作为物质的第四态，等离子体物质是部分或完全电离的气态物质，由大量自由电子、阳离子和中性原子及分子组成。在宇宙可见物质中，等离子物质占比超过99.9%，典型的如恒星物质。

等离子体给人给人最恐怖的印象除了密集的带电粒子之外 ，就是超高的温度。其实，等离子体的温度范围很大，低温等离子体只有几十度，例如等离子体电视屏幕。而高温等离子体的温度几乎没有上限，例如，太阳中心温度高达1500万度，而氢的热核聚变反应的点火温度更是高达上亿度。

值得指出的是，也存在人造超低温等离子体。例如在2009年，Science就曾报道了一种处在50mK低温的等离子体，它是通过对超冷原子光电离得到的。

住在温暖舒适的地球上的我们以为物质世界即使没有这般宜居，但应该也不会是恐怖如斯的高温等离子体，然而事实是，超出地球之外的空间几乎都是高温等离子体主宰的世界。

之所以我们能在频繁的太阳风暴的袭击下幸免遇难，都是因为地球上罩着的地磁场的保护。想想那裸漏地外太空，没有地磁场庇护的地方，那充满高温等离子体的世界是怎样一番景象？

不得不佩服造物主的奇妙的设计，地球上的生物就这样被保护着。这让人不禁想起静电场的屏蔽，一个金属罩能让内在物体免受外电场的影响。所以打雷时，我们坐在车里是安全的。

而说到静电屏蔽，我们还知道，如果带电体的范围较小，为了防止它的电场影响周围的物体，一般将其用接地的导体罩起来就可以了。

那么类似的，如果有高温等离子体，如何防止它泄露呢？用东西把它罩起来是不可能的！它的温度如此之高，任何罩子都将被熔化。

看来这个问题还真不好办！

你可能会说，这不是杞人忧天嘛，你上哪里能找到这么炽热的东东？所以根本不用担心这个问题，再说了，即使有，咱们离它远点就行。

然而，随着人类科技的发展，尤其是对未来能源需求的不断增长，解决这个问题真的变成了刚需。

在很多场合下，例如高能物理实验、核聚变研究中，都需要将超高温等离子体控制在一定的空间范围内，因为只有这样才能达到一定的能量密度（单位体积内的能量值），以达到研究所需的条件。

既然任何材料都无法承受超高温等离子体的温度——例如氢核聚变的点火温度约为1.5亿度，那就得想办法让高温带电粒子流与容器壁之间保持一定的安全距离。

因此，如何将高温等离子体局限在对应的安全范围内是关键。

大家想一想，有什么方法能限制这种带电物质的运动范围呢？

高中物理中学过，运动的带电粒子在均匀磁场中会受到洛伦兹力作用，如果设置好磁场和电场的关系，可使带电粒子按预定的路径运动。

实际上，带电粒子在电磁场中的运动是很复杂的。

在均匀的稳恒电磁场中，带电粒子的运动轨迹除了直线和圆之外，还可能是螺旋线，抛物线和摆线等等。

而对于非均匀的电磁场来说，情况就更加复杂多了。

但一种特殊的不均匀但恒定的磁场结构提供了解决问题的基础。如下图所示，当不均匀的磁场呈现两头强中间弱时，就会对带电粒子产生一种约束，使其只能在一定的空间范围内运动。

