Физика плазмы. Основы физики плазмы

Cтраница 1

Физика плазмы приобрела фундаментальное значение в середине текущего столетия, когда широко развернулось изучение процессов в космосе и был дан старт программе исследовании по управляемому термоядерному синтезу. С этого времени начинается стремительный расцвет, быть может даже второе рождение физики плазмы. Все возрастающий интерес к этой области естествознания определяется ее огромным познавательным значением и грандиозностью ее задач и перспектив.  

Физика плазмы изучает наиболее распространенное состояние вещества во Вселенной. Звезды, в том числе Солнце, представляют собой гигантские сгустки горячей и плотной плазмы. Межзвездные и межгалактические просторы заполнены плазмой ничтожной плотности.  

Физика плазмы занимается широким кругом вопросов - от космических масштабов до атомной физики. Солнце и все звезды состоят из плазмы. Внутри них в горячей плазме происходят термоядерные реакции (см. гл. Межзвездное пространство заполнено плазмой газовых туманностей.  

Физика плазмы для физиков, Атомиздат, Москва.  

В физике плазмы известен широкий класс так называемых градиентных (дрейфовых) неустойчивостей, обусловленных пространственной неоднородностью плазмы, которые часто играют определяющую роль. Причиной ее является перенос продольной энергии частиц (поперек магнитного поля из-за их дрейфа в скрещенных полях.  

В физике плазмы величина, обратная И.  

В физике плазмы исторически сложилось так, что термин эффективный соответствует статистическому описанию плазмы, парный - учету лишь аддитивно-парных квантовых эффектов, а использование слов потенциал или псевдопотенциал говорит о способе учета связанных состояний.  

К физике плазмы относятся две работы Ландау.  

В физике плазмы, так же как и в кинетической теории обычных газов, при точном математическом анализе необходимо учитывать распределение частиц по скоростям.  

С физикой плазмы тесно связана магнитная гидродинамика.  

Магнитогидродинамика и физика плазмы рассматривают поведение проводящей жидкости или газа в электромагнитных полях. Проводимость вещества связана с наличием свободных или почти свободных электронов, которые могут двигаться под действием приложенных полей. В твердом проводнике электроны фактически связаны, но за время между двумя столкновениями они могут сдвигаться на значительные по сравнению с атомными размерами расстояния внутри кристаллической решетки. При наложении полей в твердом теле проявляются такие динамические эффекты, как проводимость и эффект Холла, однако общего движения вещества не возникает. Действие приложенных полей на сами атомы сводится лишь к появлению напряжений в кристаллической решетке. Напротив, в жидкости или газе поля действуют как на электроны, так и на ионы, что приводит к движению всего вещества в целом. Движение вещества в свою очередь вызывает изменение электромагнитного поля. Следовательно, в этом случае мы должны рассматривать совместно взаимодействующую систему вещества и полей.  

Почти вся физика плазмы, с которой мы будем иметь дело, требует знания процессов только до некоторой масштабной длины, при которой плотность заряда и плотность тока еще рассматриваются как непрерывные - величины; более тонкое дробление и поведение плазмы опускаются.  

От успехов физики плазмы зависит в высокой степени осуществление тех надежд, которые возлагаются на решение проблемы управляемого синтеза легких ядер в плазменной среде, а вместе с тем и на реконструкцию энергетики будущего.  

Многие задачи физики плазмы, в том числе и разреженной, могут быть хорошо исследованы с помощью гидродинамических или газодинамических моделей. Они формулируются на основе системы уравнений для моментов функций распределения частиц по скоростям и уравнений Максвелла.  

Постепенно в физике плазмы удалось перейти от анализа отдельных явлений к решению самосогласованных задач, в которых многообразие проявлений коллективных плазменных процессов может быть выражено через несколько основных параметров.  

Помимо трех основных состояний вещества: жидкого, твердого и газообразного, существует еще и четвертое состояние вещества. Это состояние называется плазма. Плазма - частично или полностью ионизированный газ. Плазму можно получить путем дальнейшего нагревания газа. При достаточно больших температурах начинается ионизация газа. И он переходит в состояние плазмы.

Степень ионизации плазмы может быть различной, в зависимости от того сколько атомов и молекул ионизировано. Помимо нагревания газа, плазму можно получить и другими путями. Например, с помощью излучений или бомбардировкой газа быстрыми заряженными частицами. В таких случаях говорят о низкотемпературной плазме.

