Основы физики плазмы - Кролл Н.
Скачать (прямая ссылка):
При экспериментальном исследовании нужно попять, можно ли реализовать предложенное равновесное состояние, и если да, то определить свойства реальной плазмы в этих условиях. Такой процесс совместных теоретических и экспериментальных усилий оказался плодотворным при подавлении некоторых из наиболее опасных неустойчивостей.
Наконец, важно подчеркнуть различие между неустойчивым равновесием и чисто динамической ситуацией. Плазменный шарик, свободно падающий в поле силы тяжести поперек магнитного поля, не является неустойчивым: он просто не находится в равновесии.
§ 2. КЛАССИФИКАЦИЯ ПЛАЗМЕННЫХ НЕУСТОЙЧИВОСТЕЙ
Для конкретизации равновесного состояния плазмы обычно приходится задавать большое число параметров. Данное равновесие может быть неустойчивым к различным типам возмущений, а данная неустойчивость может быть
1J Можно отметить многочисленные работы по устойчивости плазмы твердых тел, где неустойчивость зачастую удается использовать для генерации электромагнитных волн.— Прим. ред.
УСТОЙЧИВОСТЬ ПЛАЗМЫ; ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЕ РАССМОТРЕНИЕ 179
общей для разных равновесных состояний плазмы. Основываясь на общих признаках, плазменные неустойчивости удобно разбить на группы. Одна из простых схем классификации заключается в том, что неустойчивости делятся на две основные группы г):
1) неустойчивости пространственно неоднородной плазмы (макронеустойчивости), или гидродинамические неустойчивости,
2) неустойчивости однородной плазмы (микронеустойчивости), или кинетические неустойчивости, и на две подгруппы:
а) электростатические неустойчивости,
б) электромагнитные неустойчивости.
2.1. Гидродинамические неустойчивости
Этим термином называются неустойчивости, связанные с отклонением макроскопических величин от их термодинамически равновесного значения. Например, если в равновесном состоянии плазма ограничена в пространстве (цилиндр, слой, полупространство и т. д.) и если она способна достигнуїь состояния с меньшей потенциальной энергией путем расширения, перемещения или искривления, плазма может оказаться неустойчивой. Если теория или эксперимент подтверждают, что эта плазма неустойчива, хотя частицы плазмы распределены по скоростям вблизи средней скорости, такая неустойчивость называется гидродинамической неустойчивостью. Такую неустойчивость обычно изучают с помощью гидродинамических уравнений плазмы.
2.2. Кинетические неустойчивости
Этот термин приписывается неустойчивостям, связанным с отклонением функции распределения по скоростям от максвелловской 2). Например, две группы электронов, движущихся с различными скоростями относительна неподвижных ионов (ті -*¦ оо), неустойчивы по отношению к возбуждению ленгмюровских колебаний, энергия которых черпается из энергии относительного движения двух электронных потоков.. Часть кинетических неустойчивостей может быть изучена с помощью гидродинамических уравнений, однако обычно используются уравнения Власова (гл. 9). Хотя кинетические неустойчивости обладают, как правило, большими скоростями нарастаиия, они не всегда вызывают быстрый уход плазмы поперек магнитного поля, который обычно бывает связан с гидродинамическими неустойчивостями.
2.3. Электростатические неустойчивости
Электростатическая неустойчивость — это неустойчивость, связанная со скоплением зарядов, т. е. с бунчировкой и разделением зарядов. Для изучения таких неустойчивостей можно сделать упрощающее предположение
о потенциальности электрического поля. Нарастание их обычно происходит с максимальным инкрементом, и они наиболее опасны с точки зрения удержания плазмы.
2.4. Электромагнитные неустойчивости
Электромагнитная неустойчивость связана с нарастанием плотности тока, т. е. с пинч-эффектом. Ток, текущий по плазме, создает магнитное поле, которое сжимает токовый поток и приводит к увеличению плотности
1J Cm. примечания на стр. 22 и 190.— Прим, ред.
2) В советской литературе употребляется термин «немаксвелловость функции распределения».— Прим. ред.
180
ГЛАВА 5
тока и т. д. Для таких неустойчивостей V X E # 0, и чтобы проанализировать их свойства, необходимо исследовать полную систему уравнений Максвелла.
Приведенная схема классификации полезна для объединения плазменных неустойчивостей, но в литературе по физике плазмы обычно употребляют сложный и красочный набор терминов для различных неустойчивостей, и бывает трудно понять работы по плазме, если не знать этих терминов и тех неустойчивостей, которые они обозначают.
§ 3. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ
Существуют три стандартных метода, обычно используемых для исследования устойчивости или свойств неустойчивостей, связанных с данным равновесным состоянием плазмы.
Простейший из них —интуитивный подход, согласно которому равновесное состояние подвергается возмущению, изменяющему силы, действующие на плазму. Если эти измененные силы действуют так, что увеличивают первоначальное возмущение, плазма неустойчива. Примером применения интуитивного подхода служит анализ змейковой неустойчивости, приведенный в гл. 1. Этот подход не позволяет получить количественную информацию об инкрементах, однако с его помощью удается вскрыть механизм неустойчивости, показать, какие равновесные ситуации требуют дальнейшего анализа, а также получить информацию о том, какие моды, по-видимому, должны быть неустойчивыми.
