Ф.Чен "Введение в физику плазмы"

Перевод с английского канд. физ.-мат. наук Е. Н. Кручины под редакцией д-ра физ.-мат. наук В. И. Шевченко

Москва «Мир» 1987

Предисловие редактора перевода
Предисловие ко второму изданию
Предисловие к первому изданию
Глава 1. Введение
1.1. Распространенность плазмы в природе
1.2. Определение плазмы
1.3. Понятие температуры
Задачи
1.4. Дебаевское экранирование
1.5. Плазменный параметр
1.6. Критерии существования плазмы
Задачи
1.7. Применения физики плазмы
Задачи
Глава 2. Движение отдельных частиц
2.1. Введение
2.2. Постоянные поля Е и В
Задачи
2.3. Неоднородное поле В
Задачи
2.4. Неоднородное поле Е
2.5. Нестационарное поле Е
2.6. Нестационарное поле В
2.7. Сводка формул для скоростей дрейфа ведущего центра
2.8. Адиабатические инварианты
Задачи
Глава 3. Плазма как жидкость
3.1. Введение
3.2. Связь между физикой плазмы и обычной электродинамикой Задачи
3.3. Гидродинамические уравнения
3.4. Дрейф жидкости перпендикулярно магнитному полю В Задачи
3.5. Движение жидкости параллельно магнитному полю
3.6. Плазменное приближение
Глава 4. Волны в плазме
4.1. Представление волн
Задача
4.2. Групповая скорость
4.3. Плазменные колебания
Задачи
4.4. Электронные плазменные волны
Задачи
4.5. Звуковые волны
4.6. Ионно-звуковые волны
4.7. Обоснованность плазменного приближения
4.8. Различие между ионно-звуковыми и плазменными волнами
4.9. Электростатические электронные колебания, распространяющиеся перпендикулярно магнитному полю
Задачи
4.10. Электростатические ионные волны, распространяющиеся перпендикулярно В
4.11. Нижнегибридная частота
4.12. Электромагнитные волны при В0 = 0
4.13. Экспериментальные приложения
Задачи 122 4.14. Электромагнитные волны, распространяющиеся перпендикулярно В0
4.15. Отсечки и резонансы
4.16. Электромагнитные волны, распространяющиеся параллельно В0
4.17. Экспериментальные следствия
Задачи
4.18. Магнитогидродинамические волны
4.19. Магнитозвуковые волны
4.20. Основные типы волн в плазме (сводка формул)
4.21. Диаграмма Клеммова—Муллали—Эллиса
Задачи
Глава 5. Диффузия и сопротивление
5.1. Диффузия и подвижность в слабоионизованных газах
5.2. Распад плазмы вследствие диффузии
5.3. Стационарные решения
5.4. Рекомбинация
5.5. Диффузия поперек магнитного поля
Задачи
5.6. Столкновения в полностью ионизованной плазме
5.7. Уравнения одножидкостной магнитогидродинамики
5.8. Диффузия в полностью ионизованной плазме
5.9. Решения уравнения диффузии
5.10. Диффузия Бома и неоклассическая диффузия
Задачи
Глава 6. Равновесие и устойчивость
6.1. Введение
6.2. Равновесие в МГД-приближении
6.3. Понятие о величине Р
6.4. Диффузия магнитного поля в плазму
Задачи
6.5. Классификация неустойчивостей
6.6. Двухпотоковая неустойчивость
Задачи
6.7. Гравитационная неустойчивость
6.8. Резистивные дрейфовые волны
Задачи
6.9. Неустойчивость Вейбеля
Глава 7. Кинетическая теория
7.1. Функция распределения / (v)
7.2. Уравнение кинетической теории
7.3. Вывод гидродинамических уравнений
7.4. Плазменные колебания и затухание Ландау
7.5. Физический смысл затухания Ландау
7.6. Физический вывод затухания Ландау
7.7. БГК-моды и моды ван Кампена
7.8. Экспериментальная проверка
Задачи 2
7.9. Затухание Ландау на ионах
Задачи
7.10. Кинетические эффекты в магнитном поле
Задача
Задача
Глава 8. Нелинейные явления
8.1. Введение
8.2. Слои в плазме
Задачи 28
8.3. Ионно-звуковые ударные волны
Задача
8.4. Сила высокочастотного давления
Задачи
8.5. Параметрические неустойчивости
Задачи
Задачи
8.6. Плазменное эхо
8.7. Нелинейное затухание Ландау
Задачи
8.8. Нелинейные уравнения физики плазмы
Задача
Задача
Задачи
Задачи
Приложение А. Система единиц, константы и формулы, векторные соотношения 33
Приложение Б. Теория волн в холодной однородной плазме
Приложение В. Заключительное контрольное задание (для трехчасового экзамена)
Приложение Г. Ответы к некоторым задачам
Предметный указатель

За девять лет, которые прошли с тех пор, как эта книга была написана, научные достижения в области ядерного синтеза, космической физики и нелинейной теории плазмы шагнули далеко вперед. В то же время проблема истощения энергетических запасов, с одной стороны, и исследования Юпитера и Сатурна, с другой, привели к осознанию в широких масштабах того, сколь важную роль играет физика плазмы в производстве энергии и в понимании нашего космического окружения.

