课程大纲

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等离子体物理导论

课程编码:180081070204P2001H 英文名称:Introduction to Plasma Physics 课时:40 学分:2.00 课程属性:专业核心课 主讲教师:马石庄

教学目的要求
等离子体是物质的第四态, 虽遍及宇宙空间, 在地上却不能自然存在。人类在对太空的不懈的探索, 寄厚望于受控热核聚变以解化石能源枯竭之困, 这一切都有赖于等离子体物理学的进展。
本课程是凝聚态物理、粒子物理、天体物理、空间物理、等离子体物理、材料科学与技术、宇航科学与工程、电子与通讯、核物理与技术专业等专业研究生的基础课。
本课程采用国际著名教科书为教材, 讲解等离子体物理学的基本概念及其拓展、基本原理和描述问题和分析问题的基本方法;强调物理概念和原理, 也做必要的数学描述和推导, 为学生的进一步的自主学习勾勒一副知识地图。

预修课程
普通物理学, 高等数学

大纲内容
第一章 等离子体的基本性质 2学时 马石庄
第1节 等离子体: 物质第四态, 温度的概念, 经典等离子体
第2节 基本尺度: Debye长度, 等离子振荡, 等离子体判据
第3节 回旋与漂移:无电场,有限电场 ,单色EM波
第二章 电磁场中的带电粒子 2学时 马石庄
第1节 非恒定电场:空间非均匀电场,时间变化电场,高频电场与有质动力
第2节 非均匀磁场:梯度漂移与曲率漂移,磁镜,导心近似理论
第3节 环型磁场中的带电粒子:磁面,导心的漂移,香蕉粒子
第三章 绝热不变量与相对论粒子 2学时 马石庄
第1节 Lorentz-Einstein摆: 最小作用量原理, 绝热不变量, 正则变换与正则变量
第2节 三个不变量: μ-不变量, 纵向不变量, 磁通量不变
第3节 相对论带电粒子:Lorentz方程,单色EM波电子漂移,均匀磁场中的自共振
第四章 动理学理论与MHD方程 2学时 马石庄
第1节 分布函数: Liouville定理, 普遍动理学方程, 两体相互作用
第2节 矩方程: 连续性方程, 动量守恒方程, 能量方程
第3节 磁流体力学方程: 磁流体模型, BGK方程, 广义Ohm定律
第五章 MHD近似与MHD平衡 2学时 马石庄
第1节 MHD方程: MHD近似, 磁应力张量, 导心理论引出
第2节 电磁感应方程: 磁冻结定理, 拓扑不变量, W?ltjer-Taylor弛豫
第3节 MHD平衡: 维里定理, 无力平衡, 太阳风Parker模型
第六章 磁约束与稳定性 2学时 马石庄
第1节 磁约束平衡: 径向压力平衡, 环向力平衡, Grad-Shafranov方程
第2节 线性稳定性方程: 力方程, 能量原理 , 简正模分析
第3节 理想MHD稳定性: θ箍缩, Z箍缩, 交换不稳定性
第七章 发电机与磁重联 2学时 马石庄
第1节 发电机理论: Cowling定理, Ponomarenko发电机, 平均场发电机
第2节 二维磁重联: 类比模式, 驱动重联, 撕裂膜不稳定
第3节 磁拓扑: 普遍磁重联, 中性点重联, 磁拓扑守恒
第八章 冷等子离体波动 2学时 马石庄
第1节 静电波: 等离子体振荡, 负能波, 混杂振荡
第2节 色散关系: 等离子体中的电磁波, 经典Alfvén波, 压缩Alfvén波
第3节 电磁波动方程: 等离子体介电张量, 垂向电磁波 , 平行电磁波
第九章 温等离子体波动 2学时 马石庄
第1节 Alfvén波: 磁声波, 低频场向电场, 双流体Alfven波
第2节 普遍色散关系: 静电波, 普遍色散关系, 能量守恒
第3节 漂移波: Hasegawa-Mima 方程, 有碰撞漂移波 , 不稳定性
第十章 非磁化热等离体波 2学时 马石庄
第1节 Landau方法: 粒子束流, Vlasov解, Landau方法
第2节 Landau阻尼: 电子波的Landau阻尼, 波-粒传输 , 离子声波Landau阻尼
第3节 动理学稳定性: Gardner定理, Penrose判据, 尾峰不稳定性
第十一章 磁化热等离子体波 2学时 马石庄
第1节 介电张量: 分布函数的演化, 普遍速度分布, 回旋条件
第2节 静电波: 色散关系, Bernstein模, 有限k∥色散: 线性模转换
