Учебник - Введение в физику плазмы - Чен Ф. (1239320), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Газовый разряд (еазоразряднье электронные приборы) Первая работа по физике плазмы была выполнена Ленгмюром, Тонксом и их сотрудниками в 1920-х гг. Это исследование было вызвано необходимостью разработать вакуумные электронные лампы, которые могли бы пропускать большие токи, а для этого их нужно было наполнять ионизованным газом. Были проведены исследования слабоионизованного тлеющего разряда и положительного столба с КТ, ж 2 эВ и 1Оы ( п (10" м †'.
Именно в этой работе было открыто явление экранирования; оболочку, окружавшую электрод, можно было непосредственно наблюдать в виде темного слоя. В настоящее время мы сталкивается с газовым разрядом в ртутных выпрямителях, водородных тиратронах, игнитронах, разрядниках, сварочных дугах, неоновых лампах и лампах дневного света, в грозовых разрядах. 1.7.2. Управляемый терлюядерный синтез Началом современной физики плазмы можно считать 1952 г., когда была выдвинута идея создания термоядерного реактора на основе управления реакцией синтеза, протекающей при взрыве водород- ной бомбы. Главными реакциями синтеза с участием атомов дейте- рия (О) и трития (Т) являются следующие: 13+ Р— 'Не+и+ 3,2 МэВ, Э+ 0-э- Т-)-р+4,0 МэВ, 1э+ Т вЂ” 'Не+ п+ 17,6 МэВ.
Сечения этих реакций синтеза значительны, только если энергии взаимодействуя>щих атомов превышают 5 кэВ. Использование пучка ускоренных атомов дейтерия для бомбардировки мишени не решает проблему, так как вследствие рассеяния большинство атомов теряют свою энергию еще до того, как они вступят в реакцию синтеза. Поэтому для осуществления термоядерной реакции необходимо создать плазму с тепловыми энергиями частиц порядка 10 кэВ. Проблема нагрева и удержания такой плазмы и явилась причиной быстрого роста научных исследований в области физики плазмы начиная с 1952 г.
Эта задача до сих пор не решена, и болыпинство активных исследований в физике плазмы ведутся в направлении преодоления данной проблемы. 1.7.З.Космическая физика Другим важным применением физики плазмы является изучение космического окружения Земли. Непрерывный поток заряженных частиц, называемый солнечным ветром, сталкивается с земной маг- К7. Применения физики илизмв ннтосферой, которая деформируется под его воздействием и защищает нас от этого потока частиц. Характерные параметры солнечного ветра следующие: и = 5 10' м-', КТ, =- 1О эВ, КТ, = 50 эВ, В = 5 10 ' Тл, скорость солнечного ветра — 300 км(с. Ионосфера, простирающаяся по высоте от 50 км до 1О земных радиусов, заполнена слабононизованной плазмой, плотность которой изменяется с высотой до п = 10" м — '.
Температура ионосферной плазмы составляет всего 0,1 эВ. Радиационные пояса ван Аллена состоят из захваченных магнитным полем Земли заряженных частиц с параметрами и ~ 10' м ', КТ, < 1 кэВ, КТ, ~ 1 эВ, В = 500 10 ' Тл. Кроме того, имеется горячая компонента' с п = 10' м ' и КТ, = = 40 кэВ. 1.7.4. Современная астрофизика Звезды и их атмосферы настолько горячи, что находятся в плазменном состоянии. Например, согласно оценкам, температура в центре Солнца равна 2 кэВ; солнечное излучение обусловлено термоядерными реакциями, протекающими при этой температуре. Солнечная корона представляет собой разреженную плазму с температурой до 200 эВ.
Межзвездная среда содержит ионизованный водород с плотностью п ж 10' м '. Для объяснения процесса ускорения космических лучей использовались различные теории плазмы. Хотя звезды в галактиках не являются заряженными, они ведут себя подобно частицам в плазме; поэтому для предсказания хода эволюции галактик применялась кинетическая теория плазмы.
Радиоастрономия открыла многочисленные источники излучения; весьма вероятно, что это излучение создается плазмой. Богатым источником плазменных явлений служит Крабовидная туманность, поскольку она, как известно, имеет магнитное поле. В ней находится также видимый пульсар. Согласно современным теориям, пульсары — это быстро вращающиеся нейтронные звезды, на поверхности которых (в плазме) генерируется синхротронное излучение. 1.7.6.
7)4ГД-преобразование энергии и ионные двигатели Возвращаясь с небес на Землю, рассмотрим два практических при» менения физики плазмы. Для генерации электричества используется магнитогидродинамическое (МГД) преобразование энергии плотной плазменной струи, движущейся поперек внешнего магнитного поля (рис. 1.5). Под действием силы Лоренца д [и х В), где и— скорость струи, ионы движутся вверх, а электроны — вниз, что создает разность потенциалов между двумя электродами. При этом с электродов можно снимать электрический ток, минуя неэффективный тепловой цикл. Гл. 1.
