蔡世东的学术成就。
蔡世东关于漂移波及其不稳定性研究的论文是研究漂移波的重要文献之一。
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。蔡世东将原来的各向同性静电法推广到各向异性电磁振荡非线性饱和极限的情况,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.在大振幅Langmuir波的研究中,建立了一种混合计算方法。在无碰撞等离子体中有限振幅等离子体波的空间演化研究中,建立了一种基于边界条件匹配的混合解析和模拟算法。该算法可应用于大规模渐近展开或小规模扰动,计算量大大减少。这在当时计算机容量和速度都不是很大的情况下尤为有利。
4.推导了弱相对论等离子体的一般色散关系,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,与马里兰大学吴京生教授合作推导了弱相对论等离子体的一般色散关系,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。从而可以严格分析多年来只能靠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,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。这种方法被广泛引用。
5.解释了离子温度梯度不稳定性与等离子体约束之间的定性关系。根据普林斯顿托卡马克中PLT的实验结果,首次导出了托卡马克等离子体中离子温度梯度引起的不稳定模结构,并由此推导出反常输运的标度率。首先,定性地解释了约束时间和电流之间的关系。1.建立了任意频率和任意磁场配置的相对论等离子体的回旋动力学方程。
能否将等离子体长期约束在聚变装置中,是热核聚变作为能源实现正能量输出的重要条件之一。回旋动力学方程是研究等离子体特别是高温等离子体稳定性和约束的重要基础工具。
蔡世东与美国加州大学艾晨教授合作,将只能处理低频的回旋动力学方程推广到相对论、任意频率、任意磁场构型的等离子体,得到了一组简单的高能等离子体微观理论方程。这项工作以及计算高能粒子成分的概念和方法被广泛引用并收录在研究生教材中。蔡世东和他的合作者用它来计算各种不稳定性,并将其扩展到计算非局域加热和传输。曾多次受邀做该领域的专题报告和评论报告。他和他的学生一起,还把这个概念推广到了多年来一直被认为不适用的逆场和中性片等离子体。预计这项工作将推动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力学模式的新概念。
1983,德克萨斯大学的M.N. Rosenbluth教授邀请他从事合作研究。他们与Van Dam教授合作,提出了一个新的想法,在托卡马克等离子体中加入高能粒子,可以抑制气球模不稳定性,使等离子体直接进入高比压的第二稳定区(高比压是指产生的聚变能量与总能量输入的比值)。这项工作具体证明了适当分布的高能粒子成分可以抑制在托卡马克等准稳态装置中起巨大破坏作用的气球模不稳定性,增强等离子体稳定性。后来,蔡世东和他的团队将这种稳定效应扩展到托卡马克等离子体的内部畸变模不稳定性,这可能在抑制锯齿不稳定性和内部破裂模不稳定性方面发挥重要作用。此外,他们还考虑了理想磁流体模式被抑制后电阻不稳定性增加的可能性,并从加热和输运的角度进一步讨论了实现高能粒子稳定化的可能性。
虽然托卡马克是最有希望以磁约束方式实现受控热核反应的装置,但蔡世东看到了卫星模拟器对于核聚变能源的重要性。他带领研究生证明了高能分量粒子也可能抑制卫星模拟器和偶极子场中气球模和交换模的不稳定性。
3.预计聚变产物(高能α粒子)将引起一些新的不稳定性,聚变堆的设计将遇到新的问题。
蔡世东和陈鄂在1993中预言的高能离子和高能α粒子激发的动态束的气球模不稳定性,近年来在实验室得到了广泛的观察。这种高能粒子的不稳定性可能会定性地影响国际聚变反应实验装置ITER的聚变效果。
一般认为托卡马克装置是最有可能以磁约束方式实现受控热核反应的装置。然而,托卡马克等离子体中气球模、内部扭曲模和内部破裂模的不稳定性以及锯齿不稳定性使得等离子体不稳定。因此,用高能组分粒子稳定托卡马克等离子体的新思想立即引起了世界上许多科学家的响应。随着实验的进展,高能粒子成分等离子体已经发展成为一个热点领域。
蔡世东对高能粒子成分等离子体理论的贡献在国际上得到高度评价,认为“蔡世东是该领域世界领先的专家之一”。美国能源部官员、聚变理论主任蔡世东邀请他到美国,并建议他在ITER研究聚变产物(α粒子)。牛津大学出版社的《物理科学》主编邀请蔡世东就这一课题撰写专著。蔡世东的研究范围很广,涉及到等离子的很多重要方面。除此之外,他还与同事合作做了很多有分量的工作。比如他发现了等离子体鞘层对漂移模式的影响,后来被实验证实;研究了阻力问题和阻力模式的线性和非线性行为。非线性参数激励;提出了电磁组合聚变研究装置的新概念。穿过磁场的不稳定性和无碰撞激波;随机过程和加热;空间离子环问题;托卡马克等离子体增强辐射和极公里辐射;磁尾中性片和逆场问题;湍流的弱理论,强湍流和超空泡崩溃的模拟:强耦合等离子体。他在自己的小组里培养等离子体物理的理论研究人才。他还帮助复旦大学、福州大学等高校开展等离子体研究,对亚非发展中国家的等离子体研究也起到了一定的推动作用。