ПлазмаБольшая Советская Энциклопедия. Статьи для написания рефератов, курсовых работ, научные статьи, биографии, очерки, аннотации, описания.
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Плазма (от греч. plásma — вылепленное, оформленное), частично или полностью ионизованный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. 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. Свободные заряженные частицы — особенно электроны — легко перемещаются под действием электрического поля. Поэтому в состоянии равновесия пространственные заряды входящих в состав Плазма отрицательных электронов и положительных ионов должны компенсировать друг друга так, чтобы полное поле внутри Плазма было равно нулю. Именно отсюда вытекает необходимость практически точного равенства плотностей электронов и ионов в Плазма— её «квазинейтральности». Нарушение квазинейтральности в объёме, занимаемом Плазма, ведёт к немедленному появлению сильных электрических полей пространственных зарядов, тут же восстанавливающих квазинейтральность. Степенью ионизации Плазма a называется отношение числа ионизованных атомов к полному их числу в единице объёма Плазма В зависимости от величины a говорят о слабо, сильно и полностью ионизованной Плазма Средние энергии различных типов частиц, составляющих Плазма, могут отличаться одна от другой. В таком случае Плазма нельзя охарактеризовать одним значением температуры Т и различают электронную температуру Te, ионную температуру Ti, (или ионные температуры, если в Плазма имеются ионы нескольких сортов) и температуру нейтральных атомов Ta (нейтральной компоненты). Подобная Плазма называется неизотермической, в то время как Плазма, для которой температуры всех компонент равны, называется изотермической. Применительно к Плазма несколько необычный смысл (по сравнению с др. разделами физики) вкладывается в понятия «низкотемпературная» и «высокотемпературная». Низкотемпературной принято считать Плазма с Ti£ 105 К, а высокотемпературной — Плазма с Ti » 106—108 К и более. Это условное разделение связано как с возможностью для Плазма достигать чрезвычайно больших температур, так и с особой важностью высокотемпературной Плазма в связи с проблемой осуществления управляемого термоядерного синтеза (УТС). В состоянии Плазма находится подавляющая часть 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. Процессами в околоземной Плазма обусловлены магнитные бури и полярные сияния. Отражение радиоволн от ионосферной Плазма обеспечивает возможность дальней радиосвязи на Земле. В лабораторных условиях и промышленных применениях Плазма образуется в электрическом разряде в газах (дуговом разряде, искровом разряде, тлеющем разряде и пр.), в процессах горения и взрыва, используется в плазменных ускорителях, магнитогидродинамических генераторах и во многих др. устройствах (см. раздел Применения плазмы). Высокотемпературную Плазма получают в установках для исследования возможных путей осуществления УТС. Многими характерными для Плазма свойствами обладают совокупности электронов проводимости и дырок в полупроводниках и электронов проводимости (нейтрализуемых неподвижными положительными ионами) в металлах, которые поэтому называются плазмой твёрдых тел. Её отличительная особенность — возможность существования при сверхнизких для «газовой» Плазма температурах — комнатной и ниже, вплоть до абсолютного нуля температуры. Возможные значения плотности Плазма n (число электронов или ионов в см3) расположены в очень широком диапазоне: от n ~ 10-6 в межгалактическом пространстве и n ~ 10 в солнечном ветре до n ~ 1022 для твёрдых тел и ещё больших значений в центральных областях звёзд. Термин «Плазма» в физике был введён в 1923 американским учёными И. Ленгмюром и Л. Тонксом, проводившими зондовые измерения (см. ниже) параметров низкотемпературной газоразрядной Плазма Кинетика Плазма рассматривалась в работах Л. Д. Ландау в 1936 и 1946 и