蔡诗东的学术成就

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蔡诗东30多年来一直从事等离子体理论研究工作。他的研究面很广，发表了150余篇论文，他的研究工作，被同行们广泛引用。在一些重要的前沿领域做出了系统的，创造性的贡献。 1. 推导出了热流非对角元与逆磁对流项相消的恒等式，后被普林斯顿实验室同行称为“蔡氏等式”，从此，等离子体宏观方程应力与热流的表达式被固定了下来；1960年代，人们对静态等离子体（Q-machine plasma）中的碰撞漂移波不稳定性在实验上和理论上做了广泛的研究，他们的研究结果虽然可以定性地解释部分实验结果，但仍然存在着不少不能解释的现象。蔡诗东在分析了前人工作的基础上，考虑到了热涨落和边界条件，以及碰撞粘滞性和热输运的联合作用以后，所得到的计算结果极大地改进了与实验结果符合的程度，同时预言了熵模不稳定性的存在,这个预言后被实验证实.

蔡诗东对漂移波及其不稳定性研究的论文，是漂移波研究的重要文献之一。

2． 建立了求解各向异性电磁振荡非线性饱和极限的热力学方法。 蔡诗东把原有的各向同性静电法推广到了各向异性电磁振荡非线性饱和极限的情形，从而建立了求解各向异性电磁振荡非线性饱和极限的热力学方法。

3. 对大幅度朗缪尔（Langmuir）波的研究，建立了混合计算方法在对无碰撞等离子体中有限幅度等离子体波的空间演变的研究中，建立了利用边界条件匹配的解析与模拟混合算法。这个算法，对大幅度渐近展开或对小幅度的扰动都可适用，还大大地减少了计算量。这在当时计算机容量与速度还不很大的条件下，其优越性尤显突出。

4. 推导出了弱相对论普遍色散关系，并建立了漂移等离子体色散函数的解析计算方法在均匀和非均匀WKB近似下，与美国马里兰大学吴京生教授等合作推导出了弱相对论性等离子体的普遍色散关系，并将L-函数推广到复平面，建立了漂移等离子体色散函数的解析计算方法，从而使多年来只能用模型或数值计算的由非均匀性和相对论效应驱动的微观不稳定性问题可以进行严格的解析处理，为天体，空间和实验室等离子体的许多问题提供了计算方法。这一方法被广泛引用。

5. 解释了离子温度梯度不稳定性与等离子体约束的定性关系。根据普林斯顿托卡马克装置PLT的实验结果，首先导出了离子温度梯度在托卡马克等离子体中所导致的不稳定性模式结构，并从此推导出反常输运的定标率，首先定性地说明了约束时间与电流的关系。 1. 建立了适用于相对论、任意频率、任意磁场位形的等离子体的回旋动力论方程。

等离子体在聚变装置中能否约束足够长的时间是热核聚变作为能源实现正能量输出的重要条件之一。回旋动力论方程是研究等离子体，特别是高温等离子体稳定和约束的重要的基本工具。

蔡诗东与美国加州大学陈骝教授合作将原来只能处理低频的回旋动力论方程，推广到了能适用于相对论、任意频率、任意磁场位形的等离子体，为高能等离子体微观理论得到一组计算简便的方程。这一工作和高能粒子分量的计算概念与方法已被广为引用并已列入研究生教材。蔡诗东与他的合作者又用它来计算各种不稳定性，并推广到计算非局域加热和输运。他曾多次被邀作这方面的特邀报告和评论报告。他还与他的学生将此概念开拓到多年来大家认为无法适用的反场和中性片位形等离子体，预计，这一工作会推动地磁尾中性片等离子体物理的研究。

2. 提出了高能粒子稳定等离子体磁流体模的新概念

1983年，美国得克萨斯大学M.N. Rosenbluth 教授邀请他从事合作研究。他们与Van Dam教授等合作提出了托卡马克等离子体中加入高能粒子后可抑制气球模不稳定性，使等离子体直接进入高比压（高比压指的是产生的聚变能量和输入的总能量之比值）第二稳定区的新思想。该工作具体证明了具有适当分布的高能粒子分量在托卡马克等准稳态装置中可以抑制起很大破坏作用的气球模不稳定性，增强等离子体稳定性。其后，蔡诗东和他的研究小组又把这种致稳作用推广到托卡马克等离子体的内扭曲模不稳定性，从而有可能对锯齿不稳定性与内破裂模不稳定性起到重要的抑制作用。此外，他们还考虑了理想磁流体模被抑制后电阻性不稳定性增长的可能性，并进一步从加热和输运的角度来讨论实现高能粒子稳定作用的可能性。

托卡马克虽然是磁约束途径中最有希望实现受控热核反应的装置，但蔡诗东看到了仿星器对核聚变能最后具有实用意义的重要性，他带领研究生首先证明了高能分量粒子对仿星器与偶极场中的气球模与交换模不稳定性也可能起到抑制作用。

