ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ. СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

ПЛАЗМА — СОСТОЯНИЕ СОЛНЕЧНОЙ МАТЕРИИ

Несмотря на то, что почти вся масса во Вселенной существует в состоя­нии плазмы, в земных условиях с плазмой мы сталкиваемся чрезвычайно редко, например в таких случаях, как разряд молнии или разряд радиационного источ­ника. Однако вся масса звезд, включая наше Солнце (за исключением нейтрон­ных звезд) и большая часть межзвездной массы находятся в плазменном со­стоянии, в сравнении с которым вся остающаяся масса вселенной - «мусор». Все планеты, астероиды, луны, кометы и даже наша собственная Земля - части (того «мусора». Плазма — источник электромагнитных волн и, в особенности, видимого света. В высокотемпературной плазме электрически заряженные час­тицы перемещаются с огромными скоростями, взаимодействуя друг с другом и быстро изменяя скорости и направления движения. Спектр такой радиации не­прерывен. В низкотемпературной плазме присутствуют атомы с электронами, связанными в электронных оболочках. Их взаимодействия приводят к перехо­дам электронов между различными энергетическими уровнями в электронных оболочках. Энергия, высвобождаемая в результате таких переходов на более низкие уровни, также испускается в форме электромагнитных волн. Спектр этого излучения имеет линейчатую или полосчатую картину.

Свойства плазмы отличаются весьма существенно от свойств твердых тел, жидкостей и газов. Поэтому плазму принято считать четвертым состояни­ем вещества.

Что такое плазма? В принципе, плазма это вещество в высокоионизиро­ванном состоянии, соответствующем некоторым другим условиям (так как ве­щество всегда до некоторой степени ионизовано). Не только в газах, но также и в твердых телах множество свободных электронов (движущихся на фоне поло­жительно заряженных ионов, твердо зафиксированных в кристаллической ре­шетке), могут наблюдаться как плазма. По определению, плазма - квазинейт­ральный газ заряженных и нейтральных частиц, ведущих себя коллективно. Что это означает?

Нейтральные молекулы взаимодействуют только путем взаимных столк­новений таким образом, чтобы их поведение зависело только от поведения ближайших соседних молекул. Однако движение электрически заряженных частиц может создавать области с более высокой или более низкой концентра­цией положительного или отрицательного заряда и, следовательно, электриче­ских полей. Через электромагнитное взаимодействие эти области влияют на движение других заряженных частиц на больших расстояниях, поскольку

Кулоновские (электростатические) силы намного сильнее и продолжительнее, чем сила взаимодействия между атомами и молекулами.

Плотность электрически заряженных частиц в плазме должна быть доста­точно высокой, чтобы электромагнитные взаимодействия доминировали над столкновениями между нейтральными атомами и молекулами. Отсюда специ­фическое движение плазмы. Под коллективным поведением мы понимаем дви­жение, которое зависит не только от условий в непосредственной близости, но также и от плазменных условий на больших расстояниях. Таким образом, плаз­ма оказывает воздействие на себя. Это движение может ясно наблюдаться, на­пример, в солнечных извержениях (протуберанцах).

Плотность электрически заряженных частиц в плазме должна быть высо­кой еще и для того, чтобы электромагнитные взаимодействия доминировали над столкновениями между нейтральными атомами и молекулами. В этих условиях ионизированный газ способен экранировать внешние электрические поля, фор­мируя объемные заряды. Эти объемные заряды препятствуют тем изменениям, которые создали их, действуют против них и устанавливают новое равновесие. Экранирующий объемный заряд заряженных частиц с противоположным заря­дом образуется вокруг внешнего электрического заряда, который встроен в плазму и поддерживается там внешней силой, как это показано на рис. 4.1.

Ширина этого слоя увеличивается с температурой и уменьшается с увели­чением плотности частиц. Это и понятно. Кинетическая энергия заряженных час­тиц вызывает недостаточное экранирование, так что вне объемного заряда элект­рическое поле не равно нулю, но приближается к нулю, как показано на рис. 4.2.

По этой причине у частиц вблизи экранирующего слоя кинетической энер­гии достаточно для того, чтобы покинуть потенциальную яму, созданную элект­ростатическими силами. Более высокая температура заряженных частиц приво­дит к большей диффузности экранирующего слоя и к большей его ширине.

С другой стороны, чем выше концентрация заряженных частиц, тем выше электростатические силы. Следовательно, объемный заряд имеет более резкую границу. Трудности с определением точной границы слоя экранирования при­водят к необходимости введения новой величины, названной длиной Дебая, ко­торая является мерой экранирующей способности плазмы. Математика дает экспоненциальную зависимость для электрического потенциала (р от расстоя­ния d, и длина Дебая XD определяется как расстояние, на котором электрический

Ф

потенциал (р() уменьшается до —, где е - известная математическая константа -

е

основа натуральных логарифмов.

