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。在宇宙可⻅物质中，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⻛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，我们坐在⻋⾥是安全的。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？⽤东⻄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⻓，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⻅的瓶⼦，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⻢克，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⻆向磁场，⼆者合成总的磁场，它也是⼀种螺旋形状磁场。在托克⻢克的真空室中，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⻔槛太⾼，托克⻢克⽬前还没有⽤于能源⽣产。法国正在建造的ITER托克⻢克——⽬前世界上最厉害的托克⻢克，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⻢克核聚变反应堆[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⻢克，⽬前世界上约有60台托克⻢克和10台仿星器在运⾏。这两种反应器都有⼀定的优点。
托克⻢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。尽管托克⻢克⽬前很流⾏，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⻢克都⾮常重视呢？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、⻓寿命的核废料。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，⽽托克⻢克是实现受控热核聚变的关键设备。