Книга написана известным американским специалистом по физике высокотемпературной плазмы, работы которого в области диагностики, аномальных явлений переноса, параметрических неустойчи-востей, физики лазер-плазменного взаимодействия и др. снискали заслуженное признание. Она представляет собой курс физики плазмы, который проф. Ф. Чен уже много лет читает в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе.
Автор дает достаточно полное изложение основ физики плазмы, рассматривая при этом не только классические результаты, но и современные проблемы, которые в настоящее время интенсивно изучаются. Большим достоинством книги являются ясность и простота изложения материала, отсутствие утомительных алгебраических расчетов и вместе с тем достаточная строгость доказательств. Любой результат автор стремится пояснить «на пальцах», использует различные физические аналогии.
Материал, преподносимый в книге, иллюстрируется многочисленными рисунками и схемами, что дает наглядное представление о физических принципах, обсуждаемых в тексте. По наглядности, ясности и простоте подачи материала настоящее издание, пожалуй, не имеет аналогов среди многочисленной литературы по физике плазмы.
В первой, вводной главе автор дает определение плазмы, подробно рассматривает одну из фундаментальных ее характеристик — дебаевское экранирование вносимых в нее электрических полей — и приводит условия, при которых ионизованный газ" является плазмой. Здесь же кратко обсуждаются характеристики (плотность и температура) различных плазм, начиная с плазмы газового разряда и кончая твердотельной плазмой. Приводится краткая сводка основных применений плазмы.
Вторая глава посвящена динамике отдельной заряженной частицы в электрическом и магнитном полях (постоянных и медленно меняющихся в пространстве и во времени) и приводится таблица всех возможных дрейфов ведущих центров. Автор вводит понятие
об адиабатических инвариантах, обсуждая при этом достаточно подробно три адиабатических инварианта.
В третьей главе обсуждается гидродинамическое описание плазмы. Автор приводит полный набор уравнений, описывающих плазму в двухжидкостном приближении, и рассматривает проблему плазменного дрейфа в магнитном поле.
Четвертая глава одна из самых больших по объему. Достаточно подробное рассмотрение распространения электромагнитных волн в плазме сопровождается приведением схем экспериментов и наиболее характерных результатов волновых измерений, что делает стиль изложения живым и интересным. Определенное внимание уделено диагностике; обсуждаются методы интерферометрии. Подробно изучаются свисты, волны Альфвена, магнитный звук. Главу завершает весьма наглядная диаграмма Клеммова — Мул-лали — Эллиса.
В пятой главе рассматриваются вопросы распада слабоионизованной плазмы вследствие диффузии. Автор приводит выражения для коэффициентов диффузии полностью ионизованного газа, а также обсуждает механизмы аномального переноса (бомовскак диффузия, неоклассическая диффузия).
Значительное место в книге уделено рассмотрению устойчивости плазмы (гл. 6). В зависимости от типа свободной энергии, приводящей к неустойчивости, автор разбивает их на четыре категории: потоковые, неустойчивости Рэлея—Тейлора, универсальные и кинетические неустойчивости.
Весьма интересным представляется изложение вопросов бес-столкновительного поглощения волн в плазме (гл. 7). Автор подробно рассматривает физические механизмы такого затухания и приводит наиболее важные экспериментальные результаты.
Заключительная восьмая глава посвящена нелинейным эффектам в плазме. На примере ионно-звуковых колебаний приводятся различные нелинейные решения (солитоны, ударные волны). Большое внимание автор уделяет актуальной проблеме приповерхностных слоев, а также зондовым измерениям. Описываются нелинейные эффекты в связи с различного рода параметрическими неустой-чивостями. Глава завершается рассмотрением двух нелинейных уравнений, играющих важную роль в современной физике плазмы, а именно уравнения Кортевега—де Вриза и нелинейного уравнения Шредингера.
В конце книги помещен ряд приложений, которые принесут несомненную пользу как справочный материал, а преподавателям физики помогут в подготовке экзаменационных вопросов для студентов.
Мы надеемся, что книга в целом будет весьма интересна и полезна как студентам и преподавателям университетов и технических вузов, так и специалистам, имеющим дело с плазмой.