由于带电粒子被限制在磁场内部，磁场看起来就像一个看不见的瓶子，因此这种磁场结构被形象的称作为磁瓶。

下面简单的讲一下它的基本原理。

将粒子的速度分成纵向  和横向  两个分速度。横向速度导致粒子在竖直面内做圆周运动，其周期和半径分别为 

可得粒子的磁矩为 考虑到磁场分布的特点，不容易但可以证明  是一个近似守恒量[1]。这是分析问题的关键，有了这一点接下来就好说了！

既然往两边磁场越大，那么横向速度  将随粒子往两边运动而增加，以保证磁矩  近似恒定。

而另一方面，由于洛伦兹力不做功，粒子的总动能应该守恒。既然横向速度  增加，粒子的纵向速度  必然要减小直至为零并反向运动。这使得粒子纵向运动被限制了！

同时还要注意到， 既然  近似守恒，随着粒子往两边运动，  越来越大，则回旋半径   越来越小。这使得粒子的横向运动也被限制了！

看到了吧，粒子的纵向和横向的运动都受到限制，即带电粒子们被磁场约束起来了，这就是“磁约束”一词的由来！

可以看到，对那些沿纵向速度不太大的带电粒子，磁瓶的两端就好像有两面反射镜，带电粒子的运动就像光在这两面镜子之间来回反射，因此这种结构也被称之为磁镜。

然而，磁瓶并不完美。对那些纵向速度  比较大的粒子，还是有可能从磁瓶两端逃逸。

怎么办？

于是人们又设计了环形磁瓶，如下图所示。

它的磁场由绕在一个形如游泳圈的环形管上的通电导线激发，磁感应线沿着环形管的轴向。

根据安培环路定理可知，管内磁场并不均匀，带电粒子在垂直于磁场的面内的运动半径发生改变，这导致带电粒子发生横向漂移，如下图所示[1]。

量子力学中著名的施特恩-盖拉赫实验也与此有关，正是磁场的不均匀性导致银原子的自旋磁矩受到磁场作用而发生漂移，从而使银原子束分裂为两条。

这种横向的漂移使带电粒子的整体发生移动，从而碰到环形管的外壁，导致对等离子体的约束失效。 

看来这个方案也不行。

为了避免由于磁场的不均匀导致带电粒子发生整体的漂移，人们在环形螺线管的基础上又设置了一种新的磁场结构，使它的磁力线产生一个扭转，形成一种螺旋形磁场。其特点是，磁力线经过环的一圈之后并不闭合，而是数圈之后才闭合，如下图所示[2]。

磁力线扭转之后，带电粒子在沿着磁力线运动时，虽然也会发生横向漂移，但只是不断围绕环管轴线振动，避免了带电粒子的整体移动，达到了磁约束的效果。

基于以上这种扭转磁场的装置被称作仿星器（stellarator），是未来核聚变电站的一种重要的反应堆设备候选者。

在核聚变领域，目前来看，最受重视也是最有希望的磁约束反应堆装置叫做托克马克，意思是“带磁线圈的环形腔室”，名称Tokamak由环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnet)、线圈(kotushka)这几个词语的首字母组成。

该设备最初由前苏联的研究人员于上世纪50年代发明，它的主体部分是一个圆环形真空室，如下图所示。

它利用套在金属环形管上的线圈产生一个纵向磁场  ，利用等离子体中的感应电流激发角向磁场  ，二者合成总的磁场  ，它也是一种螺旋形状磁场。

在托克马克的真空室中，聚变物质（通常是氢气）在强电流作用下电离，形成等离子体。利用辅助加热系统将温度提高到聚变所需的水平（1.5-3亿摄氏度）。在这些条件下，高能量粒子能够克服碰撞时的自然电磁排斥，使其聚合并释放出大量能量。

由于启动和维持聚变反应的能量门槛太高，托克马克目前还没有用于能源生产。法国正在建造的ITER托克马克——目前世界上最厉害的托克马克，有望能逐步实现这一目标。建成后，它将成为世界上最大的实验托克马克核聚变反应堆[3]。

由于仿星器配置的构建具有挑战性，今天的大多数聚变实验都是托克马克，目前世界上约有60台托克马克和10台仿星器在运行。

这两种反应器都有一定的优点。托克马克能更好地保持等离子体的高温，而仿星器能更好地维持等离子体的稳定。尽管托克马克目前很流行，仿星器仍有可能有一天成为未来聚变能源工厂的首选。

最后再说说，为什么世界各国对托克马克都非常重视呢？

最简单的回答是，核聚变具有不可替代的能源利用前景。

与裂变反应不同，聚变过程几乎没有放射性污染，核聚变过程的安全性很高，即使发生泄露事故，一般也只在核电站外壳外产生极低水平的放射性。另外，用于核聚变的燃料几乎取之不尽（氢是宇宙中最丰富的元素），它们不会产生高活性、长寿命的核废料。

人类已经成功实现不受控制的核聚变，如氢弹的爆炸。但是要想有效的使用核聚变能量，必须合理的控制核聚变的速度和规模，实现持续、平稳的能量输出，即受控热核聚变。世界各国都正在努力攻克这一难题，而托克马克是实现受控热核聚变的关键设备。

参考文献

Koskinen, H.E.J., Kilpua, E.K.J. (2022). Charged Particles in Near-Earth Space. In: Physics of Earth.

https://www.iaea.org/bulletin/magnetic-fusion-confinement-with-tokamaks-and-stellarators

https://www.twi-global.com/technical-knowledge/faqs/what-is-a-tokamak