等离子体物理学导论L6节.pptVIP

Introduction to Plasma Physics 等离子体物理学导论 主讲: 陈 耀 第六讲 山东大学空间科学研究院 2009.3 – 2009.6 磁场梯度导致各点上的迴旋半径不相同， 迴旋运动无法闭合，造成漂移现象 课堂思考: 磁场不均匀 ? 漂移？根据前面电场漂移图像绘出非均匀磁场导致的粒子漂移图像 2.2 非均匀磁场中粒子的运动 梯度漂移与磁镜效应 磁场梯度漂移的推导过程： 磁场在空间中的弱不均匀性表示为 引导中心近似： 其中 ? (忽略二阶小量) 形式上的外力项 等效外力 具体推导过程略 垂直方向：磁场梯度漂移 粒子总能量守恒、平行垂直动能互换 如何理解这一点? 粒子平行受力，与磁场梯度方向相反 3. 磁场梯度越大、力越大 4. 到一定时刻，平行方向速度为零， 粒子改变运动方向?磁镜反射 平行方向 ( 磁镜反射：magnetic mirror） 磁矩的守恒性： 磁矩在外场中受力： ? 根据运动方程亦可证明 磁镜场对粒子的捕获 （一种磁约束机制） 磁镜反射的条件 Q：根据动能守恒 磁矩守恒，推导磁镜反射条件？ 磁矩守恒：要求粒子垂直动能随B增加 能量守恒：要求粒子的垂直动能不能随B 无限制增加 ? 磁镜效应的典型应用 受控热核聚变实验研究 约束运动带电粒 子的磁场分布称为磁镜约束 —— 磁瓶 线圈 线圈 高温等离子体 损失锥 the loss cone ?各向异性速度分布函数 ?损失锥不稳定性 地球磁层中被地磁场的磁镜效应捕获的粒子：Van Allen辐射带 James A. Van Allens discovery in 1958 of the Van Allen Radiation belts surrounding the Earth, using data transmitted by the U.S. Explorer satellite, marked the start of the systematic exploration of the Earths Magnetosphere via satellite, and opened up the field of space plasma physics. “探险者Ⅰ号”卫星 : 美国第一个人造卫星 (盖革辐射计数器 ) Van Allen (1914-2006) “范艾伦带”是空间时代的第一个重要天文发现，也为美国进入太空时代奠定了基础。范艾伦也被人称为带美国跑入空间时代的太空先驱之一。除此，“范艾伦辐射带”也衍生出磁层物理这一全新的研究领域。 A dipole magnetic field has a field strength minumum at the equator and converging field lines at the polar regions (mirrors). Particles can be trapped in such a field. They perform gyro, bounce and drift motions. 提示：在磁镜运动参考系中研究粒子速度 的变化，再转换至观察者坐标系 Fermi 加速：高能宇宙线的一种加速机理 (镜面反射) 在一个静态的磁场中，磁场并 不能与粒子交换能量，但若反射时，“镜面” 相互接近，则磁场可传递能量给被捕捉的 粒子，使粒子的能量提高而得到加速。 这一机制称为费米（Fermi）加速机制 (1949)。 课堂思考： Q1：试分析“镜面”相互接近系统如何传递能量给所捕获的粒子？ 磁矩不守恒情况： 太阳风中粒子的磁矩不守恒性 ?太阳风粒子被持续加热的重要证据 From Marsch, 1999, Space Science Reviews