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出版者:

作者:Hammer, David A. (EDT)/ Kusse, Bruce R. (EDT)

出品人:

页数:286

译者:

出版时间:2009-2

价格:$ 149.16

装帧:

isbn号码:9780735406209

丛书系列:

图书标签:

• 等离子体物理
• Z箍缩
• 高能密度物理
• 惯性约束聚变
• 脉冲功率
• 诊断技术
• 实验物理
• 等离子体诊断
• 电磁流体动力学
• 激光等离子体

磁流体力学与聚变能的探索：高能密度物理学的基石 本书聚焦于等离子体物理学、高能密度物理学以及受控核聚变能研究的前沿领域，深入剖析了多种先进的等离子体约束与压缩技术，尤其侧重于那些不依赖于经典托卡马克或仿星器概念的创新路径。 本书系统地介绍了在极端条件下，物质所呈现出的复杂行为，特别关注于如何通过强大的电磁场和高能粒子束来压缩和加热等离子体，以期实现净能量增益的核聚变反应。我们摒弃了传统磁约束装置的宏观几何限制，转而探索那些依赖于快速瞬态过程和复杂磁场拓扑结构的新型物理现象和工程实现。 第一部分：高能密度等离子体动力学基础 本部分奠定了理解高能密度物理现象的理论基础。我们从麦克斯韦方程组与理想磁流体力学（MHD）的耦合出发，详细阐述了等离子体中的磁通量冻结、磁流体力学不稳定性（如撕裂模、钉扎不稳定性）以及非理想效应（如电阻率、霍尔效应）在快速演化系统中的关键作用。 1.1 磁流体力学不稳定性与饱和机制： 深入分析了多种MHD不稳定性，如扭曲（Kink）、弯曲（Bending）和简并（Degeneracy）模式，并针对这些不稳定性在环向约束系统中的增长率和饱和阈值进行了详细的数值模拟和理论推导。重点讨论了如何通过引入多极磁场或使用快速的反馈控制系统来抑制或规避这些对等离子体约束极为不利的结构。 1.2 辐射与输运过程： 高密度、高温等离子体的主要能量损失途径是辐射和输运。本书详细考察了轫致辐射、同步辐射以及离散谱线辐射的机制，并建立了一套适用于高Z杂质和快速演化边界层的辐射输运模型。在输运方面，本书超越了经典巴斯卡-舒尔茨（Brezhinskii-Schultz）模型，引入了湍流驱动的横向扩散模型，探讨了磁岛和磁通量绳如何影响热量和粒子在径向上的重新分布。 1.3 磁重联与能量释放： 磁重联是高能密度物理中能量快速释放的核心机制。我们详细分析了电子扩散区（Sweet-Parker层、Petschek机制）的尺度效应，并将其应用于太阳耀斑和实验室等离子体中的快速弛豫过程。特别关注了具有高洛伦兹因子电子的非抗磁性重联，这在某些高功率脉冲实验中至关重要。 第二部分：快点火与惯性约束增强的探索 本部分将焦点转移到通过快速压缩和高功率驱动实现点火的路径上。我们探讨了如何通过精巧的外部驱动系统来克服传统的点火挑战。 2.1 脉冲功率驱动与等离子体源： 详述了产生高强度、短脉冲电磁能量的技术，如Z箍缩源（Z-Pinch Sources）和磁化目标聚变（Magnetized Target Fusion, MTF）的前期准备阶段。重点讨论了如何设计高导电率的腔体和驱动器，以最小化驱动能量在传输和加载过程中的损耗。 