幂律分布非平衡等离子体输运系数统计理论

Transport theory of plasmas can provide the formulae for calculation of transport coefficients, which is undoubtedly very important for understanding and applications of a variety of different processes in the fields, including plasmas, of physics, chemistry, engineering technology, astronomy and space science etc. However, the studies on transport coefficients in the conventional theory are all based on Maxwell-Boltzmann distribution, which is actually equal to assume that the plasma is in thermal equilibrium and exactly follows Boltzmmann statistics. When we need to describe the transport processes in nonequilibrium plasmas in the case of non-Maxwell-Boltzmann distributions or power-law distributions, the existing theory is no longer valid. This is the challenge of current plasma transport theory. In order to solve this problem, on the basis of experimental and observational facts, this project proposes to study the transport problems in the nonequilibrium complex plasmas with power-law distributions under the framework of nonextensive statistical theory, to present the correct transport coefficient formulae for a variety of different transport processes, and so to explore the plasma transport theory in the case of power-law distributions.

等离子体输运理论能够为输运系数的计算提供公式支持，对于包括等离子体在内的物理、化学、工程技术、天文学和空间科学等领域许多不同过程的理解和应用无疑是非常重要的。然而，传统理论中研究输运系数都是基于Maxwell-Boltzmann 分布，这实际上等于假定等离子体处于热平衡态并且严格遵守Boltzmann统计。当需要对非平衡等离子体中的输运过程提供在非Maxwell-Boltzmann分布或幂律分布情况下的描述时, 现有理论不再有效，这是当前等离子体输运理论面临的挑战。为解决这一问题，本项目基于等离子体系统的实验和观测事实，提出了以非广延统计理论为基础研究具有幂律分布非平衡复杂等离子体的输运问题，确定在幂律分布情况下各种不同输运过程的输运系数公式，探索建立幂律分布等离子体的输运理论。

本项目研究了具有幂律分布的非平衡复杂等离子体系统输运系数的统计理论。根据非广延统计力学理论和支配输运过程的物理机制建立了弱电离和完全电离情况下幂律分布非平衡复杂等离子体的输运理论框架，研究了弱电离和完全电离等情况下各类复杂等离子体的各种输运系数和输运性质，在等离子体系统处于非广延q-分布和kappa-分布等幂律分布时,得到了各种输运流和输运系数的表达式以及完整的幂律分布等离子体输运系数计算公式，数值分析了幂律分布等离子体物理参量与幂律参量对于输运系数和输运性质的影响，取得了一系列重要的研究成果，其中包括带电粒子的扩散流与扩散系数、热扩散系数、能量流与热传导系数、动量流与粘滞性系数、电流与电导率系数、热电系数、碰撞频率、慢化现象以及磁场对带电粒子输运过程和输运系数的影响等，建立了幂律分布非平衡复杂等离子体的输运理论。本项目的研究成果对于探索理解天体物理和空间复杂等离子体的输运过程和输运性质具有重要的科学意义和应用价值。. 此外，在完成预定研究目标和计划任务的基础上，还研究了幂律分布复杂系统的非广延统计力学基本问题，并取得了重要研究成果。