течения плазмы

ТЕЧЕНИЯ ПЛАЗМЫ -направленные квазинейтральные потоки тяжёлой (ионной) компоненты плазмы. (Скорости электронов и ионов могут сильно различаться, но квазинейтральность сохраняется.) T. п. являются общим свойством практически всех плазменных систем, хотя факторы, вызывающие эти течения, в разл. системах разные. При конкретном рассмотрении T. п. можно разделить на потоки в кос-мич. условиях (ионосфера, солнечный ветер, внешняя и внутренние части Солнца и звёзд и т. д.) и в "лабораторных" условиях в тех или иных плазменных установках. Для космической плазмы характерны большие размеры и скорости течений и, как следствие, большие магн. Рейнольдса числа (R_m >> 1), что позволяет большой круг явлений описывать идеальной магнитной гидродинамикой [X. Альвен (H. Alfven), 1940-е гг.]. Однако во мн. случаях принципиально необходимо кинетич. описание течений космич. плазмы, когда рассматриваются процессы на пространственных масштабах меньше длины свободного пробега. Классич. примерами являются бесстолкновительные ударные волны, возникающие при обтекании магнитосферы Земли солнечным ветром, а также космич. лучи, в конце концов также порождаемые течениями космич. плазмы. Динамика космич. потоков, как правило, очень сложна, что в большей степени связано не только со сложным переплетением гидродина-мич. и кинетич. процессов, но и с трёхмерным характером этих процессов (см. Магнитосфера Земли, Магнитосферы планет, Радиационный пояс).

Ситуация в лаб. плазмодинамич. системах во многом проще для изучения, т. к. они легко воспроизводятся и обычно на макроуровне (т. е. на уровне процесса в целом) обладают симметрией. Ниже будут рассмотрены только лаб. T. п.

Течения лабораторной плазмы - это искусственно созданные T. п. в установках, имеющих разл. параметры в зависимости от типа установки. Поэтому ниже, вместо того чтобы говорить о "классе течений", можно во мн. случаях говорить о классе установок, в к-рых данные течения реализуются. Большинство течений лаб. плазмы можно по свойственной им макроструктуре сгруппировать в след. весьма широкие классы.

1. T. п., создаваемые г е н е р а т о р а м и п л а з м е н н ы х п о т о к о в: сильноточными ионными источниками, импульсными и стационарными; плазменными ускорителями; плаз матронами.

2. T. п., возникающие в р е к у п е р а т о р а х, в к-рых кинетич. энергия плазменных потоков превращается в электрическую: рекуператоры энергии квазинейтральных и заряж. ионных пучков, магнитогидродинамические генераторы, плазменные "поршневые" рекуператоры.

3. Течения к в а з и н е й т р а л ь н ы х п л а з м е н н ы х п от о к о в в плазмооптических системах, таких как эл--магн. сепараторы, магн. отклоняющие и фокусирующие системы, плазменные линзы, магнитоэлектрич. плазмоводы и сепарирующие системы, зет-пинчевые фокусирующие системы.

4. К о м п р е с с и о н н ы е T. п., сопровождающиеся её сильным сжатием: зет- и тета-пинчи, в т. ч. нецилиндрические зет-пинчи (плазменный фокус; )микропинчи; магнито-плазменные компрессоры.

5. У д а р н ы е и р а д и а ц и о н н ы е в о л н ы: бесстолкновительные и столкновительные ударные волны; сильноизлучающие ударные волны; ионизационные волны; лазерная искра (см. Лазерная плазма, Оптические разряды); дозвуковые и сверхзвуковые радиац. волны.

6. О б т е к а н и е п л а з м о й т в ё р д ы х п о в е р х н ос т е й: течения вне пограничных слоев; дебаевские, лар-моровские, вязкостные, ионизационные и др. пограничные слои; течения, сопровождающиеся модификацией поверхностей под действием плазменных потоков, в т. ч. аномальные формы эрозии поверхностей в скрещённых эл--магн. полях (см. также Плазменная технология).

7. В з а и м о д е й с т в и е п л а з м е н н ы х п о т о к о в с о г р а н и ч е н н ы м и м а г н. п о л я м и: обтекание магн. полей проводников с током; вход в магн. поле бесстолк-новительной и плотной плазмы; движение плазменных сгустков и струй в ограниченных магн. полях разной конфигурации.

8. T. п. в м а г н и т н ы х л о в у ш к а х: диффузия плазмы из центр. областей ловушек на периферию; вращение плазмы в ловушках и плазменных центрифугах; уход плазмы в "пробки" открытых магнитных ловушек; течение в волноводах плазменных; течения в окрестности диверторных слоев; формирование плазменных сгустков в виде компактных торов.

9. Д в и ж е н и е п л а з м е н н ы х п о т о к о в в а т м ос ф е р е: горение дуги в атмосфере (см. Дуговой разряд; )выход плазменных потоков из плазмотронов в атмосферу; растекание плазменных сгустков в ионосфере.

