等离子体是物质存在的一种状态,在宇宙中以等离子体状态存在的物质占90%以上。等离子体科学与工程是一门交叉学科,对微电子制造、医疗保健、照明和显示、水净化和材料合成、发展核聚变产生无碳电力、核威慑、新一代粒子加速器、化学加工电气化、空间物理和天体物理等领域具有重要意义,与经济、能源和环境安全、国家安全、科学密切相关。2021年,美国科学院发布等离子体科学第三期评估报告《等离子体科学：使能技术,可持续性,安全和科学探索（2021）》（以下简称“2021报告”）^[1],评估美国等离子体科学与工程的态势与趋势,结合多份相关报告,提出了美国发展等离子体科学与工程的挑战、机遇和配套政策建议。

本文以该“2021报告”为基础,结合我国在等离子体科学领域合作研究、合作资助、装置布局等现状,分析我国在等离子体科学与工程的发展态势,提出加深现有合作机制、就共性问题开展合作研究、发展我国现有激光装置网络等建议。

领域的发展态势和趋势“2021报告”分析了美国在等离子体科学六个领域的发展态势与趋势：等离子体科学的基础、激光-等离子体相互作用、高能量密度系统、低温等离子体、磁约束聚变、宇宙等离子体。

基础等离子体科学主要研究等离子体现象后面所隐藏的基本过程。美国国内各种规模设施、太空任务、计算机模拟推动了美国基础等离子体科学的发展,该领域主要由美国国防部（DOD）、能源部（DOE）、国家科学基金会（NSF）、国家航空航天局（NASA）资助。单一机构资助模式容易导致基于等离子体的应用研究与基础研究脱节。美国NSF与DOE合作资助模式取得了重要进展,但出现了资助力度低和不能覆盖转化型项目等问题。结合该领域理论研究、攻坚团队、现有设施、等离子体模拟、计算方法、教育和评估等方面存在的问题,“2021报告”提出：基础研究资助机构之间、基础研究和应用研究资助机构之间应深入发展伙伴关系;加强对理论研究的支持;DOE扩大对等离子体科学中心的支持;联邦机构应为其实验设施的持续发展、升级和运行提供支持。

基础等离子体科学面临多项战略挑战,包括：理解与预测现有模型不能解释的极端环境下等离子体行为,量化和控制等离子体过程引导的能量转化和转移,预测和控制等离子体的自组织、等离子体与固体、液体、中性气体之间的作用等。

激光-等离子体相互作用是指高强度脉冲激光与等离子体之间的相互作用。激光技术的合作研发模式推动了激光-等离子体相互作用领域的发展,激光技术的工业应用加强了产学研合作。激光-等离子体相互作用推动等离子体光学、强场物理、粒子加速、激光光源等的新领域发展。激光-等离子体相互作用的研究由美国DOE、NSF、海军研究实验室（NRL）、空军科学研究办公室（AFOSR）等联邦机构资助或承担,研究通常以任务为导向,而非基础科学为导向。

激光-等离子体相互作用领域面临的科学与战略挑战有：基于等离子体光学操控超强辐射;开发和控制新型的基于等离子体的X射线源;控制超强激光、粒子束与等离子体的相互作用,产生超亮高能带电离子束;理解高密度激光耦合和离子加速的机制,产生准单能的高能离子束;开发更完善的理论模型,为当前和新性能的激光研发设计实验;具有高脉冲能量、重复频率的高强度、超快激光设施。

高能量密度等离子体物理研究极高密度、温度下的电离物质,主要研究高能量密度等离子体、温稠密物质、惯性约束聚变。美国高能量密度装置有大、中、小三种规模,在中等规模激光装置上形成国内研究联盟,并根据其研究需求调整布局。2015–2019年,美国的高能量密度文章产出由62%降至50%,但仍较大幅度领先于世界其他国家。美国高能量密度等离子体的研究由美国DOE、NSF、AFOSR、海军研究办公室（ONR）等联邦机构资助或承担。2007年,美国建立高能量密度物理机构间工作组推动联邦资助机构开展协作。美国大公司支持高能量密度/惯性约束聚变实验,小公司通过高能量密度科学联盟参与实验设计、等离子体模拟和计算物理等研究。

高能量密度等离子体科学面临的科学挑战有：新一代激光或脉冲功率驱动装置,实现更大空间尺度和更均匀的等离子体;能够应用于高分辨率诊断技术的高亮度X射线源;高重复频率、高强度激光驱动的等离子体;激光驱动或脉冲驱动、应用于惯性约束聚变和高能量密度系统的下一代高增益设施;计算方法研究、基础数据获取、基于不确定性量化、人工智能和机器学习分析大型数据集。

低温等离子体只有小部分气体被电离,重粒子（离子和中性粒子）和电子的温度可以低至室温或者以下。基础研究主要有：等离子体的产生、非平衡动力学和化学,等离子体与固体、液体表面的相互作用、近表面（鞘层）的性质,自组织、磁化等离子体,等离子体-波相互作用。主要应用于：空间科学、大气电学、高能微波生成、电磁波调控等科技领域,材料处理、照明和臭氧生成等经济领域。低温等离子体研究主要由美国NSF、DOE、AFOSR、ONR、国防部高级研究计划局、NASA、陆军研究办公室（ARO）、USDA和NIH等联邦机构资助或承担。美国对低温等离子体应用研究与基础研究的资助比例失衡,没有基于国家层面的基于等离子的晶圆设备处理技术发展计划,在等离子医学、等离子农业新兴领域的投资不足、不持续。

