Введение к работе
Актуальность темы. Модель Дебая-Хюккеля 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.
Эффективный динамически экранированный потенциал является центральным понятием варианта метода функций Грина, предложенного Мартином и Швингером и составляющего основу современной последовательной микроскопической теории систем многих заряженных частиц. Через него можно выразить все функции фигурирующие в указанной теории. Однако задача вывода эффективных сил из ігустотньїх 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. 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 широкий 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 многих физических величин для плазмы стали возможны лишь благодаря появлению быстродействующих вычислительных машин.
В настоящее время активно ведутся экспериментальные и теорегические исследования по улучшению качества разрядов в установках типа токамак. За последние пятнадцать лет были разработаны оригинальные методики измерения пространственного распределения электрического поля в плазменном шнуре таких установок. 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. 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 бесстолкнопительной 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.
.4
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. Выявлена существенная роль динамического экранирования, как для формирования макроскопического электрического поля, так и для возможности проявления в нем локальной неравповесности. Показано, что особенности поведения пространственного распределения электрического поля могут быть объяснены на основе конкуренции электронного и ионного вкладов в термозлектрігческий 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 учеге дисперсии в широком диапазоне
скоростей.
-
Метод расчета электрического поля собственных частиц плазмы с учетом динамического характера экранирования, в рамках которого установлен размер поляризационного облака плазменных электронов как новый характерный пространственный масштаб для плазмы.
-
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 z-пинчам, (Ванкувер, 1997 г.), научных семинарах ИОФ РАН, РТЩ "Курчатовский институт" и МИФИ.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ, среди которых 2 статьи в общесоюзных журналах, 1 препринт, 5 статей в материалах международных конференций.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы из 52 наименований. Общее число страниц 61, рисунков 28.
