Основы физики плазмы - Кролл Н.
Скачать (прямая ссылка):
1J Этот термин был введен советским физиком А. А. Веденовым [46*].— Прим. ред.
2) Данное утверждение относится к оптически тонкой плазме.— Прим. ред.
ВВЕДЕНИЕ В ФИЗИКУ ПЛАЗМЫ
29
15.2. Излучение черного тела
Если бы плазма находилась в термодинамическом равновесии, она излучала бы согласно закону Стефана — Больцмана:
^черн.тело = аГ4 эрг/(см2*с); (1.15.2)
8десь а = 5,7 -IO"6 эрг/см2-с-К4. В противоположность тормозному излучению *) при температурах плазмы, представляющих интерес для термоядерного реактора, потери на черное излучение во много раз превышали бы энерговыделение, получаемое за счет реакций синтеза. Приведенное рассмотрение не имеет отношения к лабораторной плазме, поскольку, чтобы излучать как черное тело, плазма должна обладать огромными размерами: /?черн. тело^Ю23 T1f2I(Z2tTiine) (здесь T измеряется в кельвинах,).
Задача 1.15.1. Сравните интенсивности тормозного излучения и черного излучения из плазмы диаметром 3 см, температурой 10 эВ и плотностью частиц IO14 см“3. Какую часть полной энергии плазмы ежесекундно уносит излучение? Чему равен минимальный радиус сгустка плазмы, излучающей как черное тело?
15.3. Примесное излучение
Излучение возбужденных атомов или ионов в частично ионизованной плазме представляет собой промежуточный случай между тормозным и черным излучением. Возбужденные атомы или ионы почти всегда присутствуют в лабораторной плазме и называются примесями, поэтому их излучение называется примесным излучением. Это излучение часто представляет интерес для диагностики плазмы, поскольку позволяет измерить температуру и концентрацию электронов. Хотя примесное излучение вызывает значительные потери энергии, их можно уменьшить путем улучшения вакуумной технологии. Поэтому такое излучение не рассматривается как преграда для управляемого термоядерного синтеза.
15.4. Синхротронное или циклотронное излучение
Любая заряженная частица, движущаяся по круговой орбите, такая, например, как электрон в магнитном поле, излучает на циклотронной частоте и ее гармониках. В плазме, удерживаемой магнитным полем, при термоядерных температурах электроны являются субрелятивистскими, поэтому максимум излучения приходится на п-ю гармонику циклотронной частоты, вычисленной по массе покоя электрона (п «у2, где у =1 /У і— V2Ic2). Суммарная энергия излучения всех гармоник больше энергии излучения на основной частоте. Полная энергия потерь при циклотронном излучении из плазмы с магнитным удержанием обычно превышает энерговыделение термоядерного синтеза, если температуры электронов и ионов одинаковы. Эта проблема до сих пор не решена, но имеются схемы удержания плазмы, в которых электроны холоднее ионов
15.5. Черенковское излучение
Если заряженная частица движется со скоростью, большей скорости света в среде, она теряет энергию, которая передается среде в виде излучения, называемого черепковским. При этом возбуждаются плазменные и электромагнитные волны. Плазменные волны возбуждаются, когда скорость частицы превосходит скорость2) плазменных волн.
1) При сравнении формул (1.15.1) и (1.15.2) следует учесть, что первая из них описывает интенсивность излучения из единицы объема плазмы, а вторая — с единицы поверхности.— Прим. ред.
2) Имеется в виду фазовая скорость v = сoik.— Прим. ред.
зо
ГЛАВА 1
Б. СОЗДАНИЕ ПЛАЗМЫ
Экспериментальное изучение плазмы осложняется тем обстоятельствомг что плазму прежде всего необходимо создать, так как она не существует на Земле как нормальное состояние вещества. Способы создания лабораторной плазмы весьма разнообразны, и в зависимости от способа создания плазма может быть плотной или редкой, горячей или холодной, стационарной или распадающейся, устойчивой или неустойчивой и т. д. Поэтому характер исследований, которые могут быть проведены с лабораторной плазмой, зависит в большой степени от способа, которым была создана плазма. Аналогично для понимания задач при теоретическом изучении плазмы необходимо иметь представление о проблемах, с которыми сталкиваются при создании и измерениях в плазме.
Прежде чем описывать некоторые эксперименты, связанные с изучением плазмы, мы опишем кратко некоторые из успешных практических применений плазмы.
Наиболее широко распространено применение плазмы для освещения. Дуговые лампы используются в кинотеатрах, уличных фонарях, прожекторах и т. д. Флуоресцентные лампы основаны на электрическом разряде в плазме низкого давления с холодным катодом. При этом испускается значительное количество ультрафиолетового излучения, которое возбуждает флуоресцирующее покрытие внутренней поверхности разрядной трубки. Неоновые и другие аналогичные лампы основаны на разряде с холодным катодом, в котором испускается свет с линейчатым спектром за счет столкно-вительного возбуждения нейтральных атомов или ионов с последующим их излучением. Электросварочные аппараты — это плазменные устройства, предназначенные для сварки различных металлов. Игнитроны, тиратроны и т. п. устройства — это слабо- или сильноточные переключатели, используемые для управления различными устройствами (моторами, аппаратами для точечной сварки, емкостными накопителями энергии и т. д.) практически в любом промышленном процессе. Перечень применения плазменных устройств велик и многообразен. Читатель может сам легко его продолжить.
