Физика плазмы

Представлены исследования плазмы, создаваемой и удерживаемой в квазистационарных стеллараторах Л-2 и Л-2М. В этих установках плазма создавалась безындукционным методом электронного циклотронного резонансного (ЭЦР) СВЧ-нагрева в диапазоне мощностей P = 0.05 – 1 МВт. Рассматриваются радиальная структура приспаратрисной области (относительный радиус 0.8–1) и флуктуации параметров плазмы в режиме без изменения макропараметров. Приводится анализ флуктуаций пристеночных параметров плазмы – плотности, электрического потенциала и магнитного поля – и их эволюции в процессе разрядов. Приведен анализ измеряемой ленгиморовскими зондами структуры электрического поля и теплового потока в пристеночной плазме. Анализируется связь изменения флуктуирующих параметров плазмы с возможными мелкомасштабными неустойчивостями. Рассматриваются механизмы развития перестановочных, пилинг и температурных градиентных краевых неустойчивостей. Приводится сравнение моделирования переноса энергии в плазме с помощью моделей неоклассики с учетом аномальных потерь энергии и на основе канонических профилей давления. Рассматривается возможность использования квазистационарного стелларатора в качестве источника плазменных потоков с трехмерной геометрией для материаловедения.

Рассматриваются результаты численного моделирования квазистационарных конфигураций токового слоя с заданной нормальной компонентой магнитного поля, который состоит из тонкого ионного токового слоя и вложенного в него сверхтонкого электронного токового слоя. Такие слои регулярно наблюдаются во время предварительной фазы магнитосферных суббурь спутниковой миссией MMS в нейтральном слое ближней части хвоста магнитосферы Земли. Предложена новая численная модель стационарного токового слоя с кинетическим описанием образующих его пролетных популяций ионов и электронов, для которых уравнения Власова решаются методом характеристик для стационарного случая, и функции распределения рассчитываются на регулярных сетках в пространстве скоростей, причем учитывается реальное отношение заряда к массе для электронов. С помощью этой модели получены плоские симметричные конфигурации сверхтонкого электронного токового слоя, которые качественно и количественно согласуются с наблюдениями космических аппаратов миссии MMS.

Приведен обзор теоретических исследований по пылевой плазме в атмосферах планет Солнечной системы, проводимых в Институте космических исследований РАН. Особое внимание уделено физическим процессам, связанными с такими явлениями, как серебристые облака и полярные мезосферные радиоотражения, пылевые звуковые возмущения в атмосфере Земли, облака в ионосфере Марса, шумановские резонансы. Отмечается, что интенсивные исследования плазменно-пылевых процессов в атмосферах планет в настоящее время удается проводить в отношении Земли и Марса. Для изучения соответствующих процессов в атмосферах других планет Солнечной системы требуются большие знания об исследуемых объектах, которые можно получить только в будущих космических миссиях.

Рассмотрен усилитель электромагнитных волн, основанный на вынужденном эффекте Черенкова релятивистского тонкого трубчатого электронного пучка в коаксиальном волноводе с плазменно-диэлектрическим заполнением. В линейном приближении получено дисперсионное уравнение, определены области усиливаемых частот и вычислены коэффициенты усиления волн. Исследованы два предельных режима усиления в зависимости от величины зазора между пучком и диэлектриком и частоты. Исследована нелинейная динамика процесса усиления. Определены эффективности усиления для разных токов пучка и различных частот усиливаемого сигнала. Подробно исследовано влияние плазмы на усиление волн в коаксиальном волноводе с диэлектрической вставкой. Показано, что взаимодействие пучка с потенциальной ленгмюровской волной плазмы на усиление электромагнитных волн влияет незначительно.

Проанализирован характер развития плазмы молнии на стадии малых токов в промежутке между прохождением ступенчатого лидера и возвратного удара или между возвратным ударом и стреловидным лидером следующей вспышки молнии. Показано, что время установления равновесий в рассматриваемой плазме мало по сравнению длительностью медленных стадий молнии. Поэтому в плазме проводящего канала молнии на медленной стадии ее развития устанавливается локальное термодинамическое равновесие, а температура плазмы в каждой точке одинакова для электронов и атомов. Согласно газодинамической модели время распада плазмы после возвратного удара порядка 1 мс мало по сравнению с длительностью медленной стадии (порядка 50 мс), так что для поддержания плазмы на медленной стадии необходимо внешнее электрическое поле, которое создает слабый электрический ток, стабилизирующий плазму проводящего канала. С учетом результатов численных моделей для релаксации плазмы возвратного удара молнии определены параметры теплового переноса, которые внутри проводящего канала связаны с теплопроводностью плазмы, главным образом, за счет переноса диссоциативного возбуждения и теплопроводности электронов. На границе проводящего канала молнии перенос тепла происходит в результате конвекции окружающего воздуха, что приводит к образованию языков и вихрей, размер которых порядка 10 см. В результате конвекция происходит полное обновление горячего воздуха проводящего канала на холодный при температуре 7 кК за время порядка 40 мс.

Представлены результаты экспериментов по использованию плазмы микроволнового разряда, поддерживаемого микроволновым излучением импульсного (6 мс) гиротрона, для переноса вещества из металлического нанопорошка серебра на поверхность диэлектрической из ABS (акрилонитрил-бутадиен-стирол) пластиковой мишени. Эксперименты проводились при атмосферном и пониженном давлении (до 50 Торр) воздуха при плотности мощности микроволнового излучения от 1.25 до 12 кВт/см2. Были изучены пространственные структуры плазмы микроволнового разрядов, распространяющихся вблизи кварцевой подложки со слоем нанопорошка серебра. Было определено, что разряд может иметь не менее 3 типов пространственной структуры: а) локализированный микроволновый разряд в точках инициирования разряда; б) микроволновый разряд, распространяющийся через кварцевую подложку; в) микроволновый разряд, распространяющийся вдоль кварцевой подложки. Нанесенный на поверхность пластика слой металла был охарактеризован с помощью электронной микроскопии.

Дан обзор новых наиболее интересных результатов, представленных на LII Международной Звенигородской конференции по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу, состоявшейся с 17 по 21 марта 2025 года в г. Звенигород Московской области. Проведен анализ достижений в основных направлениях развития исследований в области физики плазмы в России и их сравнение с работами за рубежом.