Физика плазмы

Книга содержит расширенное изложение курса «Основы физики плазмы» для студентов физического факультета Новосибирского государственного университета и рекомендована УМО по классическому университетскому образованию РФ в качестве учебного пособия для студентов вузов, обучающихся по направлению «Физика» и по специальности «Физика». Основное внимание уделяется движению частиц в электромагнитном поле и кинетике плазмы, включающей теорию кулоновских столкновений, тормозного и рекомбинационного излучений, а также ряда других элементарных процессов. Уровень изложения рассчитан на студентов, изучивших курсы электродинамики, молекулярной физики и знакомых с основами квантовой механики и статистической физики. Учебное пособие содержит около 200 задач с подробными решениями. Электронная версия содержит видеодемонстрации. Для студентов и преподавателей вузов, аспирантов, инженеров и научных работников, специализирующихся в физике и технике плазмы.

Рассмотрены методы компьютерного моделирования электроразрядных процессов и динамики частично ионизованных газов, которые используются в задачах физической механики, физики газовых разрядов и аэрофизики. Основное внимание уделено решению двумерных задач физической механики тлеющих разрядов. Обсуждаются перспективы использования тлеющих разрядов в аэрокосмических приложениях. Для научных сотрудников и инженеров в области физической газовой динамики, физики низкотемпературной плазмы и газовых разрядов, а также для студентов и аспирантов физико-технических специальностей университетов.

Инопланетяне прилетели уже через год после «Битвы цивилизаций» и завоевали почти всю Землю всего за семь дней. Но всю планету захватить так и не удалось. Люди яростно сопротивлялись, и война тянулась уже два года. Чтобы сломить это сопротивление, инопланетяне придумывают коварный план и посылают в прошлое своего диверсанта для того, чтобы изменить историю Земли. Но, как оказалось, это был всего лишь отвлекающий манёвр, и настоящая опасность для землян была совершенно в другом.

Описаны практически все известные взрывные технологии, имеющие промышленное значение: упрочнение, сварка, штамповка, прессование с помощью энергии взрыва и динамический синтез сверхтвердых материалов, а также рассмотрены технологии разделения на фрагменты стальных конструкций с помощью как удлиненных кумулятивных зарядов, так и ударных волн. Изложены основные представления об экологически безопасных взрывных методах разборки и уничтожения боеприпасов. Рассмотрены способы защиты от действия взрыва, а также приведены простые инженерные методики расчета конструктивных характеристик взрывных устройств, реализующих соответствующие взрывные технологии, и расчета взрывных камер на прочность. В последней части учебника рассказывается о применении мирных ядерных взрывов с целью решения научных и промышленных задач. Учебник написан на основе материалов лекций по учебным дисциплинам, объединенным под общим названием «Взрывные технологии», которые авторы в течение многих лет читают студентам МГТУ им. Н. Э. Баумана и Саровского государственного физико-технического института. Для студентов технических университетов и машиностроительных вузов. Может быть полезен аспирантам втузов и инженерно-техническим работникам, занимающимся разработкой и применением взрывных технологий.

Монография относится к актуальной области математического моделирования в современных задачах физики плотной плазмы. Изложены математические вопросы магнитной газодинамики, представлены численные модели соответствующих физических процессов. При исследовании двумерных МГД-течений специальное внимание уделено роли и моделированию эффекта Холла. Обсуждаются особенности численного решения МГД-задач. Приведены примеры расчетов магнитных ловушек для удержания плазмы и дан подробный обзор моделей ускорения плазмы магнитным полем в каналах. Для научных работников, аспирантов и студентов старших курсов, интересующихся МГД-моделированием плазмы, в том числе начинающих работать в этой области и не имеющих узкоспециальной подготовки.

Пособие посвящено одному из важнейших этапов конструирования плазменных установок различного назначения – математическому моделированию комплекса процессов, протекающих как в самой высокотемпературной среде – плазме, так и в элементах конструкции, обеспечивающих работоспособность технических устройств. Рассмотрены методы аналитического и численного решения систем уравнений различных типов, приведены решения ряда практически важных задач, которые встречаются студентам при выполнении домашних заданий по основным дисциплинам специальностей 140403 и 140505, курсовом и дипломном проектировании. Пособие основано на материалах лекций, семинарских и лабораторных занятий по методам математического моделирования процессов в плазменных установках, проводимых автором в течение ряда лет в МГТУ им. Н.Э. Баумана.