А. А. Власова в 1938. В 1942 Х. Альфвен предложил уравнения магнитной гидродинамики для объяснения ряда явлений в космической Плазма В 1950 И. Е. Тамм и А. Д. Сахаров, а также американский физик Л. Спицер предложили идею магнитной термоизоляции Плазма для осуществления УТС. В 50—70-е гг. 20 в. изучение Плазма стимулировалось различными практическими применениями Плазма, развитием астрофизики и космофизики (наблюдение космической Плазма и объяснение процессов в ней) и физики верхней атмосферы Земли — особенно в связи с полётами космических летательных аппаратов, а также интенсификацией исследований по проблеме УТС. Основные свойства плазмы.В резком отличии свойств Плазма от свойств нейтральных газов определяющую роль играют два фактора. Во-первых, взаимодействие частиц Плазма 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 Плазма 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 Плазма (в то время как они весьма слабо действуют на нейтральные газы), вызывая появление в Плазма объёмных зарядов и токов и обусловливая целый ряд специфических свойств Плазма Эти отличия позволяют рассматривать Плазма как особое, четвёртое состояние вещества. К важнейшим свойствам Плазма относится упомянутая выше квазинейтральность. Она соблюдается, если линейные размеры области, занимаемой Плазма, много больше дебаевского радиуса экранирования
(ee и ei — заряды электронов и ионов, neи ni — электронная и ионная плотности, k — Больцмана постоянная, здесь и ниже используется абсолютная система единиц Гаусса, см. СГС система единиц). Следовательно, лишь при выполнении этого условия можно говорить о Плазма как таковой. Электрическое поле отдельной частицы в Плазма «экранируется» частицами противоположного знака, т. е. практически исчезает, на расстояниях порядка D от частицы. Величина D определяет и глубину проникновения внешнего электростатического поля в Плазма (экранировка этого поля также вызывается появлением в Плазма компенсирующих полей пространственных зарядов). Квазинейтральность может нарушаться вблизи поверхности Плазма, где более быстрые электроны вылетают по инерции за счёт теплового движения на длину ~ D) (рис. 1). Рис. 1. Электроны, вылетая по инерции из плазмы, нарушают квазинейтральность на длине порядка дебаевского радиуса экранирования D и повышают потенциал плазмы (ni, и ne— соответственно, плотности ионов и электронов). Плазма называется идеальной, если потенциальная энергия взаимодействия частиц мала по сравнению с их тепловой энергией. Это условие выполняется, когда число частиц в сфере радиуса D велико: ND = (4/3) pD3n >> 1. В молнии Т ~ 2 х 104 К, n~ 2,5 ×1019 (плотность воздуха) и, следовательно, D ~ 10-7см, но ND ~1/10 Такую Плазма называют слабонеидеальной. Помимо хаотического теплового движения, частицы Плазма могут участвовать в упорядоченных «коллективных процессах», из которых наиболее характерны продольные колебания пространственного заряда, называемые ленгмюровскими волнами. Их угловая частота w0 = называется плазменной частотой (m = 9 × 10-28 г — масса электрона). Многочисленность и разнообразие коллективных процессов, отличающие Плазма от нейтрального газа (см. ниже раздел Колебания и неустойчивости плазмы), обусловлены «дальностью» кулоновского взаимодействия частиц Плазма, благодаря чему Плазма можно рассматривать как упругую среду, в которой легко возбуждаются и распространяются различные шумы, колебания и волны. В магнитном поле с индукциейВна частицы Плазма действует Лоренца сила; в результате этого заряженные частицы Плазма вращаются с циклотронными частотамиwB = е B/mc по ларморовским спиралям (кружкам) радиуса rB = u^/ wв, где с — скорость света, е и m — заряд и масса электрона или иона (u^ — перпендикулярная Всоставляющая скорости частицы; подробнее см. Магнитные ловушки). В таком взаимодействии проявляется диамагнетизм Плазма: создаваемые электронами и ионами круговые токи уменьшают внешнее