等離子不穩(wěn)定性大致可分為宏觀不穩(wěn)定性和微觀不穩(wěn)定性兩大類。凡在遠大于粒子回旋半徑和德拜長等微觀尺度上發(fā)展的不穩(wěn)定區(qū)域,統(tǒng)稱為宏觀不穩(wěn)定;而只在微觀尺度上發(fā)展的不穩(wěn)定,稱之為微觀不穩(wěn)定。
宏觀不穩(wěn)定會引起等離子體的大范圍擾動,對平衡產(chǎn)生嚴重破壞作用。其主要原因是在等離子體中儲存了過量的與磁場結合的能量,此外,等離子體的抗磁性等特性也會導致宏觀不穩(wěn)定。在可控熱核聚變裝置中,對約束等離子體而言,這是一個非常重要的問題。
有許多宏觀不穩(wěn)定類型。除了扭曲不穩(wěn)定性之外,更重要的還有交換不穩(wěn)定性,也就是等離子體與受約束的磁揚的位置發(fā)生交換;撕裂模,也就是等離子體被磁場撕裂成細小的束流等等。磁性流體力學是研究宏觀不穩(wěn)定性的常用方法。在這種情況下,能量原理是一個非常有效的方法,即根據(jù)偏離平衡時的小位移引起的系統(tǒng)勢能變化,判斷平衡是否穩(wěn)定。該方法尤其適用于具有復雜幾何形狀的磁場。
除了能量原理之外,簡正模方法是一種常用的分析方法。該方法假定擾動量是dq(r,t)=dq(r)-e-iwt。通常求出的w是復數(shù):w=wr+iwi。若wi>0,則擾動量振幅隨t而增大,即不穩(wěn)定,反之wi<0,則系統(tǒng)穩(wěn)定。
微不穩(wěn)定性產(chǎn)生的原因很多。由空間引起的不均勻性,如密度、溫度、磁場梯度等,它能引起漂移,并有引發(fā)不穩(wěn)定的危險。另外一個原因是速度空間的非均勻性,比如速度,溫度,壓力等向異性。此外,波與波的相互作用等也會導致微觀不穩(wěn)定。總而言之,偏離熱平衡態(tài)的等離子體具有多余的自由能,必須將其釋放,使其趨于平衡態(tài)。釋放出的自由能可能導致微觀不穩(wěn)定性。
具有微觀不穩(wěn)定等離子體的特點是漲落現(xiàn)象日益明顯。這種情況常常導致紊流的產(chǎn)生和形成反常的輸運現(xiàn)象。微觀不穩(wěn)定的類型非常多。主要原因是:二流不穩(wěn)定,它是由兩束相對流動的粒子引起的;漂移不穩(wěn)定,是由各種梯度引起的漂移運動引起的;速度分布的各向異性引起的損失錐不穩(wěn)定,以及波-波相互作用引起的參量不穩(wěn)定等。微不穩(wěn)定理論是以動力論為基礎,即從符拉索夫方程出發(fā)研究的。
對于不穩(wěn)定性的研究,一般采用線性理論,它只能判斷系統(tǒng)是否穩(wěn)定,有時還可以給出系統(tǒng)初始時刻的不穩(wěn)定性增長率。在適當?shù)臈l件下,當擾動振幅增大后,趨于飽和的演化問題,需要用非線性理論來研究。24553