Предисловие

Раздел физики, которому посвящена данная книга, вместе с его приложениями охватывает почти неисчерпаемый круг вопросов. Тем не менее, можно выделить определенный круг явлений и процессов, иметь представление о которых необходимо каждому специалисту, работающему в области физики плазмы и смежных областях. Исходя из этого и была построена программа курса лекций, читавшегося мной в течение ряда лет магистрантам кафедры физики плазмы Новосибирского государственного университета1. Здесь представлены первые две части этого курса, конспект которых более или менее приемлемо оформлен для электронной публикации. В этой части курса описаны основные столкновительные и излучательные процессы в объеме плазмы и на поверхностях, рассмотрены вопросы кинетики низкотемпературной плазмы, обсуждены механизмы электрического пробоя.В последней лекции дана общепринятая классификация стационарых разрядов в газе и описан нормальный тлеющий разряд. В последующих четырех лекциях (существующих пока скорее в виде транспарантов, чем связного текста) читались темы, посвященные разрядам в постоянном и переменном электрическом поле, лазерному пробою, применениям низкотемпературной плазмы (коммутаторам, ионным источникам, МГД генераторам, газовым и плазменным лазерам, “предплазме” термоядерных установок).

Для более детального изучения предмета автор рекомендует использовать литературный список, в котором особо следует отметить классическую монографию Ю.Б. Зельдовича и Ю.П. Райзера [1], современные книги Ю.П. Райзера [2], Л.М. Бибермана с соавторами [3], Б.М. Смирнова [4] и Дж.Р. Рота [5], на которые во многом опирается данное пособие. В пособии частично использованы материалы из предыдущей книги автора [6]. При изложении предполагается, что читатели знакомы с основами физики плазмы, атомной физики и квантовой механики (см. например, [7, 8, 9, 10, 11, 12]), поэтому основное внимание обращается на вопросы, специфические именно для низкотемпературной плазмы и газовых разрядов. В книге, за исключением, особо оговоренных случаев, используется гауссова система единиц, хотя, как это принято во многих книгах по физике плазмы, температуру мы выражаем в энергетических единицах: T вместо kT . Для удобства читателя наиболее важные выражения приводятся также в практических (часто смешанных) единицах, в которых явно указываются используемые единицы. Значения мировых констант, полезные формулы и соотношения между единицами в гауссовой системе и системе СИ приведены в книгах [13, 14, 15], причем в первых двух из них подробно обсуждаются достоинства и недостатки той или иной системы.

В книгу включено большое количество графиков и таблиц с данными о сечениях и константах многих процессов, которые, с одной стороны, должны дать читателю представление о типичных порядках их величин, с другой,— могут быть использованы при выполнении заданий по курсу. Читатель может найти недостающие справочные данные в книгах [15, 16, 17], а также на интернет-сайтах http://plasma-gate.weizman.ac.il, http://physics.nist.gov/, http://navigation.helper.realnames.com/, http://www.phys.umu.se/. В конце книги

1Одним из побудительных мотивов для публикации данного издания являются многочисленные обращения вы-

пускников НГУ разных лет с просьбой предоставить им конспект лекций этого курса.

5

приводится алфавитный указатель наиболее важных терминов и понятий. Поскольку книга является учебником, а не монографией, то при цитировании автор отдавал предпочтение книгам и статьям, которые представляются ему наиболее полезными для первоначального ознакомления с предметом, оставляя в стороне вопросы приоритета. Для экономии места мы будем последовательно использовать систему обозначений, приведенную ниже. Экспликация в тексте будет даваться только в случае возникновения возможных недоразумений.

Автор благодарен своим коллегам А.В. Аржанникову, Ю.И. Бельченко, Б.Н. Брейзману, А.В. Бурдакову, И.А. Котельникову, Э.П. Круглякову, С.В. Лебедеву, Г.В. Меледину, В.В. Мирнову, А.М. Оришичу, Д.Д. Рютову и В.С. Черкасскому за обсуждение многих вопросов, относящихся к данному курсу. Автор особенно признателен В.С. Черкасскому за неоценимую помощь при подготовке данного издания.

