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《等离子体科学》是由美国国家科学院国家研究委员会于2004年组织专家组成“等离子体2010委员会”编写的一份关于未来十年等离子体科学和工程领域发展的评估和前景的报告。《等离子体科学》全面概述了1994～2004十年间等离子体科学各分支学科的发展（实际采用数据截至2007年）。《等离子体科学》除了总结等离子体科学近期进展之外，很重要的一点是向政府科技管理部门提出适时改进管理结构以适应并进一步促进学科发展的建议，包括对各学科分支资助力度的加强。这对于我国各级政府的科技管理部门具有重要的参考价值。

《等离子体科学》适合高等院校应用物理和核工程方面的研究生和研究人员阅读，同时适合作为政府科技管理部门工作人员的参考资料。

第1章 概述

1.1 学科领域的界定

1.2 等离子体科学与工程的重要性

1.3 等离子体科学与工程的选择重点

1.3.1 生物技术及健康护理

1.3.2 用等离子体尾场加速粒子

1.3.3 磁瓶中的聚变燃烧等离子体

1.3.4 磁重联与自组织

1.3.5 爆丸内的聚变点火

1.3.6 等离子体物理与黑洞

1.4 科学进展的关键主题

1.4.1 等离子体科学的预测能力

1.4.2 新的等离子体运行模式

1.5 等离子体研究的共同知识主线

1.6 主要结论和建议

第2章 低温等离子体科学与工程

2.1 引言及统一的科学原理

2.1.1 等离子体的加热、稳定性和控制

2.1.2 效率和选择性

2.1.3 随机的、混沌的和集体行为

2.1.4 等离子体与表面相互作用

2.1.5 尘埃和其他非理想介质中的等离子体

2.1.6 诊断和预测模型

2.2 进展和发展趋势

2.2.1 甚小面积和甚大面积等离子体在低气压和高气压条件下的产生、稳定性及其控制

2.2.2 等离子体与复杂表面的相互作用

2.2.3 复杂等离子体和液态等离子体中的湍性的、随机的和混沌的行为

2.2.4 等离子体行为的可靠的、定量的预言

2.2.5 弥散性高气压非平衡等离子体的突现

2.3 未来的机遇

2.3.1 等离子体与有机材料和活体组织之间的相互作用

2.3.2 混沌与随机过程中等离子体行为的描述方法

2.3.3 大面积、均匀、高气压等离子体的稳定性判据

2.3.4 高温稠密等离子体与表面的相互作用

2.3.5 灵活的非介入诊断技术

2.3.6 基础数据

2.4 国际前景

2.5 学术前景

2.6 产业前景

2.7 本领域的管理

2.8 主要结论和建议

第3章 高能量密度等离子体物理学

3.1 引言

3.1.1 高能量密度等离子体物理学的主要内容

3.1.2 使能技术与高能量密度科学

3.2 本项研究的重要性

3.2.1 经济与能源安全

3.2.2 国家安全

3.2.3 知识的重要性

3.2.4 教育和培训的作用

3.3 进展和未来的机遇

3.3.1 惯性约束聚变

3.3.2 核武器库存管理

3.3.3 温稠密物质和热稠密物质的性质

3.3.4 基于等离子体的电子加速器

3.3.5 天体物理现象的实验室模拟

3.3.6 高能量密度基础研究

3.4 应对挑战

3.5 主要结论和建议

第4章 磁约束聚变等离子体科学

4.1 引言

4.1.1 磁约束聚变研究的新时代

4.1.2 磁约束聚变概述

4.1.3 ITER及其他位形概念的改进

4.2 本项研究的重要性

4.3 进展和未来的机遇

4.3.1 宏观稳定性与动力学

4.3.2 微观不稳定性、湍流与输运

4.3.3 边缘区等离子体的性质与控制

4.3.4 聚变等离子体的波-粒相互作用

4.4 主要结论和建议

第5章 空间和天体等离子体

5.1 引言

5.2 进展和未来的机遇

5.2.1 宇宙中磁化等离子体结构的起源与演化机制

5.2.2 粒子在宇宙中加速

5.2.3 等离子体与非等离子体的相互作用

5.3 主要结论和建议

第6章 基础等离子体科学

6.1 引言

6.2 进展和未来的机遇

6.2.1 非中性等离子体和单成分等离子体

