А.В.Бурдаков.Физика плазмы. Литература Физика плазмы Александр Владимирович Бурдаков ИЯФ СО РАН, т.39-46-02 Спецкурс для магистрантов НГУ - презентация

1 А.В.Бурдаков.Физика плазмы. Литература Физика плазмы Александр Владимирович Бурдаков ИЯФ СО РАН, т Спецкурс для магистрантов НГУ

2 А.В.Бурдаков.Физика плазмы. семинары Ступишин Николай Валерьевич. Иванов Иван Анатольевич. Полосаткин Сергей Викторович. Солдаткина Елена Ивановна Понедельник 307а, 19:20 Среда 307а, 19:20 Среда 307, 19:20 Пятница 307а, 17:45 группы 2355,..6,..7, ,..2,..3, ,..4,..5, 2359,..60,..61,..62

3 А.В.Бурдаков.Физика плазмы. семинары Ступишин Николай Валерьевич. Иванов Иван Анатольевич. Полосаткин Сергей Викторович. Солдаткина Елена Ивановна Понедельник 307а, 19:20 Среда 307а, 19:20 Среда 307, 19:20 Пятница 307а, 17:45 группы 2355,..6,..7, ,..2,..3, ,..4,..5, 2359,..60,..61,..62

4 Программа и вопросы 1. Понятие плазмы. Энергетическая единица измерения температуры-эВ. Квазинейтральность. Дебаевская экранировка. Радиус Дебая. Потенциал пробной частицы в плазме. Сравнение с кулоновским потенциалом. Плазменные колебания. Характерный временной масштаб разделения зарядов. Плазменная частота. Классическая и вырожденная плазма. Идеальная и неидеальная плазма. Число частиц в дебаевской сфере. Влияние этого параметра на свойства плазмы. Сравнение свойств плазмы, газа, твердого тела. Характерные параметры лабораторной и космической плазмы. 2. Элементарные процессы в плазме. Ионизация и рекомбинация, основные процессы. Корональное равновесие. Перезарядка, применение для диагностики и нагрева плазмы. Степень ионизации. Формула Саха. Термодинамическое равновесие, ЛТР. Зависимость степени ионизации от параметров плазмы, от потенциала ионизации. 3. Столкновения частиц в плазме. Кулоновский логарифм. Транспортное (кулоновское) сечение, зависимость от энергии и заряда. Сила на неподвижный рассеивающий центр. Кулоновский логарифм для плазмы и газа. Траектории частиц в плазме и газе. Излучение из плазмы. Тормозное и рекомбинационное: характерные зависимости от параметров плазмы, спектр (максимум в зависимости от температуры, ширина). Линейчатое: интенсивность линии, отношение интенсивностей линий; доплеровское уширение, штарковское расщепление, использование этих эффектов в диагностике плазмы. Циклотронное излучение: частота, запирание излучения, интенсивность излучения черного тела. А.В.Бурдаков.Физика плазмы.

5 3.Релаксация импульса и энергии частиц в плазме. Характерное время потери направленного импульса для холодной и горячей плазмы, отличия в зависимости от скорости частицы. Сравнение времен релаксации электронной компоненты, ионной компоненты и времени выравнивания электронной и ионной температур. Проводимость плазмы, поле Драйсера, убегающие электроны. 4. Теоретические модели, используемые при исследовании плазмы. Кинетическое уравнение с самосогласованным полем. Функция распределения, выражение параметров плазмы через нее. Физический смысл кинетического уравнения. Коэффициенты электропроводности и теплопроводности плазмы, их зависимость от температуры (плотности). 5. Магнитная гидродинамика. МГД-приближение. Макроскопические характеристики плазмы. Одножидкостая МГД, уравнения непрерывности, движения, теплопереноса, сокращенные уравнения Максвелла. Вмороженность силовых линий магнитного поля. 6. Волны в плазме. МГД-волны, альфвеновская волна. Звуковые волны. 7. Ленгмюровская волна. Затухание Ландау. Электромагнитные электронные волны. Прохождение электромагнитной волны через плазму: зависимость показателя преломления от частоты, критическая плотность, интерферометрия плазмы. Понятие о плазменных неустойчивостях. 8. Движение частиц в магнитных полях. Циклотронный резонанс. Дрейфовое движение. Электрический, центробежный и градиентный дрейф.адиабатические инварианты. Дрейфовое движение в тороиде. Движение заряженной частицы в открытой ловушке

