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【日有所思】:加热与加速 精选

已有 3253 次阅读 2021-6-15 09:42 |个人分类:日有所思|系统分类:科研笔记

日前写的文章【日有所思】:高乎哉?不高也!——“高能粒子”还是。。。?)发到朋友圈,有朋友问:fast particles给人的感觉是运动有定向感,而energetic particles则感觉是单纯的能量高、但运动则是可以随机的?


这应该就是“感觉”。实际上,前者强调的是速度,后者强调的是能量。


但这个问题确实是个好问题。


平均能量(或者特征能量)可能差不多,但定向的能量和“随机”分布的能量对应的物理过程则相去甚远。而我们却经常容易把二者混为一谈。理论上的混淆可以讨论、澄清,实际应用过程中如果认识不清就会引起技术路线上的错误,损失可能数以百万计、千万计、甚至亿万计。


具体来说,就是“加速”和“加热”的区别。


加速的结果,会形成具有一定速度的粒子束,其在速度空间的分布,理想条件下,可以用delta函数 d(v-v0) 来描述。这个分布的“宽度”,即这束粒子的温度,等于0。也就是说,这一束粒子的速度(v0)可以非常高,甚至达到相对论速度;但是温度非常非常低。当然,实际的情况,粒子束在速度空间的分布总会有一定的展宽(这个展宽给出粒子束的“热运动速度”,即粒子束的“温度”就是这个展宽给出的),但是这个展宽非常窄,所以比起粒子束的能量,其温度可以忽略。【这里请读者注意,等离子体物理中总是仿照自然单位制,取玻尔兹曼常数kB=1,所以温度和能量的单位相同,都是电子伏特(eV)。】


如果是流体的加速:流体速度从V1加速到V2,就是平均来说所有粒子都增加了同样的V2-V1的速度值。对于速度空间,就是速度分布形状不变,但整体分布函数从以V1为中心“平移”到了以V2为中心。


而加热则需要粒子在速度空间分布变得更宽,这与加速完全不同。【见下图,左图是加速的结果,右图是加热的结果。】


这在航天器电推进技术方面有重要的意义。


最简单的电推进加速就是电场直接加速。但等离子体几乎就是理想导体,学过电磁学就知道,导体内部是没有电场和“净电荷”的。所以加在理想等离子体(满足理想磁流体近似)上的电场最后都集中在“表面”—— 考虑“双流体”效应和动理学效应,这个“表面”就扩展为“鞘层”(plasma sheath)。这个鞘层是用德拜屏蔽尺度丈量的,所以很小。对应的推进技术:离子发动机(ion engins)和霍尔推力器(Hall thruster)的尺寸都不很大,推力有限。所以大功率推进必须另辟蹊径。磁流体推进(MHD propulsion)显然是首先想到的选择。


但兆瓦级大功率磁流体推进技术发展缓慢。从上世纪80、90年代M国曾提出大功率磁流体推进器的概念设计以来,三十多年了,仍没有得到实际应用。笔者认为,主要原因就是没有分清加速和加热的概念。502所W主任早就批评他们把聚变MW射频加热概念生搬硬套到航天推进上,技术路线错了。非常中肯。


磁约束聚变研究中发展出了大功率射频加热技术,这是聚变研究最重要的spin-offs(附带产出)之一。但是航天推进需要的是加速而不是加热。把能量用在加热上,只是展宽的粒子的速度分布,粒子的平均速度可能还是零!这对于推进没有意义。我们需要的是把能量用在加速上。


磁约束聚变的兆瓦射频技术并不是没有可取之处。尽管回旋共振技术以加热为主,但低混杂波驱动技术对带电粒子的加速作用非常显著。当然,其早期应用的电流驱动功能主要是加速电子。但是近年的物理实验发现了低混杂波注入可以大规模驱动等离子体流(离子为主)。这是我们可以学习、研究、并用于大功率电推进的。笔者近几年在聚变和空间研究方面花的时间多,很有几年没有参加全国电推进会议了。借博客的平台说一下,希望引起年轻人的关注。




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