6.2.2 超冷电中性等离子体

6.2.3 尘埃等离子体

6.2.4 激光等离子体和高能量密度等离子体

6.2.5 微等离子体

6.2.6 湍流和湍性输运

6.2.7 发电机作用、磁重联和磁自组织

6.2.8 等离子体波、结构和流动

6.3 基础等离子体研究的改进方法

6.4 主要结论和建议

6.4.1 大学级别的研究

6.4.2 中等规模的装置

附录A 委员会的责任

附录B 国际热核聚变实验堆

附录C 国家点火装置

附录D 联邦政府对等离子体科学与工程研究的支持

D.1 能源部

D.1.1 能源部聚变能科学办公室

D.1.2 能源部/OFES对惯性聚变能和高能量密度物理的支持

D.1.3 能源部国家核安全管理局(NNSA)

D.1.4 能源部/高能物理办公室主管的先进加速器研究发展计划

D.2 海军研究办公室

D.3 国家科学基金会

D.3.1 工程

D.3.2 天文学

D.3.3 物理学

D.3.4 国家科学基金会(能源部)关于基础等离子体科学与工程的合作

D.4 国家航空航天局(NASA)

附录E 国家研究委员会关于等离子体科学的历届报告概述

附录F 委员会会议议程

F.1 次会议

F.2 第二次会议

F.3 第三次会议

F.4 第四次会议

附录G 委员会成员和工作人员简介

G.1 委员会成员

G.2 委员会工作人员

王文浩

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第1章 概述

等离子体作为宇宙间常见的可见物质形式，由原子的带电组分――电子和离子――组成，二者彼此独立运动，其结果是，这些带电粒子产生电场和磁场，这些场反过来又影响到等离子体的行为。

1.1学科领域的界定

等离子体看似足够简单，它们是自由电子和离子的集合体，主要受19世纪末物理学家提出的物理定律支配。然而，等离子体复杂而神秘的行为绝非如此简单。例如，太阳耀斑――等离子体从太阳表面突然喷发出来――这一景象就令人印象极为深刻。在地球上和宇宙间，等离子体无处不在，其丰富多样性只有看不见的暗物质可以媲美。星系团星系之间的广大区域里充满了热的磁化等离子体。恒星就是一团由聚变反应供热的稠密等离子体。计算机处理器的制造需要采用冷的化学反应性等离子体来处理。实验室强大的激光可产生相对论性等离子体。等离子体形态可谓形形色色，不胜枚举。这些等离子体没有一种是静态的，它们时时刻刻在以某种不稳定性和湍流的形式扭动和晃荡，常常以惊人的力量爆发（文后彩图1.1）。

等离子体科学的伟大成就之一，是阐明了等离子体的这种扑朔迷离的多样性和复杂性是可以理解的，描述其行为的基本概念构成一个新的研究领域（文后彩图1.2）。这并不是说所有的问题都已得到了回答――这是做不到的。确切地说，它确认了这样一个事实：这门科学正在迅速成长，而且具备构成知识的基本原理。等离子体科学主要是寻求解释等离子体的高度非线性行为以及由此带来的有序性和混沌性。因此，等离子体科学与现代复杂系统研究的许多领域――从气候建模到凝聚态物质的研究――关系密切。事实上，等离子体科学家在非线性动力学和混沌理论（复杂系统的众多应用）的发展中发挥着关键作用。

在过去十年里，等离子体科学取得了巨大进步。在新的诊断方法和计算方法的有力推动下，我们在预言等离子体行为方面已经取得了长足的发展。新的诊断方法使我们能够以前所未有的精度来观察和测量等离子体，新的计算方法则为我们解决了许多基本物理问题。在许多领域，从聚变等离子体科学到计算机芯片制造，基于科学理论的预言模型取代了经验定律。不仅如此，本报告审查的研究中尤为显著的是，等离子体科学正在超越我们对那些复杂而孤立现象的认识，步入从整体上理解和描述等离子体行为的时代。在基本理解方面的提高已经产生了新的应用，如大面积等离子体屏幕电视目前已进入许多家庭。

本报告讨论了过去十年里的科学成果以及未来十年进一步发展的可能方向。详细的分析按研究领域分5章进行：低温等离子体科学与工程、高能量密度等离子体物理学、磁约束聚变等离子体科学、空间和天体等离子体，以及基础等离子体科学。第2章到第6章各章的后一节都给出了委员会的后结论和对相关主题的建议。