магнитное поле; при этом электроны вращаются по часовой стрелке, а ионы — против неё (рис. 2). Рис. 2. Вращение ионов и элекронов по ларморовским спиралям ослабляет внешнее магнитное поле (диамагнетизм плазмы). Радиус вращения иона с зарядом е > 0 больше, чем у электрона (е < 0). v║ и v^— параллельные и перпендикулярные магнитному полю В составляющие скоростей частиц. Магнитные моменты круговых токов равны mu^2 / 2B, и в неоднородном поле на них действует (диамагнитная) сила, стремящаяся вытолкнуть частицу Плазма из области сильного поля в область более слабого поля, что является важнейшей причиной неустойчивости Плазма в неоднородных полях. Взаимные столкновения частиц в Плазма описывают эффективными поперечными сечениями, характеризующими «площадь мишени», в которую нужно «попасть», чтобы произошло столкновение. Например, электрон, пролетающий мимо иона на расстоянии так называемого прицельного параметра r (рис. 3), отклоняется силой кулоновского притяжения на угол q, примерно равный отношению потенциальной энергии к кинетической, так что q » 2r^/r, где r^ = e2/mu2»e2/kT (здесь r^ — прицельное расстояние, при котором угол отклонения q= 90°). На большие углы q ~ 1 рад рассеиваются все электроны, попадающие в круг с площадью sблиз» 4pr^2, которую можно назвать сечением «близких» столкновений. Если, однако, учесть и далёкие пролёты с r >> r^, то эффективное сечение увеличивается на множитель L = ln (D/r^), называется кулоновским логарифмом. В полностью ионизованной Плазма обычно L~ 10—15, и вкладом близких столкновений можно вообще пренебречь (см. сказанное выше о «дальнодействии» в Плазма). При далёких же пролётах скорости частиц изменяются на малые величины, что позволяет рассматривать их движение как процесс диффузии в своеобразном «пространстве скоростей». Хотя, как отмечалось, каждая частица Плазма одновременно взаимодействует с большим числом др. частиц, процессы в Плазма можно описывать с помощью представления о «парных» столкновениях. Средний эффект «коллективного» взаимодействия эквивалентен эффекту последовательности парных столкновений. Рис. 3. Электрон, пролетающий мимо иона, движется по гиперболе. — угол отклонения. Если в Плазма не возбуждены какие-либо интенсивные колебания и неустойчивости, то именно столкновения частиц определяют её так называемые диссипативные свойства — электропроводность, вязкость, теплопроводность и диффузию. В полностью ионизованной Плазма электропроводность s не зависит от плотности Плазма и пропорциональна T3/2; при Т ~ 15 ×106 К она превосходит электропроводность серебра, поэтому часто, особенно при быстрых крупномасштабных движениях, Плазма можно приближённо рассматривать как идеальный проводник, полагая s® ¥. Если такая Плазма движется в магнитном поле, то эдс при обходе любого замкнутого контура, движущегося вместе с Плазма, равна нулю, что по закону Фарадея для индукции электромагнитной приводит к постоянству магнитного потока, пронизывающего контур (рис. 4). Эта «приклеенность», или «вмороженность», магнитного поля также относится к важнейшим свойствам Плазма (подробнее см. в ст. Магнитная гидродинамика). Ею обусловлена, в частности, возможность самовозбуждения (генерации) магнитного поля за счёт увеличения длины магнитных силовых линийпри хаотическом турбулентном движении среды. Например, в космических туманностях часто видна волокнистая структура, свидетельствующая о наличии возбуждённого таким образом магнитного поля. Рис. 4. При высокой электропроводности среды силовые линии магнитного поля В движутся вместе с нею (свойство вмороженности силовых линий), v — скорость среды. Методы теоретического описания плазмы. Основными методами являются: 1) исследование движения отдельных частиц Плазма; 2) магнитогидродинамическое описание Плазма; 3) кинетическое рассмотрение частиц и волн в Плазма Скорость движения u отдельной частицы Плазма в магнитном поле можно представить как сумму