第3节 动理学稳定性: Weibel不稳定性, 电流驱动不稳定, 漂移波
第十二章 碰撞算子与BBGKY理论 2学时 马石庄
第1节 Landau方程: Coulomb碰撞, 小角度碰撞, Landau方程
第2节 Fokker-Planck方程: Fokker-Planck方程, 试探粒子慢化 , 等离子体电导率
第3节 BBGKY理论: 级次方程组, 单粒子和两粒子 , 无磁场Landau方程
第十三章 等离子体-界面相互作用 2学时 马石庄
第1节 等离子体波导: 表面等离子激元,等离子体柱共振,空间电荷波
第2节 Langmuir探针: 鞘层, Lagnmiur探针,电双层
第3节 Pierce二极放电系统: Pierce 不稳定性,Pierce模型,二极管电流
第十四章 MHD湍流 2学时 马石庄
第1节 各向同性湍流: Kármán-Howarth方程, Kolmogorov模式,拟正态理论
第2节 低维湍流: 涡旋的作用, 二维湍流, 壳模型
第3节 不可压缩 MHD湍流: 3.1 Alfvén波湍流,绝对平衡分布,Kazantsev发电机
第十五章 弱湍流: 波-粒与波-波作用 2学时 马石庄
第1节 拟线性理论: 俘获粒子,精确BGK模解,拟线性方程
第2节 参量不稳定: 耦合振子,两类基本机制,波相互作用类型
第3节 动理学理论: 随机相位近似,相干波湍流,非相关波湍流
第十六章 强湍流: 孤波与坍缩 2学时 马石庄
第1节 孤波: Burgers-KdV方程,离子声孤波,离子束孤子激发
第2节 非线性波方程: 有限振幅演化方程,Schr?dinger方程,调制不稳定性
第3节 Langmuir孤波: Zakharov方程, 自聚焦, 孤波稳定性
第十七章 尘埃等离子体 2学时 马石庄
第1节 尘埃充电: OML理论, 充电过程,尘埃密度的影响
第2节 作用力: 抬升与约束, 离子曳力, 汤川球
第3节 尘埃等离子体波: 晶格波, 微粒层相变, 同号带电粒子间引力
第十八章 激光-等离子体 2学时 马石庄
第1节 相对论光学:
第2节 有质动力: 单个粒子,集体有质动力,自聚焦和成丝
第3节 激光等离子体: 碰撞电离,辐射阻尼
第十九章 量子等离子体 2学时 马石庄
第1节 经典与量子: 量子效应, 特征尺度, 能量耦合参数
第2节 Wigner–Poisson 系统: Wigner函数, Hartree平均场近似, 静电量子等离子体
第3节 QHD方程: 量子Dawson模式, QHD方程, 简并等离子体
第二十章 等离子体辐射 2学时 马石庄
第1节 自由电子: 辐射场,回旋辐射,辐射传输
第2节 辐射过程: 同步辐射,韧致辐射,量子力学修正
第3节 散射过程: 散射截面,非相干散射,相干散射

教材信息
1、 Introduction to Plasma Physics and Controlled Fusion,3rd Edn. Chen F. Francis 2019年3月 Springer

参考书
1、 Plasma Physics: An Introduction to Laboratory Space,and Fusion Plasmas Alexander Piel 2018年5月 Springer
2、 物理动理学 Е.М.栗弗席兹 Л.П.皮塔耶夫斯基 2007年12月 高等教育出版社
3、 Unifying Physics of Accelerators Lasers and Plasma Andrei Seryi 2023年3月 CRC Press
4、 Fundamentals of Plasma Physics J. A. Bittencourt 2010年9月 Springer
5、 Principles of Plasma Diagnostics (2nd edition) I. H. Hutchinson 2005年7月 Cambridge University Press

课程教师信息
马石庄,理学博士,教授,博士生导师; 1999年底执教中国科学院研究生院,2000年至今,先后主讲“地球流体力学”,“地球科学反演理论与实践”,“应用偏微分方程与科学计算”和“等离子体物理学”等十余门课程; 获得首届“我最喜爱的研究生课程主讲教师”和“导师培训优秀授课教师”称号。