Základy fyziky plazmatu

Základy fyziky vysokoteplotního plazmatu jsou vysvětleny s pomocí částicového, kinetického a fluidního popisu. Zahrnuje driftové pohyby a adiabatické invarianty, lineární teorii vln v plazmatu a šíření elektromagnetických vln v nehomogenním plazmatu. Jsou vysvětleny základní nelineární jevy jako ponderomotorická síla, autofokuzace a parametrické nestability. Stručně uvádí do magnetohydrodynamiky a jaderné fúze. Obsahuje i úvod do atomové fyziky mnohonásobně ionizovaného plazmatu.

Obsah přednášky

1. Úvod, základní pojmy
   definice plazmatu, kvazineutralita, kolektivní chování, rozdíl mezi plazmatem a plyny, Debyeovo stínění, Debyeova délka, plazmová frekvence, plazmový parametr, srážková frekvence, Coulombovský logaritmus, ideální a neideální plazma, parametr vázanosti plazmatu, příklady plazmatu v přírodě a v laboratoři
    
2. Pohyby nabitých částic ve vnějších polích 
   cyklotronová frekvence, Larmorův rádius, drift ve zkřížených polích, gradientní drift, drift zakřivení, polarizační drift, adiabatické invarianty, 1. adiabatický invariant, princip magnetického zrcadla, ponderomotorická síla
    
3. Částice v selfkonsistentních polích - přechod ke kinetickému a fluidnímu popisu 
   jednočásticová rozdělovací funkce, vícečásticové rozdělovací funkce, Klimontovičova rovnice, Klimontovičova rovnice pro plazma, ansámbl a středování přes ansámbl, fluktuace, přechod k Vlasově rovnici, Krookův srážkový člen, plazma jako elektrická látka, časová a prostorová disperze, nízkofrekvenční permitivita plazmatu, plazma jako směs tekutin, přechod od Vlasovovy rovnici k fluidnímu popisu, tenzor tlaku, driftové pohyby tekutiny, diamagnetický drift, plazmatické přiblížení
    
4. Elektronové plazmové vlny 
   linearizace rovnic hydrodynamiky, klasifikace vln, disperzní vztah, elektronové plazmové oscilace, vliv srážek, vliv nenulové teploty a šíření elektronových plazmových vln, odvození z Vlasovovy rovnice, Landauova integrační křivka, fyzika Landauova útlumu, permitivita plazmatu, energie plazmové vlny, nelineární Landaův útlum, BGK módy, dvousvazková nestabilita, principy simulace metodou „Particle-In-Cell“, ukázky chování nelineárních plazmových vln pomocí PIC kódu
    
5. Další lineární vlny v plazmatu 
   Iontozvukové vlny, elektromagnetické vlny v plazmatu bez B0, permitivita plazmatu, mezní frekvence, kritická hustota, srážková absorpce elmg. vln, šíření v nehomogenním plazmatu, WKB přiblížení, řešení v okolí kritické hustoty, rezonanční absorpce, nelinearity při šíření elmg. vln, vznik filamentů a autofokuzace, elmg. vlny v plazmatu s magnetickým polem (O,X,R,L – vlny), rezonance, CMA diagram, iontové elektromagnetické vlny (hydromag- netické a Alfvénovy), parametrické nestability, stimulovaný rozptyl, fyzika korony a interakce laserového záření s plazmatem
    
6. MHD popis, hydrodynamika a rázové vlny 
   Přechod kjednokapalinovému přiblížení, ideální MHD, hydromagnetická rovnováha, parametr ß, neideální MHD, difúze plazmatu do magnet. pole, Rayleigh-Taylorova nestabilita, Kruskal-Schwartzschildova nestabilita (RT v magnetickém poli)
    
7. Difúze a stěnové vrstvy 
   Difúze v slabě ionizovaném plynu, ambipolární difúze, difúze napříč B, Bohmova difúze, stěnová vrstva, Bohmovo kritérium, Child-Langmuirův zákon, bezesrážková rázová vlna
    
8. Úvod do atomové fyziky plazmatu 
   Klasifikace vícenásobně nabitých iontů, schéma hladin, autoionizační stavy, štěpení hladin, rezonanční přechody, srážkové atomové procesy, srážková excitace a deexcitace, srážková ionizace a tříčásticová rekombinace, dielektronová rekombinace, radiační procesy, přechod volný-volný, vázaný-volný a vázaný-vázaný, Einsteinovy koeficienty, rozšíření spektrálních čar, transport záření, optická tloušťka, ionizační rovnováha (Sahova rovnice), LTE, koronální rovnováha, princip detailní rovnováhy
    
9. Úvod do řízené fúze 
   termonukleární reakce, nezbytnost ohřevu, zápalná teplota, Lawsonovo kritérium, magnetické a inerciální udržení, magnetické torusy, ohřev plazmatu, pinče, inerciální fúze - přímá a nepřímá fúze, zdroj energie - laserové svazky nebo svazky nabitých částic
    
10. Pružné srážky a jejich vliv 
    Liouvillova rovnice, řetěz rovnic pro rozdělovací funkce (BBGKY hierarchie), Vlasovova rovnice, korelační funkce, rovnice pro dvoučásticovou korelaci, Bogoljubova hypotéza - podmínka oslabení korelací, podmínky vedoucí k Fokker-Planckovu (Landauovu), Boltzmannovu a Lenard-Balescuovu srážkovým integrálům, aplikace Landauova srážkového integrálu (relaxace hybnosti elektronů, přenos energie mezi elektrony a ionty, vysokofrekvenční vodivost plazmatu)

Výukové materialy jsou zde. 

Literatura:

Povinná

• F.F. Chen: Úvod do fyziky plazmatu, Academia, Praha 1984
• V.P. Silin: Úvod do kinetické teorie plynů, Academia, Praha 1976

Doporučená

• D.R. Nicholson: Introduction to Plasma Theory, J. Wiley&sons, New York 1983 (xerokopie v knihovně)
• Ja.B. Zeldovič, Ju.P. Rajzer: Fizika udarnych voln i vysoketemperaturnych gidrodinamičekich javlenij, Nauka, Moskva 1966 (kapitola 1), překlad 2. vydání “Physics of Shock Waves and High-Temperature Hydrodynamic Phenomena, Dover Publications 2002)
• J. Kracík, B. Šesták, L. Aubrecht: Základy klasické a kvantové fyziky plazmatu, Academia, Praha 1974
• Ju.L. Klimontovič: Statističeskaja fizika, Nauka, Moskva 1982
• V.P. Silin, A.A. Ruchadze: Elektromagnitnyje svojstva plazmy i plazmopodobnych sred, Gosatomizdat, Moskva 1961
• A.B. Michailovskij: Teorija plazmennych neustojčivostej, T.1 Neustojčivosti odnorodnoj plazmy, Atomizdat, Moskva 1975
• H. Hora: Physics of Laser Driven Plasmas, J. Wiley&sons, New York 1981 (ruský překlad Energoatomizdat 1986)
• S. Eliezer: The Interactions of High-Power Lasers with Plasma, IOP Publishing, Bristol and Philadelphia 2002
• P. Gibbon: Short Pulse Laser Interactions with Matter: An Introduction, Imperial College Press, London 2005