Плазматическое состояние вещества


ПЛА́ЗМА (греч. πλάσμα – вы­ле­п­лен­ное, оформ­лен­ное), ио­ни­зо­ван­ный газ, со­стоя­щий из элек­тро­нов и ио­нов, дви­же­ние ко­то­рых оп­ре­де­ля­ет­ся пре­им. кол­лек­тив­ным ха­рак­те­ром взаи­мо­дей­ст­вия за счёт даль­но­дей­ст­вую­щих элек­тро­маг­нит­ных сил, в от­ли­чие от обыч­но­го га­за, в ко­то­ром до­ми­ни­ру­ют близ­ко­дей­ст­вую­щие пар­ные взаи­мо­дей­ст­вия (столк­но­ве­ния). Вы­со­кая элек­тро­про­вод­ность П. де­ла­ет её чув­ст­ви­тель­ной к воз­дей­ст­вию элек­тро­маг­нит­ных по­лей. Спе­ци­фи­ка от­кли­ка П. на та­кое воз­дей­ст­вие по­зво­ля­ет счи­тать П. осо­бым (чет­вёр­тым) аг­ре­гат­ным со­стоя­ни­ем ве­ще­ст­ва на­ря­ду с твёр­дым те­лом, жид­ко­стью и га­зом.

Основные параметры и свойства плазмы

Ко­ли­че­ст­вен­но П. ха­рак­те­ри­зу­ет­ся кон­цен­тра­ция­ми элек­тро­нов $n_e$ и ио­нов $n_i$, их ср. темп-ра­ми (энер­гия­ми) $T_e$ и $T_i$, сте­пе­нью ио­ни­за­ции (дóлей ио­ни­зо­ван­ных ато­мов) $α=n_i/(n_i+n_0)$, где $n_0$ – кон­цен­тра­ция ней­траль­ных ато­мов, ср.


­ря­дом ио­на $Z_{eff}$. Вы­со­кая под­виж­ность час­тиц П. (осо­бен­но элек­тро­нов) обес­пе­чи­ва­ет эк­ра­ни­ро­ва­ние вне­сён­но­го в П. за­ря­да на рас­стоя­ни­ях по­ряд­ка де­ба­евско­го ра­диу­са эк­ра­ни­ро­ва­ния $r_D$ за вре­ме­на по­ряд­ка об­рат­ной плаз­мен­ной элек­трон­ной (лен­гмю­ров­ской) час­то­ты , $ω_{ре}=sqrt{4πn_ee^2/m_e},$ где $e$ и $m_e$ – за­ряд и мас­са элек­тро­на; здесь и ни­же в фор­му­лах ис­поль­зу­ет­ся га­ус­со­ва сис­те­ма еди­ниц (СГС); темп-ру в фи­зи­ке П. при­ня­то из­ме­рять в энер­ге­тич. еди­ни­цах (1 кэВ≈107 К). Про­стран­ст­вен­ный и вре­мен­нoй мас­шта­бы обыч­но ма­лы, по­это­му кон­цен­тра­ции по­ло­жи­тель­ных и от­ри­ца­тель­ных за­ря­дов ока­зы­ва­ют­ся прак­ти­че­ски оди­на­ко­вы­ми $(|Z_{eff}n_i-n_e|/n_e≪1)$; в этом смыс­ле го­во­рят о ква­зи­нейт­раль­но­сти П. Это важ­ней­шее свой­ство П. час­то ис­поль­зу­ют для оп­ре­де­ле­ния П., сле­дуя И. Лен­гмю­ру, впер­вые при­ме­нив­ше­му в 1920-х гг. тер­мин «П.» для обо­зна­че­ния уда­лён­ной от элек­тро­дов ква­зи­нейт­раль­ной об­лас­ти га­зо­во­го раз­ря­да. Обыч­но вре­ме­на су­ще­ст­во­ва­ния и раз­ме­ры П. пре­вы­ша­ют со­от­вет­ст­вен­но и $r_D$, что обес­пе­чи­ва­ет её ква­зи­нейт­раль­ность. Ква­зи­нейт­раль­ность П. не про­ти­во­ре­чит на­ли­чию объ­ём­но­го элек­трич. по­ля в П., на­хо­дя­щей­ся в маг­нит­ном по­ле.

Классификация видов плазмы


Клас­си­фи­ка­ция ви­дов плаз­мы ус­ловна. Ес­ли в сфе­ре ра­диу­са $r_D$ на­хо­дит­ся мно­го за­ря­жен­ных час­тиц ($N≈4πnr_D^3/3≫1, n$ – кон­цент­ра­ция всех ча­стиц плаз­мы), П. на­зы­ва­ет­ся иде­аль­ной плаз­мой; при $N⩽1$ го­во­рят о не­иде­аль­ной плаз­ме (здесь $N$ – па­ра­метр иде­аль­но­сти). В иде­аль­ной П. по­тен­ци­аль­ная энер­гия взаи­мо­дей­ст­вия час­тиц ма­ла по срав­не­нию с их те­п­ло­вой энер­ги­ей.

Вы­со­ко­ио­ни­зо­ван­ную П. с темп-рой $⩾10^2–10^3$ эВ на­зы­ва­ют вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ной, в от­ли­чие от низ­ко­тем­пе­ра­тур­ной плаз­мы с $T_e⩽10–100$ эВ, в ко­то­рой су­ще­ст­вен­ную роль мо­гут иг­рать столк­но­ви­тель­ные и ра­диа­ци­он­ные про­цес­сы. Осо­бой раз­но­вид­но­стью низ­ко­тем­пе­ра­тур­ной П. яв­ля­ет­ся пы­ле­вая плаз­ма, со­дер­жа­щая мак­ро­ско­пи­че­ские (раз­ме­ром от до­лей до со­тен мик­ро­мет­ров) твёр­дые час­тич­ки, не­су­щие боль­шой элек­трич. за­ряд $(Z_{eff}≫1)$. Вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ную П. с вы­со­кой элек­тро­про­вод­но­стью $σ$ так­же на­зы­ва­ют иде­аль­ной, ес­ли мож­но пре­неб­речь дис­си­па­тив­ны­ми про­цес­са­ми.

При сверх­вы­со­ких плот­но­стях энер­гии, воз­ни­каю­щих в ре­зуль­та­те столк­но­ве­ний тя­жё­лых ульт­ра­ре­ля­ти­ви­ст­ских час­тиц, воз­мож­но об­ра­зо­ва­ние кварк-глю­он­ной плаз­мы – ад­рон­ной сре­ды, в ко­то­рой пе­ре­ме­ша­ны цвет­ные за­ря­ды квар­ков и глюо­нов, как в обыч­ной П.


­ре­ме­ша­ны элек­трич. за­ря­ды. Час­ти­цы крио­ген­ной плаз­мы (с темп-рой в до­ли кель­ви­на) соз­да­ют­ся пу­тём пре­ци­зи­он­ной ио­ни­за­ции хо­лод­ных ато­мов ла­зер­ным пуч­ком, энер­гия кван­тов ко­то­ро­го прак­ти­че­ски рав­на энер­гии ио­ни­за­ции. Для опи­са­ния элек­тро­нов в ме­тал­лах, за­ряд ко­то­рых ском­пен­си­ро­ван за­ря­дом ио­нов кри­стал­лич. ре­шёт­ки, а так­же элек­тро­нов и ды­рок в по­лу­про­вод­ни­ках час­то ис­поль­зу­ют тер­мин плаз­ма твёр­дых тел. Совр. фи­зи­ка П. рас­смат­ри­ва­ет так­же ла­зер­ную плаз­му, воз­ни­каю­щую при оп­ти­че­ском про­бое под дей­ст­ви­ем мощ­но­го ла­зер­но­го из­лу­че­ния на ве­ще­ст­во; за­ря­жен­ную П., в ча­ст­но­сти элек­трон­ные и ион­ные пуч­ки, за­ря­жен­ные слои (двой­ной элек­три­че­ский слой) и др.

П. на­зы­ва­ют вы­ро­ж­ден­ной при низ­кой темп-ре $T$ и вы­со­кой кон­цен­тра­ции час­тиц $n$, ко­гда ха­рак­тер­ное рас­стоя­ние $(∝n^{–1/3})$ ме­ж­ду ни­ми ста­но­вит­ся по­ряд­ка дли­ны вол­ны де Брой­ля $(λ≈h/(2mT)^{1/2}$, где $h$ – по­сто­ян­ная План­ка). Ис­кус­ст­вен­но соз­дан­ная П. обыч­но тер­мо­ди­на­ми­че­ски не­рав­но­вес­на. Ло­каль­ное рав­но­ве­сие на­сту­па­ет, толь­ко ес­ли час­ти­цы П. стал­ки­ва­ют­ся ме­ж­ду со­бой. Бы­ст­рее все­го ус­та­нав­ли­ва­ет­ся рав­но­ве­сие внут­ри элек­трон­ной ком­по­нен­ты П., а в ион­ной ком­по­нен­те и ме­ж­ду ио­на­ми и элек­тро­на­ми – со­от­вет­ст­вен­но в $sqrt{∼m_i/m_e}$ и $∼m_i/m_e$ раз мед­лен­нее. В от­ли­чие от га­за, час­то­та столк­но­ве­ний час­тиц П. умень­ша­ет­ся с уве­ли­че­ни­ем энер­гии час­тиц ($∝T^{–3/2}$). По чис­лу ви­дов ио­нов раз­ли­ча­ют од­но- и мно­го­ком­по­нент­ную плаз­му.

Плазма в природе и технике


Счи­та­ет­ся, что бо­лее 99% ба­ри­он­но­го ве­ще­ст­ва во Все­лен­ной пре­бы­ва­ет в со­стоя­нии П. в ви­де звёзд, меж­звёзд­но­го и меж­га­лак­тич. га­за (см. Кос­ми­че­ская плаз­ма). П. маг­ни­то­сфе­ры за­щи­ща­ет Зем­лю от раз­ру­ши­тель­но­го по­то­ка П., ис­пус­кае­мой Солн­цем, – сол­неч­но­го вет­ра. При­сут­ст­вие ио­но­сфер­ной П., от­ра­жаю­щей ра­дио­вол­ны, де­ла­ет воз­мож­ной даль­нюю ра­дио­связь. П. в при­ро­де мож­но на­блю­дать в ви­де ат­мо­сфер­ных раз­ря­дов (мол­ний и ко­рон­ных раз­ря­дов) и по­ляр­ных сия­ний, а так­же в обыч­ном пла­ме­ни. В тех­ни­ке наи­боль­шее рас­про­стра­не­ние по­лу­чи­ла П. га­зо­вых раз­ря­дов, ис­поль­зуе­мых в ла­бо­ра­тор­ных и тех­но­ло­гич. це­лях, в га­зо­раз­ряд­ных ис­точ­ни­ках све­та (напр., лю­ми­нес­цент­ных лам­пах), в ком­му­ти­рую­щих уст­рой­ст­вах, при свар­ке и рез­ке ма­те­риа­лов, в плаз­мен­ных па­не­лях те­ле­ви­зи­он­ных и муль­ти­ме­дий­ных эк­ра­нов. По­то­ки П. при­ме­ня­ют­ся в плаз­мо­тро­нах для об­ра­бот­ки ма­те­риа­лов, в хи­рур­гии, в плаз­мен­ных кос­мич.