本章的其余部分总结了这些分析提出的主要问题。下一节将说明，等离子体研究是国家科学技术发展事业中不可或缺的一部分，其重要性越来越突出。接下来的1.3节描述了6个学科在过去十年里的成果及其所创造的机遇。虽然这些事例谈不上是全面的调查，但让我们领略了相关领域发展的广度和深度。1.4节给出未来新的增长点和出现新的等离子体研究领域的可能性，这是两个普遍存在于各分支学科进展的科学主题。许多应用的进一步发展取决于我们对一些关键性的等离子体过程的了解。这些基本过程因其超越应用和具体分支而显示出等离子体科学的统一性。我们将在1.5节里对它们进行简明介绍，它们还会不断地出现在各专题章节里。本章后一节给出整个报告的主要结论和原则性建议。

1.2等离子体科学与工程的重要性

很多文献对科学发展与经济繁荣、安全和生活质量之间的联系进行过阐述。等离子体科学的进步极大地提升了当前的技术水平，对未来的各项发展至关重要。一个有效的国家研究事业必须要有广度，因为任何领域的科学发现往往高度依赖于其他领域的发现。等离子体科学是相互依存的学科网络的重要组成部分，它们共同构成了我们的基本核心知识的基础。从国家层面上看，等离子体科学至少对以下4个方面有贡献。

1.经济安全和繁荣

在过去十年中，新的等离子体技术已经进入家庭。很多家庭通过等离子体电视来收看节目，用等离子体灯具进行照明。然而，等离子技术对于制造业的巨大作用还没有广泛为人所知（文后彩图1.3）。如果不是借助于等离子体在半导体芯片上进行细微刻蚀加工，先进的微电子器件将不复存在。等离子体工艺处理可以使材料表面硬化，有质感，或被覆上涂层。所有这一切经济活动的价值是难以估量的，仅举一小例即可看出其价值：到2010年，等离子体显示器和电视，以及特殊的等离子体（荧光）灯具将带来2000亿美元的市场。建立在等离子体技术基础上的全球半导体产业将达到2500亿美元的市值。如果没有等离子体技术，2万亿美元的电信业可以说根本就不存在（关于等离子体科学及其在这一领域许多应用的更详细的讨论见第2章）。

2.能源和环境安全

社会的繁荣和人们的生活依赖于价格适中且便利的能源供应。众所周知，化石燃料资源是有限的，而且长期使用对环境的影响是有害的。因此，开发新的、可持续的能源，以及探索可以减少能源消耗的新技术始终是一个高度优先的研究目标。聚变能在满足能源需要方面具有无与伦比的潜力。聚变（氢原子核聚变生成氦核、中子和能量）作为一种替代能源的部署应继续成为国家的优先战略。聚变的挑战来自于它需要具有温度比太阳中心温度还要高的等离子体。等离子体科学已在控制和约束这种等离子体方面取得了重大进展（参见第4章的讨论）。国际热核实验堆（ITER）将应用这些成就，以期在未来十年末探讨聚变燃烧等离子体。这是人类迈向聚变能道路的关键一步，也是必不可少的一步。关于聚变的其他替代路径的研究也在迅速进行。在此期间，等离子体科学已在能源效率的短期创新方面作出了贡献。例如，目前全美国使用的10多亿支普通照明光源要消耗掉全国电能的22%。消费者正转向使用更高效的等离子体（荧光）灯具以提高灯具的发光质量和使用寿命。等离子体还有助于提高燃料的燃烧效率，改进太阳能电池材料的制造工艺。等离子体提高了涡轮和产氢的效率。等离子体在确保环境清洁和健康等方面的应用目前规模较小但增长很快。这方面新的应用主要是运用等离子体来分解有害化学物质，杀死微生物以净化水质和销毁污染物（详细讨论见第2章）。

