научная статья по теме ЭФФЕКТ ДЕМИДОВА, ЕЛАГИНА, ФАНЧЕНКО Физика

Текст научной статьи на тему «ЭФФЕКТ ДЕМИДОВА, ЕЛАГИНА, ФАНЧЕНКО»

ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2011, том 37, № 3, с. 300-302

МЕТОДИЧЕСКИЕ ЗАМЕТКИ

УДК 533.9

ЭФФЕКТ ДЕМИДОВА, ЕЛАГИНА, ФАНЧЕНКО

© 2011 г. В. П. Силин

Физический институт им. П.Н. Лебедева, Москва, Россия Поступила в редакцию 08.09.2010 г.

Показано, как обнаруженное ранее плато в нелинейной зависимости от напряженности электрического поля экспериментально изучавшейся электропроводности турбулентной плазмы может быть понято на основе учета турбулентного джоулева нагрева электронов. Выявлена новая, реализующаяся в условиях эксперимента физическая картина проникновения вихревого квазистатического электрического поля в турбулентную плазму, обусловленная зависимостью от времени аномальной турбулентной проводимости, а более общо, нелокальной во времени связью плотности тока и напряженности электрического поля, возникшей из-за турбулентного нагрева.

Настоящее сообщение посвящено интерпретации экспериментального результата работы [1] по исследованию нелинейной аномальной электропроводимости турбулентной плазмы и заключавшегося в обнаружении такой области напряженности электрического поля, в которой турбулентная проводимость оказалась независящей от напряженности поля. Эта область независимости проводимости от поля получила название плато, поскольку как при подходе к области плато со стороны меньших значений напряженности электрического поля, так и при выходе из нее в сторону более сильных полей проводимость уменьшалась.

В основу нашего рассмотрения положим результат теории ионно-звуковой турбулентности полностью ионизованной плазмы, находящейся в не очень сильном постоянном электрическом поле, когда для электростатической проводимости имеет место следующее выражение [2—6]

а =

а /^у

(1)

Здесь е — абсолютная величина заряда электрона, Ие — число электронов в единице объема, ¥5 — скорость ионного звука в плазме. В простой модели, принимающей обусловленное эффектом Че-ренкова затухание Ландау ионно-звуковых волн на ионах малым по сравнению с соответствующим затуханием на электронах согласно [4], ау- = 2.15. В противоположном случае не аномально большой неизотермичности а] может существенно превышать такое значение [5]. Формула (1) отвечает идее об установлении средней скорости движения токовых электронов на значении порядка величин, или в какой-то мере большей, скорости ионного звука, для которой запишем известное выражение

У, = ®1Гве.

Здесь

'Бе

К ВТе

\4пе

дебаевский радиус электронов, а

= * 2

4пеа N„

(2)

(3)

(4)

тп

— эффективная ионная ленгмюровская частота. В формулах (3) и (4) кВ —постоянная Больцмана, Те — температура электронов, еа, та, Ма —соответственно заряд, масса и число ионов а — того сорта в единице объема. В формуле (4) суммирование проводится по сортам ионов в плазме.

Для дальнейшего потребуется приближенная формула увеличения электронной температуры благодаря джоулеву нагреву

3 м дКвТе = ]Е = аЕ2. 2 е дг

(5)

Здесь пренебрегается турбулентной релаксацией температуры электронов, что с особенно большим запасом позволительно при не чрезмерно большом отношении температур электронов и ионов плазмы. Это уравнение в соответствии с формулами (1)—(3) позволяет записать следующее уравнение для входящего в формулу (2) электронного радиуса Дебая

дг,

Бе

а рьЕ

(6)

дг 12пеМе

Имея в виду независимость от времени напряженности электрического поля Е, решение уравнения (6) записывается в виде

= Г,е(0) +

а у- юьЕ 12пеМе

-г.

(7)

ЭФФЕКТ ДЕМИДОВА, ЕЛАГИНА, ФАНЧЕНКО

301

При постоянной напряженности электрического поля на начальном этапе незначительного увеличения температуры электронов

ПпеИ^М

г

* 0 =

а,юьЕ

(8)

имеем гВе(г0) ~ гОе(00), а проводимость плазмы согласно формуле (1) убывает с ростом напряженности электрического поля по закону ~1/Е. Напротив, при временах г > г0 имеем

Гве() =

а ] юьЕ 12леЖе

г > гВе(0)

(9)

(10)

] = а <еЫеУ8 =

(а 2®Ь/12п) | йг 'Е (г')

(11)

5 2Е

4лд/ _ 4л,

~~Е = 'Щ— = 'у а

дх с дг с

дгъ дг

(12)

Уравнение (6) или, что то же самое в этом случае уравнение (11) позволяет записать (12) в виде линейного уравнения для напряженности электрического поля (при а] « 2)

2 2

д2Е = а]Е -

2

1.5

с

(13)

Соответственно, из (9) и (1) имеем

2 2 _ ау-юьг

а_ 12п .