2.2 辐射压缩与温和点火： 本书深入研究了辐射驱动压缩技术，即使用高功率X射线辐射均匀地烧蚀燃料靶丸，实现内爆。详细分析了辐射腔（Hohlraum）的设计对驱动效率的影响，以及在软X射线波段的能量耦合机制。讨论了如何通过非对称的驱动来修正内爆过程中的流体力学不稳定性，例如瑞利-泰勒（Rayleigh-Taylor, RT）和开尔文-亥姆霍兹（Kelvin-Helmholtz, KH）不稳定性。 2.3 燃料的预热与高效率点火： 探索了超越简单冲击波压缩的先进点火方案，例如通过高能激光或粒子束实现对靶丸中心的预热，从而降低后续压缩所需的能量密度。我们对惯性约束聚变（ICF）中如何利用高能α粒子自加热实现热点点火的临界条件进行了细致的建模。 第三部分：磁约束的创新几何与动态稳定 本部分侧重于利用先进的磁场配置来增强等离子体约束的有效性和稳定性，这些配置往往具有高剪切或强三重乘积（Tri-Alpha Product）的特性。 3.1 磁化目标聚变（MTF）的物理模型： MTF是本领域一个极具潜力的研究方向。本书详细分析了MTF如何结合了磁约束（提供较低的宏观损失）和惯性约束（提供高密度燃烧）的优点。重点在于描述磁通量如何在快速的机械压缩过程中被“捆绑”和“加强”（Flux-Trapping and Amplification）。我们研究了等离子体与金属套筒的耦合机制，以及在压缩末期磁层如何防止等离子体与套筒壁的直接接触（磁隔绝）。 3.2 螺旋场约束与扭曲拓扑： 探讨了非轴对称磁约束装置的优势，特别是那些利用扭曲磁线来提供内在的MHD稳定性。书中对螺旋场（Helical Fields）在提高安全因子（q）剖面方面的作用进行了详尽的数学阐述。我们分析了多极磁场如何有效地平衡径向梯度力，从而实现对高温等离子体的稳定容纳。 3.3 动态稳定与快速反馈： 在高能密度实验中，等离子体演化速度极快，静态磁场配置往往不足以维持约束。本章介绍了使用快速的、多频段的外部磁场或电流脉冲来主动稳定等离子体的方法。我们研究了在皮秒到纳秒时间尺度上，如何通过精确控制外部线圈的电流来抵消由等离子体自身运动产生的扰动。 第四部分：诊断技术与实验验证 成功的实验依赖于精确的诊断。本部分介绍了用于测量瞬态、高能量密度等离子体参数的先进技术。 4.1 强场辐射探测： 聚焦于用于测量高温等离子体发射的X射线和伽马射线光谱诊断方法。详细介绍了时间分辨的彭顿-菲斯特（Penton-Feist）闪烁体探测器阵列在测量快度量能谱方面的应用，以及如何通过吸收边技术精确反演等离子体中的离子温度和电子温度梯度。 4.2 磁场与密度测量： 探讨了基于法拉第旋转效应和法拉第环（Faraday Loops）在极端磁场强度下测量内部磁场分布的方法。对于高密度目标，本书讨论了基于Thomson散射和极化光谱分析技术来确定电子密度和温度的局限性与改进方案。 结论： 本书旨在为高能密度物理领域的研究人员提供一个全面的、侧重于创新约束和压缩路径的理论与实验框架。它强调了跨学科合作的重要性，将流体力学、电磁学、辐射物理和先进工程技术融为一体，共同推动受控核聚变能源的实际实现。通过对这些复杂系统的深入剖析，读者将能更好地理解如何驾驭宇宙中最强大的力量之一。