В книге рассмотрены результаты экспериментального и теоретического исследования кинетики и механизмов физико-химических процессов в неравновесной низкотемпературной плазме хлора и его смесей с инертными и молекулярными газами. Проанализировано влияние внешних параметров разряда на энергетическое распределение электронов, транспортные и кинетические характеристики электронного газа. Проведен анализ кинетики нейтральных и заряженных частиц; установлены взаимосвязи задаваемых параметров плазмы и начального состава плазмообразующих смесей со стационарными концентрациями активных частиц и плотностями их потоков на поверхность, ограничивающую зону плазмы. Приводятся результаты исследований кинетических закономерностей и механизмов взаимодействия активных частиц плазмы с рядом металлов и полупроводников. Книга предназначена научно-техническим работникам в области неравновесной плазмохимии и плазмохимической технологии, а также студентам и аспирантам соответствующих специальностей.

В монографии приведены результаты экспериментальных исследований генерации импульсных электронных и ионных пучков гигаваттной мощности в диодах со взрывоэмиссионным катодом в условиях быстрого формирования плазмы на всей рабочей поверхности катода. Рассмотрены наиболее важные физические процессы при генерации импульсных электронных и ионных пучков наносекундной длительности. Состав пучка – ионы углерода и протоны. Выполнены исследования полоскового диода плоской и фокусирующей геометрии, кольцевого плоского диода. Для специалистов в области сильноточной электроники, генерации импульсных пучков заряженных частиц, а также для студентов и аспирантов физических специальностей: «Физика и техника низкотемпературной плазмы, плазмохимия и плазменные технологии», «Физика и техника мощных пучков заряженных частиц. Радиационно-пучковые технологии модифицирования материалов». Издание осуществлено при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований по проекту 12-08-07014, не подлежит продаже

Книга избранных трудов А. А. Иванова составлена из его оригинальных работ. Основную ее часть составляют статьи по физике плазмы, различным неустойчивостям в плазме, пучкам электронов в плазме, а также по квазилинейной релаксации и высокочастотным электромагнитным полям. Часть работ посвящена неравновесной плазме, плазменно-пучковому разряду (ППР) в химически активной плазме, плазме в скрещенных электрических и магнитных полях, плазменной центрифуге и разделению изотопов. В сборник включены исследования по электронно-циклотронному разряду, ионным источникам, плазменным двигателям, а также по неустойчивости течений в магнитной гидродинамике. Эти труды во многом определили развитие нескольких направлений физики и технологии. Работы А. А. Иванова отличаются ясностью изложения и могут составить фундаментальную базу для современных исследований и технологических разработок. Для специалистов в области физики плазмы. Издание осуществлено при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований по проекту 10-02-07010, 10-02-02000

Представлены вводные положения физики плазмы. Рассмотрены основные свойства плазмы и ее особенности как четвертого состояния вещества. Кратко изложены методы описания процессов в плазме, – приближение отдельных частиц, магнитная гидродинамика и кинетика. Приведены примеры решения задач. Для студентов, изучающих теплофизику. Также может быть полезно студентам, интересующимся начальными сведениями о плазме и методах ее описания.

Рассмотрены устройство, принцип работы и основные характеристики магнетронных распылительных систем (МРС). Изложены физические процессы и особенности работы МРС. Перечислены основные типы и конструктивные схемы МРС. Дан пример конструкции МРС с электромагнитной системой. Для студентов старших курсов, обучающихся по специальности «Плазменные энергетические установки», а также для аспирантов и инженеров, занимающихся разработкой и конструированием МРС.

Монография посвящена классической кинетической теории процессов переноса в многокомпонентной плазме. Рассматриваются методы получения уравнений переноса и выражений для коэффициентов переноса в неизотермической многосортной плазме, находящейся во внешних электрическом и магнитном полях. В книге систематически применяется известный в кинетической теории метод моментов Грэда, который обобщается на случаи многотемпературной многокомпонентной плазмы, а также молекулярного газа. Демонстрируется ряд преимуществ применения этого метода по сравнению с часто используемым методом Чепмена–Энскога. Показана возможность выхода за пределы обычно используемого приближения 13 моментов, что обеспечивает необходимую точность расчета коэффициентов переноса. Приведены примеры практического использования полученных результатов: электропроводность и эффект Холла в МГД-генераторах, диффузия плазмы поперек сильного магнитного поля, неоклассический перенос частиц и тепла в тороидальных системах магнитного удержания плазмы. Для специалистов, работающих в области практических применений низкотемпературной газоразрядной плазмы, высокоионизованной плазмы установок термоядерного синтеза, а также исследований ионосферной плазмы. Структура и содержание книги позволяют использовать ее и в качестве пособия при изучении физики плазмы студентами старших курсов и аспирантами соответствующих специальностей. Издание осуществлено при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований по проекту 08-02-07031