Таким образом, при больших временах проводимость плазмы оказывается, во-первых, независящей от напряженности электрического поля, что и было обнаружено в работе [1], во-вторых, нестационарной, а именно линейно нарастаю -щей с ростом времени. Правда последняя закономерность отвечает независящему от времени коэффициенту а у-, что в случае больших значений этого коэффициента может и не быть.

В реальном эксперименте [1] напряженность электрического поля изменялась во времени. На такой случай квазистатического поля обобщением является формула для плотности тока, имеющая в соответствии с (1) и (6) следующий вид Г г \

При этом согласно условиям эксперимента [1] будем считать напряженность электрического поля не меняющей знак. В связи с экспериментом [1] возникал вопрос о проникновении в турбулентную плазму внешнего вихревого поля, электрическая напряженность которого при изменении времени не меняет знак. Обсуждаемая нестационарность проводимости, а в более общей постановке, нелокальная во времени связь плотности тока и напряженности электрического поля, обусловленная турбулентным нагревом, позволяет усмотреть возможность турбулентного скин-эффекта в плазме. В соответствии с [7], если характерное время изменения квазистационарного поля много меньше отношения размера тела а к скорости света с, то для напряженности вихревого поля выполняется уравнение

Д Е = ^

с2 дг

В нашем случае это уравнение при учете соотношений (1) и (2) записывается в виде

дх 3с

Последнее уравнение дает для глубины проникновения квазистационарного вихревого поля в турбулентную плазму величину 8 « с/юь, что для высокотемпературной полностью ионизованной плазмы раз в 50 превышает глубину проникновения высокочастотного поля (~с/юЬе, где юЬе — электронная ленгмюровская частота). Поэтому можно говорить о турбулентном скин-эффекте.

Обсудим записанные здесь простые следствия теории ионнозвуковой турбулентности в связи с экспериментом работы [1]. Прежде всего, если в эксперименте амплитуда импульса напряженности электрического поля изменяется при неизменной его временной длительности гЕ , как это было в случае работы [1] с гЕ ~ 1 мкс, то возникает область значений напряженности электрического поля, в которой проводимость плазмы описывается формулой (10) с подстановкой в нее г = гЕ. Формула (10) отвечает тем условиям, в которых возникает качественный эффект турбулентного нагрева, то есть то, ради чего привлекалась идея турбулентного нагрева плазмы [8, 9]. В то же время обнаруженный в работе [1] эффект вполне отвечает представлениям теории ионно-звуковой турбулентности.

Остановимся теперь на влиянии турбулентности на проникновение вихревого поля в турбулентную плазму. В условиях эксперимента [1] глубина такого проникновения составляет примерно 20 см, что существенно превышает толщину токового шнура в [1] и снимает вопрос о пространственной неоднородности поля. Наконец, весьма вероятно, что в условиях эксперимента [1] отношение температур электронов и ионов не является аномально большим, когда а у велико и не резко убывает со временем. Это может означать, что режим турбулентного нагрева в эксперименте [1] отвечает одновременному увеличению температур электронов и ионов без заметного изменения их отношения. В итоге можно, в частности, утверждать, что обсуждаемый нами и обнаруженный в работе [1] экспериментальный эффект отвечает новой физической картине проникновения поля в плазму установок типа плазменного бетатрона [10]. Действительно, мы видим, что зависимость от времени плотности тока в турбулентной плазме обусловлена главным образом зависящей от времени турбулентной проводимостью, а более общо, ее временной дисперсией, возникающей из-за нагрева плазмы. Уже здесь сказанное позво-

302

СИЛИН

ляет говорить о том, что изучение эффекта Деми-дова—Елагина—Фанченко имеет важное значение для понимания условий использования состояния ионно-звуковой турбулентности плазмы.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке проекта РФФИ N-09-02-00674^, РФФИ N-09-02-00696^, Программы фундаментальных исследований N-11 Президиума РАН.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Демидов Б.А., Елагин Н.И., Фанченко С.Д. // ДАН СССР. 1967. Т. 174. № 2. С. 327.

2. КоврижныхЛ.М. // ЖЭТФ. 1966. Т. 51. С. 795.

3. Галеев А.А., Натанзон А.М. // Физика плазмы. 1982. Т. 8. С. 1151.

4. Быченков В.Ю., Силин В.П. // ЖЭТФ. 1982. Т. 82. С. 1886.

5. Быченков В.Ю., Градов О.М., Силин В.П.// ЖЭТФ. 1982. Т. 83. С. 2073.

6. Силин В.П, Урюпин С.А. // ЖЭТФ. 1992. Т. 102. С. 78.

7. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. М.: Наука, 1968.

8. Завойский Е.К., Рудаков Л.И. Коллективные процессы в плазме и турбулентный нагрев. М.: Знание, 1967.

9. Супруненко В.А. Воспоминания об академике Е.К. Завойском. М.: Наука, 1993. С. 103

10. Стефановский А.М. // Ядерный синтез. 1965. Т. 5. № 3. С. 215.

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.

Показать целиком