Отдел физики плазмы. Физика плазмы
Плазма - это частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. Поэтому в целом плазма является электрически нейтральной системой.
Определяется отношением числа ионизированных атомов к их общему числу
В зависимости от степени ионизации плазма подразделяется на слабо ионизированную ( - доли процента), частично ионизированную ( - несколько процентов) и полностью ионизированную ( = 100%). Слабо ионизированной плазмой является ионосфера - верхний слой земной атмосферы. В состоянии полностью ионизированной плазмы находится Солнце, горячие звезды. Солнце и звезды представляют собой гигантские сгустки горячей плазмы, где температура очень высокая, порядка 10 6 - 10 7 К. Искусственно созданной плазмой различной степени ионизации является плазма в газовых разрядах, газоразрядных лампах.
Существование плазмы связано либо с нагреванием газа, либо с излучением различного рода, либо с бомбардировкой газа быстрыми заряженными частицами.
Ряд свойств плазмы позволяет рассматривать ее как особое состояние вещества. Плазма - самое распространенное состояние вещества. Плазма существует не только в качестве вещества звезд и Солнца, она заполняет и космическое пространство между звездами и галактиками. Верхний слой атмосферы Земли также представляет собой слабо ионизированную плазму. Частицы плазмы интенсивно взаимодействуют с внешними электрическими и магнитными полями: из-за большой подвижности заряженные частицы плазмы легко перемещаются под действием электрических и магнитных полей. Поэтому любое нарушение электрической нейтральности отдельных областей плазмы, вызванное скоплением частиц с зарядом одного знака, быстро исчезает. Возникающие электрические поля перемещают заряженные частицы до тех пор, пока электрическая нейтральность не восстанавливается и электрическое поле не становится равным нулю.
Между заряженными частицами плазмы действуют кулоновские силы, сравнительно медленно убывающие с расстоянием. Каждая частица взаимодействует сразу с большим количеством окружающих частиц. Благодаря этому наряду с хаотическим тепловым движением частицы плазмы могут участвовать в разнообразных упорядоченных движениях. В плазме легко возбуждаются разного рода колебания и волны. Проводимость плазмы увеличивается по мере роста степени ионизации. Электропроводность и теплопроводность полностью ионизированной плазмы зависят от температуры по законам
соответственно. При высокой температуре полностью ионизированная плазма по своей проводимости приближается к сверхпроводникам.
Ионизация атомов межзвездной среды производится излучением звезд и космическими лучами - потоками быстрых частиц, пронизывающими пространство Вселенной по всем направлениям. В отличие от горячей плазмы звезд температура межзвездной плазмы очень мала.
Управление движением плазмы в электрических и магнитных полях является основой ее использования как рабочего тела в различных двигателях для непосредственного превращения внутренней энергии в электрическую - плазменные источники электроэнергии, магнитогидродинамические генераторы. Для космических кораблей перспективно использование маломощных плазменных двигателей. Мощная струя плотной плазмы, получаемая в плазмотроне, широко используется для резки и сварки металлов, бурения скважин, ускорения многих химических реакций. Проводятся широкомасштабные исследования по применению высокотемпературной плазмы для создания управляемых термоядерных реакций.
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.
- — [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…
В первых трех состояниях - твердом, жидком и газообразном - электрические и магнитные силы глубоко запрятаны в недрах вещества. Они целиком уходят на то, чтобы связывать ядра и электроны в , атомы в и в кристаллы. Вещество в этих состояниях оказывается в целом электрически нейтральным. Другое дело - плазма. Электрические и магнитные силы здесь выступают на первый план и определяют все ее основные свойства. Плазма соединяет в себе свойства трех состояний: твердого (), жидкого (электролит) и газообразного. От металла она берет высокую электропроводность, от электролита - ионную проводимость, от газа - большую подвижность частиц. И все эти свойства переплетаются так сложно, что плазма оказывается очень трудной для изучения.
И все-таки ученым удается с помощью тонких физических приборов заглянуть в ослепительно светящееся газовое облако. Их интересует количественный и качественный состав плазмы, взаимодействие ее частей друг с другом.
До раскаленной плазмы руками не дотронешься. Ее ощупывают с помощью очень чувствительных «пальцев» - электродов, вводимых в плазму. Эти электроды называются зондами. Измеряя силу тока, идущего на зонд, при разных напряжениях, можно узнать степень концентрации электронов и ионов, их температуру и ряд других характеристик плазмы.(К слову интересно, что даже бумага А4 при определенных с ней манипуляций также может перейти в плазму)
Состав плазмы узнают, беря пробы плазменного вещества. Специальными электродами вытягивают небольшие порции ионов, которые затем сортируют по массам с помощью остроумного физического прибора - масс-спектрометра. Этот анализ дает возможность узнать также знак и степень ионизации, то есть отрицательно или положительно, однократно или многократно ионизированы атомы.
Плазму ощупывают также радиоволнами. В отличие от обычного газа плазма их сильно отражает, подчас сильнее, чем металлы. Это связано с наличием в плазме свободных электрических зарядов. До недавнего времени такое радиоощупывание было единственным источником сведений об ионосфере - замечательном плазменном «зеркале», которое природа поместила высоко над Землей. Сегодня ионосфера исследуется также с помощью искусственных спутников и высотных ракет, которые берут пробы ионосферного вещества и «на месте» производят его анализ.