и­га­те­лях и маг­ни­то­гид­ро­ди­на­ми­че­ских ге­не­ра­то­рах. В вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ной П. воз­мож­но про­те­ка­ние тер­мо­ядер­ных ре­ак­ций. Для реа­ли­за­ции управ­ляе­мо­го тер­мо­ядер­но­го син­те­за (УТС) в дей­те­рий-три­тие­вой П. не­об­хо­ди­мо вы­пол­не­ние Ло­усо­на кри­те­рия – удер­жа­ние П. с $T⩾10$ кэВ и $n⩾10^{14}$ см–3 в те­че­ние вре­ме­ни $⩾1$ с (в П. др. со­ста­ва эти зна­чения ещё вы­ше). Ти­пич­ные зна­че­ния па­ра­мет­ров разл. ви­дов плаз­мы при­ве­де­ны на ри­сун­ке.

Методы описания плазмы

Ес­те­ст­вен­ный спо­соб опи­сать П., про­ве­дя рас­чёт дви­же­ния всех её час­тиц, не реа­ли­зу­ем на прак­ти­ке да­же с по­мо­щью мощ­ной вы­чис­лит. тех­ни­ки в си­лу кол­лек­тив­но­го ха­рак­те­ра взаи­мо­дей­ст­вия час­тиц. Од­на­ко мн. важ­ные свой­ст­ва П. мож­но по­нять на ос­но­ве ана­ли­за дви­же­ния отд. час­тиц. В маг­нит­ном по­ле с ин­дук­ци­ей $boldsymbol B$ дви­же­ние за­ря­жен­ных час­тиц П. вдоль и по­пе­рёк на­прав­ле­ния маг­нит­но­го по­ля су­ще­ст­вен­но раз­лич­но. В про­доль­ном на­прав­ле­нии час­ти­ца с за­ря­дом $q$ дви­жет­ся по­сту­па­тель­но, а в по­пе­реч­ном – вра­ща­ет­ся с цик­ло­трон­ной час­то­той $ω_B=qB/mc$ ($c$ – ско­рость све­та).


­ли лар­мо­ров­ский ра­ди­ус $ρ_L=v_⟂/ω_B$ та­ко­го вра­ще­ния мень­ше дли­ны сво­бод­но­го про­бе­га час­ти­цы и ха­рак­тер­но­го раз­ме­ра П., а элек­тро­маг­нит­ное по­ле ме­ня­ет­ся мед­лен­но по срав­не­нию с пе­рио­дом цик­ло­трон­но­го вра­ще­ния, П. счи­та­ет­ся за­маг­ни­чен­ной плаз­мой ($v_⟂$ – ско­рость дви­же­ния час­ти­цы по­пе­рёк маг­нит­но­го по­ля). Час­ти­цы та­кой П. дви­жут­ся с со­хра­не­ни­ем адиа­ба­тич. ин­ва­ри­ан­та – маг­нит­но­го мо­мен­та $μ approx mv_⟂^2/2B$, а под дей­ст­ви­ем к.-л. си­лы $boldsymbol F$ опи­сы­вае­мые ими лар­мо­ров­ские спи­ра­ли мед­лен­но дрей­фу­ют по­пе­рёк маг­нит­но­го по­ля со ско­ро­стью $boldsymbol v_F=c[boldsymbol F×boldsymbol B]/qB^2$. В за­ви­си­мо­сти от при­ро­ды си­лы $boldsymbol F$ раз­ли­ча­ют гра­ви­та­ци­он­ный, элек­три­че­ский, гра­ди­ент­ный, цен­тро­беж­ный и по­ля­ри­за­ци­он­ный дрей­фы (см. Дрейф за­ря­жен­ных час­тиц). На­прав­ле­ние цик­ло­трон­но­го вра­ще­ния час­тиц оп­ре­де­ля­ет­ся Лен­ца пра­ви­лом: маг­нит­ное по­ле то­ка цик­ло­трон­но­го вра­ще­ния час­тиц про­ти­во­по­лож­но внеш­не­му по­лю и, сле­до­ва­тель­но, ос­лаб­ля­ет его. В этом про­яв­ля­ет­ся диа­маг­не­тизм П., при­во­дя­щий к вы­тал­ки­ва­нию П. из об­лас­ти бо­лее силь­но­го маг­нит­но­го по­ля.

То­ж­де­ст­вен­ность час­тиц ка­ж­дой ком­по­нен­ты П. по­зво­ля­ет ис­поль­зо­вать ки­не­тич. опи­са­ние с по­мо­щью од­но­час­тич­ной функ­ции рас­пре­де­ле­ния $f(t, boldsymbol r, boldsymbol v)$, оп­ре­де­ляе­мой как кон­цен­тра­ция час­тиц дан­ной ком­по­нен­ты в фа­зо­вом про­стран­ст­ве (см.


­не­ти­че­ские урав­не­ния для плаз­мы). Как и обыч­ная кон­цен­тра­ция, функ­ция рас­пре­де­ле­ния удов­ле­тво­ря­ет урав­не­нию не­пре­рыв­но­сти, но толь­ко в фа­зо­вом про­стран­ст­ве: $𝜕f/𝜕t+rm{div}_r(fboldsymbol v)+rm{div}_v(fboldsymbol a)=St[f]$. Здесь $boldsymbol a=boldsymbol F/m$ – ус­ко­ре­ние, $t$ – вре­мя, $fboldsymbol v$ и $fboldsymbol a$ – плот­но­сти по­то­ка час­тиц в ко­ор­ди­нат­ном про­стран­ст­ве и про­стран­ст­ве ско­ро­стей со­от­вет­ст­вен­но. Не­пре­рыв­ность по­то­ка в фа­зо­вом про­стран­ст­ве на­ру­ша­ет­ся при столк­но­ве­ни­ях час­тиц, что опи­сы­ва­ет­ся ин­те­граль­ным столк­но­ви­тель­ным чле­ном $St[f]$ в пра­вой час­ти ки­не­тич. урав­не­ния. В вы­со­ко­ио­ни­зо­ван­ной П. до­ми­ни­ру­ют даль­ние столк­но­ве­ния, при ко­то­рых на­прав­ле­ние и ско­рость дви­же­ния час­тиц ме­ня­ют­ся плав­но. Это по­зво­ля­ет за­пи­сать столк­но­ви­тель­ный член в ви­де ди­вер­ген­ции не­кое­го по­то­ка $boldsymbol Gamma$ в про­стран­ст­ве ско­ро­стей: $St[f]=–rm{div}_v(boldsymbol Gamma)=rm{div}_v(boldsymbol D∇_vf-boldsymbol gf)$, где $boldsymbol D$ – ко­эф. диф­фу­зии (в об­щем слу­чае тен­зор­ный), $boldsymbol g$ – ко­эф. ди­на­мич. тре­ния в про­стран­ст­ве ско­ро­стей. По­сколь­ку час­то­та столк­но­ве­ний убы­ва­ет с рос­том темп-ры П., вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ная П.

е­к­ват­но опи­сы­ва­ет­ся бес­столк­но­ви­тель­ным $(St[f]3rightarrow 0)$ ки­не­тич. урав­не­ни­ем, в ко­то­ром элек­трич. и маг­нит­ное по­ля, оп­ре­де­ляю­щие дей­ст­вую­щие на час­ти­цы си­лы, рас­счи­ты­ва­ют­ся по плот­но­сти за­ря­дов и то­ков в са­мой П. Та­кие по­ля на­зы­ва­ют­ся са­мо­со­гла­со­ван­ны­ми, а бес­столк­но­ви­тель­ное ки­не­тич. урав­не­ние с са­мо­со­гла­со­ван­ны­ми по­ля­ми – урав­не­ни­ем Вла­со­ва. Важ­ным свой­ст­вом П., вы­те­каю­щим из ре­ше­ния урав­не­ния Вла­со­ва, яв­ля­ет­ся фе­но­мен бес­столк­но­ви­тель­ной рас­кач­ки или за­ту­ха­ния плаз­мен­ных волн (Лан­дау за­ту­ха­ние), фи­зич. при­ро­да ко­то­ро­го ана­ло­гич­на эф­фек­ту Че­рен­ко­ва (см. Ва­ви­ло­ва – Че­рен­ко­ва из­лу­че­ние). Урав­не­ние Вла­со­ва опи­сы­ва­ет кол­лек­тив­ные про­цес­сы в П., но не учи­ты­ва­ет флук­туа­ции, свя­зан­ные с дви­же­ни­ем отд. час­тиц.

Сле­дую­щим по ие­рар­хии спо­со­бом опи­са­ния П. яв­ля­ет­ся гид­ро­ди­на­мич. под­ход, опе­ри­рую­щий мо­мен­та­ми функ­ции рас­пре­де­ле­ния (кон­цен­тра­ци­ей, ср. ско­ро­стью, дав­ле­ни­ем, по­то­ка­ми те­п­ла и др.), ус­ред­няе­мой с разл. ве­са­ми по про­стран­ст­ву ско­ро­стей. По­лу­чае­мые та­ким об­ра­зом урав­не­ния мно­го­жид­ко­ст­ной маг­нит­ной гид­ро­ди­на­ми­ки (МГД) при­год­ны для мак­ро­ско­пич. опи­са­ния по­ве­де­ния ком­по­нент П. в маг­нит­ном по­ле. Од­но­жид­ко­ст­ная маг­нит­ная гид­ро­ди­на­ми­ка не раз­ли­ча­ет ком­по­нен­ты П., рас­смат­ри­вая её как еди­ную про­во­дя­щую жид­кость.


