ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2013, том 51, № 3, с. 345-374
УДК 533.15
НЕУСТОЙЧИВОСТИ, ВОЛНЫ И НЕРАВНОВЕСНЫЕ СТРУКТУРЫ В ПЛОТНОЙ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЕ (ВЗГЛЯД НА ПРОБЛЕМУ ЧЕРЕЗ 50-ЛЕТИЕ ПУБЛИКАЦИЙ В ЖУРНАЛЕ "ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР")
(Обзор) © 2013 г. О. А. Синкевич
Национальный исследовательский университет МЭИ, Москва Поступила в редакцию 17.12.2012 г.
Обзор посвящен одной из фундаментальных проблем физики плазмы — волнам и неустойчивостям плотной низкотемпературной плазмы. Неустойчивости возникают во множестве природных явлений. Они влияют на существование неравновесных систем и обеспечивают переход их из одного состояния в другое. Обеспечение устойчивости процесса — центральная проблема для многих технологий, использующих низкотемпературную плазму в качестве рабочего тела. Целью обзора является выделение основных механизмов, приводящих к неустойчивостям, и представление критериев их возникновения в прозрачном физическом виде. Обсуждается метод, позволяющий рассмотреть с единой точки зрения современное состояние проблемы неустойчивостей и распространения волн с заданным значением волнового числа в плотной низкотемпературной плазме газов и паров металлов. Детально рассмотрены акустическая, перегревная, токово-конвективная, ионизационная и иоизационно-полевая неустойчивости. Исследования проводятся в рамках моделей сплошных сред как для плотной плазмы, где температуры электронов и тяжелых частиц (атомов и ионов) практически не отличаются (Та « Те), так и для плазмы, в которой температура электронов отличается от температуры тяжелых частиц (Таф Те). Основное внимание уделяется воздействиям, вызванным силой Ампера, джоулевым тепловыделением и процессами, связанными с изменением состава плазмы (рождением и гибелью частиц) и обменом энергией между компонентами плазмы в отсутствие температурного равновесия. Прослеживается полувековой вклад публикаций ТВТ в исследование данной проблемы.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение.
1. Влияние внешних сил и источников тепловыделения на динамику малых возмущений.
2. Акустическая неустойчивость.
2.1. Акустическая неустойчивость, вызванная флуктуацией джоулева тепловыделения.
2.2. Акустическая неустойчивость, вызванная флуктуацией силы Ампера.
2.3. Влияние неоднородности фона на акустическую неустойчивость.
2.4. Акустическая неустойчивость в плазме с горячими электронами. Влияние степени ионизации плазмы на неустойчивость.
3. Перегревная неустойчивость.
4. Токово-конвективная (винтовая) неустойчивость. Связанные перегревно-вихревые моды в неоднородной плазме.
5. Ионизационная неустойчивость в частично ионизованной замагниченной плазме и ионизационные волны.
5.1. Ионизационная неустойчивость в безграничной плазме.
5.2. Ионизационная неустойчивость в плоском канале.
5.3. Нелинейный анализ ионизационной неустойчивости.
5.4. Эффективная электропроводность неоднородной плазмы и методы стабилизации ионизационной неустойчивости.
6. Неустойчивости низкотемпературной плазмы в СВЧ-полях.
7. Анализ основных механизмов, приводящих к неустойчивостям в сплошных средах.
Заключение.
Список литературы.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время установлено, что неустойчивости проявляются во множестве природных и лабораторных явлений и представляют собой такой универсальный механизм, который обеспечивает существование неравновесных систем и переход их из одного состояния в другое. Обеспечение устойчивости процесса является центральной проблемой для многих технологий, использу-
ющих низкотемпературную плазму в качестве рабочего тела. Специфика плазмы газов и паров металлов, впрочем, как и плазмы твердого тела, проявляется при внешних воздействиях на нее, и в первую очередь с воздействием электрическими и магнитными полями. Сама газовая плазма в большинстве случаев создается внешними электрическими полями, которые могут приводить к нарушению даже локального термодинамического равновесия, возникновению различного рода волн и пространственной неоднородности температуры, концентрации, плотности тока и электрического поля. Эти важные для физики плазмы проблемы в полной мере проявляются и в плотной низкотемпературной плазме газов и паров металла.
Исследования, связанные с распространением волн в плазме, можно разделить на две большие группы: задачи о распространении волн с заданным значением волнового числа и поиском инкремента (декремента) волны (в данном обзоре обсуждаются именно эти вопросы) и задачи о пространственном усилении или ослаблении волн заданной частоты, проходящих слой плазмы.
