Исследования по управляемому термоядерному синтезу, стимулировавшие бурное развитие физики плазмы, относятся, в основном, к плазме с экстремальными для земных условий параметрами (температурой и произведением плотности на «энергетическое время жизни») при минимально возможном отклонении от локального термодинамического равновесия. Вместе с тем в разных областях науки и техники всё более широкое применение приобретает более доступная плазма с параметрами вне «термоядерного» диапазона. В настоящем пятом томе серии ИНТ «Физика плазмы» отражены успехи в развитии трёх крупных направлений в физике такой плазмы, каждое из них лежит в основе разнообразных применений плазмы.

Физической основой большинства применений плазмы является возможность создания в плазме сильной неравновесности. Типичным примером служит плазма, пронизываемая пучком заряженных частиц. В такой системе особенно отчётливо проявляются типичные для плазмы коллективные явления, неустойчивости. Неудивительно поэтому, что пучковые системы лежат в основе новейших методов генерации и усиления электромагнитных волн. Физике электронных пучков в плазме и их применению как в технике, так и в научных исследованиях посвящён первый обзор данного выпуска, написанный доктором физико-математических наук М. В. Незлиным.

Следующий обзор в сборнике касается физики слабоионизованного газа — плазме тлеющего разряда повышенного давления. Здесь неравновесность системы вызывается легко достигаемым превышением энергии движения электронов в электрическом поле их тепловой энергии. Одновременно возникает неравновесность распределения частиц газа по энергетическим уровням. Оба эти свойства обусловили применение тлеющего разряда в качестве мощных источников света, плазмохимических реакторов и газовых лазеров. Неравновесность плазмы, вместе с тем, привела к большому разнообразию ситуаций в тлеющем разряде и к необходимости, с целью оптимизации параметров рассматриваемой системы, широких исследований кинетических и газодинамических процессов. Обзор «Тлеющий разряд в газах повышенного давления», написанный докторами физико-математических наук В. Ю. Барановым, А. П. Напартовичем, А. Н. Старостиным, знакомит читателей с состоянием этого обширного раздела современной физики плазмы.

Третий обзор, включённый в данный выпуск, написан доктором физико-математических наук А. И. Морозовым и кандидатом физико-математических наук А. П. Шубиным. Он посвящён ускорению плазмы. Здесь речь идёт о создании высокоскоростных (по сравнению с основанными на химическом топливе) плазменных струй с широкой областью применений от обработки поверхностей до создания электрореактивных двигателей и использования для управляемого синтеза. Как и в проблеме управляемого синтеза, объектом исследования служит, в основном, двухкомпонентная (электроны и ионы) плазма. Однако специфика больших скоростей движения и роли электродов делают физику процессов более богатой и разнообразной. Поэтому исследования плазмодинамических систем служат не только развитию конкретных применений, но и более глубокому пониманию плазмофизических процессов, важному для всей физики плазмы в целом.

Как и предыдущие выпуски, этот том рассчитан на достаточно широкий круг физиков, интересующихся плазмой…

ОТ РЕДАКТОРА

От редактора	3

ЭЛЕКТРОННЫЕ ПУЧКИ В ПЛАЗМЕ
М. В. Незлин

1. Введение	6
2. Апериодические неустойчивости пучков (теория)	10
2.1. Неустойчивость и предельный ток пучка частиц одного знака
в вакууме	10
2.2. Неустойчивость и предельный ток квазинейтрального
электронного пучка (задача Пирса)	12
2.3. Неустойчивость и предельный ток квазинейтрального
ионного пучка	14
2.4. Неустойчивость и предельный ток релятивистского
электронного пучка	15
3. Колебательные неустойчивости пучков (теория)	16
3.1. Дисперсионное уравнение системы пучок-плазма	16
3 2. Собственные волны плазмы и пучка	19
3.3. Электрон-ионная (бунемановская) неустойчивость	20
3.4. Электрон-электронная неустойчивость	22
3.5. Пучково-дрейфовая неустойчивость
пространственно-неоднородной системы пучок-плазма
в продольном магнитном поле	23
3.6. Неустойчивости релятивистских электронных пучков	27
4. Пучковые неустойчивости как результат активной связи волн
с различными знаками энергии (теория)	29
4.1. Волны с положительной и отрицательной энергией	29
4.2. Активная связь (неустойчивость) волн с различными знаками
энергии	31
4.3. Элементарные процессы, лежащие в основе пучковых
неустойчивостей	33
5. Новейшие пучковые методы генерации и усиления электромагнитных
волн электронными пучками, или лазеры (мазеры) на свободных
электронах (теория и эксперимент)	38
5.1. Томсоновское (комптоновское) рассеяние фотонов
на релятивистских электронах (теория)	38
5.2. Рамановское (комбинационное) рассеяние на собственных
волнах электронного пучка, несущих отрицательную энергию
(теория)	42
5.3. Лазеры (мазеры) на свободных электронах и на рамановском
(комбинационном) рассеянии (эксперимент)	46
6. Неустойчивости, предельные токи и двойные слои в электронных
и плазменных пучках. Механизм срыва тока в пучках, (эксперимент)	48
6.1. Предельный ток электронного пучка в отсутствие
нейтрализации пространственного заряда	48
6.2. Предельные токи квазинейтрального электронного пучка	49
6.3. Неустойчивости, ответственные за ограничение (срыв) тока
в квазинейтральных электронных пучках: пучково-дрейфовая
и пирсовская	52
6.4. Электрон-ионная (бунемановская) неустойчивость	54
6.5. Плазменная стабилизация (повышение порогов) пирсовской,
пучково-дрейфовой и бунемановской неустойчивостей	57
6.6. Предельные токи ионных и релятивистских электронных пучков	59
6.7. Электрон-электронная неустойчивость	59
6.8. Неустойчивость плазменного пучка	60
6.9. Виртуальный катод в электронном пучке и двойной
электрический слой в плазме	63
6.10. Двойной электрический слой («виртуальный анод») в ионном
пучке, распространяющемся в плазме в модели земного
магнитного диполя, и вопрос о механизме полярных сияний	67
7. Солитоны в электронных пучках	72
7.1. Физические представления о самосжатии (коллапсе)
ленгмюровских волн	72
7.2. Ленгмюровские солитоны в электронных пучках (эксперимент)	80
7.3. О ленгмюровских солитонах в космосе (наблюдения)	84
8. Заключение	85
Литература	86