с вы­со­кой элек­тро­про­вод­но­стью $(σrightarrowinfty)$ опи­сы­ва­ет­ся урав­не­ния­ми иде­аль­ной маг­нит­ной гид­ро­ди­на­ми­ки, для ко­то­рой ха­рак­тер­на вмо­ро­жен­ность маг­нит­но­го по­ля в П. При ко­неч­ной про­во­ди­мо­сти маг­нит­ное по­ле про­са­чи­ва­ет­ся сквозь П. с ко­эф. маг­нит­ной диф­фу­зии $c^2/4πσ$ (скин-эф­фект). МГД-опи­са­ние П. ши­ро­ко ис­поль­зу­ет­ся в за­да­чах кос­мич. плаз­мы, УТС и др.

Удержание плазмы

П. со­хра­ня­ет свои свой­ст­ва лишь в от­сут­ст­вие кон­так­тов с бо­лее хо­лод­ны­ми и плот­ны­ми сре­да­ми. Осо­бо ак­ту­аль­на за­да­ча удер­жа­ния вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ной П. в УТС. В от­ли­чие от звёзд­ных объ­ек­тов, в ко­то­рых П. удер­жи­ва­ет­ся си­лой гра­ви­та­ции, в ла­бо­ра­тор­ных тер­мо­ядер­ных ус­та­нов­ках при­ме­ня­ют маг­нит­ное и инер­ци­аль­ное (инер­ци­он­ное) удер­жа­ние П. В сис­те­мах маг­нит­но­го удер­жа­ния маг­нит­ное по­ле игра­ет двоя­кую роль: си­ло­вую (соб­ст­вен­но для удер­жа­ния) и обес­пе­чи­ваю­щую маг­нит­ную тер­мо­изо­ля­цию П. от сте­нок ка­ме­ры. Ис­поль­зу­ют­ся маг­нит­ные ло­вуш­ки разл. ти­пов: от­кры­тые ло­вуш­ки, в ко­то­рых си­ло­вые ли­нии маг­нит­но­го по­ля вы­хо­дят из об­лас­ти удер­жа­ния, и замк­ну­тые (то­рои­даль­ные) ло­вуш­ки – то­ка­ма­ки, стел­ла­ра­то­ры, пин­чи с об­ра­щён­ным по­лем и др. В от­кры­той ло­вуш­ке удер­жа­ние час­тиц П.


оль си­ло­вой ли­нии обес­пе­чи­ва­ет­ся на­рас­та­ни­ем маг­нит­но­го по­ля от цен­тра к кон­цам ло­вуш­ки; при­ме­ром та­кой ло­вуш­ки слу­жит маг­нит­ное по­ле Зем­ли, удер­жи­ваю­щее час­ти­цы в ра­диа­ци­он­ных поя­сах Зем­ли. Маг­нит­ная кон­фи­гу­ра­ция то­ка­ма­ка соз­да­ёт­ся су­пер­по­зи­ци­ей то­рои­даль­но­го по­ля маг­нит­ных ка­ту­шек (со­ле­нои­дов) и по­лои­даль­но­го по­ля те­ку­ще­го по П. то­ка, что обес­пе­чи­ва­ет на­вив­ку си­ло­вых ли­ний по­ля на маг­нит­ные по­верх­но­сти, вло­жен­ные друг в дру­га. В стел­ла­ра­то­ре та­кая на­вив­ка («вра­ща­тель­ное пре­об­ра­зо­ва­ние») обес­пе­чи­ва­ет­ся ис­клю­чи­тель­но внеш­ни­ми ка­туш­ка­ми спец. фор­мы. Инер­ци­аль­ное удер­жа­ние реа­ли­зу­ет­ся в им­пульс­ных раз­ря­дах, в ко­то­рых П., соз­да­вае­мая в мик­ро­взры­вах под воз­дей­ст­ви­ем ла­зер­но­го из­лу­че­ния или пуч­ков вы­со­ко­энер­гич­ных час­тиц, «жи­вёт» лишь в те­че­ние вре­ме­ни раз­лё­та. Для эф­фек­тив­но­го удер­жа­ния П. её не­об­хо­ди­мо соз­дать и на­греть, за­тем обес­пе­чить её рав­но­ве­сие, ус­той­чи­вость и при­ем­ле­мый уро­вень про­цес­сов пе­ре­но­са.

Создание и нагрев плазмы

Соз­да­ние и на­грев плаз­мы до тер­мо­ядер­ных па­ра­мет­ров – слож­ная тех­нич. за­да­ча, то­гда как низ­ко­тем­пе­ра­тур­ная П. соз­да­ёт­ся и су­ще­ст­ву­ет в разл. га­зо­вых раз­ря­дах от­но­си­тель­но не­боль­шой мощ­но­сти (см. Ге­не­ра­то­ры плаз­мы). В тер­мо­ядер­ных сис­те­мах маг­нит­но­го удер­жа­ния П. соз­да­ёт­ся ли­бо пу­тём про­боя (ин­дук­ци­он­но­го или вы­со­ко­час­тот­но­го) не­по­сред­ст­вен­но в ра­бо­чей ка­ме­ре ус­та­нов­ки, ли­бо (ре­же) впры­ски­ва­ет­ся в ка­ме­ру из внеш­не­го ис­точ­ни­ка. По­сле­дую­щий на­грев плаз­мы обыч­но обес­пе­чи­ва­ет­ся джо­уле­вым те­п­ло­вы­де­ле­ни­ем при про­пус­ка­нии по П. то­ка, адиа­ба­тич. сжа­ти­ем (пинч-эф­фект), ин­жек­ци­ей пуч­ков вы­со­ко­энер­гич­ных час­тиц или элек­тро­маг­нит­ных волн. По­след­ние эф­фек­тив­но по­гло­ща­ют­ся П. лишь на час­то­тах, близ­ких к ре­зо­нанс­ным (элек­трон­ной и ион­ной цик­ло­трон­ных, их сред­не­гео­мет­ри­че­ской – ниж­не­гиб­рид­ной). Та­кие вол­ны ис­поль­зу­ют­ся для не­ин­дук­ци­он­но­го под­дер­жа­ния то­ка в то­ка­ма­ках, что по­тен­ци­аль­но спо­соб­но обес­пе­чить ста­цио­нар­ную ра­бо­ту то­ка­ма­ка-ре­ак­то­ра.

Равновесие плазмы

Ста­цио­нар­ное удер­жа­ние П. тре­бу­ет её рав­но­ве­сия – ло­каль­но­го ба­лан­са сил. По­сколь­ку на гра­ни­це плаз­мен­ной сис­те­мы кон­цен­тра­ция час­тиц и темп-ра П. обыч­но зна­чи­тель­но ни­же, чем в цен­тре, урав­но­ве­сить си­лу га­зо­ки­не­тич. дав­ле­ния П. мож­но толь­ко си­лой Ам­пе­ра: $∇p=[boldsymbol j×boldsymbol B]/c$, где $p$ – дав­ле­ние П., $boldsymbol j$ – плот­ность то­ка в П. Из это­го урав­не­ния рав­но­ве­сия сле­ду­ет, что и си­ло­вые ли­нии маг­нит­но­го по­ля, и ли­нии то­ка ле­жат на по­верх­но­стях рав­но­го дав­ле­ния – изо­ба­рах. Су­ще­ст­вен­но, что рав­но­ве­сие П. воз­мож­но не в ка­ж­дой маг­нит­ной кон­фи­гу­ра­ции. Так, осе­сим­мет­рич­ная рав­но­вес­ная кон­фи­гу­ра­ция долж­на удов­ле­тво­рять не­ли­ней­но­му урав­не­нию эл­лип­тич. ти­па, на­зы­вае­мо­му урав­не­ни­ем Шаф­ра­но­ва – Грэ­да, ана­лог ко­то­ро­го для про­из­воль­ных трёх­мер­ных сис­тем не­из­вес­тен.

Устойчивость плазмы

Для дли­тель­но­го удер­жа­ния П. не­дос­та­точ­но обес­пе­чить ста­цио­нар­ный ба­ланс сил. Не­об­хо­ди­мо, что­бы П. бы­ла ус­той­чи­ва, т. е. что­бы ма­лые от­кло­не­ния от по­ло­же­ния рав­но­ве­сия (флук­туа­ции) не на­рас­та­ли со вре­ме­нем. Ог­ра­ни­чен­ные по ам­пли­ту­де ко­ле­ба­ния но­сят ха­рак­тер волн в плаз­ме, а на­рас­таю­щие во вре­ме­ни пе­рио­дич. или апе­рио­дич. воз­му­ще­ния на­зы­ва­ют­ся не­ус­той­чи­во­стя­ми плаз­мы.

Осо­бен­ность волн в П. за­клю­ча­ет­ся в со­гла­со­ван­ной взаи­мо­свя­зи ко­ле­ба­ний элек­тро­маг­нит­но­го по­ля и ан­самб­ля час­тиц П., из­ме­не­ний во вре­ме­ни и в про­ст­ран­ст­ве её мак­ро­ско­пич. ха­рак­те­ри­стик. Та­кие ко­ле­ба­ния мож­но опи­сать, рас­счи­тав ди­элек­трич. про­ни­цае­мость плаз­мы $ε$ . Спектр собств. ко­ле­ба­ний П. на­хо­дит­ся из ус­ло­вия $ε=0$. К чис­лу спе­ци­фич. ко­ле­ба­ний П. от­но­сят­ся ко­ле­ба­ния объ­ём­ной плот­но­сти за­ря­да – лен­гмю­ров­ские вол­ны, в ко­то­рых век­тор элек­трич. по­ля кол­ли­неа­рен вол­но­во­му век­то­ру. В за­маг­ни­чен­ной П. ди­элек­трич. про­ни­цае­мость яв­ля­ет­ся тен­зо­ром. Для ана­ли­за волн в за­маг­ни­чен­ной П. при­ме­ня­ет­ся и МГД-под­ход, по­зво­ляю­щий опи­сать не толь­ко аль­ве­нов­ские вол­ны, ион­но-зву­ко­вые ко­ле­ба­ния и маг­ни­то­зву­ко­вые вол­ны в од­но­род­ной П., но и их раз­но­вид­но­сти в не­од­но­род­ной П., вклю­чая гео­де­зич. аку­стич. мо­ды, зо­наль­ные те­че­ния и др. Собств. мо­ды ко­ле­ба­ний и те­п­ло­вое дви­же­ние час­тиц П. при­во­дят к дис­пер­сии волн в П., осо­бен­но важ­ной для не­ли­ней­ных волн. Кон­ку­рен­ция дис­пер­сии и не­ли­ней­но­сти де­ла­ет воз­мож­ным су­ще­ст­во­ва­ние уе­ди­нён­ных волн – со­ли­то­нов.

