Введение к работе
Актуальность теми. В 50-е годц для описания плазменных ъектов управляемого термоядерного синтезе (токамак, гошч, азмонный фокус) бгша развита модель оддокомпонентпой магнит-й гидродинамики (МГД). В отой модели предполагается малость ковой скорости дУз-даж — "&/qx\. по сравіїеїшю со среднемассовой оростью плазмы, что обеспечивает вморожеіпюсть магнитного по-в вещество. Такая малость гарантируется неравенством
цесь СХ.—характерный пространственный масштаб).
- При П'^4. токовая скорость налипает-превышать сред-массовую скорость, поэтому плазма с П'^і ^ IIQ 01ШСЫ~ .ется МГД-моделью. Поскольку в диапазон П ^ 4. попадают .огив реальные объекты физики плазмы, возникает потребность здания модели, описывающей такую плазму. .
В диссертации исследуются свойства плазмы, для которой ловие Пі_їг і_ усилено до сильного нергвонствп 11(^4. * о обеспечивает возможность строигь"~простые теоретическиемо- ' ли. Одновременно на плазму накладывается условие
Сл\ ^" СХ?" л
-5 ' 511 ^ 1 і что гарантирует вмороженность магнит-
го нодч уно не в вещество, а в быструю электронную компонен-' и такг.о упрощает анализ. Формально в такой плазмэ
( {lj^ л <3^ I la ^электрические поля обусловлены в основном эффектом Холла ( Е s С^Ю/вПС)» поэтому ее часто называют холловской.
' Интервал П*^ 4.^П& весьма широк—он составляет от 3 порядков (для водородной плазмы) до 5 порядков (для плазмы тяжелых металлов) по концентрации. В него могут попадать самые различные плазменные объекты: космическая плазма, твердотельная плазма полупроводников, "Z. -пинчи, плазменные ускорители, лайнеры, лазерная корона, размыкатели. Столь широкий спектр приложений делает теорию холловской плазмы (плазмы с п.« |L « П ) важным и плодотворным направлением.
История темы. Систематически свойства холловской плазмы начали изучаться в 60-х годах А.И.Морозовым с сотрудниками (см. библиографию к Гі,2І ). В результате этих исследований был понят факт вмороженности магнитного поля в электронную компоненту, отмечена существенная неодномерность эффектов, указано на явление конвекции магнитного поля в случае неоднородной плотности, обнаружена "неэволюционность" двухжидкостной динамики в модели с ft\e» 0 . Эти исследования имели сильный вычислительный уклон ж потому оставили многие вопросы теории открытыми. В конце 60-х годов в связи с изучением быстрых ударных волн в относительно разреженной плазме (П^«КСПл) быта обнаружена возможность быстрой эволюции магнитного поля, вмороженного в электронную компонентуТз 1 . В середине 70-х годов интерес к свойствам плазмы с П* « й.4< П^ вновь возрос, поскольку обозначился широкий круг объектов (см. выше), попадающих в эту область параметров. Были заново переоткрыты и глубоко теоретически осмыслены многие явления (см. по этому поводу обзор \ь\ ). Наиболее ванные из них—холловская конвекция и связанное с ним сопротивление плазмы, не зависящее от оо проводимости при СОцлХ«і»А..
Поскольку практически во всех моделях игнорировалась медленная ионная динамика, обозначилось приближение так называемой электронной магнитной гидродинамики (ЭМГ)|_4], показавшее свою чрезвычайную полезность для анализа быстрых элект-, рошшх эффектов. Важную роль и на этом этапе сыграл ряд численных работ.
В настоящее время теория плазмі с П^"* Л« П^ далека от завершенности. Даже для простой и относительно изученной модели холодной Ьесстолкновителыюй плазмы с неподвижными ионами возникает серьезная проблема сшивки электрошшх течений с катодом. Практически нет теории для горячей плазмы ( ҐСГ *** U /%Ж.). Мало исследована двухжвдкостная динамика, включающая движение ионной компоненты.
