逃逸電子

逃逸電子

逃逸電子(Runaway electrons)。在托卡馬克電漿中,電子受到的阻尼力隨著電子速度的增加而迅速減小,和電子運動速度的平方成反比;但是電子受到的電場力與電子的運動速度無關,可以認為是基本不變的。因此,隨著電子速度的增加,電子受到的阻尼力在某一時刻將小於其受到的電場力,於是電子將在環向電場的作用下持續的被加速,從而獲得很高的能量。我們把此時的電子稱之為“逃逸電子”,將電子受到的阻尼力和電場力相等時的電子運動速度稱之為逃逸的閾值速度。

性質

逃逸電子能攜帶一部分電漿電流,所以它能影響到本底電漿的行為,它可能會改善電漿的約束,逃逸電子和波的相互作用能向電漿中輸送能量。此外,逃逸電子在電漿中與離子碰撞特別是它們撞擊到限制器或者容器壁上時,速度就會發生迅速的變化,因此就會產生出能量不同的硬X射線,這些硬X射線會在不同程度上干擾其他的診斷設備。尤其是當電漿破裂時,大量的逃逸電子被加速到很高的能量,它們可以穿透固體的聚變堆設備,這時的危害更大。逃逸電子打到容器和限制器的表面會使其加熱,甚至局部融化,融化的部分就會成為電漿的雜質,而雜質的增加又會進一步加快電漿的能量損失,從而加快了電漿的粹滅。這對於托卡馬克電漿物理實驗是不利的。

相互作用

電子所產生的電場,除了會施加吸引力於像質子一類的帶正電粒子,還會施加排斥力於帶負電粒子。這些作用力遵守庫侖定律。根據經典電動力學,一個任意移動的帶電粒子,必須經過一段傳播時間,才能夠將其影響傳播到場位置,在場位置產生對應的推遲勢,稱為李納-維謝勢。這一段時間的長短跟帶電粒子位置、場位置之間的距離有關。任意移動的帶電粒子所產生的電場和磁場,可以從李納-維謝勢求得,也可以用傑斐緬柯方程直接計算出來。套用狹義相對論,也可以推導出同樣的結果。一群電子在空間中的移動會形成電流。安培定律專門描述電流與其產生的磁場之間的關係。

移動於磁場的電子,會感受到洛倫茲力的作用。這洛倫茲力垂直於磁場與電子速度兩個矢量所決定的平面,是向心力,促使電子按照螺旋軌道移動於磁場。螺旋軌道的半徑稱為迴轉半徑。由於螺旋運動涉及加速度,電子會發射電磁輻射。對於這過程,非相對論性電子發射的電磁輻射稱為迴旋輻射;而相對論性電子發射的則稱為同步輻射。發射電磁輻射的同時,電子也會感受到一種反衝力,稱為阿布拉罕-洛倫茲-狄拉克力,使得電子的移動速度減緩。阿布拉罕-洛倫茲-狄拉克力,是由電子自身產生的電磁場,施加於自己本身的作用力。

物理行為

移動於真空的獨立電子稱為自由電子。自由電子不束縛於原子內。在金屬內的電子的物理行為好似自由電子。實際而言,這些在金屬內的電子是準電子。更仔細而言,它們是準粒子,所擁有的電荷量、自旋、磁矩,與真實電子的等值;但是有效質量不等值。當自由電子移動於金屬或真空時,它們會造成電荷的淨流動,稱為電流。載流導線是載有電流的導線。環繞著載流導線的四周,會生成磁場;而隨著時間而改變的磁場,稱為 含時磁場,又會生成電流。這些電磁現象的物理行為,可以用麥克斯韋方程組來描述。

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