低温等离子体的战略挑战有：为未来的医疗保健和食品全周期开发等离子体工具;在原子水平控制等离子体与表面的相互作用,开发应用于量子计算、新通信、传感器、能量存储和收集技术的新材料;基于可再生电力实现化学工业电气化;基于电推进技术实现太空探索并维护通信基础设施安全。

实验室条件下可行的聚变反应是氢的同位素氘和氚的带正电的原子核聚变反应生成氦核并释放巨大的能量。为了克服带正电粒子间的静电排斥,可以使用磁场限制带电粒子,采用加热等离子体的方式使带电粒子获得能量克服静电作用。美国参与国际热核聚变实验堆计划,有各种规模的磁约束聚变实验装置：为国际热核聚变实验堆计划提供研究基础的DIII-D,为球形托卡马克提供基础的NSTX-U,以及主要部署在美国大学的小型研究设施等。美国的设施投资增长较缓慢,在一定程度上削弱了美国磁约束聚变等离子体的国际领先地位。美国DOE聚变能科学办公室制定核聚变研究战略计划,以使研究资助机构和研究社区能够聚焦优先研究领域。公司或者慈善组织聚焦低成本磁约束聚变能。不同的聚变路线往往需要相似的关键技术和材料,公私合作是推进美国磁约束聚变快速发展的重要途径之一。

磁约束聚变能的科学机会包括：解决能量耗散问题,实现稳态、高性能、无中断的托卡马克等离子体,利用三维磁场实现等离子体磁瓶、优化等离子体环境,发展基础理论和计算能力。

宇宙等离子体研究等离子体天体物理和太阳等离子体物理。太阳动力学观测站、日地关系天文台的太阳成像仪、四航天器群磁层多尺度任务、帕克太阳探测器等装置或者任务、计算机技术、自动特征识别、机器学习和人工智能推动宇宙等离子体研究发展。美国的宇宙等离子体研究主要由美国NASA、NSF、DOD和DOE资助,其中包含NASA与NSF,NSF与DOE的合作资助。

激光干涉引力波观测站（LIGO）、高能天体物理学高级望远镜雅典娜（预计2028年发射）、事件视界望远镜（EHT）、X射线成像和光谱任务（XRISM）,LYNX射线天文台（LYNX）、激光干涉仪空间天线（LISA）、平方公里阵列（SKA）和切伦科夫望远镜阵列（CTA）将解决等离子体天体物理若干子领域的重大挑战：多信使宇宙等离子体的极端等离子体物理,稀薄等离子体物理,初期太阳系、系外行星、星际介质的等离子体物理。未来十年太阳物理学的挑战有：空间天气极端事件、太阳不透明度、太阳粒子、太阳风等离子体和空间湍流动力学、太阳风与太阳系的相互作用、地球弓激波、哨声波、地球热层和中层等离子体过程等。在空间与天体等离子体物理领域的挑战有：宇宙磁学、恒星磁场的产生和反转、无碰撞激波、宇宙射线和太阳高能粒子的加速机制等。

重视关键问题、共性问题研究。（1）在低温等离子体领域,世界范围内技术研发主要分布在欧洲和亚洲,在亚洲,韩国和日本项目较多,我国和新加坡发展较为迅速。美国DOE重视微电子和医药领域的低温等离子体-表面相互作用的研究^[2,3],我国重视等离子体科学与工程对集成电路器件制造业和低温等离子体产业的推动作用。在等离子体应用于医药的领域,低温等离子体促进和抑制药物活性的机制、低温等离子体与药物协同抗癌作用的分子机制尚不清楚,缺少基于低温等离子体的药物的体内实验和临床实验,在低温等离子体降解医疗废物的过程中,有毒物质的实时检测和选择合适的等离子体处理条件以彻底净化污水也是有待研究的重要问题^[4]。（2）在磁约束聚变领域,我国在全超导托卡马克（EAST）实验研究领域,取得了100s量级的高约束稳态运行等离子体的重要进展,在边界局域模及高热负荷缓解等影响托卡马克高约束稳态运行的关键物理问题研究上取得了重要突破;我国需要大幅度提升EAST的下偏滤器的热承载能力,射频波保护限制器也需要同步进行改造²（² 下偏滤器以及射频波保护限制器放电期间出现的热斑问题,限制EAST实现更高参数、更长脉冲的高约束模稳态运行的主要因素之一。）。EAST还需要在提升等离子体的品质、发展先进的等离子体诊断系统等方面进行改进^[5]。（3）此外,实现更大空间尺度、更均匀的、高重复频率、高强度激光驱动的等离子体,高脉冲能量、重复频率的高强度、超快激光,新型X射线光源,是激光-等离子体相互作用、高能量密度系统领域需要研究的共性问题。

加强资助机构、研究人员之间的合作,适当引入私营机构的力量。建议科技部、国家自然科学基金委员会、中国科学院在现有合作基础上,在磁约束聚变领域开展更深层次的资助合作。在大力资助应用型研究的同时,重视资助应用研究中的共性问题,重视在任务导向型大型装置中为基础研究分配适当比例的资源。我国科技部等资助机构鼓励研究人员开展合作研究,但合作范围除了单个的等离子体科学领域外,还需要覆盖等离子体科学多个领域的共性问题：不同磁约束聚变技术的共性材料与技术,极端环境下等离子体行为,等离子体过程引导的能量转化和转移,等离子体的自组织,等离子体与固体、液体、中性气体之间的作用等。私营机构是多种技术路线发展磁约束聚变、高能量密度系统应用的一支重要力量,美国的私营机构在低成本磁约束聚变能、高能量密度系统应用于医药、工业、癌症治疗、正电子放射断层造影术等领域对美国的主体研究力量形成必要的补充,私营机构的力量同样值得我国加以重视。