在局部区域，不向外传播，称为高混杂静电振荡。②电子具有一定温度时受到的恢复力，除静电力和洛伦兹力外还有电子的热压力。这种扰动可通过电子的热运动以波的形式传播出去，称为高混杂波，其频率接近电子的回旋频率或等离子体频率。低混杂振荡和低混杂波　等离子体受到低频扰动时，电子总是跟着离子运动以保持电中性。①冷等离子体中低频静电扰动只能限于局部区域，不能传播出去，称为低混杂振荡，它是由于静电力和洛伦兹力联合作用的结果。②具有一定电子温度的等离子体，电子受到的恢复力除了静电力和洛伦兹力以外，还有电子的热压力。这种扰动可以通过电子的热运动传播出去而形成波，称之为低混杂波。对于密度较高的等离子体，低混杂频率介于电子的回旋频率和离子的回旋频率之间。沿垂直于磁场方向传播的高频电磁波高频电磁波在等离子体内沿外加磁场的垂直方向传播时，电磁波中的电场矢量相对于外加磁场方向有二者趋向平行和二者趋向垂直两个趋向。前者称为寻常波；后者称为非寻常波。寻常波　带电粒子在波电场作用下沿磁场方向运动，磁场对粒子的运动及对电磁波都没有影响，因而这种波与无磁场的等离子体中的电磁波是类似的。非寻常波　非寻常波是椭圆偏振波。波的性质将随频率的变化而改变。频率很高的，非寻常波将被等离子体反射。频率与高混杂静电振荡频率相等的，等离子体中出现波的共振，波的能量被等离子体吸收，转变成高混杂静电振荡。频率接近低混杂静电振荡频率时，等离子体内发生共振，波变成等离子体局部区域中的低混杂振荡，并将能量传给等离子体。在热核聚变研究中，低混杂波共振加热等离子体和低混杂波电流驱动是重要的研究课题。沿磁场方向传播的高频电磁波　沿磁场方向传播的高频电磁波是圆偏振波。它也分为两支。其中波电场矢量绕外磁场的旋转方向与离子的回旋方向相同，称为左旋圆偏振波，又称离子回旋波；另一个波电场矢量的旋转方向与电子的回旋方向相同，称为右旋圆偏振波，又称电子回旋波。左旋波的频率与离子的回旋频率相同时，波电场矢量使离子回旋运动发生共振，称为离子回旋共振。离子从波中不断吸取能量而被加热，称为离子回旋共振加热。右旋波的频率与电子回旋频率相等时，波电场将使电子回旋运动发生共振，称为电子回旋共振。电子从波中吸取能量而得到加热，称为电子回旋共振加热。这两种回旋共振加热是热核聚变研究中加热等离子体的有效方法。利用这两种波还可测量等离子体的密度和沿波传播方向的磁场强度。磁流体力学波－阿尔文波　在外磁场存在的情况下等离子体内出现的低频电磁波。低频电磁波的传播方向如果垂直于外磁场的方向，称为磁声波；传播方向如果平行于外磁场方向，则称为阿尔文波。1942年，H.阿尔文首先在理论上提出了在等离子体导电流体中可产生沿磁场方向传播的低频电磁波，故将这种波命名为阿尔文波。热核聚变研究中阿尔文波可用来加热等离子体。