3. 预言了聚变产物（高能α粒子）会激发一些新的不稳定性，并提出了聚变堆设计中将会遇到的新问题。

蔡诗东与陈骝在1993年所预言的高能离子和高能α粒子激发的动力束气球模不稳定性近年来已普遍地在实验室中观察到。该类高能粒子不稳定性可能定性地影响国际聚变反应实验装置ITER的聚变成效。

普遍认为，托卡马克装置是磁约束途径中最有可能实现受控热核反应的装置，但托卡马克等离子体中的气球模、内扭曲模、内破裂模等不稳定性和锯齿不稳定性使等离子体不能稳定存在，因而，高能分量粒子对托卡马克等离子体的稳定作用这一新思想一经提出，立即引起了国际上许多科学家的反响,随着实验的进展，高能粒子分量等离子体已发展成为一个热门领域。

国际上对蔡诗东在高能粒子分量等离子体理论上的贡献给了很高的评价，认为 “蔡诗东是这个领域的世界领先的专家之一”。美国能源部官员，聚变理论主任邀请蔡诗东赴美并建议从事ITER(国际聚变实验堆)中聚变产物（α粒子）问题的研究。牛津大学出版社物理科学主编邀蔡诗东撰写这方面的专著。 蔡诗东的研究面很广，涉及到等离子体很多重要方面，除了以上所列以外，他与同事们合作还做出了不少有份量的工作，例如，发现了等离子体鞘对漂移模的影响，后被实验证实; 研究了电阻问题与电阻型模的线性与非线性行为；非线性参量激发；提出了电磁结合的聚变研究装置新概念；横越磁场不稳定性及无碰撞激波；随机过程与加热；空间离子环问题；托卡马克等离子体增强辐射及极区千米辐射；磁尾中性片及反场问题；弱湍流理论，强湍流与超腔子塌缩模拟；强耦合等离子体。 他培养出了他所在组的等离子体物理理论研究人才。他还帮助复旦大学，福州大学等高校开展等离子体研究，并对亚非地区发展中国家的等离子体研究也起到了一定的推动作用。

冲出地球！等离子体火箭，充电就能轻松去火星

模拟结果中的Walén关系符合Hall等离子体理论中的Walén关系。通过这部分工作，我们提出了一种可以考虑部分离子载流、部分电子载流的三维Hall MHD模型，并对重联区附近B<,y>的反四极结构进行了系统研究，同时对不同离子载流比例的影响以及Hall无碰撞磁重联的三维现象进行了系统地分析，打破了Hall MHD数值模拟中不考虑载流子(其实默认为电子载流)的传统。本文结构安排如下：第一章简要回顾了磁场重联的发展历史并介绍了三维磁重联的研究现状和存在问题；第二章介绍了本文数据分析过程中用到的卫星数据和本文用到的比较成熟的分析方法；第三章利用Cluster和TC-1的联合观测从三维全球的角度统计研究向阳面磁层顶磁重联；第四章用三维Hall MHD数值模拟的方法研究Hall磁重联的三维特征。

好奇是人类天性。地球容不下的不止马斯克，还有各位航天发烧友。

他们中的一些成了火箭科学家、工程师，心心念念，致力于制造出一枚枚高推力火箭，将人类的足迹扩展到外空间。

据测算，一枚3408吨推力的“土星五号”运载火箭，可以将45吨的载人宇宙飞船送上月球（美国，20世纪中叶）；一枚2940吨推力的“能源号”重型火箭，可以将27吨载荷送到火星和金星（俄罗斯，1987年）；一枚4000吨推力的“长征九号”重型火箭，则可以将37吨载荷轻松送至火星（中国，正在研制中）。

目前世界各国使用的这些运载火箭都是化学火箭，靠燃烧液态或固态燃料释放巨大能量，排出高温高速气体，让火箭获得巨大推力。而要奔赴更远的深空，就需要更多燃料。

但火箭储存燃料的空间毕竟有限，燃料过重影响发射怎么办？长时间太空旅行过程中，燃料供应不足又该如何解决？

一位来自NASA的华裔航天员张福林，提出了一种新型火箭——等离子体火箭。这种火箭靠电能推动，以气态的等离子体为“燃料”。坐上等离子体火箭，从地球到火星只需要39天。

正在规划的“长征九号”火箭（最右）起飞质量超过4000吨，运力和美国“土星五号”火箭大致相当，超过正在研制的美国下一代运载火箭（SLS），完全可以满足未来载人月球探测、火星取样返回、太阳系行星探测等任务。 Spacenews

飞出地球，以气体为“燃料”

在科幻小说中，飞行器似乎能为星际旅行提供全程动力。可现实中使用的化学火箭需要消耗煤油、酒精等化学燃料，它们胃口很大，效率却并不高，大部分燃料都被用来摆脱地球引力，根本无法实现随心所欲的星际旅行。