Третий том справочника «Физико-химические процессы в газовой динамике» содержит информацию о моделях процессов молекулярного переноса в газах и плазме. Приводятся уравнения баланса плотности числа частиц, массы, импульса, энергии, энтропии в газах и плазме, термическое и калористическое уравнения состояния, а также замыкающие систему уравнений линейные соотношения переноса. Изложены методы решения кинетического уравнения Больцмана – метод Чепмена–Энскога и моментный метод Грэда. Приводятся выражения для коэффициентов переноса в газах и их смесях, получаемые в различных приближениях Чепмена–Каулинга. Для ряда модельных потенциалов взаимодействия даны формулы, позволяющие вычислять входящие в выражения для коэффициентов переноса Ω-интегралы. Библиотека моделей коэффициентов переноса содержит приближенные формулы для их вычисления. Представлены различные методы описания переносных свойств молекулярных возбужденных газов. Изложены одножидкостная и многожидкостные многотемпературные модели плазмы. Приведены выражения для коэффициентов переноса в слабоионизированной и полностью ионизированной плазме.

В монографии рассмотрены безотходные электротехнологии ядерного топливного цикла (ЯТЦ) для их использования в неядерных химико-металлургических приложениях. Проанализированы экологические и энергетические проблемы химической технологии и металлургии и направления их решения на основе сочетания аффинажных технологий ЯТЦ и электротехнологий, основанных на применении генераторов плазмы, частотных электромагнитных полей, лазеров и др. Проанализирован энергетический базис электротехнологий: электродуговых, высокочастотных, микроволновых и лазерных генераторов технологической плазмы, технологии «холодный тигель», плазменно-электромагнитной технологии. Книга адресована научным сотрудникам и инженерам, работающим в области плазменных технологий и их приложений в химико-металлургической и других областях, а также профессорско-преподавательскому составу, аспирантам и студентам соответствующих специальностей. Издание осуществлено при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований по проекту 12-08-07104, не подлежит продаже

В книге рассматриваются вопросы разработки методов воспроизведения в лабораторных экспериментах условий орбитального полета по скорости набегающих на летательный аппарат потоков заряженных и нейтральных частиц, их концентрации и температуре и исследования в таких потоках характеристик приборов, например ионных датчиков ориентации. Освещен один из недавно разработанных методов улучшения характеристик взаимодействия набегающих потоков с поверхностью конструкционных материалов с помощью ионной технологии. Приведены результаты экспериментов по определению реальных возможностей применения электрических разрядов как форм создания низкотемпературной плазмы для снижения волнового сопротивления летательных аппаратов при значениях коэффициента сопротивления и статических давлений, которые представляют интерес для авиационных приложений. Книга рассчитана на специалистов, работающих в области прикладной и физической газовой динамики, связанной с применением потоков разреженной низкотемпературной плазмы и неравновесных разрядов, аспирантов и студентов, специализирующихся в данной области. Издание осуществлено при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований по проекту 12-01-07026, не подлежит продаже

Описаны возможности и современное состояние исследований низкотемпературной плазмы методами классической и лазерной спектроскопии. Рассматриваются вопросы физической интерпретации результатов применения методов эмиссии, абсорбции, рефракции и рассеяния света к термически неравновесной плазме, их связям с микроскопическими и макроскопическими плазменными параметрами. Значительное внимание уделяется исследованиям плазмы по электронным и колебательно-вращательным спектрам простых молекул в отсутствие равновесия различных степеней свободы. Обсуждаются методы определения химического состава, энергобаланса, парциальных температур нейтрального и заряженного компонентов, электрических и магнитных полей в плазме. Книга ориентирована, главным образом, на практические аспекты и содержит справочные данные, полезные экспериментатору, включая атомно-молекулярные константы, спектры излучения молекул в плазме. Для специалистов-экспериментаторов, работающих в области физики и химии низкотемпературной плазмы, газовых лазеров, а также для аспирантов и студентов старших курсов физических специальностей высших учебных заведений.