Ис­точ­ни­ком не­ус­той­чи­во­стей П. слу­жит её не­рав­но­вес­ность. В за­ви­си­мо­сти от ви­дов не­рав­но­вес­но­сти раз­ли­ча­ют маг­ни­то­гид­ро­ди­на­ми­че­ские и ки­не­тич. не­ус­той­чи­во­сти. Наи­бо­лее опас­ны маг­ни­то­гид­ро­ди­на­ми­че­ские не­ус­той­чи­во­сти, вы­зы­вае­мые не­од­но­род­но­стью про­стран­ст­вен­но­го рас­пре­де­ле­ния па­ра­мет­ров П. Они при­во­дят к пе­ре­ме­ши­ва­нию сло­ёв П., вплоть до пол­ной де­гра­да­ции удер­жа­ния. Ки­не­тич. не­ус­той­чи­во­сти свя­за­ны с не­рав­но­вес­но­стью функ­ций рас­пре­де­ле­ния час­тиц П. в про­стран­ст­ве ско­ро­стей (от­кло­не­ни­ем от мак­свел­лов­ско­го рас­пре­де­ле­ния). На­рас­та­ние ам­пли­ту­ды ко­ле­ба­ний при не­ус­той­чи­во­сти мо­жет ог­ра­ни­чи­вать­ся не­ли­ней­ны­ми про­цес­са­ми, а ре­зуль­та­том раз­ви­тия не­ус­той­чи­во­стей, как пра­ви­ло, яв­ля­ет­ся тур­бу­лент­ность плаз­мы. Вос­пре­пят­ст­во­вать раз­ви­тию отд. не­ус­той­чи­во­стей мож­но, пра­виль­но фор­ми­руя со­стоя­ния рав­но­ве­сия, а так­же воз­дей­ст­вуя на П. по­сред­ст­вом об­рат­ных свя­зей. Ес­ли рав­но­ве­сие и мак­ро­ско­пич. ус­той­чи­вость П. обес­пе­че­ны, па­ра­мет­ры удер­жи­вае­мой П. оп­ре­де­ля­ют­ся про­цес­са­ми пе­ре­но­са.

Процессы переноса в плазме

Клас­сич. про­цес­сы пе­ре­но­са час­тиц и энер­гии в за­маг­ни­чен­ной П. ана­ло­гич­ны диф­фу­зии и те­п­ло­про­вод­но­сти обыч­ных га­зов с той раз­ни­цей, что в на­прав­ле­нии по­пе­рёк маг­нит­но­го по­ля час­ти­цы при столк­но­ве­ни­ях сме­ща­ют­ся лишь на ве­ли­чи­ну по­ряд­ка лар­мо­ров­ско­го ра­диу­са $ρ_L$. В замк­ну­тых маг­нит­ных сис­те­мах су­щест­ву­ют час­ти­цы, за­пер­тые ме­ж­ду ло­каль­ны­ми мак­си­му­ма­ми маг­нит­но­го по­ля, тра­ек­то­рии ко­то­рых от­кло­ня­ют­ся от маг­нит­ных по­верх­но­стей на ве­ли­чи­ну, су­ще­ст­вен­но пре­вы­шаю­щую $ρ_L$ и со­от­вет­ст­вую­щую лар­мо­ров­ско­му ра­диу­су, рас­счи­ты­вае­мо­му по по­лои­даль­но­му маг­нит­но­му по­лю (т. н. ба­на­но­вые ор­би­ты). Учи­ты­ваю­щая этот факт тео­рия пе­ре­но­сов по­лу­чи­ла назв. «не­оклас­си­че­ской». Пе­ре­но­сы в тур­бу­лент­ной П. мо­гут вы­зы­вать­ся рас­сея­ни­ем час­тиц П. на флук­туа­ци­ях элек­трич. и маг­нит­но­го по­лей. Эф­фек­тив­ные ко­эф. та­ко­го «ано­маль­но­го» пе­ре­но­са, как пра­ви­ло, на по­ряд­ки вы­ше не­оклас­си­че­ских. В тур­бу­лент­ном пе­ре­но­се час­то за­мет­ную роль иг­ра­ют кон­век­тив­ные по­то­ки, что пре­до­пре­де­ля­ет его обыч­но не­диф­фу­зи­он­ный ха­рак­тер.

Диагностика плазмы

Для из­ме­ре­ния зна­че­ний па­ра­мет­ров П. в экс­пе­ри­мен­тах при­ме­ня­ют­ся разл. ди­аг­но­стич. сред­ст­ва, по­зво­ляю­щие пря­мо или кос­вен­но оп­ре­де­лить кон­цен­тра­ции час­тиц ком­по­нент П., тем­пе­ра­ту­ру, ско­ро­сти, на­пря­жён­но­сти по­лей и их из­ме­не­ния во вре­ме­ни и в про­стран­ст­ве. Ис­то­ри­че­ски пер­вы­ми ме­то­да­ми ди­аг­но­сти­ки плаз­мы бы­ли зон­до­вые ме­то­ды с ис­поль­зо­ва­ни­ем зон­дов Лен­гмю­ра разл. мо­ди­фи­ка­ций. Вне­се­ние да­же ми­ниа­тюр­но­го зон­да в П. ис­ка­жа­ет её ха­рак­те­ри­сти­ки, по­это­му совр. ди­аг­но­стич. сред­ст­ва, как пра­ви­ло, бес­кон­такт­ные. Маг­нит­ные дат­чи­ки рас­по­ла­га­ют­ся обыч­но вне П. (поясá Ро­гов­ско­го, зон­ды Мир­но­ва, диа­маг­нит­ные пет­ли, дат­чи­ки гра­ди­ен­та маг­нит­но­го по­то­ка и др.). Весь­ма по­пу­ляр­ны оп­тич. ди­аг­но­сти­ки (вклю­чая рент­ге­нов­скую), ис­поль­зую­щие как соб­ст­вен­ное из­лу­че­ние плаз­мы (пас­сив­ная ди­аг­но­сти­ка), так и про­све­чи­ваю­щие ме­то­ды: ла­зер­ную и СВЧ-ин­тер­фе­ро­мет­рию и ди­фрак­то­мет­рию, ме­то­ды, ос­но­ван­ные на рас­сея­нии све­та (том­со­нов­ском и кол­лек­тив­ном), ме­тод фа­зо­во­го кон­тра­ста и др. Кор­пус­ку­ляр­ная ди­аг­но­сти­ка бы­ва­ет пас­сив­ной (ос­но­ван­ной на ана­ли­зе вы­хо­дя­щих из П. по­то­ков час­тиц) и ак­тив­ной, ис­поль­зую­щей спец. ди­аг­но­стич. пу­чок. Ре­ги­ст­ри­руя ос­лаб­ле­ние и рас­сея­ние пуч­ка, воз­бу­ж­де­ние, ио­ни­за­цию и гео­мет­рию по­сле­дую­щих тра­ек­то­рий его час­тиц и ато­мов пе­ре­за­ряд­ки, мож­но ло­каль­но оп­ре­де­лять кон­цен­тра­цию, темп-ру ио­нов и рас­пре­де­ле­ние элек­трич. по­тен­циа­ла. При­ме­ня­ют­ся и др. ви­ды ак­тив­ных ди­аг­но­стик, в ко­то­рых из­ме­ря­ет­ся от­клик П. на вно­си­мое спе­ци­фич. воз­му­ще­ние. Раз­ви­ва­ет­ся т. н. МГД-спек­тро­ско­пия, ос­но­ван­ная на ре­ги­ст­ра­ции МГД-ко­ле­ба­ний. Осн. про­бле­мы ди­а­г­но­сти­ки П. со­сто­ят имен­но в труд­но­стях на­хо­ж­де­ния ло­каль­ных зна­че­ний па­ра­мет­ров П. и во мно­же­ст­вен­но­сти фак­то­ров, от ко­то­рых за­ви­сят ре­зуль­та­ты из­ме­ре­ний.

Методы моделирования плазмы

Слож­ность по­ве­де­ния П. де­ла­ет ак­ту­аль­ным её ком­пь­ю­тер­ное мо­де­ли­ро­ва­ние. Осн. про­бле­ма за­клю­ча­ет­ся в су­ще­ст­вен­ных раз­ли­чи­ях (на 5–7 по­ряд­ков ве­ли­чи­ны) ха­рак­тер­ных про­стран­ст­вен­ных и вре­мен­ны́х мас­шта­бов про­цес­сов, фор­ми­рую­щих ди­на­ми­ку П., да­же в МГД-при­бли­же­нии и ещё бо́ль­ших в ки­не­ти­ке. По­это­му ком­пь­ю­тер­ные рас­чё­ты ис­поль­зу­ют­ся пре­им. для мо­де­ли­ро­ва­ния отд. про­цес­сов в П. на ос­но­ве уп­ро­щён­ных (ре­ду­ци­ро­ван­ных) урав­не­ний. Так, в пред­по­ло­же­нии сим­мет­рии сис­те­мы на­дёж­но ре­ша­ет­ся за­да­ча дву­мер­но­го рав­но­ве­сия П. и его мед­лен­ной эво­лю­ции; су­ще­ст­ву­ют ко­ды рас­чё­та трёх­мер­но­го рав­но­ве­сия П. в стел­ла­ра­то­рах с маг­нит­ны­ми по­верх­но­стя­ми, то­гда как про­бле­ма рас­чё­та об­ще­го трёх­мер­но­го рав­но­ве­сия П. в маг­нит­ном по­ле по­ка не ре­ше­на. Из­вест­ны дву­мер­ные МГД-ко­ды, опи­сы­ваю­щие ди­на­ми­ку П. и раз­ви­тие не­ко­то­рых не­ус­той­чи­во­стей, то­гда как трёх­мер­ные ди­на­мич. МГД-ко­ды до сих пор име­ют весь­ма ог­ра­ни­чен­ную при­ме­ни­мость. Наи­боль­шее рас­про­стра­не­ние для мо­де­ли­ро­ва­ния тур­бу­лент­ной ди­на­ми­ки за­маг­ни­чен­ной П. по­лу­чи­ли ги­ро­ки­не­тич. ко­ды, не учи­ты­ваю­щие бы­строе цик­ло­трон­ное вра­ще­ние час­тиц; од­на­ко по­ка с их по­мо­щью рас­счи­ты­ва­ет­ся весь­ма ко­рот­кое вре­мя эво­лю­ции П. Пря­мое при­ме­не­ние ме­то­дов мо­ле­ку­ляр­ной ди­на­ми­ки к вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ной П. за­труд­ни­тель­но для сколь­ко-ни­будь зна­чит. чис­ла за­ря­жен­ных час­тиц. Его ана­ло­гом слу­жит ме­тод час­тиц в ячей­ках, об­ра­зуе­мых рас­чёт­ной сет­кой. Час­ти­цы П. объ­е­ди­ня­ют­ся в мак­ро­час­ти­цы, дви­жу­щие­ся в ячей­ках, а зна­че­ния по­лей ме­ня­ют­ся лишь при пе­ре­хо­де от од­ной ячей­ки к дру­гой. Спе­циа­ли­зи­ров. ко­ды ис­поль­зу­ют­ся для рас­чё­та на­гре­ва П., из­лу­че­ния и по­гло­ще­ния волн, ге­не­ра­ции то­ка и пуч­ков час­тиц, рас­чё­та атом­ных и ра­диа­ци­он­ных про­цес­сов, про­ис­хо­дя­щих в П., взаи­мо­дей­ст­вия П. с ма­те­риа­ла­ми и пр.