ТЛЕЮЩИЙ РАЗРЯД В ГАЗАХ ПОВЫШЕННОГО ДАВЛЕНИЯ
В. Ю. Баранов, А. П. Напартович, А. Н. Старостин

1. Введение	91
2. Физические явления в тлеющем разряде в газах повышенного давления	93
2.1. Основные процессы в плазме тлеющего разряда	93
2.1.1. Реакции заряженных частиц	93
2.1.2. Процессы нагрева газа	95
2.2. Условия неравновесности электронной функции распределения
по энергиям	99
2.3. Основные уравнения для ФРЭЭ	103
2.4. Гидродинамическое описание процессов переноса заряженных
частиц в слабоионизованном газе	106
2.4.1. Теория возмущений по плавным пространственно-временным
изменениям параметров плазмы	106
2.4.2. Приближённые методы оценки коэффициентов диффузии
электронов	111
2.4.3. Уравнения переноса заряженных частиц в плазме
тлеющего разряда	113
2.4.4. О квазинейтральном описании слабоионизованной плазмы	115
2.5. Структура тлеющего разряда в газах повышенного давления	116
2.5.1. Прикатодная область	116
2.5.2. Переходная область и плазменный столб	118
2.5.3. Анодный слой	119
2.5.4. Поперечная структура разряда на стадии его формирования	120
2.5.5. Влияние потока газа на структуру разряда	122
2.6. Основные механизмы неустойчивостей тлеющего разряда	123
2.6.1. Слоевые неустойчивости	124
2.6.2. Шнурование разряда	126
2.7. Математическое моделирование тлеющего разряда	130
2.7.1. Однородные модели разряда	130
2.7.2. Моделирование продольной структуры разряда	131
2.7.3. Моделирование радиальной структуры разряда	132
2.7.4. Двумерные модели разряда	133
3. Методы создания объёмного разряда при повышенных давлениях	133
3.1. Импульсный несамостоятельный разряд в молекулярных газах	137
3.2. Импульсный самостоятельный разряд	146
3.3. Импульсно-периодический разряд	159
3.4. Разряд в потоке газа	164
4. Заключение	169
Литература	171