составляющих u|| (параллельной полю) и u^ (перпендикулярной полю). В разреженной Плазма, где можно пренебречь столкновениями, заряженная частица летит со скоростью u|| вдоль магнитной силовой линии, быстро вращаясь по ларморовской спирали (см. рис. 2). При наличии возмущающей силы F частица также медленно «дрейфует» в направлении, перпендикулярном как магнитному полю, так и направлению силы F. Например, в электрическом поле Е, направленном под углом к магнитному, происходит «электрический дрейф» со скоростью uдр. эл. = cE^/В (Е^—составляющая напряжённости электрического поля, перпендикулярная магнитному полю В). Если же Е = 0, но магнитное поле неоднородно, то имеет место «центробежный дрейф» в направлении бинормали к силовой линии, а в продольном направлении диамагнитная сила тормозит частицу, приближающуюся к области более сильного магнитного поля. При этом остаются неизменными полная энергия частицы ( u||2 + u^2) и её магнитный момент m = mu^2/2B. Таково, например, движение в магнитном поле Земли космических частиц (рис. 5), которые отражаются от полярных областей, где поле сильнее, и вместе с тем дрейфуют вокруг Земли (ионы — на запад, электроны — на восток). Поле Земли является магнитной ловушкой: оно удерживает захваченные им частицы в радиационных поясах. Аналогичными свойствами удержания Плазма обладают так называемые зеркальные магнитные ловушки, применяемые в исследованиях по управляемому термоядерному синтезу (подробнее см. Магнитные ловушки). Рис. 5. Космическая частица, захваченная в радиационном поясе, движется по зигзагообразной траектории вокруг Земли. При описании Плазма с помощью уравнений магнитной гидродинамики она рассматривается как сплошная среда, в которой могут протекать токи. Взаимодействие этих токов с магнитным полем создаёт объёмные электродинамические силы, которые должны уравновешивать газодинамическое давление Плазма, аналогичное давлению в нейтральном газе (см. Газовая динамика). В состоянии равновесия магнитные силовые линии и линии тока должны проходить по поверхностям постоянного давления. Если поле не проникает в Плазма (модель «идеального» проводника), то такой поверхностью является сама граница Плазма, и на ней газодинамическое давление Плазма rгаз должно быть равно внешнему магнитному давлению rмагн = B2/8p. На рис. 6 показан простейший пример такого равновесия — так называемый «зет-пинч», возникающий при разряде между двумя электродами. Штриховка указывает линии тока на поверхности Плазма Равновесие зет-пинча неустойчиво — на нём легко образуются желобки, идущие вдоль магнитного поля. При последующем развитии они превращаются в тонкие перетяжки и могут приводить к обрыву тока (подробнее см. Пинч-эффект). В мощных разрядах с токами ~ 106а в дейтериевой Плазма такой процесс сопровождается некоторым числом ядерных реакций и испусканием нейтронов, а также жёстких рентгеновских лучей, что впервые было обнаружено в 1952 Л. А. Арцимовичем, М. А. Леонтовичем и их сотрудниками. Рис. 6. Образование перетяжек на канале разряда, сжатого собственным магнитным полем. I — ток; В — индукция магнитного поля, равная нулю внутри разряда. Если внутри «пинча» создать продольное магнитное поле В||, то, двигаясь из-за «вмороженности» вместе с Плазма, оно своим давлением будет препятствовать развитию перетяжек. Желобки и в этом случае могут возникать вдоль винтовых силовых линии полного магнитного поля, складывающегося из продольного поля и поперечного поля В^, которое создаётся самим током Плазма I||. Это имеет место, например, в так называемом равновесном тороидальном пинче. Однако при условии B||/B^ > R/a (R и a — большой и малый радиусы тора, рис. 7) шаг винтовых силовых линий полного поля оказывается больше длины замкнутого плазменного шнура 2pR и желобковая неустойчивость, как показывает опыт, не развивается. Такие системы, называются токамаками, используются для исследований по проблеме УТС. Рис. 