Теория плазмы, Рожанский В.А., 2012

Теория плазмы, Рожанский В.А., 2012.
  Учебное пособие содержит изложение вопросов кинетики, динамики и равновесия плазмы, а также процессов переноса в ней. Данный курс отличается от большинства курсов лекций по физике плазмы тем, что в нем описываются явления как в полностью ионизованной плазме, так и в частично ионизованной.
Пособие предназначено для студентов технических ВУЗов, обучающихся по направлению подготовки «Ядерные физика и технология», а также студентов, изучающих управляемый термоядерный синтез, физику газовых разрядов и другие области низкотемпературной плазмы, физику ионосферы, физику космической плазмы и т. д.

БЕССТОЛКНОВИТЕЛЬНЫЙ СЛОЙ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ЗАРЯДА.
Вблизи материальных поверхностей нарушается приближение квазинейтральности и одновременно становится неприменимым гидродинамическое описание плазмы, так как характерный масштаб изменения концентрации L = |?lnn|-1 стремится к нулю. Здесь возникают слои пространственного заряда с размерами порядка дебаевского радиуса, более точный термин — размер слоя. Проанализируем сначала структуру такого слоя в отсутствие магнитного поля для случая, когда длины свободного пробега электронов и ионов много больше размера слоя.
Пусть, для определенности, стенка заряжена отрицательно относительно плазмы. Вблизи стенки, на расстоянии порядка дебаевского радиуса, расположен положительно заряженный слой пространственного заряда (рис. 3.1). Дальше на масштабе порядка длины свободного пробега притягивающихся частиц находится так называемый предслой, который разделяет слой и квазинейтральную плазму, где применимо гидродинамическое описание. Электроны и ионы, попавшие на границу слоя, ведут себя по-разному. Ионы ускоряются в слое, поэтому все ионы, летящие в направлении стенки, на нее попадают. Значительная же часть электронов отражается от запирающего поля слоя и возвращается в плазму, и только самые энергичные достигают стенки. Чтобы понять, как формируется электронная функция распределения, рассмотрим задачу о пролете электронов через конденсатор с тормозящим электрическим полем.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
Глава 1. Кинетическое уравнение
1.1. Кинетическое уравнение Больцмана
1.2. Интеграл столкновений при кулоновском взаимодействии
1.2.1. Общий вид дополнительного потока в пространстве скоростей
1.2.2. Торможение и расплывание облака пробных частиц
1.2.3. Потери импульса и энергии пробными частицами
1.2.4. Столкновительный член в форме Ландау
1.3. Уравнение Фоккера — Планка
1.4. Убегающие электроны в полностью ионизованной плазме
1.5. Функция распределения электронов в слабоионизованной плазме
1.5.1. Приближение f0, f1
1.5.2. Функция распределения в электрическом поле
1.5.3. Влияние электрон-электронных столкновений
1.5.4. Общее выражение для f1
1.6. Коэффициенты переноса электронов в слабоионизованной плазме
1.7. Кинетическое уравнение в дрейфовом приближении
Глава 2. Уравнения переноса
2.1. Уравнения моментов
2.2. Коэффициенты переноса в полностью ионизованной плазме. Метод Чепмена — Энскога
2.3. Сводка результатов для полностью ионизованной плазмы
2.4. Коэффициенты переноса в полностью ионизованной плазме. Качественное рассмотрение
2.4.1. Сила трения, обусловленная относительной скоростью. Термосила
2.4.2. Проводимость
2.4.3. Поток тепла. Теплопроводность, конвективная часть
2.4.4. Тепловыделения при столкновениях
2.4.5. Вязкость
2.5. Уравнение для энтропии
Глава 3. Квазинейтральность и слой пространственного заряда
3.1. Установление квазинейтральности
3.2. Бесстолкновительный слой пространственного заряда
3.2.1. Электроны в конденсаторе с тормозящим полем
3.2.2. Потоки частиц и энергии на материальные поверхности
3.2.3. Вольт-амперная характеристика слоя. Плавающий потенциал
3.2.4. Структура слоя. Критерий Бома
3.3. Влияние электронной эмиссии. Двойной слой
3.4. Слой в магнитном поле
Глава 4. Диффузия частично ионизованной плазмы без магнитного поля