3.国家安全

高能量密度等离子体科学是基于科学的核武器库存管理的核心，能源部的这项计划旨在确保国家核武器库存的安全和可靠。桑迪亚国家实验室的Z箍缩装置在线列大电流产生等离子体（和高强度X射线）方面的显著进展大大增强了高能量密度等离子体物理的研究能力。在未来十年中，劳伦斯?利弗莫尔国家实验室的NIF（世界上强大的激光装置）将产生极高能量密度的等离子体，并寻求点燃聚变燃料靶丸。这些设施和实验是核武器库存管理的核心（科学方面的讨论参见第3章）。有一点也许还没有引起人们的广泛重视，就是等离子体技术对于许多常规武器系统的制造也是至关重要的。例如，高性能战斗机的发动机涡轮叶片就是经过等离子体沉积技术的喷涂处理才大幅度提高性能的。近开发的基于等离子体的化学或生物危险品的销毁系统将能够满足国家安全的需要。常压等离子源正被用作“等离子体消防水龙带”以净化化学品泄漏或攻击后的物体表面。

4.科学发现

等离子体科学提出并解答了许多有关我们对周围世界的一般理解的科学问题。揭示等离子体的复杂性和某些怪异行为，这本身就是一项重要的科学事业。为了解释等离子体集体行为的复杂性而带来的知识挑战始终激励着严肃的学术研究。我们目前的理解正因某些因素而向纵深延伸。例如，在极低的温度下等离子体变得具有强关联性质，此时的物质形式具有奇妙的属性（见第6章讨论）。由于宇宙中的大部分可见物质均呈等离子体态，因此，回答天体物理学和空间物理学的许多重大问题都需要我们对等离子体有细致的理解。例如，虽然宇宙等离子体电流必然产生充斥宇宙间的磁场，但我们还不知道这些磁场和电流是何时产生以及是如何产生的（见专栏1.1和第5章的讨论）。

专栏1.1生活和工作在等离子体里

2000年，出现了人类历史上一个重要的里程碑：我们这个物种已成为太空的永久居民。从那时起，人类一直持续地、不间断地存在于低地球轨道的国际空间站（ISS）。现在人类可以生活在地球的电离层，这里下的雨是流星雨，刮的风是等离子体――一个美丽极了也危险极了的地方（文后彩图1.4）。

国际空间站周围的等离子体环境本身就充满危险，因为等离子体里的电子会使所有东西都带上电。国际空间站的加压模块通常作为储存电能的大型电容器，这些静电能会给太空行走的宇航员带来危险。电荷积聚造成的电击和电弧会击穿宇航服或损坏重要的仪器，造成灾难性的后果。近的测量还表明，随着航天器从赤道向极区移动以及日夜交替，电荷的积聚在逐天变化。

积聚的电荷被所谓“等离子体接触器”的设备中和（宇航员也因此得到保护），这个设备的作用相当于地球上建筑物边上埋设的接地线。国际空间站的等离子体接触器通过氙气驱动的空心阴极放电将电子排放到周围的电离层。电子的排放速率要足够大，才能维持空间站（它的金属外壳）的地电位与周围电离层的电位相同。

在过去几年中，我们对太空的持续探索所获得的空间等离子体物理知识使我们不仅了解了关于地球周边环境的很多知识，而且也认识了影响人类在地球表面生活的重要的等离子体过程。

全美的等离子体科学家和工程师们正在努力回应这些重要目标提出的科学挑战。但等离子体研究的努力是全球性的（见专栏1.2）。

专栏1.2等离子体研究遍及全球

在过去十年里，国外在等离子体物理学方面的研究、投入和发现显示出加速的趋势。日益增长的国际参与证明这是一个令人信服的科学机遇。

委员会初开展的工作是粗略地衡量美国参与全球等离子科学事业的水平。我们对过去十年里六大专业期刊中人们常引用的200篇期刊论文进行了审查，对其中国外主要撰稿人所占的比例进行了统计，结果列表如下：《核聚变》，68%；《等离子体物理学与受控聚变》，78%；《物理评论》E卷（关键词是等离子体的相关文章），75%；《等离子体物理》，39%；《等离子体源科学与技术》，72%；《物理评论快报》（关键词是等离子体的相关文章），54%。而在二十年前，美国所占的比例一直很大。

虽然这些结果可以理解为美国在等离子体研究活动方面正在减弱，但真正的原因是国外在这方面的研究活动激增。美国的论文数量并没有减少，但国外的论文增长得更快！尽管美国论文所占的小比例是22%，但这个统计依然反映了这样一个概念，就是美国在基础等离子体科学和高能量密度物理学方面有一个全球的重要学术团体。

1.3等离子体科学与工程的选择重点

委员会现介绍等离子体研究和发展的6项科学前沿热点。这既不是一项详尽的调查，也不是对伟大发现的罗列，而是对诸多令人兴奋和重要的工作抽取的一个样本。这些例子在说明等离子体研究方面的巨大差异的同时，也展现了基础科学的统一性。等离子体的基本过程是构成所有这些应用的共同基础。

