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1、班级02321101学号1120110436姓名张鹏杰 磁约束原理与运用 摘要 众所周知，以一定速度进入均匀磁场中的带电粒子作螺旋线运 动。进入非均匀磁场中的带电粒子的运动轨迹是一条会聚的螺旋线。运 用这一原理可以将热核反应中的等离子体约束在实验装置内从而实现可 控的核聚变，为寻找新能源开辟蹊径。 关键词磁约束，等离子体，受控核聚变，能源 一、磁约束原理 带电粒子在磁场中沿螺线运动，回旋半径R与磁感应强度B成反比。在很 强的磁场中，每个带电粒子的活动便被束缚在一根磁感线附近的很小范 围内，只能沿磁感线做种纵向运动。 在热核反应的高温下，物质处于等离子态，有带电粒子组成，而由于上 述原因，强磁场
2、可以使带电粒子的横向输运过程受限。 在纵向，同样可以利用磁约束对粒子的运动加以限制。带电粒子的圆周 运动可被等效视作通电线圈。设带电粒子的带电量为q，回旋频率为， 回旋半径为R，则等效线圈中的电流I=q ，面积S=，磁矩M=IS=q2。 对于在磁场中的回旋运动，可知=，R=，于是有： M= 理论上可以证明，在梯度不是太大的非均匀磁场中，带电粒子的磁 矩M是个不变量。亦即，当带电粒子由较弱的磁场区进入较强的磁场区 时（B增加），它的横向动能要按比例增加。然而由于洛伦兹力是不做 功的，带电粒子的总动能不变，则纵向动能即纵向速度就要减小，甚至 为零。通常将这种由弱到强的磁场位形叫做磁镜。如右图，两个
3、同向通 电线圈产生中间弱两边强的磁场位形，带电粒子在横向受到磁场约束， 在纵向则在两线圈中来回反射，从而达到约 束的目的。不过，一部分纵向动能较大的粒子仍然有可能从磁镜两端逃 出。而采用右图所示的环形磁约束结构则可避免这种情况。这种结构也 是下面将要提到的托卡马克装置的基本结构。 磁镜 环形磁约束结构 二.磁约束的自然现象与运用 （1）范艾仑辐射带 地球磁场两极强、中间弱就是一个天然磁瓶，它使得来自宇宙射线 的带电粒子在两磁极间来回振荡从而形成范艾仑辐射带。生活在地球 上的人类及其他生物都应十分感谢这个天然的磁镜约束，正是靠它才将 来自宇宙空间、能致生物于死命的各种高能射线或粒子捕获住，使人类 和其他生物不被伤害，得以安全地生存下来。 （2）托卡马克 托卡马克的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈。在通电 的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场，将其中的等离子体 加热到很高的温度，以达到核聚变的目的。 （3）仿星器 模拟星球的器材，是磁约束的一种。 主要用来受控核聚变研 究 ，是 个 巨 大 的 电 磁 室 。 仿星器的内部，蓝光的电浆，具有规律 性。 仿星器对等离子体的约束主要借助了外导体的电流等产生的磁 场。 仿星器装置的最大优点是能够连续稳定运行。