Направления развития плазменных исследований

Спо­со­бы при­ме­не­ния П. в тех­ни­ке весь­ма мно­го­об­раз­ны, их чис­ло уве­ли­чи­ва­ет­ся год от го­да. В низ­ко­тем­пе­ра­тур­ной П. воз­мож­но про­те­ка­ние ря­да важ­ных хи­мич. ре­ак­ций, за­пре­щён­ных в обыч­ных ус­ло­ви­ях, их изу­че­ни­ем за­ни­ма­ет­ся плаз­мо­хи­мия. Важ­ней­шим на­прав­ле­ни­ем ис­сле­до­ва­ний П. ос­та­ёт­ся УТС. Имен­но раз­вёр­ты­ва­ние ра­бот по УТС в нач. 1950-х гг. в СССР и США по­ло­жи­ло на­ча­ло ши­ро­ко­мас­штаб­ным ис­сле­до­ва­ни­ям по фи­зи­ке П. во всём ми­ре. Дос­ти­же­ния по­след­них лет в ис­сле­до­ва­ни­ях кос­мич. про­стран­ст­ва и на­блю­да­тель­ной ас­тро­но­мии при­ве­ли к вспле­ску ра­бот по плаз­мен­ной ас­т­ро­фи­зи­ке, пер­спек­ти­вы раз­ви­тия ко­то­рой так­же вы­гля­дят весь­ма оп­ти­ми­стич­но.

Источник: bigenc.ru

Плазма – это ионизированный газ, содержащий электроны, а так же положительно и отрицательно заряженные ионы. Она является одним из четырех основных агрегатных состояний веществ.

Физическое объяснение плазмы и способы ее получения

Традиционно утверждалось, что существует 3 основных агрегатных состояний веществ. Они могут быть жидкими, твердыми и газообразными. Об этом говорили ученые с самого начала существования известной науки. С развитием технологий и научных наблюдений было установлено четвертое состояние веществ, именуемое плазмой. Обычно она возникает в результате сильного нагрева. Процесс ее образования выглядит следующим образом. Любое твердое вещество при очень сильном нагреве сначала плавится, после чего переходит в газообразное состояние, при продолжении температурного воздействия осуществляется его дальнейшее распадение на свободные атомы. От продолжающегося повышения температуры осуществляется отделение электронов, а также положительно и отрицательно заряженных ионов. В результате получается ионизированный газ, являющийся плазмой.

Плазматическое состояние вещества

Впервые о плазме заговорил английский физик сэр Уильям Крикс в 1879 году. Предложенная им концепция активно развивалась и совершенствовалась, что наблюдается и сегодня. Существуют различные предположения, которые указывают на то, что плазма была открыта намного раньше. Об этом можно судить даже по древнему утверждению о существовании четырех стихий: земля, вода, воздух и огонь. Они тесно переплетаются с современным трактованием 4 агрегатных состояний: твердое, жидкое, газообразное и плазменное. В определенных смыслах можно вполне сопоставить плазму и огонь.

Помимо получения плазмы в результате термической обработки вещества, его также можно выделить проводя бомбардировку газа быстрыми заряженными частицами. Для этого проводится облучение радиоактивными веществами. В таких случаях осуществляется выработка низкотемпературной плазмы.

Также была разработана технология получения газоразрядной плазмы. Для этого через газ пропускается электрический ток, вызывающий его ионизацию. Ионизированные частицы переносят ток, что приводит к их дальнейшему разрушению. Получаемая в результате электрического воздействия плазма менее эффективна в плане сохранения жизнедеятельности, чем образованная от термической обработки. Это связано с меньшим нагревом и высокой скоростью охлаждения частиц, так как они постоянно контактируют с другими ионами, не получившими необходимого нагрева.

Более сложный способ ее образования заключается в сильном сжатии вещества. Подобные методы воздействия приводят к сходу атомов со своих орбит. Возникающие в результате отдельные положительно и отрицательно заряженные частицы приобретают определенные свойства, которые могут применяться в различных сферах при обработке материалов.

Свойства плазмы

Главным свойством плазмы является высокая электрическая проводимость, значительно превосходящая прочие агрегатные состояния веществ. При этом суммарный электрический заряд равен нулю. Плазма подвержена влиянию магнитного поля. Под его воздействием она способна концентрировать струю, что позволяет проводить контроль движения газа.

Плазматическое состояние вещества

Также для плазмы характерно корректирование взаимодействия. У обычного газа происходит сталкивание частиц по двое, а в случае с плазмой электроны сталкиваются чаще и крупными группами.

Свойства плазмы могут отличаться в зависимости от ее разновидности. По термическим свойствам ее разделяют на 2 вида:
  • Низкотемпературная.
  • Высокотемпературная.

Для низкотемпературной плазмы характерен нагрев менее чем до 1 млн. Кельвинов. Высокотемпературный газ имеет температуру как минимум 1 млн. Кельвинов. Последняя разновидность плазмы принимает участие в термоядерном синтезе.

Проявление плазмы в природе

Считается, что 99% Вселенной представлено плазмой. Любая звезда состоит именно из ионизированного газа. Впервые об этом начали задумываться наблюдая за Солнцем. Исходящий от него ветер является ничем иным, как плазмой.

Плазматическое состояние вещества

Наблюдать плазму можно и в ионосфере. Визуально этот эффект можно заметить рассмотрев пример полярного сияния. Оно образовывается в результате облучения азота и кислорода солнечным излучением. Конечно, пример с полярным сиянием не столь удачный, поскольку данное явление можно увидеть только в определенных участках местности, малодоступной для большинства людей. Более частым проявлением природной плазмы, которое встречается везде, является момент удара молнии. Электрический искровой разряд, появляющийся в грозу, это и есть сильно ионизирующий газ.

Раньше считалось, что огонь это тоже разновидность плазмы, но это утверждение в корне неверно. Для плазмы характерна температура от 8000 градусов. Самое мощное пламя даже при обдуве кислородом не может нагреваться выше 4000 градусов.

Отличие плазмы от газов

На первый взгляд может показаться, что плазма и газ это довольно взаимосвязанные агрегатные состояния, которые можно объединить в одно понятие. Все же существует ряд особенностей, позволяющие их разделить. В первую очередь можно отметить электрическую проводимость. У газа она крайне мала. Ярким примером будет воздух. Сам по себе он отличный диэлектрик, поэтому по нему электрический заряд не передается. Стоит его довести до состояния плазмы, как ситуация кардинально меняется, ведь по ней заряд передается вполне эффективно.

Также плазму от газов отличает однородность частиц. Для газов характерно, что в их структуре присутствуют подобные друг к другу составляющие. Они постоянно двигаются и взаимодействуют между собой на сравнительно небольшом расстоянии. В случае же с плазмой в ней есть как минимум 2-3, а то и больше вида частиц. В ее составе наблюдаются электроны, ионы и нейтральные частицы. Их свойства отличаются между собой. У них может быть разная скорость или температура. Именно по этой причине для плазмы характерна неустойчивость и сложность управления, поскольку многие ее составляющие действуют отличительно от прочих.

Где применяется плазма

В последнее время появилось довольно много приборов, устройство которых предусматривает работу где применяется плазма. Впервые ионизированные газы начали использоваться при создании светотехники. Ярким тому примером станут газоразрядные лампы. Принцип действия таких лампочек заключается в передаче электрического тока через газ заключенный в колбе. В результате наблюдается ионизация с получением ультрафиолетового излучения. Последнее поглощается люминофором, что и вызывает его свечение в видимом для человеческого глаза диапазоне.

Плазматическое состояние вещества

Особо востребованной технологией является плазменная резка. Таким оборудованием создается разогретая струя, способная плавить металлы и практически все вещества, встречаемые на ее пути. Обычно такое оборудование превращает в ионизированный газ обыкновенную воду. Сначала она испаряется, после чего под воздействием электрического тока из нее формируется плазменный пучок.

Плазматическое состояние вещества

Принцип плазмы может применяться для осуществления передачи данных на расстояние. В связи с этим проводится активная разработка плазменных антенн. Данная идея запатентована еще в 1919 году, но так и не была полноценно применена вплоть до начало XXI века. Технические наработки испытания такого оборудования дают основание полагать, что эта технология придет на замену привычного для всех wi-fi соединения. Она обладает большей скоростью передачи данных, а также возможностью действия в большом радиусе. Проводимость плазмы превышает проводимость серебра, которое является одним из лучших твердых веществ для передачи зарядов.

Плазматическое состояние вещества

Также в промышленности началось внедрение технологии напыления расплавленного материала под воздействием плазменной струи. Металл, или другой материал, расплавляется, после чего подается на струю в плазму. В результате он распыляется, дополняя струю. После этого взаимодействия с плазмой прекращается, и материал оседает на требуемых поверхностях в виде тонкого покрытия. Этот метод позволяет провести обработку гораздо быстрее, чем в случае с электрохимическим методом.

Применение плазмы в научном проекте Токамак

Всемирно известный научный проект Токамак, являющийся сокращением полного названия тороидальная камера с магнитными катушками – это установка для магнитного удержания плазмы. Она разработана с целью поддержания условий для проведения управляемого термоядерного синтеза. Впервые эта установка была построена в 1954 году, после успеха проведенных испытаний, в мире было создано более 200 ее копий, где осуществляются исследования и сегодня.

Плазматическое состояние вещества

Особенность данного проекта заключается в обеспечении контроля ионизированного газа. В Токамаке плазма удерживается с помощью магнитного поля. Такой способ применяется, поскольку создать ограждение стенками для предотвращения утечки плазмы невозможно. Любое вещество при контакте с ней расплавляется. Чтобы магнитное поле могло подействовать ионизирующий газ, через него пропускают электрический ток. Он обеспечивает создание электрического поля. Также прохождение тока активизирует набор высокой температуры.

