等離子體的不穩定性_等離子不穩定性大致可分為宏觀(guān)不穩定性和微觀(guān)不穩定性?xún)纱箢?lèi)。凡在遠大于粒子回旋半徑和德拜長(cháng)等微觀(guān)尺度上發(fā)展的不穩定區域,統稱(chēng)為宏觀(guān)不穩定;而只在微觀(guān)尺度上發(fā)展的不穩定,稱(chēng)之為微觀(guān)不穩定。
宏觀(guān)不穩定會(huì )引起等離子體的大范圍擾動(dòng),對平衡產(chǎn)生嚴重破壞作用。其主要原因是在等離子體中儲存了過(guò)量的與磁場(chǎng)結合的能量,此外,等離子體的抗磁性等特性也會(huì )導致宏觀(guān)不穩定。在可控熱核聚變裝置中,對約束等離子體而言,這是一個(gè)非常重要的問(wèn)題。
有許多宏觀(guān)不穩定類(lèi)型。除了扭曲不穩定性之外,更重要的還有交換不穩定性,也就是等離子體與受約束的磁揚的位置發(fā)生交換;撕裂模,也就是等離子體被磁場(chǎng)撕裂成細小的束流等等。磁性流體力學(xué)是研究宏觀(guān)不穩定性的常用方法。在這種情況下,能量原理是一個(gè)非常有效的方法,即根據偏離平衡時(shí)的小位移引起的系統勢能變化,判斷平衡是否穩定。該方法尤其適用于具有復雜幾何形狀的磁場(chǎng)。
除了能量原理之外,簡(jiǎn)正模方法是一種常用的分析方法。該方法假定擾動(dòng)量是dq(r,t)=dq(r)-e-iwt。通常求出的w是復數:w=wr+iwi。若wi>0,則擾動(dòng)量振幅隨t而增大,即不穩定,反之wi<0,則系統穩定。
微不穩定性產(chǎn)生的原因很多。由空間引起的不均勻性,如密度、溫度、磁場(chǎng)梯度等,它能引起漂移,并有引發(fā)不穩定的危險。另外一個(gè)原因是速度空間的非均勻性,比如速度,溫度,壓力等向異性。此外,波與波的相互作用等也會(huì )導致微觀(guān)不穩定??偠灾?,偏離熱平衡態(tài)的等離子體具有多余的自由能,必須將其釋放,使其趨于平衡態(tài)。釋放出的自由能可能導致微觀(guān)不穩定性。
具有微觀(guān)不穩定等離子體的特點(diǎn)是漲落現象日益明顯。這種情況常常導致紊流的產(chǎn)生和形成反常的輸運現象。微觀(guān)不穩定的類(lèi)型非常多。主要原因是:二流不穩定,它是由兩束相對流動(dòng)的粒子引起的;漂移不穩定,是由各種梯度引起的漂移運動(dòng)引起的;速度分布的各向異性引起的損失錐不穩定,以及波-波相互作用引起的參量不穩定等。微不穩定理論是以動(dòng)力論為基礎,即從符拉索夫方程出發(fā)研究的。
對于不穩定性的研究,一般采用線(xiàn)性理論,它只能判斷系統是否穩定,有時(shí)還可以給出系統初始時(shí)刻的不穩定性增長(cháng)率。在適當的條件下,當擾動(dòng)振幅增大后,趨于飽和的演化問(wèn)題,需要用非線(xiàn)性理論來(lái)研究。等離子體的不穩定性_00224553