谈谈磁聚焦与磁约束的原理与应用(物理小论文)

物理小论文

谈谈磁聚焦与磁约束的原理与应用

05611102 学号：1120111431 姓名：肖枫

一：引言

随着现代科技的发展，特别是对于核聚变的研究，磁约束成为一热门话题，与之相关的有磁聚焦与磁约束等技术，而它们又有什么具体应用呢？

二：关键词：磁聚焦 磁约束 发展前景 三：磁聚焦的原理与应用

如图所示，一束发散角不大的带电粒子束，当它们在磁场B的方向上具有大致相同的速度分量时，它们有相同的螺距。经过一个周期它们将重新会聚在另一点，这种发散粒子束会聚到一点的现象与透镜将光束聚焦现象十分相似，因此叫磁聚焦。

磁聚焦的特点：带电粒子沿螺旋线每旋转一周，沿磁场B方向前进的位移大小（即螺矩）与vx成正比，而与vy无关。尽管每个粒子的轨迹和半径不同，但它们在距出发点为h、2h、? 等处又会交汇于一点。如果一个带电粒子进入匀强磁场时，其速度v的方向与磁感强度B的方向成任意角度θ，则可将v分解成平行于B和垂直于B的两个分量V∥和V⊥。因磁场的作用，垂直于B的速度分量V⊥虽不改变大小，却不断改变方向。在垂直于B的平面内作匀速圆周运动。平

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行于B的速度分量V∥不变，其运动是沿B方向的匀速直线运动。这两种运动的合成，为螺旋线运动。此带电粒子作螺旋运动时，螺旋线的半径(即电子在磁场中作圆运动的回旋半径)为 r=mV⊥/qB=mVsinθ/(qB)

粒子每转一周前进的距离称为螺距，用符号表示，则 h=V∥T=2πmVcosθ/(qB)

上式中的T是粒子转过一周所需的时间，称为回转周期。 在匀强磁场中某点A处有一束带电粒子，当带电粒子的速度v与B的夹角很小、各粒子速率v大致相同时，这些粒子具有相同的螺距。经一个回转周期后，他们各自经过不同的螺距轨道重新会聚到A'点。发散粒子依靠磁场作用会聚于一点的现象称为磁聚焦。它与光束经光学透镜聚焦相类似。

磁聚焦的应用很广，如在教学和实验上，有磁聚焦法测量电子荷质比，利用磁聚焦法测量地磁场；在工业中，带电粒子在磁场中的螺线运动被广泛应用于“磁聚焦”技术，电子枪就是磁聚焦应用的产物。磁聚焦在许多电真空系统（如电子显微镜）中得到广泛应用，实际中用得更多的是短线圈内非均匀磁场的磁聚焦。

四：磁约束的原理与应用

磁约束是用磁场来约束等离子体中带电粒子的运动。氘、氚等较轻的原子核聚合成较重的原子核时，会释放大量核能，但这种聚变反应只能在极高温下进行，任何固体材料都将熔毁。因此，需要用特殊形态的磁场把由氘、氚等原子核及自由电子组成的一定密度的高温等离子体约束在有限体积内，使之脱离器壁并限制其热导，这是实现受控热核聚变的重要条件。

如图所示，装置两端呈瓶颈状的磁力线，因瓶颈处磁场较强（也称作磁镜）能将带电粒子反射回来 ，从而限制粒子的纵向（沿磁力线方向）移动，使粒子在作回旋运动的同时，不断地来回穿梭，被约束在两端的磁镜之间，但是仍有一部分其轨道与磁力线的夹角小于某值的带电粒子会逃逸出去。为了避免带电粒子的流失，曾经把磁力线连同等离子体弯曲连接成环形；后来又改进为呈8字形的圆环形磁力线管，称为仿星器；实验上现最有成效的磁约束装置是环流器，它是环形螺线管，其中的磁力线具有螺旋形状。

磁约束的应用主要在可控热核聚变方面，核聚变的点火温度十分高，没有任

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何一种实物可以容纳，因此，人们想到了磁场，希望在磁场中实现可控热核聚变，在科技工作者的不断努力下，我们在这方面已经取得了一定进展。磁约束聚变，是一种利用磁场与高热等离子体来引发核聚变反应的技术。它的作法是，先加热燃料，使它成为等离子体形态，再利用磁场，拘束住高热等离子体中的带电粒子，使它进行螺线运动，进一步加热等离子体，直到产生核聚变反应。目前可以使用托卡马克技术来达成磁约束聚变。它发展的程度比惯性约束聚变还好，但是随着尺寸增加，产生不稳定的状况也比较严重。我国磁约束聚变研究开始于上世纪五六十年代。中科院物理所最先建造了一个直线放电装置和两个角向箍缩装置。原子能科学研究院建造了磁镜“小龙”装置。北京大学、复旦大学和清华大学等开展了相关基础研究。

五：磁聚焦与磁约束的发展前景与展望

从目前来看，世界上常规能源的储量有的只能维持半个世纪。如石油只能开采41年，天然气只能开采67年，最多的煤炭也只能开采192年。全世界每天消耗8400万桶石油，美国占其中的1/4。今天的世界人口已经突破60亿比19世纪末期增加了2倍多，而能源消费据统计却增加了16倍多。解决能源问题迫在眉睫。核聚变无疑是一个诱人的方向。现在看来，核聚变的关键技术就是点火温度，在这方面必将有更多科学家的参与。

我认为，磁约束的理论已经很完善，但是应用却不是很广。我们应当创新性的将该理论应用到更多实际问题上，相信会得到意想不到的收获。而现在磁聚焦技术的不完善问题不在原理上，主要在技术应用方面。采用磁约束是一个正确的途径，问题可能出现在诸如磁场的控制精度，磁场的强度与大小和器材材料的使用等方面。相信这些问题很得到圆满的解决。

参考文献：1 《大学物理》（教材） 2 百度文库

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