Целью обзора является анализ с единой точки зрения основных физических механизмов, приводящих к особенностям распространения волн и развитию неустойчивостей в плотной низкотемпературной плазме газов и паров металлов. Такой подход позволяет представить критерии возникновения неустойчивостей в физически прозрачном виде и отметить вклад публикаций ТВТ в исследование данной проблемы. Во многих работах, опубликованных в ТВТ, исследования неустойчи-востей и волн малых возмущений проводится для однородного, стационарного фона. В частных случаях, когда неоднородность важна (образование акустических резонаторов — раздел 2.3, токо-во-конвективная неустойчивость — раздел 4), рассматриваются процессы, развивающиеся на стационарном неоднородном фоне. В обзоре непосредственно указаны лишь фамилии авторов, имеющих отношение к рассматриваемой проблеме и основополагающие научные результаты которых были опубликованы не в работах ТВТ. Для работ, опубликованных в ТВТ, дается полная ссылка. Результаты, приведенные без ссылки, являются широко известными или получены автором обзора. Задачи, связанные с изучением не-устойчивостей в частично ионизованной плазме, достаточно полно отражены в публикациях журнала "Теплофизика высоких температур" (ТВТ). Уже в работе [1], вышедшей в первом томе ТВТ в 1963 г., ее автором рассматривалось влияние теплопроводности плазмы на затухание ионно-зву-ковых волн.
За пределами обзора, ограниченного естественным объемом публикаций в журнале, остался большой цикл напечатанных в ТВТ работ, посвя-
щенных физике газового разряда низкого давления, процессам переноса излучения, электрического пробоя газов и конденсированных сред, приэлектродным явлениям, ударным волнам в электрическом и магнитном полях, пылевой плазме и экзотическим формам электрических разрядов. Все эти исследования также внесли важный вклад в развитие физики низкотемпературной плазмы и заслуживают отдельного подробного анализа.
1. ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ СИЛ
И ИСТОЧНИКОВ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ НА ДИНАМИКУ МАЛЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ
Во многих процессах, характерных для частично ионизованной плотной плазмы, максимальная длина свободного пробега существенно меньше характерных размеров системы, а характерное время задачи превышает время установления локального равновесия. Поэтому часто теоретическое исследование явлений можно проводить в рамках моделей сплошных сред. Плотную плазму в умеренных электрических полях, где температуры электронов и тяжелых частиц (атомов и ионов) практически не отличаются (Та « Те), можно рассматривать в одножидкостном приближении, считая, что концентрация электронов связана с их температурой и давлением плазмы уравнением Саха.
В газоразрядной плазме низкого давления, в которой температура электронов отличается от температуры тяжелых частиц, более оправданным является использование приближения двух-температурной (Та Ф Те) плазмы. Такая же ситуация возникает и в плотной плазме инертных газов с добавкой паров щелочных металлов, когда в простейшем случае плазму можно считать состоящей из подсистем горячих электронов и холодных тяжелых частиц, учитывая эффекты, связанные с термической неравновесностью плазмы.
Часто интересуются лишь медленными процессами, что позволяет пренебречь током смещения и существенно упростить задачу, свести исследование устойчивости исходного стационарного состояния к анализу поведения первоначально малых возмущений. В итоге рассматриваемые задачи сводятся к построению решений линейной системы уравнений, получению соответствующих характеристических или дисперсионных уравнений и поиску их корней. Из-за силовых и энергетических воздействий со стороны электрических и магнитных полей число волн малой амплитуды и их свойства существенно зависят от используемой для описания плазмы модели среды. На процессы развития неустойчивостей и распространения волн в плазме, находящейся во внешних электрических и магнитных полях, могут оказывать влияние и традиционные механизмы воздействия (сила тяжести, силы инерции, градиент давления,
диссипативные потери за счет вязкости, теплопроводности). Однако в большинстве задач, которые рассматриваются в обзоре, преобладающими являются воздействия, вызванные силой Ампера, джоулевым тепловыделением, процессами, связанными с изменением состава плазмы (рождением и гибелью частиц) и обменом энергией между компонентами плазмы в отсутствие температурного равновесия. Поэтому ниже рассматриваются неустойчивости, связанные именно с этими механизмами: акустическая, перегревная, токово-конвективная, ионизационная и иоизационно-по-левая.
Далее при анализе различных задач используется единый подход. Его суть заключается в том, чтобы, используя уравнения Максвелла и закон Ома и выражая возмущения электрического поля и электрического тока через возмущения газодинамических величин (плотности, температуры, скорости потока), можно было ввести обобщенные коэффициенты вязкости и температуропроводности и представить дисперсионное уравнение для малых возмущений в виде, характерном для газовой динамики.
В одножидкостной плазме с внешнем магнитным полем В0 при исследовании достаточно медленных процессов, кроме тока смещения, при малых магнитных числах Рейнольдса (Яет <§ 1) можно пренебречь возмущениями магнитного поля 8В (|5В|/|В0| « Яет ^ 1). В термически равновесной плазме (Те — Та ) <§ Та = Т, в которой коэффициенты переноса являются известными функциями давления и температуры, а концентрация электронов связана с температурой уравнением Саха, анализ устойчивости и распространение волны можно провести
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.