Список обозначений

в скобках указаны размерности величин в гауссовых единицах

Латинские символы

AПлощадь (см2) Произвольная константа

Массовое число атома (относительная атомная масса) Работа (эрг=см2г с−2)

aРадиус плазмы или электрода (см)

BПроизвольная константа

bРастояние, радиус (см)

cСкорость света (2.998·1010 см/c)

DПроизвольная константа

Коэффициент диффузии (см2/с) Диаметр (см)

D, D Электрическая индукция (скаляр; вектор) (см−1/2г1/2с−1)

dДиаметр, расстояние (см) Межэлектродное расстояние (см)

6

E, E Напряженность электрического поля (скаляр; вектор) (см−1/2г1/2с−1)

EЭнергия (эрг=см2г с−2)

eЭлектрический заряд (см3/2г1/2с−1)

F, F Сила (скаляр; вектор) (дин=см г с−2)

Плотность мощности (эрг/с см2=г с−3)

fФункция распределения частиц (размерность см. в Приложении A)

hПостоянная Планка (6.626·10−27 эрг с)

h/2π

IСила тока (см3/2г1/2с−2)

Потенциал ионизации атома, молекулы (см1/2г1/2с−1)

jПлотность тока (см−1/2г1/2с−2)

Полный угловой момент атомной системы ( )

KКонстанта равновесия Кинетическая энергия

kПостоянная Больцмана (1.38·10−16 эрг/К)

Волновое число 2π/λ (см−1)

Константа скорости реакции (размерности см. в тексте) Произвольная константа

LРасстояние, длина (см) Индуктивность (см)

lРасстояние, длина (см) Длина свободного пробега (см) Орбитальное квантовое число

MМасса атома или иона (г)

mМасса электрона (г) Магнитное квантовое число

NЧисло событий

Плотность нейтральных частиц (см−3)

nПлотность электронов и ионов (см−3) Число событий Главное квантовое число

Функция распределения частиц (размерность см. в Приложении A)

PМощность (эрг/с=см2г с−3)

pДавление (дин/см2=см−1г с2)

7

QЗаряд (см3/2г1/2с−1)

qЗаряд (см3/2г1/2с−1)

RОмическое сопротивление (с/см) Радиальная координата (см)

rРадиальная координата (см)

sСпиновое квантовое число

SМощность источника (размерности см. в тексте)

TИнтервал времени, период (с)

tВременная координата (с)

UНапряжение (см1/2г1/2с−1)

WЭнергия (эрг=см2г с−2) Кинетическая энергия

wДрейфовая скорость (см/с)

вероятность события (с−1)

xДекартова координата (см)

yДекартова координата (см)

ZЗарядовое число

zДекартова координата (см)

Греческие символы

αУгловая координата (рад)

Первый коэффициент Таунсенда (1/см)

βБезразмерная релятивистская скорость v/c

ΓОбъем в фазовом пространстве

γРелятивистский фактор Второй коэффициент Таунсенда (размерность см. в тексте)

∆Символ интервала для некоторой величины,

δСимвол интервала для некоторой величины,

εДиэлектрическая проницаемость Энергия частицы (эрг=см2г с−2)

8

Малый параметр

4Энергия (эрг=см2г с−2)

θУгол, мередиональный угол (рад)

ϑУгол, мередиональный угол (рад)

κКоэффициент теплопроводности (см г с−3К−1)

ΛКулоновский логарифм Характерная диффузионная длина (см)

λДлина волны (см)

µПодвижность (размерность см. в тексте) Относительная молекулярная масса

νЧастота событий в расчете на частицу (Гц) Частота столкновений (Гц)

π3.14159

ρПлотность заряда (см−3/2г1/2с−1) Прицельный параметр (см) Радиальная координата (см)

σПоперечное сечение (см2) Электропроводность (см/с)

τХарактерное время (с)

Временная координата (с)

ϕУгловая координата, угол (рад)

Потенциал (см1/2г1/2с−1)

Функция распределения частиц (размерность см. в Приложении A)

ψУгловая координата, угол (рад)

ΩТелесный угол (стерадиан)

ωУгловая частота (рад/с)

Нижние индексы

9

0Нейтральная частица

Начальная величина Основное состояние, нижний уровень Осевая величина

A, a Анод

bПробой

C,c Катод

cЦиклотронная частота Столкновение

eЭлектрон

gГаз

HВодород

iИон

Ионизация

i, j, k, l, m, nИндексы атомных уровней

nНейтральный газ Отрицательный ион

out Внешний

pПлазма

Положительный ион

rРадиальный

wСтенка

xнаправление по x

yнаправление по y

zнаправление по z

Параллельно некоторому направлению

Перпендикулярно некоторому направлению

10

Некоторое фиксированное значение переменной

Верхние индексы

0Термодинамически равновесный

pПоляризационный

Производная Символ обратной реакции

TТермический, тепловой

11