Цель работы. Основной целью работы являлось исследование свойств плаэиы с П»<"< З.4^ Пе в рамках двумерной двухком-понентной гидродинамической модели как в традиционной-ЭМГ^по-становке, таге и с учетом ионной динамики. Сюда относилось: описаіше в ЭМГ-пркближешш стационарных нелинейных электрошшх течений с сильным эффектом Холла ( ОцёС«1^4- ) 'практическими приложениями здесь явились исследование протекания тока через плазменный диод и теория омического зонда в холловской плазме); описание быстрой приэлектродной динамики магнитного поля; выяснение судьбы типичных для ЭМГ-модели токовых слоеь в такой плазме с учетом ионной динамики; исследование устойчивости движения плазмы при наличии эффекта Холла с учетом Тї\ -#0
ручная новизна. Диссертационная работа содержит ряд нових результатов.
-
Описана нелинейная структура малых областей диссипации энергии в стационарных ЭМГ-точениях для столкповительного случая.
-
Предложен принцип и построена теория восстановления пространственного распределения плотности холловской плазмы по вольтамперной характеристике погруженного в плазму омического проводника.
-
Найден эффект бистрого приэлектродного проникновения магнитного поля в холловскую плазму.
-
Наііден эффект образования в плазме с П^ 1»^Пе чг-флаграционного (ускоряющего плазму) разрыва, на котором происходит основное падение потенциала. Исследована роль этого явления в картине работы плазменного размыкателя. Приводени оцешеи для роста импеданса и пропускаемого заряда.
5. Обнаружен механизм двухжидкостной неустойчивости, связаннцй с конвекцией магнитного поля током. Развита теория учетом коночной инерции электронов.
Практическая ценность. Нелинейная теория стационарных электронных течении с сильным эффектом Холла может быть важна для объяснения экспериментальных результатов по плазменным размыкателям, плазменным ускорителям, полупроводникам в сильном собственном магнитном поле и т.д. Зондирование плазмы низ кой плотности с помощью омического электрода дает простую воз можность узнать распределенне^концентрации вдоль длины всего зонда. Теория быстрого проникновения магнитного поля в плазму вдоль электрода за счет эффекта Холла позволяет объяснить соответствующие экспериментальные и численные результаты по zL -нишам и размыкателям. Эффект дефлаграционного (ускорягацег разрыва может определять картину работы плазменного ускорител размыкателя, эволюцию иеретя:;:ки2 -пиича.
Двухжидкостная неустойчивость, связанная с конвекцией магнитного поля током, наблюдается в численных экспериментах для широкого класса объектов: размыкатели,Z -линчи, плазменные ускорители, космическая плазма.
Следует отметить, что теория плазмы с сильным эффектом Холла —- сравнительно молодое и быстро развивающееся направле нио. Спектр ее приложений постоянно растет. Среди мало разработанных, но весьма плодотворных в перспективе областей применения теории уже сейчас мокно назвать астрофизику и макроскопическую теорию сверхпроводимости.
Автор выносит на защиту:
-
Нелинейную теорию мелкомасштабных областей диссипаци для двумерных ЭМТ-течений', ,
-
Принцип "омического" зондирования плотности холловск плазмы.
-
Эффект ускоренного приэлектродного проникновения магнитного поля.
-
Эф|ект образования дефлаграционных (ускоряхщих) разрывов в холловской плазме и систему оценок для работы плазмен його размыкателя.
5. Механизм двухждцкослюй неустойчивости тока в холлов-ской плазмо.
Апробация работ». Результаты работа докладывались на Научной конференции ГА5ТИ (1988 г.), Всесоюзной конференции по УГС (Звенигород, 1991 г.), Международной копферешщп по физике плазми (Киев, 1989 г.).
Публикации. Но результатам, вошедшим в диссертацию, опубликовано 7 работ, в том числе 5 статей в центральных научных журналах.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения, изложенных на 51 странице машинописного текста, содержит 10 рисунков, а также список литературы из 52 наименований.