等离子体火箭（VASIMR）则采取了一种完全不同的思路——利用等离子体加速器作为推动力。

这里先介绍一个何为等离子体。当物质被加热到足够高温时，其中的原子会电离为带正电的原子核和带负电的电子，形成一团离子状的“浆糊”，也就是等离子体。

等离子体在自然界中普遍存在，炽热的火焰、光辉夺目的闪电，以及绚丽的极光，都是等离子体作用的结果。在整个宇宙中，几乎99.9%以上的物质（如恒星、行星际空间物质）都以等离子态存在。因此，它也被称为在气态、液态、固态之外的“物质的第四态”。

用人工方法，如核聚变、核裂变、辉光放电等过程，都可产生等离子体。

相比于化学火箭燃料重量大，火箭发射过程中燃料本身就可能成为 “累赘”，等离子火箭能用更少的燃料提供更多动力，一旦进入太空，就会像顺风的帆船，逐渐加速飞行，最终把传统的化学火箭远远抛在身后，在太空中完成各种航天 探索 任务。

等离子体火箭的发动机以氩气作为等离子体来源。氩气是一种惰性气体，不易与其他元素发生化学反应，经常在焊接金属时做保护气体，很适合做等离子体。

其工作原理是：火箭发动机先电离氩气，将其转化为低温等离子体（其实也有5000 以上）。随后利用磁铁使电离气体加热、加速，温度达到上百万摄氏度。再用磁场控制高温等离子体，使其加速排出火箭尾部，形成巨大推力，助力火箭冲出地球。

经推算，安装上等离子体火箭，太空飞船的速度可达每小时约19.8万公里。相比于传统火箭用250天时间送宇航员到达火星，等离子体火箭最快可以让宇航员在39天内到达火星，节省大量的燃料、食物、水、空气，宇航员也能摆脱长时间的宇宙射线辐射。

那么，等离子体火箭到底是如何获得这么高的推进效率呢？这与等离子体被加速的机制有关。

神奇的磁重联机制，从磁场中要能量

等离子体火箭在发动机工作的全过程中，主要利用磁重联机制加速、加热等离子体束流。

什么是磁重联呢？其实，磁重联是太阳上一个非常重要的快速释放磁能的过程，太阳爆发事件几乎都和磁重联有关，例如耀斑、日冕物质抛射、喷流等。而且不仅是太阳上，在地球大气层和托卡马克核聚变反应堆内也能看到磁重联现象。

在磁重联过程中，多组方向相反的磁力线相互靠近，并重新连接形成新磁力线。等离子体火箭利用磁场变化带动磁力线连接和断开，将磁能转化为等离子体的动能、热能和粒子加速度。

但磁重联过程需要有足够大的电能支撑，等离子体火箭需要的电能近数百千瓦。这么大的电能从哪里来？选择何种供电方式才能满足需求呢？

巨大电能从哪儿来？核能？太阳？

1）核反应堆供电

目前认为，最好的动力来源是核反应堆，因此我们可以设想，等离子体火箭最终将是一个核电火箭发动机。用核裂变反应堆为等离子体火箭提供电力，能轻松将人们带到火星。

就目前情况而言，等离子发动机的推力仍旧比不上传统火箭，很难将有效载荷从地球带到近地轨道。不过到了近地轨道，等离子发动机的优势就能显现：如果能够将动力升至200千瓦，将足够提供大约0.45千克的推力——相比火箭的重量，这听起来轻如羽毛，但在太空中，0.45千克的推力可以驱动2吨重的货物。

2）太阳能电池板供电

将火箭供电装置改成太阳能电池板，可以把太阳能转化为电能。问题是，电池板的效率不够高，如果向深空继续进发或者运载更大重量，就需要增加太阳能利用效率。

研究发现，大型且可控的太阳能电池阵列可以提供高达1千千瓦的功率。但过大的电池阵对航天器的构型、轨道保持和姿态控制设计等会带来巨大挑战。

目前国际空间站的太阳能电池也只能提供百千瓦级的电功率，而且这一结果是在地日距离下，太阳能在火星以外的区域将大幅衰减。

另外，很多科学家也在研究太阳能供电的宇宙飞船——太阳帆，期待未来有一天能使用太阳帆 探索 太空。

与太阳能电池相比，空间核反应堆电源的优点在于它是自主电源，不依赖阳光，且储能极高；适用功率范围广，可以覆盖千瓦甚至兆瓦以上功率输出。缺点则是，从安全和技术角度考虑，核反应堆供电的技术要求很高，工程成本相对较大，工期长。

目前核电可以有效满足航天任务日益增长的能源需求。随着空间技术的发展，大功率卫星、深空探测等都需要大功率长久耐用的供电方式。相比之下，太阳能电池供电还有很长的路要走。

记得小时候，乘坐普速火车从北京去上海需要数十个小时，现在具有更高性能的高铁仅用4个多小时就可以。

同理，摆脱传统能源依赖，改为靠电能推动的“电火箭”，不仅推动自己更快地奔向火星，还推动了世界航天 科技 的发展。

相信我们终有一天会克服技术瓶颈，研发出更高性能的“电火箭”，更加方便快捷地奔赴太空旅行，去 探索 太空深处不为人知的奥秘。

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