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我必须指出，这本书在深入探讨特定等离子体现象时的广度和深度是惊人的。它不仅涵盖了主流研究方向，还对一些相对冷门但极具潜力的研究分支进行了深入挖掘，这显示了作者知识面的广博。特别是关于辐射输运在极端高密度介质中行为的章节，内容非常前沿和专业。作者并未回避那些目前仍存在争议和未解难题的地方，而是坦诚地列出了现有理论的局限性，并展望了未来可能的研究方向。这种求实和批判性的态度，对于构建一个健康的学术视野至关重要。阅读过程中，我感觉自己仿佛参与了一场高水平的学术研讨会，而不是单方面地接受灌输。书中对不确定性分析的讨论也十分到位，强调了实验误差和模型假设对最终结果解读的影响，促使读者在得出结论时保持审慎。对于希望站在当前研究最前沿的人来说，这本书提供了一个多维度的透视窗口，让人看到这个领域正在往何处发展，充满了启发性。

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这本关于等离子体物理学的著作，以其深入浅出的讲解方式，让我对高能密度物理的理解迈上了一个新的台阶。作者并没有将复杂的理论堆砌在读者面前，而是巧妙地利用大量的实例和清晰的图示，将抽象的概念具象化。尤其是对于磁流体力学稳定性的探讨，简直是教科书级别的精彩。书中对阿尔芬波、磁压梯度驱动的不稳定性的分析，逻辑严密，推导过程详尽而不失流畅，即便是初次接触该领域的读者，也能循着作者的思路，逐步领悟其中的精髓。我尤其欣赏它在描述实验装置构建和诊断技术时的那种严谨态度，仿佛能透过文字感受到实验室里的热烈氛围和精密仪器的运作声响。阅读过程中，我多次停下来，对照着书中的公式和解释，重新审视自己过去的一些模糊认知，收获颇丰。它不仅仅是一本技术手册，更像是一位经验丰富的导师，在你探索未知领域时，耐心地为你指点迷津。对于任何希望在聚变能、空间等离子体等前沿领域深耕的研究人员来说，这本书无疑是一份宝贵的财富，它为后续更深入的研究打下了坚实的理论基础，避免了在概念上走弯路。

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从装帧和排版的角度来看，这本书也体现了出版方的专业水准。纸张的质感很好，即便是长时间在灯下阅读，眼睛也不会感到明显的疲劳。字体选择恰当，间距舒适，使得长篇的公式推导和文字段落阅读起来都非常流畅。更值得称赞的是，书中的专业术语索引做得非常详尽，当你遇到不熟悉的缩写或概念时，可以迅速定位到其首次出现的完整定义或详细解释，这极大地提高了查阅效率。整体的阅读体验是流畅而愉悦的，这对于一本技术性如此强的书籍来说，是难能可贵的。它在保持学术严谨性的同时，兼顾了读者的阅读体验，体现了一种对知识传播的尊重。这本书绝非仅仅是图书馆里的一本摆设，而是真正能被反复翻阅、标记重点、并在案头留下使用痕迹的工具书。它的实体形态本身，就传达出一种可靠和权威的感觉。

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我原本以为这是一本枯燥的学术专著，但实际阅读体验完全超出了预期。这本书的叙事节奏感极强，仿佛在讲述一个宏大而引人入胜的物理史诗。它并没有仅仅停留在纯粹的数学推导上，而是将物理现象置于其真实的应用场景中进行剖析，使得原本高高在上的理论变得鲜活而具有生命力。书中对于磁约束聚变早期探索的追溯，那种充满激情和探索精神的描述，非常能感染人。作者对于历史脉络的梳理极其到位，清晰地勾勒出了从理论提出到实验验证的漫长而曲折的道路。读到某些关键性的突破点时，我能感受到作者字里行间流露出的敬佩之情，这种情感的传递是很多公式化的教材所不具备的。此外，书中对“意外发现”和“理论修正”过程的描绘，揭示了科学研究的非线性本质，这对于培养年轻学者的科学思维至关重要。它让人明白，科学进步往往是在不断试错和迭代中实现的，而不是一蹴而就的完美体系。这本书的阅读体验，更像是一次穿越时空的科学考察，让人意犹未尽。

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这本书在处理复杂数学模型时的细腻处理方式，绝对是业内的典范。我特别留意了它在处理非理想等离子体效应时的章节。不同于其他书籍简单罗列方程组，此书巧妙地引入了微观粒子动力学（如玻尔兹曼方程和Vlasov方程）与宏观MHD描述之间的衔接桥梁。作者非常清晰地解释了如何在特定尺度和条件下进行模型降阶的物理合理性，这才是真正体现作者功力的部分。例如，它详细分析了电阻率、霍尔效应等对磁场拓扑结构演化的影响，并通过巧妙的类比，将这些高阶耦合项的物理意义阐释得淋漓尽致，没有让读者在复杂的张量运算中迷失方向。书中的图表设计也堪称一绝，那些二维和三维的磁场结构可视化，精准地传达了能量流动的方向和不稳定性的发展路径，远比单纯的文字描述更具说服力。可以说，这本书对那些需要将理论模型转化为可执行数值模拟代码的研究者，提供了无价的参考和指导，是理论与工程实践完美结合的典范之作。

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