Введение 2о ОкВ о е енк — м тг -енкВ о Рис. 1.5. Принцип действия МГЛ-генератора, Такой же принцип, но действующий в обратном направлении, применяется в разработках двигателей для межпланетных полетов. Как показано на рис. 1.6, к электродам прикладывается потенциал, вызывающий протекание тока через плазму. Под действием силы Ц и В1 плазма выбрасывается из ракеты, а возникающая при этом сила реакции ускоряет аппарат. Выбрасываемая плазма должна быть обязательно нейтральной; в противном случае космический корабль зарядится до высокого потенциала.
Рис. 1.б. Принцип действия плазменного реактиввого двигателя для косми веского аппарата. 1.7.6. Плазгяа твердого тела В полупроводниках свободные электроны и дырки образуют плазму, в которой наблюдаются такие же колебания и неустойчивости, как и в газовой плазме. Для изучения этих явлений особенно полезной оказалась плазма в полупроводнике 1п81з. Было показано, что изза влияния кристаллической решетки частота столкновений значительно меньше, чем следовало бы ожидать в твердом теле с плотностью частиц п 10'а м а.
Кроме того, поскольку в полупроводнике эффективная масса дырок может быть очень небольшой (порядка 0,01 т,), даже в умеренных магнитных полях мы имеем очень высокую циклотронную частоту. Вычисление 1Уп для плазмы твер- 1.7. Примененвя физики плазмы 27 дога тела показало бы, что вследствие низкой температуры и высокой плотности эта величина меньше единицы. Однако благодаря квантовомеханическим эффектам (принципу неопределенности) эффективная температура плазмы оказывается достаточно высокой, так что Л'„становится весьма большой величиной.
Обнаружено, что некоторые жидкости, например раствор натрия в аммиаке, ведут себя также аналогично плазме. 1.7.7. Газовые лазеры Наиболее широко распространенным методом накачки газового лазера, т. е. его перевода в инвертированное состояние, которое может привести к усилению излучения, является применение газового разряда. Это может быть тлеющий разряд при низком давлении для непрерывного лазера или же лавинный разряд высокого давления для импульсного лазера.
Примерами непрерывных газовых лазеров являются Не — )х)е-лазеры, используемые для юстировки и топографических съемок, а также Аг- и Кг-лазеры, применяемые в лазерных шоу. Мощный СО,-лазер нашел применение в промышленности как режущий инструмент. Молекулярные лазеры сделали возможным исследование недоступной до этого далекой инфракрасной области электромагнитного спектра.
Накачку этих лазеров можно непосредственноосуществлять электрическим разрядом как в лазере на синильной кислоте (НС)х)) или, как в случае лазеров на метилфториде СНзг или метиловом спирте (СН,ОН), использовать оптическую накачку с помощью СО,-лазера. Даже действие твердотельных лазеров, таких, как лазер на неодимовом стекле, определяется плазмой, поскольку для накачки этого лазера применяется лампа-вспышка с газовым разрядом. Задачи 1.8. В лазерном термоядерном синтезе сердпевина крошечной таблетки из смеси дейтерия с тритием сжимается до плотности 10зз м з при температуре 50 000 000 К. Оцените для такой плазмы число частиц а дебаевской сфере.
1.9. Далекая галактика состоит нэ облака протонов и антипротонов с одинаковыми плотностями л = 10' м з и температурой 100 К. Чему равен дебаевский радиус экранированняр 1.1О. Сферический проводник радиусом а погружен в плазму и заряжен до потенциала фз. Электроны имеют максаелловское распределение по скоростям и движутся таким образом, чтобы образовать дебаевский слой; ионы же за время эксперимента остаются неподвижными. Предполагая, что ез (( КТ,1е, найдите, как зависит потенциал Ф от координаты г и величин а, ез и Хо.
(Указание; решение следует искать в виде ехр ( — йг)1г.) 1.11. Полевой транзистор представляет собой по существу электронную лампу, в основе принципа действия которой лежит эффект конечного дебаевского радиуса. Схема такого транзистора представлена на рис, 31.11. Элек- Гл. 1. Введение троны проводимости текут от источника Б к стоку О при наличии разности потенциалов между ними. Если приложить отрицательный потенциал к изолированному от полупроводника затвору Сз, то ток через О течь не сможет, поскольку приложенный потенциал проникает внутрь полупроводника и от- Рис.
3!.1!. ражает электроны. С ростом потенциала затвора ширина канала, по которому могут течь электроны, сужается и электронный поток уменьшается. Если толщина прибора слишком велика, то происходит дебаевское экранирование потенциала затвора. Оцените максимальную толщину проводящего участка в л-слое полевого транзистора при комнатной температуре, если его уровень легнрования (плотность плазмы) составляет !Озз м з, а толщина прибора не превышает десяти дебаеаских радиусов экранировання (см.
рис. 3.1.1!). Глава 2 ДВИЖЕНИЕ ОТДЕЛЬНЫХ ЧАСТИЦ 2.1. Введение 2.2. Постоянные поля Е и В 2.2.1. Е =. О В этом случае заряженная частица совершает простое циклотрон- ное вращение. Уравнение ее движения записывается в виде дт т — = — дтхВ. й (2. 1) Направляя в по В (В = Вх), мы имеем тв„=дйо„то = — оп„, то,= — О, Исследование плазмы представляет собой особенно трудную задачу вследствие того, что она является средой, плотность которой имеет промежуточное значение.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