За этот период в области магнитного удержания плазмы для термоядерного синтеза на токамаках Алкатор в Массачусетском технологическом институте было достигнуто лоусоновское число гаЕ = 2-1013 см~3-с, на токамаке PLT Принстонской лаборатории был осуществлен нагрев плазмы с помощью нейтрального пучка до KTi = 6,5 кэВ, увеличено среднее значение |3 до 3—5 % на токамаках Ок-Риджской лаборатории и фирмы «Дженерал Атомик», в Ливерморской лаборатории получена стабилизация удерживаемой магнитными ловушками плазмы на установке 2X1 IB, осуществлена инжекция ионного тока почти в условиях обращенного поля. Благодаря изобретению сдвоенного зеркала в области магнитного удержания достигнуты впечатляющие успехи. Предложены новые конструкции, такие, как компактные торы, установки поверхностного поля и ЕВТ — гибрид тора с магнитными ловушками. Возрождены некоторые старые принципы удержания плазмы, например, в стеллараторе или с помощью пинча в обращенном поле. Новой яркой звездой вспыхнула идея о радиочастотном нагреве, обещающем генерацию постоянного тока. Может быть, самое важное — это то, что мы существенно продвинулись в понимании МГД-поведения плазмы тороидальной конфигурации: тиринг-мод, магнитных островов и разрывов. Вместе с тем впервые привлекли пристальное внимание проблемы конструирования реакторов, технологии синтеза, а также гибридных установок, использующих синтез и расщепление ядер.

Вышел из младенческого возраста управляемый термоядерный синтез с инерционным удержанием; сейчас на него направлена примерно одна четверть исследовательских усилий, приходящихся долю магнитного удержания. В Ливерморской лаборатории на лазерной установке «Шива» мощностью 25 ТВт при направленном взрыве одной крупинки горючего получено 3-1010 термоядерных нейтронов, достигнуто сжатие горючего до плотности, в сотню раз превышающей плотность жидкого водорода. Пристальное внимание привлекли нелинейные плазменные процессы при взаимодействии лазерного излучения с веществом. Мы также находимся на пути к пониманию таких важных процессов, как резонансное поглощение, вынужденное рамановское и бриллюэновское рассеяние и спонтанное возбуждение магнитного поля. В качестве возможной альтернативы лазерам предложено использование ускоренных частиц, а именно электронных пучков, пучков легких или тяжелых ионов, что привело к целому ряду новых проблем в физике плазмы. В физике космической плазмы мы имеем четко разработанное представление о магнитосфере, которое подтверждается наблюдением вистлеров в магнитосфере Юпитера, предсказанных соответствующей теорией. Теперь хорошо известна структура солнечной короны и объяснена ее связь с магнитными полями в солнечных пятнах и с образованием солнечного ветра. В удовлетворительном состоянии находится теория полярных сияний. Все возрастающий интерес к термоядерному синтезу привел к тому, что гл. 9 первого издания вылилась в отдельную обстоятельную книгу по физике термоядерного синтеза и будет опубликована в виде второго тома х). Его содержание основано на конспекте моих лекций по магнитному удержанию плазмы для студентов старших курсов. При написании книги я заменил утомительные математические расчеты на короткие выкладки, основанные на физической картине поведения плазмы. Решение последней задачи и привело к тому, что выпуск второго издания был задержан почти на три года.

В том 1 включены первые восемь глав первого издания книги. Он сохранил первоначальную простоту, но был исправлен и дополнен. Устранено несколько мелких ошибок, обнаруженных студентами и преподавателями. В ответ на их просьбы система единиц была с неохотой заменена на СИ (МКС). Приношу извинения физикам моего поколения; утешайтесь мыслью, что первое издание книги стало библиографической редкостью.

В настоящий том помещен вывод тензора диэлектрической проницаемости для холодной плазмы; чтобы не усложнять и без того длинную и трудную для начинающего главу, данный вывод приводится в приложении Б, которое можно использовать как готовый справочный материал. Излагаемая в соответствующей главе кинетическая теория дополнена изучением вопросов, связанных с затуханием Ландау звуковых волн, дисперсионной функцией плазмы и волнами Бернштейна. Глава, посвященная нелинейным явлениям, в новом издании включает рассмотрение солитонов в рамках уравнения Кортевега—де Вриза и нелинейного уравнения Шредингера. Материал здесь излагается более подробно, чем в остальной части первого тома, что сделано специально для того, чтобы разжечь интерес у более подготовленных студентов. Здесь заслуживают признания полезные советы, которые мне дали Дж. Моралес и К. Нишикава.

Специально для преподавателей в книгу добавлены новые задачи, предлагавшиеся на экзаменах последнего десятилетия, и приведены решения задач, помещенных в первом издании. В приложении В приводится пример трехчасового заключительного экзамена для старшекурсников. Ответы к задачам проверял Дэвид Брауер; если там есть ошибки, то это его ошибки, а не мои. Наконец, о помещенном мною в начале книги загадочном посвящении. Дело в том, что у меня есть хорошие и плохие новости. Плохие новости — это то, что поэт (мой отец) отправился в страну вечной песни. Хорошие новости — вечная студентка (моя мать) достигла наконец своей цели, получив степень доктора философии, когда ей исполнилось 72 года. Поистине процесс познания бесконечен.