磁化碰撞项统一理论及其在等离子体弛豫过程中的应用研究

In this proposal, a unified theory of the magnetized collision term will be developed based on the Fokker-Planck approach and used to carry out theory and simulation research on relaxation processes in magnetized plasmas. The goal is to obtain the exact magnetized collision term and various relaxation rates which include accurately the magnetic field effects, the collective effects, and the contribution from close collisions. This is of great significance for both the reasearch on fusion plasmas and the improvement of the basic plasma theory.

在本项目中，我们将采用Fokker-Planck方法发展磁化碰撞项的统一理论，并用于理论与模拟研究磁化等离子体中的弛豫过程。我们的目标是得到准确包含磁场效应、集体效应与近碰撞贡献的精确磁化碰撞项与各种弛豫速率。这对于聚变等离子体的研究有重要意义，对等离子体基础理论的完善也有重要价值。

传统碰撞输运过程研究一般都以Landau碰撞项为出发点，但该碰撞项既没有包含磁场效应，也没有准确考虑集体相互作用与近碰撞的贡献，因此所得到的输运系数不适用于中等耦合强度与强磁化等离子体。推导更准确的碰撞项并基于其导出更准确的输运系数对聚变研究非常重要，同时也是等离子体物理中的一个基础性问题。.本项目目标是导出同时包含磁场效应、集体相互作用以及近碰撞贡献的磁化碰撞项并用于研究磁化等离子体中的温度弛豫、慢化等弛豫过程。为了达到这个目标，我们首先根据碰撞参数把碰撞分成了两类。对于第一类碰撞，磁场效应与集体相互作用不重要，我们采用二体碰撞理论计算磁化Fokker-Planck系数，导出了Boltzmann碰撞项。对于第二类碰撞，近碰撞贡献不重要，我们采用波理论计算磁化Fokker-Planck系数，导出了磁化Balescu-Lenard-Guernsey碰撞项。结合这两个碰撞项，我们得到了同时包含磁场效应、集体相互作用以及近碰撞贡献的磁化碰撞项。基于该磁化碰撞项，我们理论与模拟研究了磁化等离子体中的输运过程，得到了包含磁场效应与近碰撞贡献的弛豫速率与输运系数。发现：强磁场显著加快电子-离子温度弛豫过程，其弛豫速率中含有一个双对数项。强磁场减小温度各向异性弛豫速率、平行电阻但增大电子平行热导系数：Coulomb对数中的Debye长度被电子热回旋半径所取代。当高能量离子速度远小于电子热速度时，磁场显著加快其慢化过程；而当高能量离子速度远大于电子热速度时，磁场减慢其慢化过程。.上述项目研究结果在一定程度上完善了等离子体基础理论，有助于对强磁场等离子体物理过程的理解，对磁约束与惯性约束聚变研究也具有重要意义。