7. Токамак. Токи, текущие в проводящем кожухе, препятствуют смешению плазменного шнура. При рассмотрении движения Плазма методами магнитной гидродинамики необходимо учитывать, что вмороженность поля может быть неполной; её степень определяется магнитным Рейнольдса числом. Наиболее детальным методом описания Плазма является кинетический, основанный на использовании функции распределения частиц по координатам и импульсам f = f (t, r, p). Импульс частицы p равен mu. В состоянии равновесия термодинамического эта функция имеет вид универсального Максвелла распределения, а в общем случае её находят из кинетического уравнения Больцмана: . Здесь F = eE + (e/c)[uB] — внешняя сила, действующая на заряженную частицу Плазма, а член С (f) учитывает взаимные столкновения частиц. При рассмотрении быстрых движений Плазма столкновениями часто можно пренебречь, полагая С (f) » 0. Тогда кинетическое уравнение называется бесстолкновительным уравнением Власова с самосогласованными полямиЕ и В (они сами определяются движением заряженных частиц). Если Плазма полностью ионизована, т. е. в ней присутствуют только заряженные частицы, то их столкновения, ввиду преобладающей роли далёких пролётов (см. выше), эквивалентны процессу диффузии в пространстве импульсов (скоростей). Выражение С (f) для такой Плазма было получено Л. Д. Ландау и может быть записано в виде: , где Ñ = — градиент в импульсном пространстве, — тензорный коэффициент диффузии в этом же пространстве, a Fc — сила взаимного (так называемого «динамического») трения частиц. При высоких температурах и низкой плотности можно пренебречь столкновениями частиц с частицами в Плазма Однако в случае, когда в Плазма возбуждены волны какого-либо типа (см. ниже), необходимо учитывать «столкновения» частиц с волнами. При не слишком больших амплитудах колебаний в Плазма подобные «столкновения», как и при далёких пролётах, сопровождаются малыми изменениями импульса частиц, и член С (f) сохраняет свой «диффузионный» вид с тем отличием, что коэффициент определяется интенсивностью волн. Важнейшим результатом кинетического описания Плазма является учёт взаимодействия волны с группой так называемых резонансных частиц, скорости которых совпадают со скоростью распространения волны. Именно эти частицы могут наиболее эффективно обмениваться с волной энергией и импульсом. В 1946 Л. Д. Ландау предсказал возможность основанного на таком обмене «бесстолкновительного затухания» ленгмюровских волн, впоследствии обнаруженного в опытах с Плазма Если направить в Плазма дополнительный пучок частиц, то подобный обмен может приводить не к затуханию, а к усилению волн. Этот эффект в известном смысле аналогичен Черенкова — Вавилова излучению. Колебания и неустойчивости плазмы. Волны в Плазма отличают их объёмный характер и разнообразие свойств. С помощью разложения в Фурье ряд любое малое возмущение в Плазма можно представить как набор волн простейшего синусоидального вида (рис. 8). Каждая такая (монохроматическая) волна характеризуется определённой частотой w, длиной волны l и так называемой фазовой скоростью распространения uфаз. Кроме того, волны могут различаться поляризацией, т. е. направлением вектора электрического поля в волне. Если это поле направлено вдоль скорости распространения, волна называется продольной, а если поперёк — поперечной. В Плазма без магнитного поля возможны волны трёх типов: продольные ленгмюровские с частотой wo, продольные звуковые (точнее ионно-звуковые) и поперечные электромагнитные (световые или радиоволны). Поперечные волны могут обладать двумя поляризациями и могут распространяться в Плазма без магнитного поля, только если их частота w превышает плазменную частоту wo. В противоположном же случае w < woпреломления показатель Плазма становится мнимым, и поперечные волны не могут распространяться внутри Плазма, а отражаются её поверхностью подобно тому, как лучи света отражаются