Основы физики плазмы - Кролл Н.
Скачать (прямая ссылка):
Фиг. 173. Схематическое представление захвата плазмы магнитным полем пробкотрона, полученной с помощью высокоэнергетического (600 кэВ) пучка молекулярных ИОНОВ DJr диссоциирующих в дуговом разряде.
Такой эксперимент на установке DCX был^выполнен в Окриджской лаборатории.
КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ПЛАЗМЫ
381
меньшими ларморовского радиуса ионов в поле B0:
I k I M0 > (Oci = -?-.
(9.8.1)
Это ограничение на к наряду с условием появления двухпотоковой неустойчивости
I k I и0 <. (оре (9.8.2)
ведет к предсказанию, что плотность плазмы из-за возникновения электростатической двухпотоковой неустойчивости должна быть ограничена величиной
Yt Р
е AnmiC2 Tni
(9.8.3)
В плазме могут также присутствовать и другие неустойчивости, но предельная плотность (9.8.3) определяет возникновение одной из неустойчивостей. Приведенная оценка предельной плотности согласуется с экспериментальными результатами, показывающими, что ниже этой плотности плазма спокойна, а выше — турбулентна.
8.2. Турбулентный нагрев при: возникновении неустойчивостей
Многие схемы нагрева плазмы основаны на создании потока электронов в удерживаемой плазме за счет приложения либо электрического, либо импульсного магнитного поля. В одном из таких экспериментов [10] 1) два плазменных потока инжектируются в поле пробкотрона с противоположных его концов (фиг. 174). При таком встречном движении плазменных потоков наблюдается лишь небольшой их нагрев. Скорость относительного движения потоков гораздо ниже тепловой скорости электронов, а ионная и электронная температуры сравнимы между собой. Этот эксперимент был проведен снова, но теперь после заполнения пробкотрона плазмой между электродами ег и е2 прикладывается импульсное напряжение 20 кэВ. При этом плазма за время ~3 мкс нагревается от температуры 50 эВ до 1000 эВ в расчете на пару электрон — ион. Такой нагрев нельзя объяснить выделением джоулева тепла, ибо частота столкновений отдельных частиц друг с другом пренебрежимо мала. Объяснение состоит в том, что под действием сильного электрического поля электроны приобретают значительную скорость U0 и начинает выполняться
Магнитные
силовые
линии
Пробочные ттуш-ки'
Емкостной накопитель энергии
Ключ
Фиг. 174. Схема эксперимента по турбулентному нагреву. Через плазму, находящуюся в поле пробкотрона, пропускают большой ток.
1J Экспериментальному исследованию турбулентного нагрева посвящено большое число работ группы советских физиков под руководством Е. К. Завойского (см., например, [21*]).— Прим. ред.
382
ГЛАВА 9
OrOOl OtOi Ot 1 TifTe
Фиг. 175. Максимальный инкремент неустойчивостей во встречных потоках плазмы как функция отношения относительной скорости потоков к тепловой скорости электронов
Uj^ytTeIme и отношения TiITe [5].
условие (9.6.16), т. е. в плазме развивается двухпотоковая неустойчивость. Это один из многих подобных экспериментов, в которых для турбулентного нагрева плазмы используется двухпотоковая неустойчивость,
8.3. Неустойчивость встречных потоков плазмы
Электростатические неустойчивости во встречных потоках плазмы изучались Стрингером [5]. Он численно решал дисперсионное уравнение (9.3.2) для распределения, в котором учитывались встречные потоки электронов и ионов:
f{exp[--2lis^]+exp[-Tffrli])
Возможны три типа неустойчивостей, в которых наиболее сильно проявляются электрон-электронное [(9.3.7)], электрон-ионное [(9.3.3) и (9.3.7)] и ион-ионное взаимодействия. На фиг. 175 приведены инкременты для этих трех типов неустойчивостей.
§ 9. НЕУСТОЙЧИВОСТИ АНИЗОТРОПНОЙ ПЛАЗМЫ
До сих пор в настоящей главе мы рассматривали только неустойчивости, которые по своему происхождению являются электростатическими. Они возникают вследствие бунчировки плотности заряда pt; теория показывает, что при неустойчивых функциях распределения плотность заряда в скопле-
КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ПЛАЗМЫ
383
ниях и электрические поля растут. Во всех рассмотренных случаях основной причиной и резервуаром энергии неустойчивостей служит упорядоченное относительное движение частиц и критерии устойчивости по существу определяют, насколько сильное упорядоченное движение допустимо, чтобы система была устойчивой. Однако упорядоченное относительное движение частиц не единственная черта, характеризующая отклонение плазмы от термодинамического равновесия. В данном параграфе в качестве причины, вызывающей неустойчивости, мы рассмотрим анизотропию распределения плазмы по скоростям.
Анизотропия присуща многим состояниям плазмы. В плазме, удерживаемой магнитным полем, температуры, соответствующие движению параллельно и перпендикулярно магнитному полю B0, обычно сильно различаются (для краткости будем их называть продольной и поперечной температурами). Например, при сжатии плазмы магнитным полем образуется плазма с T1 > Гц. Даже в отсутствие внешних полей часто существуют причины того, что в разных направлениях температуры различны, например потоки частиц, двумерные структуры ударных волн, специальные методы приготовления плазмы и т. д. Благодаря кулоновским столкновениям такие распределения со временем становятся изотропными. Однако во многих случаях коллективные эффекты (неустойчивости) играют большую роль в изотропи-зации, нежели парные столкновения.