Плазма - очень неустойчивое состояние вещества. Обеспечить согласованное движение всех ее составных частей - весьма нелегкое дело. Часто кажется, что это достигнуто, плазма усмирена, но внезапно по каким-то не всегда известным причинам в ней образуются сгущения и разрежения, возникают сильные колебания, и ее спокойное поведение резко нарушается.
Иногда же «игра» электрических и магнитных сил в плазме сама приходит на помощь ученым. Эти силы могут образовывать из плазмы тела компактной и правильной формы, названные плазмоидами. Форма плазмоидов может быть очень разнообразной. Здесь и кольца, и трубки, и сдвоенные кольца, и перекрученные шнуры. Плазмоиды довольно устойчивы. Например, если «выстрелить» навстречу друг другу двумя плазмоидами, то они при столкновении отлетят друг от друга, как бильярдные шары.
Изучение плазмоидов позволяет лучше понять процессы, происходящие с плазмой в гигантских масштабах вселенной. Один из видов плазмоидов - шнур - играет очень важную роль в попытках ученых создать управляемую . Плазмояды, видимо, будут использованы также в плазменной химии и металлургии.
НА ЗЕМЛЕ И В КОСМОСЕ
На Земле плазма - довольно редкое состояние вещества. Но уже на небольших высотах плазменное состояние начинает преобладать. Мощное ультрафиолетовое, корпускулярное и рентгеновское излучение ионизирует воздух в верхних слоях атмосферы и вызывает образование плазменных «облаков» в ионосфере. Верхние слои атмосферы - это защитная броня Земли, предохраняющая все живое от губительного действия солнечных излучений. Ионосфера - отличное зеркало для радиоволн (за исключением ультракоротких), позволяющее осуществлять земную радиосвязь на далекие расстояния.
Верхние слои ионосферы не исчезают и ночью: слишком разрежена в них плазма, чтобы возникшие днем ионы и электроны успели воссоединиться. Чем дальше от Земли, тем меньше в атмосфере нейтральных атомов, а на расстоянии в полтораста миллионов километров находится ближайший к нам колоссальный сгусток плазмы - .
Из него постоянно вылетают фонтаны плазмы - подчас на высоту в миллионы километров, - так называемые протуберанцы. По поверхности перемещаются вихри несколько менее горячей плазмы - солнечные пятна. Температура на поверхности Солнца около 5 500°, пятен - на 1 000° ниже. На глубине 70 тысяч километров - уже 400 000°, а еще дальше температура плазмы достигает более 10 миллионов градусов.
В этих условиях ядра атомов солнечного вещества совершенно оголены. Здесь при гигантских давлениях все время идут термоядерные реакции слияния ядер водорода и превращения их в ядра . Выделяющаяся при этом энергия восполняет ту, что Солнце так щедро излучает в мировое пространство, «отапливая» и освещая всю свою систему планет.
Звезды во вселенной находятся на разных стадиях развития. Одни умирают, медленно превращаясь в холодный несветящийся газ, другие взрываются, выбрасывая в пространство огромные облака плазмы, которые спустя миллионы и миллиарды лет достигают в виде космических лучей других звездных миров. Есть области, где силы притяжения сгущают газовые облака, в них растут давление и температура, пока не создаются благоприятные условия для появления плазмы и возбуждения термоядерных реакций, - и тогда вспыхивают новые звезды. Плазма в природе находится в непрерывном круговороте.
НАСТОЯЩЕЕ И БУДУЩЕЕ ПЛАЗМЫ
Ученые стоят на пороге овладения плазмой. На заре человечества величайшим достижением было умение получать и поддерживать огонь. А сегодня понадобилось создать и сохранить на длительное время другую, гораздо более «высокоорганизованную» плазму.
Мы уже говорили о применении плазмы в хозяйстве: вольтова дуга, лампы дневного света, газотроны и тиратроны. Но здесь «работает» сравнительно негорячая плазма. В вольтовой дуге, например, ионная температура составляет около четырех тысяч градусов. Однако сейчас появляются сверхжаропрочные сплавы, которые выдерживают температуру до 10-15 тысяч градусов. Чтобы обрабатывать их, нужна плазма с более высокой ионной температурой. Применение ее сулит немалые перспективы и для химической промышленности, так как многие реакции протекают тем быстрее, чем выше температура.
До какой же температуры пока удалось разогреть плазму? До десятков миллионов градусов. И это не предел. Исследователи уже находятся на подступах к управляемой термоядерной реакции синтеза, в ходе которой выделяются огромные количества энергии. Представьте себе искусственное солнце. И не одно, а несколько. Ведь они изменят климат нашей планеты, навсегда снимут с человечества заботу о топливе.
Вот какие применения ожидают плазму. А пока ведутся исследования. Большие коллективы ученых напряженно работают, приближая тот день, когда четвертое состояние вещества станет для нас таким же обычным, как и три остальных.
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.