Свойства плазмы

Плазму выделили в отдельное четвертое состояние вещества, так как она обладает специфическими свойствами. Плазма в целом является электрически нейтральной системой. Любое нарушение нейтральности устраняется путем скопления частиц одного знака.

Это происходит потому, что заряженные частицы плазмы обладают очень высокой подвижностью и легко поддаются воздействию электрических и магнитных полей. Под действием электрических полей заряженные частицы перемещаются к области, где нарушена нейтральность, до тех пор, пока электрическое поле не станет равным нулю, то есть восстановится нейтральность.

Между молекулами плазмы действуют силы кулоновского притяжения. При этом каждая частица взаимодействует сразу с многими другими окружающими её частицами. Вследствие чего, частицы плазмы помимо хаотичного теплового движения, могут участвовать в различных упорядоченных движениях. Поэтому в плазме легко возбудить различные колебания и волны.
По мере увеличения степени ионизации плазмы, её проводимость увеличивается. При достаточно высоких температурах, плазму можно считать сверхпроводником.

Плазма в природе

Огромная часть вещества Вселенной находится именно в состоянии плазмы. Например, Солнце и другие звезды вследствие высокой температуры состоят, в основном, из полностью ионизированной плазмы. Межзвездная среда тоже состоит из плазмы. Здесь ионизация атомов вызывается излучением самих звезд.

Межзвездная плазма является примером низкотемпературной плазмы. Наша планета тоже окружена плазмой. Например, ионосфера. В ионосфере ионизация газа вызывается излучением солнца. Выше ионосферы, расположены радиационные пояса Земли, которые тоже состоят из плазмы.

В данном случае плазма также является низкотемпературной. Большей частью свойств плазмы обладают также свободные электроны в металлах. Но их ограничением является тот факт, что они не могут свободно перемещаться по всему объему тела.

- — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN plasma physicsPP … Справочник технического переводчика

физика плазмы - plazmos fizika statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. plasma physics vok. Plasmaphysik, f rus. физика плазмы, f pranc. physique du plasma, f … Fizikos terminų žodynas

«Физика плазмы» - ежемесячный научный журнал РАН, с 1975, Москва. Учредители (1998) Отделение общей физики и астрономии, Институт общей физики РАН, Российский научный центр «Курчатовский институт» … Энциклопедический словарь

ФИЗИКА - наука, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие закономерности явлений природы, св ва и строение материи и законы её движения. Понятия Ф. и её законы лежат в основе всего естествознания. Ф. относится к точным наукам и изучает количеств … Физическая энциклопедия

Физика гиперядер - Физика гиперядер раздел физики на стыке ядерной физики и физики элементарных частиц, в котором предметом исследования выступают ядроподобные системы, содержащие кроме протонов и нейтронов другие элементарные частицы гипероны. Также… … Википедия

Физика ускорителей - раздел физики, изучающий динамику частиц в ускорителях, а также многочисленные технические задачи, связанные с сооружением и эксплуатацией ускорителей частиц. Физика ускорителей включает в себя вопросы, связанные с получением и накоплением частиц … Википедия

Физика твердого тела - Физика кристаллов Кристалл кристаллография Кристаллическая решётка Типы кристаллических решёток Дифракция в кристаллах Обратная решётка Ячейка Вигнера Зейтца Зона Бриллюэна Структурный фактор базиса Атомный фактор рассеяния Типы связей в… … Википедия

Физика - I. Предмет и структура физики Ф. – наука, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи и законы её движения. Поэтому понятия Ф. и сё законы лежат в основе всего… … Большая советская энциклопедия

Физика космической плазмы - Свечения от относительно холодной плазмы, окружающей планету Земля. Фотолитография в глубоком ультрафиолете. Физика космической плазмы (в западных странах чаще Космическая физика) область астрофизики, а также … Википедия

Физика сплошных сред - раздел физики, изучающий макроскопические свойства систем, состоящих из очень большого числа частиц. В отличие от статистической физики и термодинамики, которые изучают внутреннее строение тел, физику сплошных сред интересуют, как правило, лишь… … Википедия

Книги

• Физика плазмы и численное моделирование , Ч. Бэдсел, А. Ленгдон. Изложены вопросы численного моделирования на ЭВМ плазмы в приложении к термоядерным реакторам. Показаны возможности расширения имеющихся программ для ЭВМ на более сложные виды взаимодействий… Купить за 1000 руб
• Физика плазмы для физиков , Арцимович Л.А.. В книге дано изложение физики плазмы как раздела современной физики в расчете на широкую физическую аудиторию, имеющую дело с плазменными явлениями вне собственнофизики плазмы. В этой связи…

