Plasma Physics Via Computer Simulation pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Taylor & Francis

作者:C.K. Birdsall

出品人:

页数:504

译者:

出版时间:2004-10-01

价格:USD 79.95

装帧:Paperback

isbn号码:9780750310253

丛书系列:

图书标签:

• 英文
• 物理
• science
• Plasma Physics
• Computer Simulation
• Computational Physics
• Plasma Simulation
• Physics
• Astrophysics
• Space Physics
• Numerical Methods
• Scientific Computing
• Fusion Energy

好的，下面是一份关于“等离子体物理学通过计算机模拟”这本书的详细简介，内容将聚焦于该领域的核心概念和应用，而不涉及具体的教材结构或内容，旨在提供一个专业、深入的概述。 等离子体物理学：理解与模拟的桥梁 等离子体，被誉为物质的“第四态”，是宇宙中最为普遍存在的物质形态。从太阳的炽热核心到地球磁层中流动的带电粒子流，再到我们日常生活中接触的霓虹灯和核聚变反应堆，等离子体无处不在。然而，由于其固有的复杂性——宏观流体行为与微观粒子动力学之间的耦合，以及非线性、时空尺度差异巨大的特性——对等离子体的深入理解和精确预测一直是物理学领域的一项重大挑战。 本书旨在系统地探讨等离子体物理学的基本原理，并强调现代计算工具在解决这些复杂问题中的不可或缺的作用。等离子体不仅仅是高温的、电离的气体；它是一个由带电粒子组成的、具有集体行为的介质。其独特的物理性质源于库仑相互作用和洛伦兹力的支配，导致了诸如磁流体动力学（MHD）现象、波动、不稳定性以及湍流等复杂行为。 核心理论框架：从基础到前沿 要驾驭等离子体物理学的广阔领域，必须建立在坚实的理论基础之上。本书将首先深入剖析描述等离子体动力学的基本方程组。这包括从玻尔兹曼方程到流体模型（如两流体模型和单流体MHD）的推导和适用性分析。理解这些方程的内在结构，特别是它们如何耦合了电磁场与粒子输运，是后续所有研究的基础。 一个核心的关注点是输运过程。在真实的等离子体环境中，如托卡马克内部或空间等离子体中，粒子、能量和动量的输运往往受到强磁场的显著影响。碰撞输运（基于经典碰撞理论）提供了基线理解，但对于许多低碰撞或高温等离子体，有效输运，特别是受湍流驱动的输运，才是决定系统性能的关键。对湍流的深入研究，包括其谱结构、相关性以及如何影响能量耗散和约束，是当代等离子体研究的前沿。 波动与稳定性：等离子体的集体行为 等离子体具有丰富的波动谱，从离子声波、电子等离子体波到阿尔芬波和磁声波，这些波动是粒子与场相互作用的直接体现。本书将详述这些波的色散关系、传播特性及其线性稳定性分析。理解等离子体如何自发地产生或支持特定的波动模式，对于解释能量如何被加速或耗散至关重要。 此外，不稳定性是等离子体物理中的核心概念。从磁流体不稳定性（如瑞利-泰勒不稳定性、挠曲不稳定性）到微观粒子不稳定性（如漂移波、电子回旋不稳定性），这些不稳定性可以驱动系统偏离平衡态，并可能导致能量和粒子的大尺度损失。系统地分类和分析这些不稳定性，是设计稳定、高约束等离子体系统的先决条件。 计算模拟：从理论到实际的桥梁 理论推导往往受限于简化假设，而实际的等离子体系统（如聚变装置或太阳风）的几何复杂性和非线性特征，使得解析解几乎不可能获得。因此，计算机模拟成为检验理论、探索新现象和指导实验设计的关键工具。 本书将聚焦于几类主要的模拟范式，每种范式都有其特定的优势和适用范围： 1. 粒子模拟（Particle-in-Cell, PIC）：PIC方法直接追踪大量代表性粒子的轨迹，并计算它们产生的电磁场。这种方法在描述微观尺度下的非热分布函数、回旋运动以及依赖于粒子统计效应的现象（如电子加速和波粒相互作用）时具有无与伦比的优势。例如，在研究静电等离子体湍流或静电加速机制时，PIC模拟是首选工具。 2. 流体模拟（Fluid Models）：对于宏观尺度的、碰撞占主导地位的系统，或者需要快速模拟大系统演化的场景，流体模型更为高效。这包括基于MHD方程的模拟，用于研究大尺度磁场重联、磁层动力学或聚变反应堆中的等离子体位形。高级的流体模型，如两流体模型或包含热力学驱动项的模型，可以更精细地捕捉电离和能量平衡。 3. 矩展开方法与分布函数模拟：对于需要捕捉粒子分布函数细节但又希望避免PIC高计算成本的场景，矩展开方法（Moment Methods）或直接求解玻尔兹曼方程（如Vlasov-Fokker-Planck求解器）提供了中间的解决方案。这些方法在研究微观不稳定性饱和机制和分布函数演化方面尤为重要。 模拟的应用领域 计算模拟的应用横跨了等离子体物理学的各个重要分支： 空间与天体等离子体：模拟磁层中的磁重联事件，研究太阳耀斑的能量释放过程，以及理解太阳风与行星际磁场的相互作用。 聚变等离子体：模拟托卡马克内部的边缘局域模（ELMs）、芯部湍流对能量约束的影响、以及等离子体启动阶段的非理想效应。计算工具被用于优化磁场构型，以期实现更长时间、更高功率的聚变反应。 工业等离子体：在等离子体刻蚀、薄膜沉积等微电子应用中，模拟等离子体鞘层结构、射频功率耦合效率以及反应物种的输运，以实现对工艺参数的精确控制。 惯性约束聚变（ICF）：模拟激光与靶丸相互作用，包括能量沉积、流体力学不稳定制约以及最终的点火过程。 通过对这些计算方法的深入介绍，本书旨在培养读者不仅能理解等离子体物理的现象，更能掌握利用先进数值技术来定量分析和预测这些复杂系统的能力。这门学科的未来，必然是理论洞察与强大计算能力的深度融合。

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