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1、等离子体物理学导论L6 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命。有生命必有希望必有希望磁场梯度导致各点上的迴旋半径不相同，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，造成漂移现象迴旋运动无法闭合，造成漂移现象课堂思考课堂思考:磁场不均匀磁场不均匀 漂移？根据前面电场漂移？根据前面电场漂移图像绘出非均匀磁场导致的粒漂移图像绘出非均匀磁场导致的粒子漂移图像子漂移图像2.2 非均匀磁场中粒子的运动非均匀磁场中粒子的运动 梯度漂移与磁镜效应梯度漂移与磁镜效应磁场梯度漂移的推导过
2、程：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磁场在空间中的弱不均匀性表示为引导中心近似：引导中心近似：其中其中(忽略二阶小量忽略二阶小量)形式上的外力项形式上的外力项等效外力等效外力具体推导过程略具体推导过程略垂直方向：磁场梯度漂移垂直方向：磁场梯度漂移1.粒子总能量守恒、平行垂直动能互换粒子总能量守恒、平行垂直动能互换 如何理解这一点如何理解这一点?1.粒子平行受力，与磁场梯度方向相反粒子平行受力，与磁场梯度方向相反3.磁场梯度越大、力越大磁场梯度越大、力越大4.到一定时刻，平行方向速度为零，到一定时刻，平行方向速度为零，粒子改变运动方向粒子改变运动方向磁镜反射磁镜反射平行方向
3、平行方向(磁镜反射：磁镜反射：magnetic mirror）磁矩的守恒性：磁矩的守恒性：磁矩在外场中受力：磁矩在外场中受力：根据运动方程亦可证明根据运动方程亦可证明磁镜场对粒子的捕获磁镜场对粒子的捕获（一种磁约束机制）（一种磁约束机制）磁镜反射的条件磁镜反射的条件Q：根据动能守恒：根据动能守恒 磁矩守恒，推导磁镜反射条件？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磁矩守恒：要求粒子垂直动能随B增加增加能量守恒：要求粒子的垂直动能不能随能量守恒：要求粒子的垂直动能不能随B 无限制增加无限制增加 磁镜效应的典型应用磁镜效应的典型应用受控热核聚变实验研究受控热核聚变实验研究约束运动带
4、电粒约束运动带电粒子的磁场分布称为磁镜约束子的磁场分布称为磁镜约束 磁瓶磁瓶线圈线圈线圈线圈高温等离子体高温等离子体损失锥损失锥 the loss cone各向异性速度分布函数各向异性速度分布函数 损失锥不稳定性损失锥不稳定性地球磁层中被地磁场的磁镜效应捕获的地球磁层中被地磁场的磁镜效应捕获的粒子：粒子：Van Allen辐射带辐射带James A.Van Allens discovery in 1958 of the Van Allen Radiation belts surrounding the Earth,using data transmitted by the U.S.Explor
5、er satellite,marked the start of the systematic exploration of the Earths Magnetosphere via satellite,andopened up the field of space plasma physics.“探险者探险者号号”卫星卫星:美国第一个人造卫星美国第一个人造卫星(盖革辐射计数器盖革辐射计数器)Van Allen (1914-2006)“范艾伦带范艾伦带”是空间时代的第一是空间时代的第一个重要天文发现，也为美国进入个重要天文发现，也为美国进入太空时代奠定了基础。范艾伦也太空时代奠定了基础。范艾伦
6、也被人称为带美国跑入空间时代的被人称为带美国跑入空间时代的太空先驱之一。除此，太空先驱之一。除此，“范艾伦范艾伦辐射带辐射带”也衍生出磁层物理这一也衍生出磁层物理这一全新的研究领域。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
7、motions.提示：在磁镜运动参考系中研究粒子速度提示：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加速：高能宇宙线的一种加速机理(镜面反射镜面反射)在一个静态的磁场中，磁场并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，不能与粒子交换能量，但若反射时，“镜面镜面”相互接近，则磁场可传递能量给被捕捉的相互接近，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。粒子，使粒子的能量提高而得到加速。这一机制称为费米（这一机制称为费米（Fermi）加速机制）加速机制(1949)。课堂思考：课堂思考：Q1：试分析：试分析“镜面镜面”相互接近系统如相互接近系统如何传递能量给所捕何传递能量给所捕获的粒子？获的粒子？磁矩不守恒情况：磁矩不守恒情况：太阳风中粒子的磁矩不守恒性太阳风中粒子的磁矩不守恒性太阳风粒子被持续太阳风粒子被持续加热的重要证据加热的重要证据From Marsch,1999,Space Science Reviews