1.3.1生物技术及健康护理

牙科病人可能会惊讶地发现，牙医正在用细微的等离子体来治疗他们的牙病。确实，等离子体在生物学上的应用是一个新兴领域，其范围从人体植入物的表面处理到等离子体辅助手术，可谓林林总总。这些应用是基于这样一个事实：等离子体同时具有独特的干、热、冷性质。说等离子体是干的，因为等离子体的工作介质是气体而不是液体，所以材料出入处理过程的量较少；说它热是指热电子能驱动高温化学反应过程；而说它冷是指气体和材料表面保持在室温附近。

1.外科植入物的生物相容性

等离子体沉积或材料表面改性等处理，经常被用来制作诸如关节和支架等具有生物相容性的人造植入物（文后彩图1.5）。

2.灭菌

等离子体灭菌的目的是用可靠的手段来消除不良的生物活性。目前灭菌的手段主要是高压灭菌器，医疗器械放入后通入15min的过热蒸汽。但高压灭菌器不能用于许多热敏性材料的灭菌，可能会损坏金属器械。不仅如此，像任何单一的处理方法一样，它也不是普遍有效的，事实上，这种处理对于像克雅氏病（疯牛病）这样的朊病毒是否有效一直存有疑问。等离子体提供了两种破坏生物活性的途径：反应性中性气体和紫外线。中性气体可以扩散到复杂的生物表面，而紫外线光子能够只沿着光路传播――复合，它们可以起到有效的局部杀菌作用。目前所进行的研究旨在改善等离子体的灭菌效果，同时通过精心选择工作气体成分和等离子体条件来限度地减少对仪器的损坏。

3.等离子体辅助手术

虽然等离子体灭菌还只是刚刚进入商业化阶段，但采用等离子体设备进行手术已在实施。用等离子体来切除和烧灼组织已经是例行手段。新兴技术――已实现某种程度的应用――当属新的等离子体“手术刀”。这种刀能在导电液体（生理盐水）中产生非平衡的等离子体“流”（如微型闪电），这种流通过爆炸使气泡里的水蒸发，从而切除软组织。这里凝聚了几乎所有低温等离子体科学的主题：生成所需的成分的选择性，与极其复杂表面的相互作用，随机行为和多相介质（液体中的气泡），以及高密度微等离子体的产生和稳定性。大多数外科手术的主要目的仍是切除组织，而不是建设性地修正它。然而，有迹象表明，更具选择性和建设性的过程是可能的。例如，等离子体可以改变细胞的代谢行为，并引发细胞脱离。

等离子体对于医疗保健的潜在作用正如同它在半导体制造业中的作用。4位微处理器是在液态酸浴中制造的。采用等离子体技术后，制造具有兆赫兹时钟频率和千字节内存的8位和16位计算机有了可能。今天，经过二十年的研究和发展，台式电脑已提升至64位，时钟频率达千兆赫，内存高达吉（109）字节，而这一切全都得益

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《等离子体科学》通过6章28节全面概述了1994～2004年十年间等离子体科学各分支学科的发展(实际采用数据截止2007年)。从中我们可以清晰地看到，等离子体科学和技术的发展早已超出了聚变能研究和低温应用的范畴，成长为对能源研究、国家安全、经济增长和环境治理等方面有着巨大作用和效益，同时也为人类探索自然、寻求**条件下的物理规律提供极好知识框架的全新学科。书中描述的很多等离子体现象及运用的术语，即使如我等从事等离子体研究的专业人员亦感到耳目一新。本书由(美)等离子体2010委员会等著。

书籍介绍

《等离子体科学》是由美国国家科学院国家研究委员会于2004年组织专家组成“等离子体2010委员会”编写的一份关于未来十年等离子体科学和工程领域发展的评估和前景的报告。《等离子体科学》全面概述了1994～2004十年间等离子体科学各分支学科的发展（实际采用数据截至2007年）。《等离子体科学》除了总结等离子体科学近期进展之外，很重要的一点是向政府科技管理部门提出适时改进管理结构以适应并进一步促进学科发展的建议，包括对各学科分支资助力度的加强。这对于我国各级政府的科技管理部门具有重要的参考价值。