В монографии последовательно изложена теория магнитных конфигураций для долговременного удержания горячей плазмы, оптимальных в смысле минимизации неоклассических потерь заряженных продуктов термоядерной реакции и вторичных плазменных токов и максимизации параметра «бета» по равновесию при сохранении «токамачного» уровня удержания плазмы. Обсуждается классификация оптимальных ловушек по различной «глубине» симметрии (обычная, квазисимметрия, псевдосимметрия) и двум топологическим типам этих симметрий (тороидальная и полоидальная). Используются формулировки, одинаково применимые ко всем типам ловушек: открытым и замкнутым, с вращательным преобразованием и без него, с током и без тока. Приведены примеры конкретных ловушек в ретроспективе, позволяющие наглядно проследить развитие термоядерных исследований в соответствии с предложенной классификацией. Книга адресована студентам старших курсов, аспирантам, преподавателям, инженерам, научным работникам в области физики плазмы и управляемого термоядерного синтеза, широкому кругу специалистов в смежных областях. Издание осуществлено при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований по проекту 08-02-07005

Изложены основные математические методы описания и общие вопросы теории линейных волн в системах и средах с дисперсией, в том числе и неравновесных. В качестве приложений общей теории в книге с единой точки зрения рассмотрены важные физические системы, традиционно изучаемые в механике сплошных сред, электродинамике, физике плазмы, электронике и физической кинетике. Исследованы также взаимодействие волн в связанных системах, распространение и эволюция локализованных волновых возмущений, излучение волн в диспергирующих средах внешними источниками, совершающими заданное движение. Изложена общая теория неустойчивостей линейных систем, в которой сформулированы и сопоставлены критерии абсолютности и конвективности неустойчивостей и вычислены функции Грина некоторых неравновесных сред. Особое внимание уделено вопросам теории электромагнитных линейных волн в плазме и плазмоподобных средах. В книгу также включен ряд оригинальных результатов современной теории волн, освещенных до настоящего времени только в научных журналах. Для научных работников и специалистов, работающих в области электродинамики и механики сплошных сред, физической электроники, радиофизики, а также аспирантов и студентов вузов, специализирующихся в этих областях. Издание осуществлено при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований по проекту 06-02-30003д

В книге рассмотрены применения технологической плазмы, радиочастотных и микроволновых полей, а также лазеров в химико-металлургических производствах, в частности, в ядерном топливном цикле (ЯТЦ). Рассмотрены комбинации электротехнологий с процессами экстракционного, сорбционного и ректификационного аффинажа. Проанализирован уровень энергооснащенности плазменных и частотных технологий для химико-технологических и металлургических приложений: электродуговых, высокочастотных и микроволновых плазмотронов, источников электропитания, вспомогательной техники. Рассмотрены комбинированные генераторы технологической плазмы. Предложены химико-металлургические электротехнологии нового поколения, в которых, в принципе, не создаются отходы и отвалы. Одной из них является плазменноэлектромагнитная технология восстановления урана из гексафторида урана, отвального по изотопу U-235. Рассмотрены комбинации фторидной технологии ЯТЦ, газопламенной, плазменной, сопловой и лазерной технологий, сформулированы новые направления развития нанотехнологии и микрометаллургии применительно к получению дисперсных и объемных металлических и керамических наноматериалов, а также готовых микро- и макроизделий. Приведены основные составляющие технико-экономической эффективности новых электротехнологий, проанализировано их влияние на биосферу, в частности, в процессах ЯТЦ; предложены новые схемы ЯТЦ с более высоким уровнем социальной адаптации. Книга адресована научным сотрудникам и инженерам, работающим в области нанотехнологий, плазменных технологий химико-металлургического профиля применительно к ЯТЦ и к смежным областям техники, а также профессорско-преподавательскому составу, аспирантам и студентам старших курсов, специализирующимся в области экологии, ядерного топливного цикла, нанотехнологий, порошковой металлургии и плазменных процессов в производстве редких и редкоземельных металлов.

Рассматриваются физические, математические и численные модели взаимодействия потоков столкновительной и бесстолкновительной плазмы с внесенными в них телами. Проведены обширные вычислительные эксперименты, в результате которых получены функции распределения заряженных частиц в лобовой, боковой и теневой областях обтекаемых тел; распределения концентраций заряженных частиц; профили самосогласованных электрических полей. Исследовано влияние направленной скорости, внешнего магнитного поля, характерного размера и потенциала тела на электродинамические параметры потока, возмущенного внесенным телом. Среди технических приложений приведены исследования параметров ближнего следа за спутником и гиперзвуком летательным аппаратом, а также методы зондовой диагностики плазменных потоков. Предназначено научным работникам, преподавателям, аспирантам и студентам в области физики и электродинамики плазменных потоков, вычислительной физики, авиационно-космической техники, зондовой диагностики.