В. И. Шевченко
Предисловие
ко второму изданию
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 тЕ = 2-1013 см~3-с, на токамаке PLT Принстонской лаборатории был осуществлен нагрев плазмы с помощью нейтрального пучка до КТ{ = 6,5 кэВ, увеличено среднее значение р до 3—5 % на токамаках Ок-Риджской лаборатории и фирмы «Дженерал Атомик», в Ливерморской лаборатории получена стабилизация удерживаемой магнитными ловушками плазмы на установке 2ХПВ, 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 на
Оглавление
Предисловие редактора перевода 5
Предисловие ко второму изданию 7
Предисловие к первому изданию 10 Глава 1. Введение 12
1.1. Распространенность плазмы в природе 12
1.2. Определение плазмы 13
1.3. Понятие температуры 15 Задачи 18
1.4. Дебаевское экранирование 18
1.5. Плазменный параметр 21
1.6. Критерии существования плазмы 22 Задачи 22
1.7. Применения физики плазмы 23 Задачи 27
Глава 2. Движение отдельных частиц 29
2.1. Введение 29
2.2. Постоянные поля Е и В 29 Задачи 35
2.3. Неоднородное поле В 36 Задачи 44
2.4. Неоднородное поле Е 45
2.5. Нестационарное поле Е 48
2.6. Нестационарное поле В 50
2.7. Сводка формул для скоростей дрейфа ведущего центра 52
2.8. Адиабатические инварианты 53 Задачи 59
Глава 3. Плазма как жидкость 61
3.1. Введение 61
3.2. Связь между физикой плазмы и обычной электродинамикой 62 Задачи 65
3.3. Гидродинамические уравнения 66
3.4. Дрейф жидкости перпендикулярно магнитному полю В 76 Задачи 81 '**йф1*1 *
3.5. Движение жидкости параллельно магнитному полю 82
3.6. Плазменное приближение 84
Глава 4. Волны в плазме 86
4.1. Представление волн 86 Задача 87
4.2. Групповая скорость 88
4.3. Плазменные колебания 89 Задачи 93
4.4. Электронные плазменные волны 93 Задачи 99
4.5. Звуковые волны 100
4.6. Ионно-звуковые волны 100
4.7. Обоснованность плазменного приближения 103
4.8. Различие между ионно-звуковыми и плазменными волнами 104
4.9. Электростатические электронные колебания, распространяющиеся перпендикулярно магнитному полю 106
Задачи 111
4.10. Электростатические ионные волны, распространяющиеся перпендикулярно В 112
4.11. Нижнегибридная частота 115
4.12. Электромагнитные волны при В0 = 0 116
4.13. Экспериментальные приложения 119 Задачи 122'
4.14. Электромагнитные волны, распространяющиеся перпендикулярно В0 123
4.15. Отсечки и резонансы 127
4.16. Электромагнитные волны, распространяющиеся параллельно В„ 130
4.17. Экспериментальные следствия 133 Задачи 136
4.18. Магнитогидродинамические волны 137
4.19. Магнитозвуковые волны 143
4.20. Основные типы волн в плазме (сводка формул) 144
4.21. Диаграмма Клеммова—Муллали—Эллиса 146 Задачи 148
Глава 5. Диффузия и сопротивление 154
5.1. Диффузия и подвижность в .слабоионизованных газах 154
5.2. Распад плазмы вследствие диффузии 157
5.3. Стационарные решения 162
5.4. Рекомбинация 164
5.5. Диффузия поперек магнитного поля 165 Задачи 172
5.6. Столкновения в полностью ионизованной плазме 172
5.7. Уравнения одножидкостной магнитогидродинамики 179
5.8. Диффузия в полностью ионизованной плазме 182
5.9. Решения уравнения диффузии 183
5.10. Диффузия Бома и неоклассическая диффузия 186 Задачи 190
Глава 6. Равновесие и устойчивость 194
6.1. Введение 194
6.2. Равновесие в МГД-приближении 196
6.3. Понятие о величине Р 197
6.4. Диффузия магнитного поля в плазму 199 Задачи 201
6.5. Классификация неустойчивостей 203
6.6. Двухпотоковая неустойчивость 205
Задачи 208
6.7. Гравитационная неустойчивость 209
6.8. Резистивные дрейфовые волны 213 Задачи 216
6.9. Неустойчивость Вейбеля 216
Глава 7. Кинетическая теория 218
7.1. Функция распределения f (v) 218
7.2. Уравнение кинетической теории 223
7.3. Вывод гидродинамических уравнений 227
7.4. Плазменные колебания и затухание Ландау 230
7.5. Физический смысл затухания Ландау 235
7.6. Физический вывод затухания Ландау 244
7.7. БГК-моды и моды ван Кампена 250
7.8. Экспериментальная проверка 251 Задачи 253
7.9. Затухание Ландау на ионах 254 Задачи 260
7.10. Кинетические эффекты в магнитном поле 261 Задача 264
Задача 266
Глава 8. Нелинейные явления 274
8.1. Введение 274
8.2. Слои в плазме 277 Задачи 283
8.3. Ионно-звуковые ударные волны 284 Задача 291
8.4. Сила высокочастотного давления 292 Задачи 295
8.5. Параметрические неустойчивости 296 Задачи 302
Задачи 311
8.6. Плазменное эхо 311
8.7. Нелинейное затухание Ландау 315 Задачи 317
8.8. Нелинейные уравнения физики плазмы 317 Задача 321
Задача 323 Задачи 326 Задачи 331
Приложение А. Система единиц, константы и формулы, векторные соотношения 332 « i
Приложение Б. Теория волн в холодной однородной плазме 337
Приложение В. Заключительное контрольное задание (для трехчасового экзамена] 342
Приложение Г. Ответы к некоторым задачам 346
Предметный указатель 392
Цена: 150руб.
