Эффекты динамического экранирования в бесстолкновительной плазме

• Автор: Трофимович, Эдуард Эдуардович
• Шифр специальности: 01.04.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1998
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 61 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
1. Динамическое экранирование
2. Краткое содержание диссертации
Глава 1. УСТАНОВЛЕНИЕ ДЕБАЕВСКОГО ЭКРАНИРОВАНИЯ В МАКСВЕЛЛОВСКОЙ ПЛАЗМЕ
1.1 Постановка задачи
2.1 Общее решение уравнений Максвелла
3.1 Электрическое поле в максвелловской плазме
4.1 Обсуждение результатов
Глава 2. ЭКРАНИРОВАНИЕ ДВИЖУЩЕГОСЯ ЗАРЯДА В МАКСВЕЛЛОВСКОЙ ПЛАЗМЕ
1.2 Введение
2.2 Потенциал движущегося заряда в плазме
3.2 Условия применимости решения
4.2 Неэкспоненциальное убывание потенциала с расстоянием
5.2 Результаты численных расчетов
6.2 Экранировка поля собственных частиц плазмы
Глава 3. МЕХАНИЗМ ФОРМИРОВАНИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ
В БЕССТОЛКНОВИГЕЛЬНОЙ ПЛАЗМЕ
1.3 Введение
2.3 Постановка задачи и модель
3.3 Потенциал
4.3 Результаты численных расчетов
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ
1. Динамическое экранирование
Актуальность темы. Модель Дебая-Хюккеля [38],[1],[3-5],[31] описывает статическое экранирование, т.е. экранирование неподвижной заряженной частицы. Во многих же практически важных случаях существенно движение частицы, находящейся в плазме. Такая частица ведёт себя качественно подобно движущему пробному заряду, динамически поляризуя своё окружение. Таким образом, эффективное взаимодействие между частицами в плазме экранируется динамически.
Первые попытки учесть динамический характер экранирования предпринимались в теории коллективных переменных, предложенной Д. Бомом и Д. Пайнсом [14,39]. Аналогичные идеи, но в несколько более общей форме, независимо развивались Д.Н. Зубаревым [40,41]. Важная роль эффекта динамического экранирования была впервые продемонстрирована В.П. Силиным [42,43] при обобщении им теории ферми-жидкости Л.Д. Ландау [44-46] на случай дальнодействующего кулоновского взаимодействия между частицами.
Эффективный динамически экранированный потенциал является центральным понятием варианта метода функций Грина, предложенного Мартином и Швингером [47,48] и составляющего основу современной микроскопической теории систем многих заряженных частиц [49]. Однако, задача вывода эффективных сил из пустотных чрезвычайно сложна, ибо её точное решение связано с необходимостью последовательного учета многочастичных эффектов ( обменно-корреляционных, образования связанных состояний и др.) и рассмотрением бесконечных систем зацепляющихся уравнений [50,51]. В общем случае, при отсутствии явных малых параметров метод решения подобных систем неизвестен.
С другой стороны, во многих практически важных случаях ( термоядерные установки, лазерная плазма и др. ) существует широких круг явлений, при изучении которых плазма с хорошей точностью может рассматриваться как классическая и бесстолкновительная. Здесь следует отметить, что несмотря на возникающие при этом значительные упрощения в формализме, реальные расчеты кото тих физических величин для плазмы стали возможны лишь благодаря появлению быстродействующих вычислительных машин.
В настоящее время активно ведутся экспериментальные и теоретические исследования по улучшению качества разрядов в установках типа токамак. За последние пятнадцать лет были разработаны оригинальные методики измерения электрического поля в плазменном шнуре таких установок [17-27]. При этом было обнаружено, что величина электрического поля и структура его пространственного распределения существенно влияют на качество разряда и стабилизацию турбулентности. В то же время существующие теории и, в частности, широко распространенный неоклассический подход не дают удовлетворительного объяснения механизма формирования этого поля и не позволяют правильно рассчитать его на всем протяжении радиуса плазменного шнура [23,27]. Тем не менее, потребность в этом очевидна, как для проектирования новых типов разряда, так и для решения вопросов диагностики плазмы.

Затронутые выше вопросы, связанные с необходимостью в развитии микроскопической теории горячей бесстолкновительной плазмы, обусловили актуальность проведения настоящих исследований.
Цели работы. Основными целями работы являются: теоретическое исследование и выявление физических эффектов, связанных с динамическим характером экранирования заряженных частиц в бесстолкновительной плазме; построение микроскопической теории термоэлектрического поля в бесстолкновительной плазме, близкой к состоянию локального термодинамического равновесия.
Научная новизна. В диссертации впервые выявлен ряд особенностей проявления эффектов динамического экранирования в пространственном распределении электрического поля как собственных частиц равновесной плазмы, так и движущихся в ней сторонних зарядов. Показано, что вследствие динамического характера экранирования размер поляризационного облака плазменных электронов может значительно превышать дебаевский радиус, что приводит к появлению нового характерного пространственного масштаба для плазмы. Впервые развита микроскопическая теория термоэлектрического поля в горячей бесстолкновительной плазме близкой к локальному термодинамическому равновесию. Предложен механизм формирования термоэлектрического поля на основе различий в динамической экранировке плазменных частиц. Показано, что особенности поведения пространственного распределения электрического поля могут быть объяснены на основе конкуренции электронного и ионного вкладов в термоэлектрический коэффициент.
Практическая ценность. Результаты диссертации могут быть использованы при расчетах макроскопических характеристик плазменных конфигураций, проектировании новых установок типа токамак, поиске новых, более качественных разрядов и диагностике плазмы.
Защищаемые положения.
1. Выявленная структура пространственного распределения электрического поля стороннего заряда, движущегося в классической изотермической плазме, при точном учете дисперсии в широком диапазоне скоростей.
2. Метод расчета электрического поля собственных частиц плазмы с учетом динамического характера экранирования, в рамках которого установлен размер поляризациошюго облака плазменных электронов как новый характерный пространственный масштаб для плазмы.
3. Микроскопический подход к расчету макроскопического электрического поля в бесстолкновительной плазме близкой к локальному термодинамическому равновесию, в рамках которого предложен механизм формирования этого поля.
4. Физическая интерпретация экспериментальных результатов по измерению электрического поля в установках типа токамак и, в частности, объяснение смены знака потенциала электрического поля в периферийной области плазменного шнура.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на международной конференции по сильно связанным кулоновским системам (Бостон, 1997 г.), IV международной конференции по плотным г-пинчам, (Ванкувер, 1997 г.), научных семинарах ИОФ РАН, РНЦ “Курчатовский институт'’ и МИФИ.

Рис. 10.2. То же, что и на Рис. 1.2, для направления 0=я и значений 8=9,8=50.