I. Общие методические рекомендации

Физика плазмы – раздел физики, предметом которого является исследование физических и физико-химических явлений и процессов в ионизированных средах в естественных, лабораторных и промышленных условиях, разработка способов получения и удержания плазмы, методов ее диагностики, а также принципов использования плазмы в технологических целях.

Целью изучения дисциплины «Физика плазмы» является получение минимума знаний, необходимого для выполнения диссертационной работы и использования в процессе педагогической практики соискателей ученой степени кандидата физико-математических наук. Программа содержит разделы:

1. Общие свойства плазмы

2. Плазмодинамика

3. Колебания и волны в плазме

4. Получение плазмы

5. Управляемый термоядерный синтез

6. Методы диагностики плазмы

7. Прикладные проблемы физики плазмы

Список рекомендуемой литературы включает ссылки на наиболее доступные источники информации, достаточные для изучения физики плазмы в объеме требований программы-минимум. Список дополнительной литературы предусматривает возможность индивидуального расширения и углубления знаний соискателями по отдельным разделам программы.

II. Содержание дисциплины

1. Общие свойства плазмы

Понятие и определение плазмы. Квазинейтральность плазмы. Кулоновское взаимодействие. Дебаевский радиус. Плазменные колебания. Элементарные процессы в плазме (ионизация, рекомбинация, перезарядка). Термодинамика плазмы (термодинамическое равновесие, идеальная и неидеальная плазма, излучение плазмы). Электрическое поле в плазме. Термодинамические функции плазмы. Формула Саха. Потенциал ионизации. Столкновение частиц в плазме. Функции распределения. Уравнение Больцмана. Уравнение Фоккера-Планка. Кинетическое уравнение без столкновений. Процессы переноса в плазме.

2. Плазмодинамика

Кинетическая и гидродинамическая модели описания плазмы. Уравнение движения плазмы. Магнитное удержание. Двухжидкостная модель плазмы. МГД-приближение. Закон Ома в плазме. Движение заряженных частиц в электромагнитных полях. Дрейфовое приближение. Электрический дрейф. Тороидальный дрейф. Движение частиц в аксиально-симметричном магнитном поле. Дрейф в неоднородной плазме.

3. Колебания и волны в плазме

Основные типы колебаний и волн в плазме: ленгмюровские электронные и ионные, ионнозвуковые, магнитно-звуковые. Фазовая и групповая скорости плазменных волн. Комплексные диэлектрическая проницаемость и проводимость плазмы. Уравнения электромагнитного поля в плазме. Дисперсионное уравнение. Собственные колебания плазмы. Затухание Ландау. Трансформация волн. Перенос энергии электромагнитных колебаний. Неустойчивости плазмы: механизмы возникновения и основные типы. Турбулентность.

4. Получение плазмы

4.1. Газовый разряд. Прохождение электрического тока через газ. Тлеющий разряд. Дуговой разряд. ВЧ- и СВЧ- разряды. Плазмотроны. Плазменно-пучковый разряд.

4.2. Плазменные ускорители. Основные типы плазменных ускорителей. Импульсные плазменные ускорители. Квазистационарные плазменные ускорители. Космические плазменные двигатели. Процессы на электродах.

4.3. Лазерная плазма. Оптический пробой газов. Лазерная искра. Механизмы оптического пробоя. Взаимодействие лазерного излучения с поглощающими конденсированными средами. Приповерхностная лазерная плазма. Оптический разряд.

5. Управляемый термоядерный синтез

Термоядерные реакции синтеза. Критерий Лоусона. Тороидальные системы. Открытые ловушки. Пинчи. Плазменные компрессоры. Омический нагрев. СВЧ- и ВЧ-нагрев плазмы. Инжекция частиц. Адиабатическое сжатие. Лазерный нагрев. Нагрев релятивистским пучком. Инерциальный термоядерный синтез.

6. Методы диагностики плазмы

Зондовые методы. СВЧ-диагностика. Интерферометрия плазмы. Оптико-спектроскопические методы:  методы абсолютной и относительной интенсивности, определение температуры по электронно-колебательным и вращательным спектрам, определение температуры по допплеровскому уширению спектральных линий, по контуру линии томсоновского рассеяния и с использованием интенсивности континуума; способы определения концентрации заряженных частиц и нейтральных атомов, способы, основанные на уширении спектральных линий; определение концентрации заряженных частиц по интенсивности рекомбинационного континуума и интенсивности тормозного излучения. Пирометрия плазмы. Понятие о корпускулярных методах. Понятие о рентгеновской спектроскопии. Спектральные приборы: спектрографы, спектрометры, интерферометры Фабри-Перо, монохроматоры, светофильтры.

7. Прикладные проблемы физики плазмы

МГД-генераторы. Взаимодействие плазменных потоков с твердым телом. Плазменное упрочнение конструкционных материалов. Лазерно-плазменная обработка материалов. Плазменные и лазерно-плазменные методы синтеза наноматериалов. Спектральный анализ и идентификация материалов. Геофизические и астрофизические плазменные явления - ионосфера Земли, межпланетная плазма, звезды.

III. Список рекомендуемой литературы

1. Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Под ред. Фортова В.Е., т.1-4. М. Наука, 2000.

2. Смирнов Б.М. Введение в физику плазмы. М., Наука, 1982.

3. Франк-Каменецкий Д.А. Лекции по физике плазмы. М. Атомиздат, 1969.

4. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М. Наука, 1987.

5. Арцимович А.А. Управляемые термоядерные реакции. Физматгиз., М., 1961.

6. Арцимович А.А., Сагдеев Р.З. Физика плазмы для физиков. М.: Атомиздат, 1979.

7. Голант В.Е., Жилинский А.П., Сахаров С.А. Основы физики плазмы. – М.: Атомиздат, 1977.

8. Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. – Изд. 2-е.– М.: Наука, 1966.

9. Грановский В.Л. Электрический ток в газе. М. Наука, 1971.

10. Диагностика плазмы. Под ред. Хаддлстоуна Р. и Леонарда С., Мир, М., 1967.

IV. Дополнительная литература

1. Морозов А.И. Введение в плазмодинамику. М., 2006.

2. Методы исследования плазмы. Под ред. Лотхе-Хольтгревена В., Мир, М., 1971.

3. Браун С. Элементарные процессы в плазме газового разряда: Пер. с англ. / Под ред. Франк-Каменецкого Д.А.– М.: Атомиздат, 1961.

4. Гинзбург В.Л Распространение электромагнитных волн в плазме. М. Наука, 1967.

5. Брагинский С.И. – Вопросы теории плазмы / Под ред. М.А. Леонтовича.– М.: Атомиздат, 1963, вып. 1, с. 183.

6. Лукьянов С.Ю. Горячая плазма и управляемый ядерный синтез. М., Наука, 1975.

7. Зайдель А.Н., Островская Г.В. Лазерные методы исследования плазмы. М.: Наука, 1977.

8. Голант В.Е. Сверхвысокочастотные методы исследования плазмы. М. Наука, 1969.

9. Малышев В.И. Введение в экспериментальную спектроскопию. Москва, 1979.

10. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов: Справочник / Н.Н. Рыкалин, А.А. Углов, И.В. Зуев, А.Н. Кокора. М. Машиностроение, 1985.

11. Анисимов С.И., Имас Я.А., Романов Г.С., Ходыко. Ю.В. Действие излучения большой мощности на металлы / Под ред. Бонч-Бруевича А.М. и Ельяшевича М.А., М.: Наука, 1970.