Исследование плазмы, позволят реализовать идею контролируемого термоядерного синтеза. Как следствие удастся создать высокоэффективные электростанции, работающие значительно безопаснее атомных, и не создающих вредного выброса в атмосферу.

Похожие темы:
  • Сверхпроводящие магниты. Устройство и работа. Применение
  • Атмосферное электричество. Виды и особенности. Явления
  • Источник: electrosam.ru

    Плазма, определение, понятие, характеристики:

    Плазма (от греч. πλάσμα «вылепленное», «оформленное») – это четвертое агрегатное состояние вещества, образуемое сильно нагретым ионизированным газом, состоящим из электронов и ионов. В ее состав могут входить не только ионы и электроны, но и атомы, молекулы и любые другие заряженные частицы с положительными и отрицательными зарядами (например, кварк-глюонная плазма). Причем количество положительно и отрицательно заряженных частиц примерно одинаково. Они движутся коллективно, а не попарно, как в классическом газе, существенно увеличивая проводимость вещества и его зависимость от электромагнитных полей. Сама же по себе плазма квазинейтральна – сумма заряда его любого объема максимально приближено к нулю.

    Плазма, которая содержит электроны и положительные ионы, называют электронно-ионной плазмой. Если в плазме рядом с заряженными частицами имеются и нейтральные молекулы, то ее называют частично ионизированной. Плазма, состоящая только из заряженных частиц, называется полностью ионизированной.

    Чтобы система с заряженными частицами стала плазмой, им требуется расположиться на минимальном расстоянии друг от друга и взаимодействовать между собой. Когда такие эффекты становятся коллективными и их достаточно много, наступает требуемое состояние. Для него (такого состояния) характерна температура от 8000 градусов Кельвина. Из-за постоянного движения частиц плазма становится отличным проводником электрического тока. А используя магнитные поля можно сконцентрировать ее в струю и контролировать дальнейшее движение.

    В земных условиях плазменное состояние вещества довольно редко и необычно. Но в масштабах всей Вселенной плазма – наиболее распространенное агрегатное состояние вещества. Из нее состоят Солнце, звезды, верхние слои атмосферы и радиационные пояса Земли. Северные сияния также являются результатом процессов, происходящих в плазме.

    Наиболее типичные формы плазмы:

    Наиболее типичные формы плазмы представлены ниже в таблице:

    Искусственно созданная плазма: Земная природная плазма:

     

    Космическая и астрофизическая плазма:

     

    – плазменная панель (телевизор, монитор),

    – вещество внутри люминесцентных (в том числе компактных) и неоновых ламп,

    – плазменные ракетные двигатели,

    – газоразрядная корона озонового генератора,

    – управляемый термоядерный синтез,

    – электрическая дуга в дуговой лампе и в дуговой сварке,

    – плазменная лампа,

    – дуговой разряд от трансформатора Теслы,

    – воздействие на вещество лазерным излучением

    Яркая сфера ядерного взрыва

    – молния,

    – огни святого Эльма,

    – ионосфера,

    – языки пламени (низкотемпературная плазма)

    – солнце и другие звезды (те, которые существуют за счет термоядерных реакций),

    – солнечный ветер,

    – космическое пространство (пространство между планетами, звездами и галактиками),

    – межзвездные туманности

    Виды плазмы. Классификация плазмы:

    Плазма может быть:

    – искусственной и естественной.

    Примеры естественной плазмы: планетарная туманность, межпланетная плазма, ионосфера Земли, хромосфера Солнца и звезд, солнечный протуберанец, солнечная спикула, солнечный ветер, солнечная корона, фотосфера Солнца и звезд, хромосферная вспышка, молния.

    высокотемпературной  (температура миллион градусов Kельвина и выше) и низкотемпературной (температура меньше миллиона градусов Kельвина).

    У низкотемпературной плазмы средняя энергия электронов меньше характерного потенциала ионизации атома (<10 эВ). Она (низкотемпературная плазма), как правило, представляет собой частично ионизированный газ, т. е. число нейтральных атомов и молекул значительно превышает число заряженных частиц – электронов и ионов. Для низкотемпературной плазмы характерна малая степень ионизации – до 1 %.

    Если в низкотемпературной плазме содержится много макроскопических твердых частичек (размером от долей до сотен микрометров) с большим электрическим зарядом, которые либо самопроизвольно образуются в плазме в результате различных процессов, либо вводятся в плазму извне, то она называется пылевой плазмой. Пылевая плазма является частным случаем низкотемпературной плазмы.

    Низкотемпературную плазму называют еще технологичной плазмой, так как она внедряется в технологические процессы. Такой плазмой травят и модифицируют свойства поверхностей (создавая алмазные пленки, нитридируя металлы, меняя смачиваемость), очищают газы и жидкости.

    Низкотемпературная плазма в соответствии с физическими свойствами может быть стационарной, нестационарной, квазистационарной, равновесной, неравновесной, идеальной, неидеальной.

    Примеры низкотемпературной плазмы и ее источники: пламя, искра, различные виды лазеров, катодный взрыв, катодное пятно, катодный факел, плазмотрон, плазменная горелка, фоторезонансная плазма, термоэмиссионный преобразователь, МГД-генератор.

    Высокотемпературная плазма также называется еще горячей плазмой. Горячая плазма почти всегда полностью ионизирована (степень ионизации ~100 %).

    Вещество в состоянии высокотемпературной плазмы имеет высокую ионизацию и электропроводность, что позволяет использовать ее в управляемом термоядерном синтезе.

    полностью ионизированной и частично ионизированной.

    Отношение числа ионизованных атомов к полному их числу в единице объёма называют степенью ионизации плазмы. Степень ионизации плазмы в большой степени обуславливает её свойства, в том числе электрические и электромагнитные.

    Степень ионизации определяется по следующей формуле:

    α = ni / (ni + na),

    где α – степень ионизации, ni – концентрация ионов, а na – концентрация нейтральных атомов.

    Очевидно, что максимальное значение α равно 1 (или 100 %). Плазму со степенью ионизации 1 (или 100 %) называют полностью ионизованной плазмой.

    Субстанции со степенью ионизации менее 1 (или менее 100 %), называют частично ионизированной плазмой;

    – идеальной и неидеальной. Данные виды характерны только для низкотемпературной плазмы.

    Когда в условной сфере собирается возможный максимум взаимодействующих частиц, плазма становится идеальной. Если же диссипативные процессы имеют место, идеальность нарушается.

    Так, если в сфере радиуса Дебая (rD) находится много заряженных частиц  и для нее выполняется условие: N ≈ 4π·n·r3D / 3 ≫1, плазма называется идеальной плазмой,

    где rD – радиус Дебая, n – концентрация всех частиц плазмы, N – параметр идеальности.

    При N ⩽ 1 говорят о неидеальной плазме.

    В идеальной плазме потенциальная энергия взаимодействия частиц мала по сравнению с их тепловой энергией;

    равновесной и неравновесной. Данные виды характерны только для низкотемпературной плазмы.

    Равновесной плазмой называется низкотемпературная плазма, если её компоненты находятся в состоянии термодинамического равновесия, т. е. температура электронов, ионов и нейтральных частиц совпадает. Равновесная плазма обычно имеет температуру больше нескольких тысяч градусов Kельвина.

    Примерами равновесной плазмы могут быть ионосфера Земли, пламя, угольная дуга, плазменная горелка, молния, оптический разряд, фотосфера Солнца, МГД-генератор, термоэмиссионный преобразователь.

    В неравновесной плазме температура электронов существенно превышает температуру других компонентов. Это происходит из-за различия в массах нейтральных частиц, ионов и электронов, которое затрудняет процесс обмена энергией.

    Плазменные субстанции, создаваемые искусственным путем, изначально не имеют термодинамического равновесия. Равновесие появляется лишь при существенном разогреве вещества, а значит увеличении количества хаотических столкновений частиц друг с другом, что возможно лишь при уменьшении переносимой ими энергии;

    стационарной, нестационарной и квазистационарной. Данные виды характерны только для низкотемпературной плазмы.

    Стационарная низкотемпературная плазма обладает большим временем жизни по сравнению с временами релаксации в ней. Нестационарная (импульсная) низкотемпературная плазма живёт ограниченное время, определяемое как временем установления равновесия в плазме, так и внешними условиями. Низкотемпературная плазма, время жизни которой превышает характерное время переходных процессов, называется  квазистационарной плазмой. Примером квазистационарной плазмы является газоразрядная плазма;

    классической и вырожденной. Классической плазмой, называют такую, где расстояние между частицами много больше длины де-Бройля. В такой плазме частицы можно рассматривать как точечные заряды.

    Вырожденная плазма – плазма, в которой сравнима длина де-Бройля с расстоянием между частицами. В такой плазме необходимо учитывать квантовые эффекты взаимодействия между частицами;

    однокомпонентной и многокомпонентной (в зависимости от наполняемых ее ионов);

    кварк-глюонной. Кварк-глюонная плазма – андронная среда с перемешанными цветными зарядами (кварками, антикварками  и глюонами), образуется, когда сталкиваются тяжелые ультрарелятивистские частицы в среде с высокой энергетической плотностью;

    криогенной. Криогенная плазма – это плаз­ма, ох­ла­ж­дён­ная до низ­ких (крио­ген­ных) тем­пе­ра­тур. Например, путем погружения в ванну с жидким азотом или гелием;

    газоразрядной. Газоразрядная плазма – плазма, возникающая при газовом разряде;

    – плазмой твердых тел. Плазму твердых тел формируют электроны и дырки полупроводников при компенсации их зарядов ионами кристаллических решеток;

    – лазерной. Лазерная плазма возникает от оптического пробоя, создаваемого мощным лазерным излучением при облучении вещества.

    Существуют и другие подвиды плазменной субстанции.

    Свойства плазмы:

    Основное свойство плазменной субстанции заключается в ее высокой электрической проводимости, существенно превосходящей показатели в других агрегатных состояниях.

    На плазму оказывает влияние электромагнитное поле, позволяющее сформировать нужную форму, количество слоев и плотность. Заряженные частицы движутся вдоль и поперек направления электромагнитного поля, их движение бывает поступательным или вращательным. Данное свойство плазмы называется также взаимодействие плазмы с внешним электромагнитным полем или электромагнитное свойство плазмы.

    Плазма светится, обладает нулевым полным зарядом и высокой частотой, приводящей к вибрации.

    Несмотря на высокую электрическую проводимость она (плазма) квазинейтральна – частицы с положительным и отрицательным зарядами имеют практически равную объемную плотность.