зеркалом. Именно поэтому радиоволны с l > ~ 20 м отражаются ионосферой, что обеспечивает возможность дальней радиосвязи на Земле. Рис. 8. Синусоидальный профиль плотности электронов в монохроматической плазменной волне. Однако при наличии магнитного поля поперечные волны, резонируя с ионами и электронами на их циклотронных частотах, могут распространяться внутри Плазма и при w < wo. Это означает появление ещё двух типов волн в Плазма, называются альфвеновскими и быстрыми магнитозвуковыми. Альфвеновская волна представляет собой поперечное возмущение, распространяющееся вдоль магнитного поля со скоростью ua = В/ (Mi — масса ионов). Её природа обусловлена «вмороженностью» и упругостью силовых линии, которые, стремясь сократить свою длину и будучи «нагружены» частицами Плазма, в частности массивными ионами, колеблются подобно натянутым струнам. Быстрая магнитозвуковая волна в области малых частот по существу лишь поляризацией отличается от альфвеновской (их скорости близки и определяются магнитным полем и инерцией тяжёлых ионов). В области же больших частот, где ионы можно считать неподвижными, она определяется инерцией электронов и имеет специфическую винтовую поляризацию. Поэтому здесь её называют «геликонной ветвью» колебаний, или «ветвью вистлеров», т. е. свистов, поскольку в магнитосферной Плазма она проявляется в виде характерных свистов при радиосвязи. Кроме того, в Плазма может распространяться медленная магнитозвуковая волна, которая представляет собой обычную звуковую волну с характеристиками, несколько измененными магнитным полем. Т. о., при наличии магнитного поля в однородной Плазма возможны волны шести типов: три высокочастотные и три низкочастотные. Если температура или плотность Плазма в магнитном поле неоднородны, то возможны ещё так называемые «дрейфовые» волны. При больших амплитудах возможны «бесстолкновительные» ударные волны (наблюдаемые на границе магнитосферы), уединённые волны (солитоны), а также ряд др. «нелинейных» волн и, наконец, сильноразвитая турбулентность движения Плазма В неравновесной Плазма при определённых условиях возможна «раскачка неустойчивостей», т. е. нарастание какого-либо из перечисленных типов волн до некоторого уровня насыщения. Возможны и более сложные случаи индуцированного возбуждения волн одного типа за счёт энергии волн другого типа. Излучение плазмы. Спектр излучения низкотемпературной (например, газоразрядной) Плазма состоит из отдельных спектральных линий. В газосветных трубках, применяемых, в частности, для целей рекламы и освещения (лампы «дневного света»), наряду с ионизацией происходит и обратный процесс — рекомбинация ионов и электронов, дающая так называемое рекомбинационное излучение со спектром в виде широких полос. Для высокотемпературной Плазма со значительной степенью ионизации характерно тормозное излучение с непрерывным спектром, возникающее при столкновениях электронов с ионами. В магнитном поле ларморовское вращение электронов Плазма приводит к появлению так называемого магнитотормозного излучения на гармониках циклотронной частоты, особенно существенного при больших (релятивистских) энергиях электронов. Важную роль в космической Плазма играет вынужденное излучение типа обратного Комптона эффекта. Им, а также магнито-тормозным механизмом обусловлено излучение некоторых космических туманностей, например Крабовидной. Корпускулярным излучением Плазма называются быстрые частицы, вылетающие из неравновесной Плазма в результате развития различных типов неустойчивостей. В первую очередь в Плазма раскачиваются какие-либо характерные колебания, энергия которых затем передаётся небольшой группе «резонансных» частиц (см. выше). По-видимому, этим механизмом объясняется ускорение не очень энергичных космических частиц в атмосфере Солнца и в туманностях, образующихся при вспышках сверхновых звёзд типа пульсара в Крабовидной туманности. Диагностика плазмы. Помещая в Плазма