10. Г е н е р а ц и я п л а з м е н н ы х п о т о к о в п р и в о зд е й с т в и и м о щ н ы х л а з е р н ы х и э л е к т р о н н ы х п о т о к о в н а т в ё р д у ю (ж и д к у ю) п о в е р х н о с т ь: облучение термоядерных мишеней (см. Лазерный термоядерный синтез); лазерная и электронно-лучевая обработка деталей (см. Лазерная технология).

Теоретические модели T. п. Расчёт T. п. в лаб. системах требует в общем случае рассмотрения не только динамики ионов и электронов в осн. объёме, но и расчётов процессов создания плазмы в зонах ионизации и целой системы приэлектродных и пограничных слоев, а во мн. случаях - и разрушения самих поверхностей.

Для описания ионизации и, в частности, связанных с нею энергетич. затрат, к-рые в пересчёте на частицу всегда больше потенциала ионизации (причём иногда в десятки раз), необходимо рассмотреть все цепочки процессов трансформации частиц (возбуждение колебательных и электронных уровней, диссоциацию и т. д.), а также самосогласованно описывать излучение плазмы ,сопровождающее эти процессы. Необходимость в методах самосогласованного описания динамики трансформирующейся плазмы с учётом излучения привела к появлению спец. направления радиац. плазмодинамики, тесно примыкающего к области, называемой химией плазмы (см. Плаз-мохимия). Количеств. учёт переноса излучения в плазмоди-намич. системах требует громоздких расчётов, выполняемых реально только с помощью ЭВМ.

Расчёт пограничных слоев имеет свои трудности, т. к. во мн. случаях здесь необходимы кинетич. модели. Если же речь идёт о потоках достаточно плотной плазмы, то вблизи стенки возникает "рециклинг", т. е. повторная ионизация атомов, образовавшихся при рекомбинации ионов на стенке. Расчёт зоны рециклинга требует, в принципе, тех же моделей, что и расчёт зоны первичной ионизации [2]. T. о., реалистич. описание T. п. очень сложно и может быть выполнено только с помощью ЭВМ. На самом деле ситуация ещё сложнее, т. к. необходимо ещё учитывать коллективные процессы в плазме, к-рые ведут к генерации волн, вихрей, солитонов и т. д., т. е. к турбулизации потока. В этих условиях большое значение имеют простые, легко рассчитываемые качеств. модели, к-рые позволяют выявить мн. существенные черты макропроцессов и к-рые затем уточняются на основе эксперим. данных. Если свободные пробеги электронов и ионов велики по сравнению с размерами системы, то все компоненты, как правило, требуют кинетич. рассмотрения. Такие условия имеют место, напр., в ускорителях с замкнутым дрейфом [3 ] (см. также Пристеночная проводимость).

В случае более плотной плазмы во мн. случаях оказывается эффективным "гибридное" приближение, при к-ром динамика тяжёлых частиц описывается с помощью кинетич. ур-ний (как правило, без учёта упругих столкновений), а динамика электронов-гидродинамическими ур-ниями. Оно справедливо, если время свободного пробега ионов t_i>>t_0i = L/u_i - времени жизни ионов в системе (L - характерный масштаб неоднородности), а время свободного пробега электронов t_е<<t_0е - времени жизни электронов в системе. Гибридное приближение использовалось ещё в 1920-х гг. И. Ленгмюром и Л. Тонксом. В последующем оно применялось, в частности, при анализе плазмооптиче-ских систем [4 ] и обтекания спутников ионосферной плазмой [5].

Для описания динамики плотной плазмы используются, как правило, двухжидкостная гидродинамика плазмы - модель с двумя "жидкостями", электронной и ионной. Одножидкостная магн. гидродинамика для лаб. плазменных систем обычно недостаточна из-за большой разницы скоростей ионов и электронов в этих плазменных системах, т. е. из-за сильно выраженного Холла эффекта.

Во мн. случаях предварительную информацию о течении плотной плазмы можно получить, рассматривая квазиодномерные течения в узких трубках потока. Следует также отметить, что если плазму, текущую в широком канале, можно считать идеальной, а ширина канала h медленно изменяется вдоль его оси z (т. е. можно пренебречь членами (дh/дz)²), то расчёт двумерного течения во мн. интересных случаях можно свести к квадратурам [4].

Лит.: 1) Радиационная плазмодинамика, под ред. Ю. С. Протасова, т. 1, M., 1991; 2) Вопросы теории плазмы, в. 18, под ред. Б. Б. Кадомцева, M., 1990; 3) Ионные инжекторы и плазменные ускорители, под ред. А. И. Морозова, H. H. Семашко. M., 1990; см. также лит. при ст. Плазмооптические системы, Плазменные ускорители, Магнитная гидродинамика, Магнитогидродинамиче-ский генератор. А. И. Морозов.

   <<      Предметный указатель      >>