    Чтобы сохранить свойства плазмы, с ней не должны контактировать более холодные и плотные среды.

    Для частиц плазмы характерно т.н. коллективное взаимодействие. Оно означает, что заряженные частицы плазмы, в силу наличия электромагнитных зарядов, взаимодействуют одновременно с целой системой близкорасположенных заряженных частиц, а не попарно, как обычном газе.

    Условия – критерии признания плазмой система с заряженными частицами:

    Любая система с заряженными частицами соответствует определению плазмы при наличии следующих условий-критериев:

    достаточной плотности наполняющих ее электронов, ионов и других структурных единиц вещества, чтобы каждая из них взаимодействовала с целой системой близкорасположенных заряженных частиц.  Для коллективного взаимодействия заряженных частиц их расположение должно быть максимально близким и находиться в сфере влияния (сфере радиусом Дебая).

    Условие считается выполненным, если число заряженных частиц в сфере влияния (сфера радиусом Дебая) достаточно для возникновения коллективных эффектов.

    Математически это условие можно выразить так:

    r3D·N ≫ 1, где r3D – сфера радиусом Дебая, N – концентрация заряженных частиц;

    приоритета внутренних взаимодействий. Это означает, что радиус дебаевского экранирования должен быть мал по сравнению с характерным размером плазмы. Условие выполняется, когда поверхностные эффекты в сравнении со значительными внутренними эффектами плазмы становятся ничтожно малы и ими пренебрегают.

    Математически это условие можно выразить так:

    rD / L ≪ 1, где rD –радиус Дебая, L – характерный размер плазмы;

    появления плазменной частоты. Данный критерий означает, что среднее время между столкновениями частиц велико по сравнению с периодом плазменных колебаний. Условие выполняется при возникновении плазменных колебаний, превосходящих молекулярно-кинетические.

    Параметры плазмы:

    У четвертого состояния вещества выделяют следующие параметры:

    концентрацию входящих в нее частиц.

    В плазме все составляющие ее компоненты хаотически движутся. Чтобы измерить их концентрацию в единице объема, сначала разделяют входящие в нее частицы по группам (электроны, ионы, остальные нейтральные), потом по сортам сами ионы, и находят значения для каждого вида отдельно (ne, ni и na), где ne – концентрация свободных электронов, ni – концентрация ионов, na – концентрация нейтральных атомов;

    степень и кратность ионизации.

    Для того, чтобы превратить вещество в плазму его необходимо ионизировать. Степень ионизации пропорциональна числу атомов, отдавших или поглотивших электроны, и больше всего зависит от температуры. Отношение числа ионизованных атомов к полному их числу в единице объёма называют степенью ионизации плазмы. Степень ионизации плазмы в большой степени обуславливает её свойства, в том числе электрические и электромагнитные.

    Степень ионизации определяется по следующей формуле:

    α = ni / (ni + na),

    где α – степень ионизации, ni – концентрация ионов, а na – концентрация нейтральных атомов.

    α – это безразмерный параметр, показывающий, сколько атомов вещества смогли отдать или поглотить электроны. Понятно, что αmax = 1 (100%), а усредненный заряд его ионов, называемый также кратностью ионизации (Z) будет находиться в пределах ne = <Z> ni, где ne – концентрация свободных электронов.

    При αmaxплазма полностью ионизирована, что характерно в основном для «горячей» субстанции – высокотемпературной плазмы.

    температуру. Разные вещества переходят в состояние плазмы при разной температуре, что объясняется строением внешних электронных оболочек атомов вещества: чем легче атом отдает электрон, тем ниже температура перехода в плазменное состояние.

    Отличие плазмы от газа:

    Плазма – своеобразная производная газа, получаемая при его ионизации. Однако у них существуют определенные отличия.

    Прежде всего, это наличие электрической проводимости. У обычного газа (например, воздуха) она стремится к нулю. Большинство газов – хорошие изоляторы, пока не повергнуты дополнительным воздействиям. Плазма же является отличным проводником.

    Из-за чрезвычайно малого электрического поля плазменная субстанция зависима от магнитных полей, что не характерно для газов. Это приводит к филаментированию и расслоению. А преобладание электрических и магнитных сил над гравитационными создает коллективные эффекты внутренних столкновений частиц в веществе.

    В газах составляющие их частицы идентичны. Их тепловое движение осуществляется на небольшие расстояния за счет гравитационного притяжения. Структура плазмы состоит из электронов, ионов и нейтральных частиц, отличных своим зарядом и независимых между собой. У них может быть разная скорость и температура. В итоге появляются волны и неустойчивость.

    Взаимодействие составляющих в газах двухчастичное (очень редко трехчастичное). В плазме оно коллективное: близкое расположение частиц дает возможность всем группам взаимодействовать сразу и со всеми.

    При столкновениях частиц в газах скорости движения молекул распределяются согласно теории Максвелла. По ней только у немногих из них они относительно высокие. В плазме такое движение происходит под действием электрических полей, и оно бывает не только максвелловским. Нередко наличие больших скоростей приводит к двухтемпературным распределениям и появлению убегающих электронов.

    Для исчерпывающего описания четвертого состояния не подходят гладкие математические функции и вероятностный подход. Поэтому применяют несколько математических моделей (как правило, не менее трех). Обычно это флюидная, жидкостная и Particle-In-Cell (метод частиц в ячейках). Но информация, полученная даже таким образом, бывает неполной и требует дальнейших уточнений.

    Получение (создание) плазмы:

    В лабораторных условиях существует несколько способов получения плазмы. Первый способ заключается в сильном нагреве выбранного вещества, а конкретная температура перехода в состояние плазмы зависит от строения электронных оболочек его атомов. Чем проще электронам покинуть свои орбиты, тем меньший нагрев потребуется веществу для трансформации в плазменное состояние. Воздействию же могут быть подвергнуты любые субстанции: твердые, жидкие, газообразные.

    Однако чаще всего плазму создают при помощи электрических полей, ускоряющих электроны, которые в свою очередь ионизируют атомы и нагревают саму плазменную субстанцию. Например, через газ пропускают электрический ток, создают разность потенциалов на концах электродов, помещенных в газ. Изменяя параметры тока, можно контролировать степень ионизации плазмы. Следует учесть, что газоразрядная плазма хотя и нагревается за счет тока, но одновременно быстро охлаждается при взаимодействии с незаряженными частицами окружающего газа.

    Также требуемое – плазменное состояние вещества можно создать радиоактивным облучением, сильным сжатием, лазерным облучением, резонансным излучением и пр. способами.

    Источник: allbreakingnews.ru

    От Фарадея до Ленгмюра

    Во второй половине 70-х годов XIX века член Лондонского королевского общества Уильям Крукс, весьма успешный метеоролог и химик (он открыл таллий и чрезвычайно точно определил его атомный вес), заинтересовался газовыми разрядами в вакуумных трубках. К тому времени было известно, что отрицательный электрод испускает эманацию неизвестной природы, которую немецкий физик Ойген Голдштейн в 1876 году назвал катодными лучами. После множества опытов Крукс решил, что эти лучи есть не что иное, как частицы газа, которые после столкновения с катодом приобрели отрицательный заряд и стали двигаться в направлении анода. Эти заряженные частицы он назвал «лучистой материей», radiant matter.

    Как устроен Токамак Как устроен Токамак Токамак — установка тороидальной формы для удержания плазмы с помощью магнитного поля. Плазма, разогретая до очень высоких температур, не касается стенок камеры, а удерживается магнитными полями — тороидальным, созданным катушками, и полоидальным, которое образуется при протекании тока в плазме. Сама плазма выполняет роль вторичной обмотки трансформатора (первичная — катушки для создания тороидального поля), что обеспечивает предварительный нагрев при протекании электрического тока.

    Следует признать, что в таком объяснении природы катодных лучей Крукс не был оригинален. Еще в 1871 году сходную гипотезу высказал крупный британский инженер-электротехник Кромвелл Флитвуд Варли, один из руководителей работ по прокладке первого трансатлантического телеграфного кабеля. Однако результаты экспериментов с катодными лучами привели Крукса к очень глубокой мысли: среда, в которой они распространяются, — это уже не газ, а нечто совершенно иное. 22 августа 1879 года на сессии Британской ассоциации в поддержку науки Крукс заявил, что разряды в разреженных газах «так непохожи на все происходящее в воздухе или любом газе при обычном давлении, что в этом случае мы имеем дело с веществом в четвертом состоянии, которое по свойствам отличается от обычного газа в такой же степени, что и газ от жидкости».

    Нередко пишут, что именно Крукс первым додумался до четвертого состояния вещества. В действительности эта мысль гораздо раньше осенила Майкла Фарадея. В 1819 году, за 60 лет до Крукса, Фарадей предположил, что вещество может пребывать в твердом, жидком, газообразном и лучистом состояниях, radiant state of matter. В своем докладе Крукс прямо сказал, что пользуется терминами, заимствованными у Фарадея, но потомки об этом почему-то забыли. Однако фарадеевская идея была все-таки умозрительной гипотезой, а Крукс обосновал ее экспериментальными данными.

    Катодные лучи интенсивно изучали и после Крукса. В 1895 году эти эксперименты привели Вильяма Рёнтгена к открытию нового вида электромагнитного излучения, а в начале ХХ века обернулись изобретением первых радиоламп. Но круксовская гипотеза четвертого состояния вещества не вызвала интереса у физиков — скорее всего потому, что в 1897 году Джозеф Джон Томсон доказал, что катодные лучи представляют собой не заряженные атомы газа, а очень легкие частицы, которые он назвал электронами. Это открытие, казалось, сделало гипотезу Крукса ненужной.

    Первая плазма Первая плазма Снимок испытательного запуска корейского токамака KSTAR (Korea Superconducting Tokamak Advanced Reactor) с получением «первой плазмы» 15 июля 2008 г. KSTAR, научно-исследовательский проект по изучению возможности термоядерного синтеза для получения энергии, использует 30 сверхпроводящих магнитов, охлаждаемых жидким гелием.

    Однако она возродилась, как феникс из пепла. Во второй половине 1920-х будущий нобелевский лауреат по химии Ирвинг Ленгмюр, работавший в лаборатории корпорации General Electric, вплотную занялся исследованием газовых разрядов. Тогда уже знали, что в пространстве между анодом и катодом атомы газа теряют электроны и превращаются в положительно заряженные ионы. Осознав, что подобный газ имеет множество особых свойств, Ленгмюр решил наделить его собственным именем. По какой-то странной ассоциации он выбрал слово «плазма», которое до этого использовали лишь в минералогии (это еще одно название зеленого халцедона) и в биологии (жидкая основа крови, а также молочная сыворотка). В своем новом качестве термин «плазма» впервые появился в статье Ленгмюра «Колебания в ионизованных газах», опубликованной в 1928 году. Лет тридцать этим термином мало кто пользовался, но потом он прочно вошел в научный обиход.