ПЛАЗМЕННЫЕ УСКОРИТЕЛИ
А. И. Морозов, А. П. Шубин

1. Введение	179
1.1. Общая характеристика плазменных ускорителей	180
1.2. О предмете обзора	182
2. Элементы теории плазменных потоков	183
2.1. Механизмы ускорения плазмы в плазменных ускорителях	183
2.2. Динамика электронов и электростатическое поле в плазме	185
2.2.1. Объёмные и пристеночные E-поля	186
2.2.2. Закон Ома для идеально проводящей плазмы
и его интегралы	187
2.2.2.1. Понятие термализованного потенциала	188
2.2.2.2. Понятие «автономности» электронной компоненты	190
2.2.3. Закон Ома при конечной проводимости	192
2.2.4. Динамика электронной компоненты в кинетическом
приближении	195
2.2.4.1. Пристеночная проводимость (ПП)	195
2.2.4.2. Изодрейфовые режимы	197
2.3. Общие свойства стационарных плазменных течений	199
2.3.1. Исходные уравнения	199
2.3.2. Формализм функций потока в бездиссипативной
двухжидкостной гидродинамике	200
2.3.3. Динамика безынерционной электронной компоненты	201
2.3.4. Течение в собственном магнитном поле
(ψ=0, a_i,е=0, m=0)	202
2.3.4.1. Эпюры коаксиального ускорителя	202
2.3.4.2. Ускорительные и компрессионные режимы течения	204
2.3.4.3. Метод «плавных» течений	205
2.3.5. Течение во внешних магнитных полях при m=0
(продолжение анализа системы (38))	206
2.3.6. Численное моделирование течений плазмы в коаксиальных
каналах с собственным магнитным полем	207
2.3.7. Численное моделирование течений в системах
с замкнутым дрейфом	209
2.3.8. Бесстолкновительные одномерные плазмодинамические
структуры	211
2.3.9. Одномерный ускоряющий слой при наличии ионизации	213
2.3.10. Дрейфовые приэлектродные процессы
в плазмодинамических системах	214
3. Плазменные ускорители и плазмооптические системы	216
3.1. Плазменные ускорители (ПУ)	216
3.1.1. Классификация ПУ	216
3.1.2. Неизотермические ПУ	217
3.1.3. Ускорители с анодным слоем (УАС)	220
3.1.4. Ускорители с замкнутым дрейфом и протяжённой зоной
ускорения (УЗДП)	222
3.1.5. Импульсные плазменные ускорители (ИПУ)	227
3.1.6. Коаксиальные стационарные плазменные ускорители (КПУ)
и магнитоплазменные компрессоры (МПК)	229
3.1.7. Торцевые сильноточные ускорители (ТСУ)	235
3.1.8. Торцевые холловские ускорители (ТХУ)	236
3.2. Плазмооптика	237
3.2.1. Принцип плазменной линзы	239
3.2.2. Некоторые общие вопросы теории плазмооптических
систем (ПОС)	240
3.2.2.1. О квазинейтральности	240
3.2.2.2. О транзитивности	241
3.2.2.3. О богатстве вариантов плазменных и вакуумных
корпускулярных оптических систем (КОС)	242
3.2.2.4. О предельных плотностях КИП	243
3.2.3. Экспериментальные исследования плазменной линзы	243
4. Применение плазмодинамических систем	246
4.1. Электрореактивные двигатели (ЭРД)	246
4.2. Моделирование астрофизических явлений и активные
эксперименты в космосе	247
4.3. Вакуумная ионно-плазменная технология (ВИПТ)	249
4.4. Применение плазмооптических систем	250
4 5. Плазмодинамические системы в лазерной технике	251
4.6. Плазменные ускорители и проблема УТС	252
Литература	253

Книги на ту же тему

Пучки убегающих электронов и разряды на основе волны размножения электронов фона в плотных газах, Яковленко С. И., ред., 2007
Нелинейные явления при электромагнитных взаимодействиях электронных пучков с плазмой, Бобылёв Ю. В., Кузелев М. В., 2009
Электродинамика плотных электронных пучков в плазме, Кузелев М. В., Рухадзе А. А., 1990
Мазеры, Сигмен А., 1966
Искусственные пучки частиц в космической плазме, Гранналь Б., ред., 1985
Плазменные лазеры, Гудзенко Л. И., Яковленко С. И., 1978
Неравновесные и резонансные процессы в плазменной радиофизике, Ерохин Н. С., Кузелев М. В., Моисеев С. С., Рухадзе А. А., Шварцбург А. Б., 1982
Высокочастотный ёмкостный разряд: Физика. Техника эксперимента. Приложения: Учебное пособие: Для вузов, Райзер Ю. П., Шнейдер М. Н., Яценко Н. А., 1995
Физика и химия газовых разрядов в пучках СВЧ-волн, Коврижных Л. М., ред., 1994
Электроизоляция и разряд в вакууме, Сливков И. Н., 1972
Физика слабоионизованного газа (в задачах с решениями): Учебное пособие. — 2-е изд-е, перераб., Смирнов Б. М., 1978
Электронные лавины и пробой в газах, Ретер Г., 1968
Физика слабоионизованного газа: В задачах с решениями. — 3-е изд., перераб. и доп., Смирнов Б. М., 1985
Плазменные и высокочастотные процессы получения и обработки материалов в ядерном топливном цикле: настоящее и будущее, Туманов Ю. Н., 2003
Плазменная технология в производстве СБИС, Айнспрук Н., Браун Д., ред., 1987
Физика химически активной плазмы, Русанов В. Д., Фридман А. А., 1984
Плазменные ускорители и ионные инжекторы, Козлов Н. П., Морозов А. И., ред., 1984
Плазменные источники электронов, Крейндель Ю. Е., 1977
Генераторы плазменных струй и сильноточные дуги, Рутберг Ф. Г., ред., 1973

elapsed time 0.019 sec

/Наука и Техника/Физика

ОГЛАВЛЕНИЕ

Книги на ту же тему