Заведующий отделом-к.ф.м.н. Вячеслав Алексеевич Иванов

Большой вклад в создание и становлении его тематики внесли академик В.И.Векслер и профессор М.С.Рабинович, руководивший отделом до 1982 г. Работы отдела сосредоточены на решении широкого круга фундаментальных и прикладных проблем физики плазмы таких, как нелинейные процессы в плазме, взаимодействие мощного СВЧ излучения с плазмой, нагрев и удержание высокотемпературной плазмы в магнитных ловушках стеллараторного типа с целью решения проблемы управляемого термоядерного синтеза, создание сверхмощных плазменных СВЧ генераторов и усилителей, физика магнитного пересоединения и образования токовых слоев в плазме, и, наконец, использование различного типа разрядов и источников плазмы для решения широкого круга плазмохимических и прикладных задач.

Работы сектора теории плазмы посвящены изучению физики нагрева и удержания высокотемпературной плазмы в тороидальных магнитных ловушках стеллараторного типа, взаимодействия электромагнитного излучения с плазмой, развитию теории плазменной турбулентности и нелинейного взаимодействия волн, магнитогидродинамической устойчивости плазмы в стеллараторах, и ряда других актуальных проблем физики плазмы. Сотрудниками сектора был получен ряд существенных результатов в теории турбулентной плазмы и взаимодействия мощного излучения с плазмой и развита нелинейная теория аномального поглощения электромагнитных волн в неоднородной плазме и генерации быстрых электронов в области плазменного резонанса. Изучена топологическая устойчивость стеллараторных магнитных полей и открыто явление резонансного расслоения магнитных поверхностей - образование магнитных островов. Это привело к созданию концепции топологических устойчивых стеллараторных конфигураций, принятой практически всеми стеллараторными лабораториями мира. Проведенные исследования МГД – устойчивости привели к коренному пересмотру представлений о максимально достижимых давлениях плазмы в стеллараторах в результате открытого явления самостабилизации. Они показали, в частности, что в стеллараторах возможно достижение давлений, необходимых для термоядерного реактора. Развитие неоклассической теории переноса позволило указать пути оптимизации стеллараторных систем и построить модель переноса, учитывающую аномальные потери и позволяющую проводить сравнение с экспериментом.

Магнитное удержание горячей плазмы и управляемый термоядерный синтез

Экспериментальные исследования по данной проблеме проводятся на стеллараторе Л-2М. Это единственная в Российской Федерации установка подобного типа. Несмотря на успехи, достигнутые по магнитному удержанию плазмы на установках типа токамак, и решение о сооружении международного экспериментального термоядерного реактора-токамака ИТЭР, в последние годы всё большее внимание международного термоядерного сообщества привлекают установки типа стелларатора. Это связано как с успешными экспериментами, проведенными на этих установках, так и с их потенциальными преимуществами по сравнению с токамаками – возможность стационарной работы и отсутствие характерных для токамаках и весьма опасных для работы реактора неустойчивостей срыва. Стелларатор – это тороидальная магнитная ловушка для удержания горячей плазмы, в которой система замкнутых магнитных поверхностей создается токами, расположенными вне плазменного объёма. Схематически конструкция стелларатора Л-2М приведена на рис.1.

Л-2М представляет собой установку с большим радиусом R = 100 см, магнитное поле в которой создается 28 катушками тороидального поля и двухзаходной винтовой обмоткой с 7 шагами вдоль тора. Напряженность магнитного поля на оси тора B 0 £ 1,5 Т.

Магнитная конфигурация стелларатора Л-2М характеризуется высокими значениями шира (перекрещенность силовых линий). Угол вращательного преобразования силовых линий на магнитной оси равен 0,2 и, соответственно 0,8 на граничной магнитной поверхности. Средний радиус поперечного сечения плазменного шнура равен 11.5 см.

Водородная плазма создается в металлической вакуумной камере из немагнитной нержавеющей стали 1ХН9Т с толщиною стенок 1.2 мм. Граничная магнитная поверхность со средним радиусом поперечного сечения равным 11.5 см расположена внутри вакуумной камеры и не контактирует с ее стенками. Общий вид установки приведен ниже на фото.

Экспериментальные исследования на стеллараторе проводятся силами четырех лабораторий отдела - это “лаборатория физики и диагностики горячей плазмы”; “лаборатория физико-технических проблем стеллараторов”; “лаборатория нелинейной трасформации электромагнитной энергии в плазме” и лаборатория “Ливень” в сотрудничестве с теоретическим сектором отдела.