4.1. Уравнение амбиполярной диффузии
4.2. Примеры решения диффузионных задач
4.2.1. Распад начального возмущения в безграничной плазме
4.2.2. Положительный столб газового разряда
4.2.3. Диффузионный распад плазмы
4.2.4. Диффузионный зонд
Глава 5. Диффузия частично ионизованной плазмы в магнитном поле
5.1. Диффузия и подвижность в магнитном поле
5.2. Одномерная диффузия в магнитном поле
5.2.1. Диффузия поперек магнитного поля
5.2.2. Одномерная диффузия под произвольным углом к магнитному полю
5.3. Диффузия возмущения в безграничной плазме
5.4. Диффузия в плазме, ограниченной стенками
5.5. Диффузионный зонд в магнитном поле
Глава 6. Частично ионизованная плазма с током
6.1. Плазма с током без магнитного поля
6.1.1. Малые возмущения
6.1.2. Нелинейная эволюция
6.2. Плазма с током в магнитном поле
6.2.1. Одномерная эволюция
6.2.2. Эволюция малого возмущения в безграничной плазме
6.2.3. Эффект восстановления проводимости
Глава 7. Перенос сильноионизованной плазмы поперек магнитного поля
7.1. Классическая диффузия полностью ионизованной плазмы поперек магнитного поля
7.2. Перенос примесей в полностью ионизованной плазме поперек магнитного поля
7.3. Частично ионизованная плазма с неоднородной концентрацией нейтралов
Глава 8. Дрейфовые волны и турбулентный перенос
8.1. Дрейфовые волны в неоднородной плазме
8.2. Дрейфово-диссипативная неустойчивость
8.3. Универсальная неустойчивость
8.4. Неустойчивости, вызванные градиентом температуры
8.5. Турбулентная диффузия под действием случайных электрических полей
8.6. Влияние шира магнитного поля на развитие неустойчивостей
Глава 9. Динамика полностью ионизованной плазмы без магнитного поля
9.1. Ионный звук
9.2. Нелинейная динамика. Автомодельные решения
9.3. Простые нелинейные волны. Опрокидывание
9.4. Нелинейные ионно-звуковые волны с дисперсией
Глава 10. Магнитная гидродинамика
10.1. Уравнения магнитной гидродинамики
10.2. Вмороженность и скин-эффект
10.3. Магнитогидродинамические волны
10.4. Нелинейные магнитогидродинамические волны
10.5. Магнитозвуковые волны с дисперсией
Глава 11. Динамика плазменных пучков и сгустков в магнитном поле
11.1. Движение плазмы поперек магнитного поля в вакууме
11.2. Торможение плазменной струи в фоновой плазме
Глава 12. Равновесие плазмы в магнитном поле
12.1. О невозможности равновесия без внешнего магнитного поля
12.2. Равновесие пинча
12.3. Поверхностные величины
12.4. Уравнение Грэда — Шафранова
12.5. Интегральное условие равновесия плазмы в токамаке
12.6. Равновесие плазмы в токамаке с магнитными поверхностями, близкими к круговым
12.7. Системы координат для магнитных поверхностей произвольной формы
12.8. Бессиловое равновесие и канонические профили в пинчах
Глава 13. Процессы переноса в токамаках
13.1. Гидродинамический режим (режим Пфирша — Шлютера)
13.1.1. Качественные оценки
13.1.2. Теплопроводность
13.1.3. Течения плазмы на магнитной поверхности, возмущения концентрации и потенциала
13.1.4. Потоки частиц
13.2. Радиальное электрическое поле, полоидальное и тороидальное вращение
13.3. Неоклассический переносв бесстолкновительных режимах
13.4. Функция распределения частиц в бесстолкновительных режимах
13.5. Уравнения баланса частиц и тенла
Глава 14. Устойчивость плазмы в магнитном поле
14.1. Неустойчивость Рэлея — Тейлора в жидкости
14.2. Желобковая неустойчивость плазмы
14.3. Диссипативные модификации желобковой неустойчивости
14.3.1. Неустойчивость Рэлея — Тейлора в частично ионизованной плазме
14.3.2. Желобковая неустойчивость плазмы, контактирующей с металлическими стенками
14.3.3. Гравитационно-диссипативная желобковая неустойчивость
14.4. Энергетический принцип
14.5. Винтовая неустойчивость
14.6. Тиринг-мода
14.7. Геодезико-акустическая мода и зональные течения
Глава 15. Магнитные острова и стохастизация магнитного поля
15.1. Магнитные острова
15.2. Стохастическая неустойчивость и диффузия силовых линий магнитного поля
15.3. Перенос в стохастическом магнитном поле
Литература.