    Физика плазмы

    Классическая плазма — это ионно-электронный газ, возможно, разбавленный нейтральными частицами (строго говоря, там всегда присутствуют фотоны, но при умеренных температурах их можно не учитывать). Если степень ионизации не слишком мала (как правило, вполне достаточно одного процента), этот газ демонстрирует множество специфических качеств, которыми не обладают обычные газы. Впрочем, можно изготовить плазму, в которой свободных электронов не будет вовсе, а их обязанности возьмут на себя отрицательные ионы.

    Плазматическое состояние вещества

    Для простоты рассмотрим лишь электронно-ионную плазму. Ее частицы притягиваются или отталкиваются в соответствии с законом Кулона, причем это взаимодействие проявляется на больших расстояниях. Именно этим они отличаются от атомов и молекул нейтрального газа, которые чувствуют друг друга лишь на очень малых дистанциях. Поскольку плазменные частицы пребывают в свободном полете, они легко смещаются под действием электрических сил. Для того чтобы плазма находилась в состоянии равновесия, необходимо, чтобы пространственные заряды электронов и ионов полностью компенсировали друг друга. Если это условие не выполняется, в плазме возникают электрические токи, которые восстанавливают равновесие (например, если в какой-то области образуется избыток положительных ионов, туда мгновенно устремятся электроны). Поэтому в равновесной плазме плотности частиц разных знаков практически одинаковы. Это важнейшее свойство называется квазинейтральностью.

    Практически всегда атомы или молекулы обычного газа участвуют только в парных взаимодействиях — сталкиваются друг с другом и разлетаются в стороны. Иное дело плазма. Поскольку ее частицы связаны дальнодействующими кулоновскими силами, каждая из них находится в поле ближних и дальних соседей. Это означает, что взаимодействие между частицами плазмы не парное, а множественное — как говорят физики, коллективное. Отсюда следует стандартное определение плазмы — квазинейтральная система большого числа разноименных заряженных частиц, демонстрирующих коллективное поведение.

    Ускоритель на столе Ускоритель на столе Мощные ускорители электронов имеют характерную длину в сотни метров и даже километры. Их размеры можно значительно уменьшить, если ускорять электроны не в вакууме, а в плазме — «на гребне» быстро распространяющихся возмущений плотности плазменных зарядов, так называемых кильватерных волн, возбуждаемых с помощью импульсов лазерного излучения.

    Плазма отличается от нейтрального газа и реакцией на внешние электрические и магнитные поля (обычный газ их практически не замечает). Частицы плазмы, напротив, чувствуют сколь угодно слабые поля и немедленно приходят в движение, порождая объемные заряды и электрические токи. Еще одна важнейшая особенность равновесной плазмы — зарядовое экранирование. Возьмем частицу плазмы, скажем, положительный ион. Он притягивает электроны, которые формируют облако отрицательного заряда. Поле такого иона ведет себя в соответствии с законом Кулона лишь в его окрестности, а на расстояниях, превышающих определенную критическую величину, очень быстро стремится к нулю. Этот параметр называется дебаевским радиусом экранирования — в честь голландского физика Питера Дебая, который описал этот механизм в 1923 году.

    Легко понять, что плазма сохраняет квазинейтральность, лишь если ее линейные размеры по всем измерениям сильно превышают дебаевский радиус. Стоит отметить, что этот параметр возрастает при нагреве плазмы и падает по мере увеличения ее плотности. В плазме газовых разрядов по порядку величины он равен 0,1 мм, в земной ионосфере — 1 мм, в солнечном ядре — 0,01 нм.

    Управляемый термояд

    В наши дни плазма используется в великом множестве технологий. Одни из них известны каждому (газосветные лампы, плазменные дисплеи), другие представляют интерес для узких специалистов (производство сверхпрочных защитных пленочных покрытий, изготовление микрочипов, дезинфекция). Однако наибольшие надежды на плазму возлагают в связи с работами по осуществлению управляемых термоядерных реакций. Это и понятно. Чтобы ядра водорода слились в ядра гелия, их надо сблизить на расстояние порядка одной стомиллиардной доли сантиметра — а там уже заработают ядерные силы. Такое сближение возможно лишь при температурах в десятки и сотни миллионов градусов — в этом случае кинетической энергии положительно заряженных ядер хватит для преодоления электростатического отталкивания. Поэтому для управляемого термоядерного синтеза необходима высокотемпературная водородная плазма.

    Плазматическое состояние вещества Плазма в окружающем мире почти вездесуща — ее можно найти не только в газовых разрядах, но и в ионосфере планет, в поверхностных и глубинных слоях активных звезд. Это и среда для осуществления управляемых термоядерных реакций, и рабочее тело для космических электрореактивных двигателей, и многое, многое другое.

    Правда, плазма на основе обычного водорода здесь не поможет. Такие реакции происходят в недрах звезд, но для земной энергетики они бесполезны, поскольку слишком мала интенсивность энерговыделения. Лучше всего использовать плазму из смеси тяжелых изотопов водорода дейтерия и трития в пропорции 1:1 (чисто дейтериевая плазма тоже приемлема, хотя даст меньше энергии и потребует более высоких температур для поджига).

    Однако для запуска реакции одного нагрева маловато. Во‑первых, плазма обязана быть достаточно плотной; во‑вторых, попавшие в зону реакции частицы не должны покидать ее слишком быстро — иначе потеря энергии превысит ее выделение. Эти требования можно представить в виде критерия, который в 1955 году предложил английский физик Джон Лоусон. В соответствии с этой формулой произведение плотности плазмы на среднее время удержания частиц должно быть выше некоторой величины, определяемой температурой, составом термоядерного топлива и ожидаемым коэффициентом полезного действия реактора.

    Плазматическое состояние вещества

    Легко увидеть, что существуют два пути выполнения критерия Лоусона. Можно сократить время удержания до наносекунд за счет сжатия плазмы, скажем, до 100−200 г/см3 (поскольку плазма при этом не успевает разлететься, этот метод удержания называют инерционным). Физики отрабатывают эту стратегию с середины 1960-х годов; сейчас ее наиболее совершенной версией занимается Ливерморская национальная лаборатория. В этом году там начнут эксперименты по компрессии миниатюрных капсул из бериллия (диаметр 1,8 мм), заполненных дейтериево-тритиевой смесью, с помощью 192 ультрафиолетовых лазерных пучков. Руководители проекта полагают, что не позднее 2012 года они смогут не только поджечь термоядерную реакцию, но и получить положительный выход энергии. Возможно, аналогичная программа в рамках проекта HiPER (High Power Laser Energy Research) в ближайшие годы будет запущена и в Европе. Однако даже если эксперименты в Ливерморе полностью оправдают возлагаемые на них ожидания, дистанция до создания настоящего термоядерного реактора с инерционным удержанием плазмы все равно останется очень большой. Дело в том, что для создания прототипа электростанции необходима очень скорострельная система сверхмощных лазеров. Она должна обеспечить такую частоту вспышек, зажигающих дейтериево-тритиевые мишени, которая в тысячи раз превысит возможности ливерморской системы, делающей не более 5−10 выстрелов в секунду. Сейчас активно обсуждаются различные возможности создания таких лазерных пушек, но до их практической реализации еще очень далеко.

    Токамаки: старая гвардия

    Альтернативно можно работать с разреженной плазмой (плотностью в нанограммы на кубический сантиметр), удерживая ее в зоне реакции не менее нескольких секунд. В таких экспериментах вот уже более полувека применяют различные магнитные ловушки, которые удерживают плазму в заданном объеме за счет наложения нескольких магнитных полей. Самыми перспективными считают токамаки — замкнутые магнитные ловушки в форме тора, впервые предложенные А.Д.Сахаровым и И.Е. Таммом в 1950 году. В настоящее время в различных странах работает с дюжину таких установок, крупнейшие из которых позволили приблизиться к выполнению критерия Лоусона. Международный экспериментальный термоядерный реактор, знаменитый ITER, который построят в поселке Кадараш неподалеку от французского города Экс-ан-Прованс, — тоже токамак. Если все пойдет по плану, ITER позволит впервые получить плазму, удовлетворяющую лоусоновскому критерию, и поджечь в ней термоядерную реакцию.

    Плазматическое состояние вещества

    «За последние два десятка лет мы добились огромного прогресса в понимании процессов, которые происходят внутри магнитных плазменных ловушек, в частности — токамаков. В целом мы уже знаем, как движутся частицы плазмы, как возникают неустойчивые состояния плазменных потоков и до какой степени увеличивать давление плазмы, чтобы ее все-таки можно было удержать магнитным полем. Были также созданы новые высокоточные методы плазменной диагностики, то есть измерения различных параметров плазмы, — рассказал «ПМ» профессор ядерной физики и ядерных технологий Массачусетского технологического института Йен Хатчинсон, который свыше 30 лет занимается токамаками. — К настоящему времени в крупнейших токамаках достигнуты мощности выделения тепловой энергии в дейтериево-тритиевой плазме порядка 10 мегаватт на протяжении одной-двух секунд. ITER превзойдет эти показатели на пару порядков. Если мы не ошибаемся в расчетах, он сможет выдавать не менее 500 мегаватт в течение нескольких минут. Если уж совсем повезет, энергия будет генерироваться вообще без ограничения времени, в стабильном режиме».

    Профессор Хатчинсон также подчеркнул, что ученые сейчас хорошо понимают характер процессов, которые должны происходить внутри этого огромного токамака: «Мы даже знаем условия, при которых плазма подавляет свои собственные турбулентности, а это очень важно для управления работой реактора. Конечно, необходимо решить множество технических задач — в частности, завершить разработку материалов для внутренней облицовки камеры, способных выдержать интенсивную нейтронную бомбардировку. Но с точки зрения физики плазмы картина достаточно ясна — во всяком случае мы так считаем. ITER должен подтвердить, что мы не ошибаемся. Если все так и будет, придет черед и токамаку следующего поколения, который станет прототипом промышленных термоядерных реакторов. Но сейчас об этом говорить еще рано. А пока мы рассчитываем, что ITER начнет работать в конце этого десятилетия. Скорее всего, он сможет генерировать горячую плазму никак не раньше 2018 года — во всяком случае по нашим ожиданиям». Так что с точки зрения науки и техники у проекта ITER неплохие перспективы.

    Источник: www.PopMech.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.