补充资料：等离子体中的波和不稳定性

等离子体中的波和不稳定性
Waves and instabilities in plasmas

率的磁流体或阿耳芬波。磁场所穿过的导电介质的一个重要性质是，对于与阻滞(碰撞)时间相比是很快发生的横向运动来说，磁通量在介质中会维持恒定。实际上，磁力线承载着等离子体的质量，因此此低频电磁波沿场方向的传播会减慢，很像在一根弦线上系以间距很近的重量会使沿弦传播的波减慢一样。这里“重量”是等离子体的离子(和电子)，“弦线”是磁力线。 离子和电子回旋波当波频率朝向离子回旋频率(ii)增加时，阿耳芬波分为两个圆偏振波，一个以与离子相同的方向转动，另一个以相反的方向转动，即以电子的转动方向。前者称为离子回旋波，它以低于离子回旋频率的频率传播。当驱动频率趋于离子回旋频率时，波的群速(能量传播速度)会趋于零，而此波就变为高度色散的了。后者称为电子回旋波，因为它可用于解释电离层研究中观察到的哨声现象，所以特别有趣。哨声是一系列断续的、自然发生的低频射电波，在地球表面上所观察到的是音调逐渐下降的声频音。这些由闪电发射的波向上导人电离层，然后回到远离发源点的地球表面的另一点，在该点那些离开发射位置的磁力线又回到地面。探测到音调迭降的声频音(哨)可由下列事实解释:波列的能量传播速度(群速)是频率的函数，较高频率的群速较大，所以较早到达。 刚才描述的阿耳芬波以及离子和电子回旋波的所有显著的性质，都可以从关于这些模式的通用波传播方程推得。对于像上述一类的平行于磁力线的传播，其情况可通过在有关频率处等离子体的有效介电常量K的表达式来描述。波的相速v，~。/k与K的关系为六丫灭~一k。/。一。/v，.传播要求。，是实数，即K是正数，群速由vg一d。/dk给出，也就是波的能量传播速度。对于上述两种波，介电常量的表达式为K，，，=1一2(。干aJ+)(田士。一)(l)式中上面的正负号对应于离子回旋波，下面的对应于电子回旋波。这里。+和。一分别为离子和电子回旋频率的数值。等离子体频率的方均值佛+(。弘+磷『)/2，但由于离子质量风比电子质量m，大很多，所以磷幻aJ乡/2。从式(1)可见，离子回旋波(K，>0)的传播只在。>aJ十(除。>。，的很高频率外)时才有可能。然而，电子回旋分支(哨声模式)对于。<。一的一切频率都可传播，即使。，》。一也是如此。在此情形和。一》。》。十时，式(l)简化为等离子体来提供。首先考虑电子和离子都很“冷”，以致其热运动可以忽略的那种极限情形。如果电子气体相对离子气体向右位移无限小的量占x，则量值为。一(从。)占x的表面电荷密度将出现在表面上，左表面上的电荷为正，右表面上的为负。这些电荷层将在等离子体内部产生其大小为 E=。/c。=(二，e/c。)七 (国际单位制)(12)的电场。所以对于每个移位的电子所作用的回复力为 F=E。一一(n，eZ/。。)衍。(13)因此，这种力将产生加速度为波的相速度，而速度略快于波速的电子会慢下来，所以这两种电子在稳定相上都趋向于被俘获(相位聚束)。如果v~v，，较慢的粒子比较快的粒来得多(即af/而}。，0，则可以发生与积分的总值有关的波增长。波增长对应于不稳定性，因为开始射人等离子体中的检验波当其传播时会指数式地增长。对这种现象将与等离子体不稳定性一起加以更详尽的讨论。参阅“色散关系”(dispersion relations)条。 对于电子为麦克斯韦分布的情形，f0一exp〔一(。上2+。声“)/。。

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