Учебник - Введение в физику плазмы - Чен Ф.

Э Д' Ма в в$, -В Ф.Чен Введение вф Перевод с английского канд. физ.-мат. наук Е. Н. Кручины под редакцией д-ра физ.-мат. наук В. И. Шевченко Москва кМирв 1987 изику плазмы ББК 22.835 Ч43 УДК 533.9 Чен Ф. В кинге американского физика Ш. Чена, вышедшей в США вторым изданием. представлены праитически все проблемы современной физики плазмы, начиная с классических», таких, как движение отдельных заряженных частиц, гидродииамическое описание плазмы, теория волновых движений плазмы, и кончая та. кими современными вопросами, как ударные волны, плазменное эхо, параметри. ческие неустойчивости плазмы и др.

Книга написана яснмм языком, содержит много рисунков и схем, а также большое число задач. Ее можно испольэовать в ка честве учебного пособия. Для студентов, аспирантов, а также в качестве справочного пособия для специалистов по физике плавны н работаюших в смежнмх областях физики. ,1 1704040000 — ЗЗ! 08 041(01) — 87 ББК 22.888 Редакция литературы по физике и астрономии Д !984, Р!епигп Ргезз, Мету 'гог)г !Ч! Перевод ня русский язык, «Мпрэ, 1987 Ч43 Введение в физику плазмы: Пер.

с англ.— Мл Мир, 1987.— 398 с., ил. Предисловие редактора перевода Книга написана известным американским специалистом по физике высокотемпературной плазмы, работы которого в области диагностики, аномальных явлений переноса, параметрических неустойчивостей, физики лазер-плазменного взаимодействия н др.

снискали заслуженное признание. Она представляет собой курс физики плазмы, который проф. Ф. Чен уже много лет читает в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе. Автор дает достаточно полное изложение основ физики плазмы, рассматривая при этом не только классические результаты, но н современные проблемы, которые в настоящее время интенсивно изучаются. Большим достоинством книги являются ясность и простота изложения материала, отсутствие утомительных алгебраических расчетов и вместе с тем достаточная строгость доказательств. Любой результат автор стремится пояснить «на пальцах», использует различные физические аналогии.

Материал, преподносимый в книге, иллюстрируется многочисленными рисунками и схемами, что дает наглядное представление о физических принципах, обсуждаемых в тексте. По наглядности, ясности и простоте подачи материала настоящее издание, пожалуй, не имеет аналогов среди многочисленной литературы по физике плазмы. В первой, вводной главе автор дает определение плазмы, подробно рассматривает одну из фундаментальных ее характеристик— дебаевское экранирование вносимых в нее электрических полей— и приводит условия, прн которых ионизованный газ является плазмой.

Здесь же кратко обсуждаются характеристики (плотность и температура) различных плазм, начиная с плазмы газового разряда и кончая твердотельной плазмой. Приводится краткая сводка основных применений плазмы. Вторая глава посвящена динамике отдельной заряженной частицы в электрическом и магнитном полях (постоянных и медленно меняющихся в пространстве и во времени) и приводится таблица всех возможных дрейфов ведущих центров. Автор вводит понятие Предпсловпе редактора перевода об адиабатических инвариантах, обсуждая при этом достаточно подробно три адиабатических инварианта. В третьей главе обсуждается гидродинамическое описание плазмы. Автор приводит полный набор уравнений, описывающих плазму в двухжидкостном приближении, и рассматривает проблему плазменного дрейфа в магнитном поле.

Четвертая глава одна из самых больших по объему. Достаточно подробное рассмотрение распространения электромагнитных волн в плазме сопровождается приведением схем экспериментов и наиболее характерных результатов волновых измерений, что делает стиль изложения живым и интересным. Определенное внимание уделено диагностике; обсуждаются методы интерферометрии. Подробно изучаются свисты, волны Альфвена, магнитный звук.

Главу завершает весьма наглядная диаграмма Клеммова — Муллали — Эллиса. В пятой главе рассматриваются вопросы распада слабононизованной плазмы вследствие диффузии. Автор приводит выражения для коэффициентов диффузии полностью ионизованного газа, а также обсуждает механизмы аномального переноса (бомовская диффузия, неоклассическая диффузия).

Значительное место в книге уделено рассмотрению устойчивости плазмы (гл. 6). В зависимости от типа свободной энергии, приводящей к неустойчивости, автор разбивает их на четыре категории: потоковые, неустойчивости Рэлея †Тейло, универсальные и кинетические неустойчивости.

Весьма интересным представляется изложение вопросов бесстолкновительного поглощения волн в плазме (гл. 7). Автор подробно рассматривает физические механизмы такого затухания и приводит наиболее важные экспериментальные результаты. Заключительная восьмая глава посвящена нелинейным эффектам в плазме. На примере ионно-звуковых колебаний приводятся различные нелинейные решения (солитоны, ударные волны).