электрический зонд (маленький электрод) и регистрируя зависимость тока от подаваемого напряжения, можно определить температуру и плотность Плазма С помощью миниатюрной индукционной катушки — «магнитного зонда» — можно измерять изменение магнитного поля во времени. Эти способы связаны, однако, с активным вмешательством в Плазма и могут внести нежелательные загрязнения. К более чистым методам относятся «просвечивание» Плазма пучками нейтральных частиц и пучками радиоволн. Лазерное просвечивание Плазма в различных вариантах, в том числе с использованием голографии, является наиболее тонким и к тому же локальным методом лабораторной диагностики Плазма Часто используют также пассивные методы диагностики — наблюдение спектра излучения Плазма (единственный метод в астрономии), вывод быстрых нейтральных атомов, образовавшихся в результате перезарядки ионов в Плазма, измерение уровня радиошумов. Плотную Плазма изучают с помощью сверхскоростной киносъёмки (несколько млн. кадров в сек) и развёртки оптической. В исследованиях по УТС регистрируется также рентгеновский спектр тормозного излучения и нейтронное излучение дейтериевой Плазма Применения плазмы. Высокотемпературная Плазма (Т ~ 108 К) из дейтерия и трития — основной объект исследований по УТС. Такая Плазма создаётся путём нагрева и быстрого сжатия Плазма током (используется также высокочастотный подогрев) либо путём инжекции высокоэнергичных нейтральных атомов в магнитное поле, где они ионизуются, либо облучением мишени мощными лазерами или релятивистскими электронными пучками. Низкотемпературная Плазма (Т ~ 103 К) находит применение в газоразрядных источниках света и в газовых лазерах, в термоэлектронных преобразователях тепловой энергии в электрическую и в магнитогидродинамических (МГД) генераторах, где струя Плазма тормозится в канале с поперечным магнитным полем В, что приводит к появлению между верхним и нижним электродами (рис. 9) электрического поля напряжённостью Е порядка Bu/c (u — скорость потока Плазма); напряжение с электродов подаётся во внешнюю цепь. Рис. 9. Схема МГД — генератора, преобразующего кинетическую энергию движущейся плазмы в электрическую энергию. R — внешняя нагрузка генератора, по которой протекает ток I. Если «обратить» МГД-генератор, пропуская через Плазма в магнитном поле ток из внешнего источника, образуется плазменный двигатель, весьма перспективный для длительных космических полётов. Плазматроны, создающие струи плотной низкотемпературной Плазма, широко применяются в различных областях техники. В частности, с их помощью режут и сваривают металлы, наносят покрытия (см. Плазменная металлургия, Плазменная обработка, Плазменное бурение). В плазмохимии низкотемпературную Плазма используют для получения некоторых химических соединений, например галогенидов инертных газов типа KrF, которые не удаётся получить др. путём. Кроме того, высокие температуры Плазма приводят к высокой скорости протекания химических реакций — как прямых реакций синтеза, так и обратных реакций разложения. Если производить синтез «на пролёте» плазменной струи, расширяя и тем самым быстро охлаждая её на следующем участке (такая операция называется «закалкой»), то можно затруднить обратные реакции разложения и существенно повысить выход требуемого продукта.
Лит.: Арцимович Л. А., Элементарная физика плазмы, 3 изд., М., 1969; его же. Управляемые термоядерные реакции, 2 изд., М., 1963; Франк-Каменецкий Д. А., Лекции по физике плазмы, М., 1963; Альвен Г., Фельтхаммар К.-Г., Космическая электродинамика, пер. с англ., 2 изд., М., 1967; Спитцер Л., Физика полностью ионизованного газа, пер. с англ., М., 1957; Гинзбург В. Л., Распространение электромагнитных волн в плазме, 2 изд., М., 1967; Трубников Б. А., Введение в теорию плазмы, М., 1969; Вопросы теории плазмы. Сб., под ред. М. А. Леонтовича, в. 1—7, М., 1963—73. Б. А. Трубников. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|