6 9. Управляемый термоядерный синтез. Проблемы энергетики. Радиационная опасность. Основы термоядерного синтеза. Энергия связи. Сечения реакций. Критерий Лоусона. 10. Инерциальное удержание. Термоядерная бомба. Лазерные системы. Быстрый поджиг. Сжатие рентгеновским излучением. 11. Магнитное удержание. Замкнутые системы. Токамак. Стелларатор. МГД неустойчивость. Перспективы систем с магнитным удержанием. Пинч. Тета-пинч. 12. Открытые магнитные ловушки. Пробкотрон. Неустойчивости. Тандем. Термобарьер. Амбиполярная ловушка. Газодинамическая ловушка. Многопробочная ловушка. 13. Низкотемпературная плазма и плазменный разряд. Понятие о Таундсеновской теории пробоя. Кривая Пашена. 14. Плазменные технологии. Принцип работы плазменного дисплея, плазменного двигателя. 15. Плазма в космосе

7 А.В.Бурдаков.Физика плазмы. Основная литература Л.А.Арцимович, Р.З.Сагдеев. Физика плазмы для физиков. - М.,Атомиздат, С.Ю. Лукьянов, Н.Г.Ковальский. Горячая плазма и управляемый термоядерный ситнез. М.1997 Кролл, А., Трайвелпис. Основы физики плазмы. - М., Мир, Д.Роуз, М.Кларк. Физика плазмы и управляемые термоядерные реакции. М.,, Дж. Дюдерштадт, Г. Мозес Инерциальный термоядерный синтез, М., 1984 Ред. Лохте-Хольтгревен Методы исследования плазмы.М.1971 Б.А.Трубников. Теория плазмы. М.1996 К.В.Лотов. Физика плазмы. Спецкурс для магистрантов НГУ. И.А.Котельников, Г.В. Ступаков Лекции по физике ллазмы.Новосибирск R:\plasma\VFP-book\*/pdf Эта литература имеется в электронном виде. Сайт НГУ и ИЯФ

8 А.В.Бурдаков.Физика плазмы. Литература

9 А.В.Бурдаков.Физика плазмы. Литература Понятие плазмы

10 А.В.Бурдаков.Физика плазмы. Литература В молнии Т ~ 2 х 10 4 К, n~ 2, (число электронов или ионов в см 3 ) (плотность воздуха) Такую плазму называют слабонеидеальной. Понятие плазмы

11 А.В.Бурдаков.Физика плазмы. Литература Процессами в околоземной плазме обусловлены магнитные бури и полярные сияния.

12 А.В.Бурдаков.Физика плазмы. Литература Понятие плазмы. Плазма в космосе NASA, ISAS, /

13 А.В.Бурдаков.Физика плазмы. Литература Понятие плазмы. Плазма в космосе NASA, ISAS, / В состоянии плазмы находится подавляющая часть видимого вещества Вселенной звёзды, звёздные атмосферы, туманности галактические и межзвёздная среда. Около Земли плазма. существует в космосе в виде солнечного ветра, заполняет магнитосферу Земли (образуя радиационные пояса Земли) и ионосферу.

14 А.В.Бурдаков.Физика плазмы. Литература This picture shows the inner region of the m100 Galaxy in the Virgo Cluster, imaged with the Hubble Space Telescope Planetary Camera at full resolution. (Courtesy of NASA) "Every time you look up at the sky, every one of those points of light is a reminder that fusion power is extractable from hydrogen and other light elements, and it is an everyday reality throughout the Milky Way Galaxy." ---Carl Sagan, Spitzer Lecture, October 1991

15 А.В.Бурдаков.Физика плазмы. Литература Единица измерения 1 эВ - + U=1В mV 2 2 eU=kT eU[Дж] kT[Дж] [эВ] T [эВ] Система единиц-СГС 1эв~10 4 K

16 А.В.Бурдаков.Физика плазмы. Литература Плазма=квазинейтральный газ заряженных частиц Понятие плазмы. Плазма (от греч. plasma вылепленное, оформленное), частично или полностью ионизованный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. Термин «плазма» в физике был введён в 1923 американскими учёными И. Ленгмюром и Л. Тонксом, проводившими зондовые измерения параметров низкотемпературной газоразрядной плазмы.

17 А.В.Бурдаков.Физика плазмы. Литература кристаллжидкость газплазматермояд. плазма 1 эВ 10 эВ10 кэВ плавление испарениеионизация Кулоновский барьер Ядерный барьер 10 МэВ Энергия фазового перехода Что такое плазма? Плазма=квазинейтральный газ заряженных частиц При достаточно сильном нагревании любое вещество испаряется, превращаясь в газ. Если увеличивать температуру и дальше, резко усилится процесс термической ионизации, т. е. молекулы газа начнут распадаться на составляющие их атомы, которые затем превращаются в ионы. Ионизация газа, кроме того, может быть вызвана его взаимодействием с электромагнитным излучением (фотоионизация) или бомбардировкой газа заряженными частицами.

