Обнинск 2010

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ОБНИНСКИЙ ИНСИТУТ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ – ФИЛИАЛ НАЦИОНАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОГО ЯДЕРНОГО УНИВЕРСИТЕТА «МИФИ»

Физико-энергетический факультет

В.Л. Шаблов, В.А. РЫКОВ

 

ВВЕДЕНИЕ В ФИЗИКУ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ

 

 

Учебное пособие по курсу

«Физика плазмы»

Рекомендовано к изданию Редакционно-издательским советом института

Обнинск 2010

УДК 621.039.5

 

Шаблов В.Л., Рыков В.А. Введение в физику низкотемпературной плазмы: Учебное пособие по курсу «Физика плазмы». – Обнинск: ИАТЭ НИЯУ МИФИ, 2010. – 47 с.

 

Учебное пособие предназначено для студентов 3-го курса, изучающих дисциплину «Физика плазмы», и содержит материалы относящиеся к основам физики плазмы. Описаны элементарные процессы в плазме, основные характеристики плазмы (плазменная частота и дебаевский радиус), движение частиц плазмы в электрических и магнитных полях, условия осуществления управляемого термоядерного синтеза.

 

 

Илл. 8, библиогр. 12 назв.

 

Рецензенты: д.ф.- м.н. О.Ф. Кухарчук

к.ф.- м.н. В.А. Шакиров

 

Темплан 2010, поз. 22

 

© ИАТЭ НИЯУ МИФИ, 2010 г.

© В.Л. Шаблов, В.А. Рыков, 2010 г.

1. Основные понятия физики плазмы

 

Физический энциклопедический словарь дает следующее определение: плазма – частично или полностью ионизованный газ, в котором концентрации свободных положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы.

Положительно заряженными частицами в плазме всегда являются ионы, отрицательно заряженными – обычно электроны, хотя в небольших концентрациях (по сравнению с концентрацией электронов) могут присутствовать отрицательные ионы, образующиеся в результате «прилипания» электронов к атомам или молекулам. Условие равенства концентраций положительных и отрицательных носителей зарядов выражается термином «квазинейтральность», означающим, что плазма является электрически нейтральной системой в достаточно больших объемах или за достаточно большие промежутки времени. По этой причине плазмой (в широком смысле) называют квазинейтральную систему, содержащую положительно и отрицательно заряженные свободные частицы, включая как ионизованные газы, так и другие системы, обладающие характерными для плазмы свойствами, например, совокупности электронов и дырок в полупроводниках, называемые полупроводниковой плазмой. В дальнейшем мы будем иметь дело с «газовой» плазмой.

Степенью ионизации плазмы называют отношение числа ионизованных атомов (молекул) к их начальному числу в единице объема плазмы. В общем случае в плазме присутствуют однозарядные ионы (с концентрацией n ₁), двухзарядные (с концентрацией n ₂) и т.д., так что концентрация ионизованных атомов равна n_i = n ₁ + n ₂ +…. Следовательно, степень ионизации

, (1)

где n _нач – начальная (до возникновения процесса ионизации) концентрация атомов. При этом, очевидно, условие квазинейтральности плазмы приводит к следующему выражению для концентрации электронов:

n_е n ₁+ 2 n ₂+…. (2)

Соотношение (2) приближенное, поскольку в нем не учитывается возможное наличие в плазме отрицательных ионов.

В зависимости от степени ионизации говорят о слабо-, сильно- и полностью ионизованной плазме. В полностью ионизованной плазме степень ионизации стремится к единице, слабоионизованная характеризуется малым числом.

В состоянии плазмы находится большая часть веществ во Вселенной – звезды, галактические туманности и межзвездная среда. Например, Солнце и многие звезды представляют собой гигантские сгустки высокотемпературной плазмы (что понимать под высокотемпературной плазмой, будет сказано чуть позже). Плазма существует в космосе в виде солнечного ветра. Верхний атмосферный слой Земли также образован из плазмы – это так называемая ионосфера. В лабораторных условиях плазма образуется в электрическом разряде в газе, в процессах горения и взрыва и т.д.

Хотя в большинстве случаев плазма – это газ с определенной степенью ионизации, ее свойства сильно отличаются от свойств обычных газовых смесей, вследствие чего ее часто называют четвертым состоянием вещества. В отличие от неионизованных газов, все частицы которых имеют одинаковую среднюю кинетическую энергию теплового движения (независимо от принадлежности к тому или иному компоненту газовой смеси), частицы плазмы – электроны, ионы и «нейтралы» – имеют различные средние кинетические энергии. Как правило, электроны обладают более высокими энергиями, чем ионы, кинетическая энергия которых в свою очередь может превышать кинетическую энергию нейтральных атомов и молекул.

Другими словами, плазма представляет собой смесь компонент (теперь это слово женского рода) с различными температурами: вместо одной общей температуры Т следует различать три разные температуры – электронную Т_е, ионную Т_i (или ионные температуры, если в плазме имеются ионы разных сортов) и температуру нейтральных атомов Т ₀. Обычно Т_е Т_i > Т ₀. Например, в газоразрядных приборах (лампы дневного света, рекламные трубки и т.д.) величина Т_е лежит в диапазоне нескольких десятков тысяч градусов, в то время как Т_i и Т ₀ не превышают одной – двух тысяч градусов. Такое большое различие между Т_е и Т_i характерно для большинства форм газового разряда, вызвано огромной разницей в массах электронов и ионов. В классическом газовом разряде плазма возникает между проводящими металлическими электродами, создающими в плазме электрическое поле. Энергия этого поля передается непосредственно электронам, так как именно они являются носителями тока. Ионы приобретают свою энергию благодаря быстро движущимся электронам, причем в силу большого различия масс относительная доля передаваемой при столкновении энергии составляет примерно 1:1840 А, где А – атомный вес вещества, к которому принадлежат ионы (напомним, что максимальная доля кинетической энергии, которая может быть передана легкой частицей массы m ₁ при столкновении с тяжелой частицей с массой m ₂, не может превысить , причем такой результат достигается при центральном упругом столкновении). Это означает, что электрон должен испытать несколько тысяч столкновений с ионами, чтобы их энергии сравнялись. Однако одновременно с процессами обмена энергиями между электронами и ионами идет процесс приобретения электронами энергии от источников электрического тока, поддерживающего разряд, а потому в плазме газового разряда обычно и поддерживается большое различие между Т_е и Т_i. При дуговом разряде, примером которого является электросварка, плазма имеет большую плотность, что увеличивает частоту столкновений и способствует выравниванию разности между электронной и ионной температурами.

Таким образом, в плазме очень часто приходится иметь дело с частичным термодинамическим равновесием. Это явление характерно для не слишком плотной плазмы, в которой длительное время электронная и ионная компоненты характеризуются своими температурами. При высокой плотности всякая плазма достаточно быстро приходит в состояние полного термодинамического равновесия, в котором Т_е = Т_i. Такая плазма называется изотермической.

Возможные значения плотности плазмы n лежат в очень широком диапазоне: от n ~10⁶ см^-3 в космическом пространстве и n ≈10 см^-3 в солнечном ветре до n ~10²² см^-3 для твердотельной плазмы и еще больших значений во внутренних областях звезд.

Если температура газа, который переходит в состояние плазмы, не превышает 10⁵ К, то говорят о низкотемпературной плазме, а при температурах, более 10⁶ К – о высокотемпературной. Это условное разделение связано с тем, что проблему осуществления управляемого термоядерного синтеза (УТС) предлагается решать в высокотемпературной плазме.