Большое внимание автор уделяет актуальной проблеме приповерхностных слоев, а также зондовым измерениям. Описываются нелинейные эффекты в связи с различного рода параметрическими неустойчивостями. Глава завершается рассмотрением двух нелинейных уравнений, играющих важную роль в современной физике плазмы, а именно уравнения Кортевега — де Вриза и нелинейного уравнения Шредингера. В конце книги помещен ряд приложений, которые принесут несомненную пользу как справочный материал, а преподавателям физики помогут в подготовке экзаменационных вопросов для студентов. Мы надеемся, что книга в целом будет весьма интересна и полезна как студентам и преподавателям университетов и технических вузов, так и специалистам, имеющим дело с плазмой. В.

И. Шевченко Поэту и вечной студентке . М. Конрад Чен Эвелин Чен Предисловие ко второму изданию За девять лет, которые прошли с тех пор, как эта книга была написана, научные достижения в области ядерного синтеза, космическои физики и нелинейной теории плазмы ц~агнулн далеко вперед. В то же время проблема истощения энергетических запасов, с одной стороны, и исследования Юпитера и Сатурна, с другой, привели к осознанию в широких масштабах того, сколь важную роль играет физика плазмы в производстве энергии и в понимании нашего космического окружения. За этот период в области магнитного удержания плазмы для термоядерного синтеза на токамаках Алкатор в Массачусетском технологическом институте было достигнуто лоусоновское число лтв —— — 2 10'в см ' с, на токамаке Р1.Т Принстонской лаборатории был осуществлен нагрев плазмы с помощью нейтрального пучка до КТ~ =- 6,5 кэВ, увеличено среднее значение ~1 до 3 — 5 "'о на токамаках Ок-Риджской лаборатории и фирмы «Дженерал Атомик», в Ливерморской лаборатории получена стабилизация удерживаемой магнитными ловушками плазмы на установке 2ХПВ, осуществлена инжекция ионного тока почти в условиях обращенного поля.

Благодаря изобретению сдвоенного зеркала в области магнитного удержания достигнуты впечатляющие успехи. Предложены новые конструкции, такие, как компактные торы, установки поверхностного поля и ЕВТ вЂ” гибрид тора с магнитными ловушками. Возрождены некоторые старые принципы удержания плазмы, например, в стеллараторе или с помощью пинча в обращенном поле.

Новой яркой звездой вспыхнула идея о радиочастотном нагреве, обещающем генерацию постоянного тока. Может быть, самое важное — это то, что мы существенно продвинулись в понимании МГД-поведения плазмы тороидальной конфигурации: тиринг-мод, магнитных островов и разрывов. Вместе с тем впервые привлекли пристальное внимание проблемы конструирования реакторов, технологии синтеза, а также гибридных установок, использующих синтез и расщепление ядер. Вышел из младенческого возраста управляемый термоядерный синтез с инерционным удержанием; сейчас на него направлена примерно одна четверть исследовательских усилий, приходящихся на Предисловие ко второму издапюо долю магнитного удержания.

В Ливерморской лаборатории на лазерной установке «Шива» мощностью 25 ТВт при направленном взрыве одной крупинки горючего получено 3 10ы термоядерных нейтронов, достигнуто сжатие горючего до плотности, в сотню раз превышающей плотность жидкого водорода. Пристальное внимание привлекли нелинейные плазменные процессы при взаимодействии лазерного излучения с веществом. Мы также находимся на пути к пониманию таких важных процессов, как резонансное поглощение, вынужденное рамановское и бриллюэновское рассеяние и спонтанное возбуждение магнитного поля. В качестве возможной альтернативы лазерам предложено использование ускоренных частиц, а именно электронных пучков, пучков легких или тяжелых ионов, что привело к целому ряду новых проблем в физике плазмы.

В физике космической плазмы мы имеем четко разработанное представление о магнитосфере, которое подтверждается наблюдением внстлеров в магнитосфере Юпитера, предсказанных соответствующей теорией. Теперь хорошо известна структура солнечной короны и объяснена ее связь с магнитными полями в солнечных пятнах и с образованием солнечного ветра. В удовлетворительном состоянии находится теория полярных сияний. Все возрастающий интерес к термоядерному синтезу привел к тому, что гл.

9 первого издания вылилась в отдельную обстоятельную книгу по физике термоядерного синтеза и будет опубликована в виде второго тома '). Его содержание основано на конспекте моих лекций по магнитному удержанию плазмы для студентов старших курсов. При написании книги я заменил утомительные математические расчеты на короткие выкладки, основанные на физической картине поведения плазмы. Решение последней задачи и привело к тому, что выпуск второго издания был задержан почти на три года.