18 А.В.Бурдаков.Физика плазмы. Литература Плазма=квазинейтральный газ заряженных частиц Понятие плазмы. * кулоновское взаимодействие *коллективные эффекты (согласованное движение частиц) В резком отличии свойств плазмы от свойств нейтральных газов определяющую роль играют два фактора. Во-первых, взаимодействие частиц плазмы между собой характеризуется кулоновскими силами притяжения и отталкивания, убывающими с расстоянием гораздо медленнее (т. е. значительно более «дальнодействующими»), чем силы взаимодействия нейтральных частиц. По этой причине взаимодействие частиц в плазме. является, строго говоря, не «парным», а «коллективным» одновременно взаимодействует друг с другом большое число частиц. Во-вторых, электрические и магнитные поля очень сильно действуют на плазму (в то время как они весьма слабо действуют на нейтральные газы), вызывая появление в плазме объёмных зарядов и токов и обусловливая целый ряд специфических свойств плазмы..

19 А.В.Бурдаков.Физика плазмы. Литература Понятие плазмы. Плазма=квазинейтральный газ заряженных частиц * кулоновское взаимодействие *коллективные эффекты (согласованное движение частиц)

20 А.В.Бурдаков.Физика плазмы. Литература Классическая и вырожденная плазма. Определения: Плотность: Температура: «Квантовый» масштаб- длина волны Де-Бройля «Плазменный» масштаб- расстояние между частицами Классическая плазма:

21 А.В.Бурдаков.Физика плазмы. Литература Классическая и вырожденная плазма.

22 А.В.Бурдаков.Физика плазмы. Литература Идеальная и неидеальная плазма. Плазменные электроны -это Ферми-газ Идеальная неидеальная плазма.

23 А.В.Бурдаков.Физика плазмы n,см -3 классическая вырожденная идеальная неидеальная Т е, эВ

24 А.В.Бурдаков.Физика плазмы n,см -3 классическая вырожденная идеальная неидеальная Т е, эВ высокотемпературная низкотемпературная -

25 А.В.Бурдаков.Физика плазмы n,см -3 классическая вырожденная идеальная Т е, эВ неидеальная идеальная неидеальная

26 А.В.Бурдаков.Физика плазмы. Литература

27 А.В.Бурдаков.Физика плазмы. Дебаевская экранировка Мы будем рассматривать классическую идеальную плазму Плазма-квазинейтральна На каком масштабе сохраняется квазинейтральность плазмы? Е=0

28 А.В.Бурдаков.Физика плазмы. Литература Дебаевская экранировка На каком масштабе сохраняется квазинейтральность плазмы? Е l Дебаевский радиус

29 А.В.Бурдаков.Физика плазмы. Литература Плазменные колебания Дебаевский радиус есть пространственный масштаб, на котором происходит разделение зарядов Временной масштаб: l Е сила За это время прилетят электроны и сравняют флуктуацию

30 А.В.Бурдаков.Физика плазмы. Литература Плазменные колебания Макроскопическое отклонение от квазинейтральности ведет к появлению электрического поля. Для плоского слоя плазмы: -смещение электронов Плазменная частота Ленгмюровские колебания

31 А.В.Бурдаков.Физика плазмы. Литература Уравнение Пуассона Дебаевская экранировка

32 А.В.Бурдаков.Физика плазмы. Литература Дебаевская экранировка Дебаевский (красная линия) и кулоновский (зеленая линия) потенциал

33 А.В.Бурдаков.Физика плазмы. Литература Дебаевская экранировка Электростатическое поле проникает в плазму не глубже r D Электрическое поле отдельной частицы в плазме «экранируется» частицами противоположного знака, т. е. практически исчезает, на расстояниях порядка r D от частицы. Величина r D определяет и глубину проникновения внешнего электростатического поля в плазму (экранировка этого поля также вызывается появлением в плазме компенсирующих полей пространственных зарядов). Квазинейтральность может нарушаться вблизи поверхности плазмы, где более быстрые электроны вылетают по инерции за счёт теплового движения на длину ~ r D.

34 А.В.Бурдаков.Физика плазмы. Литература Дебаевская экранировка Электроны, вылетая по инерции из плазмы, нарушают квазинейтральность на длине порядка дебаевского радиуса экранирования r D и повышают потенциал плазмы (n i, и n e соответственно, плотности ионов и электронов).

35 А.В.Бурдаков.Физика плазмы. Рис.1. Схема формирования атомарного пучка большой энергии. 1-плазменный эмиттер, 2-ионно-оптическая система, 3-пучок протонов, 4- газовая мишень, 5-магнит сепаратор, 6-атомарный пучок. плазма ионы + + _ _ Дебаевская экранировка rDrD

36 А.В.Бурдаков.Физика плазмы. Литература Дебаевская экранировка Число частиц в дебаевской сфере:

37 А.В.Бурдаков.Физика плазмы. Литература Параметр неидеальности

38 А.В.Бурдаков.Физика плазмы. Литература Параметр неидеальности

39 А.В.Бурдаков.Физика плазмы. Литература К.В.Лотов. Физика плазмы. Спецкурс для магистрантов НГУ. И.А.Котельников, Г.В. Ступаков Лекции по физике ллазмы.Новосибирск R:\plasma\VFP-book\*/pdf