Квазинейтральность означает, что с точки зрения макроскопической пер­спективы плотность электронов фактически равна плотности ионов даже в ма­лых объемах плазмы; это называют плазменной плотностью. Плазма, таким об­разом, внешне электрически нейтральна, но с микроскопической точки зрения электромагнитные взаимодействия свободных электронов и ионов придают плазме ее некоторые особенности. Например, возможность того, что у электро­нов и ионов имеют место различные температуры в одной и той же плазме; дрейф или смещение частиц в магнитном поле; нагрев плазмы многоступенча­тым адиабатным сжатием в магнитных зеркалах (или так называемый пинч - эффект); плазменные волны (например, плазменные колебания, свист, ударные волны и т. д.); нелинейные эффекты (такие как существование стенного слоя); плазменный край (а именно, граница между частотами переданных и отражен­ных фотонов, то есть, электромагнитные волны) и т. д. Более детальное описа­ние этих эффектов не является предметом рассмотрения этой главы. Те, кто ин-

тересуется этими вопросами, могут найти дополнительную информацию в спе­циальной литературе, например в [6].

Чтобы соответствовать определению плазмы, данной выше, должны быть также выполнены и другие условия. Объем плазмы по размеру должен быть намного большим (по крайней мере, на один порядок величины), чем длина Де­бая. Только тогда, когда все внешние потенциалы будут экранированы на рас­стояниях, меньших, чем размер плазмы, квазинейтральность будет сохраняться. Более того, дебаевское экранирование будет иметь статистический характер, если число заряженных частиц будет достаточно большим. Небольшое количе­ство электронно-ионных пар не могут рассматриваться как плазма.

Температура - результат движения частиц. Однако температура плазмы требует несколько другой интерпретации, чем обычно. В плазме высокая тем­пература не связана с высокой тепловой энергией. Например во флуоресцент­ной трубе дуговой разряд низкого давления «горит» в смеси паров Аг и Hg. Различные температуры существуют в одной и той же плазме, поскольку элек­троны и ионы имеют различные массы и по-разному ускоряются в электриче­ском поле. Поэтому они имеют различные средние энергии. Электронная тем­пература имеет порядок Т *104К. Но давление газа низко, концентрация час­тиц относительно мала и теплоемкость низка. Тепловая энергия передается стеклянной трубе путем воздействия частиц, испускаемых в окружающую сре­ду. Температура задается статистическим распределением энергии индивиду­альных частиц [58]. Согласно соотношению Е = кТ, где к — постоянная Больц­мана, а температура Т = 11 600 К соответствует энергии Е = 1 eV. Это явление наблюдается также и в атмосфере Земли. На высотах, больших, чем h = 10 000 м от поверхности Земли, атмосфера более сильно ионизована под воздействием космического излучения. Температура плазмы достигает величины выше, чем Т> 10 000 К, в то время как температура воздуха очень мала. Следует подчерк­нуть, что при такой низкой температуре плазмы кратность ионизации обычно очень низка. Большинство атомов находится в нейтральном состоянии и только некоторые ионизованы. Процент ионизованных атомов — малая величина.

На рис. 4.3 представлены типичные области некоторых типов плазмы в за­висимости от ее плотности и энергии электрона. Для некоторых областей также даны порядки величины дебаевских длин в метрах. Очевидно, что у плазмы есть действительно очень широкие пределы. Она может существовать при концентра­циях заряженных частиц от я«106м~3 в межзвездном пространстве до ««Юм в ядрах звезд. При взрывах сверхновой звезды плотность может быть еще более высокой. Точно так же энергии заряженных частиц могут составлять величины около Е « 10 2 eV в межзвездном пространстве, около £ « 10 2 eV в ионно-электронном газе в твердом теле и до Е * 104 еV в ядрах самых горячих звезд. Но с какой плазмой мы можем обычно сталкиваться на Земле?

Степень ионизации в плазме пламени в классических процессах горения или быстрого окисления очень мала. При обычном горении температура в пла­мени составляет величину приблизительно Г = 1000 К, а в специально сконст­руированных горелках она достигает максимума — Т = 4500 К.

10

m

ю

тлеющий разряд I. д] (низкое давление) I J I

ГуП освещение ' jl 0-1 —1 плазма в твердом лотовой разряд , г г, СОСТОЯНИИ (атм. давление) --------------

10

пламя ^ ионосфера

10'1

полупроводники “

■ открытый космос

С точки зрения плазмы эти температуры очень малы, но этот вид плазмы представляет собой наиболее распространенный тип плазмы в земных условиях.

Существенно более высокие температуры могут быть достигнуты в плаз­ме электрического разряда. Молния, видимо, единственная форма более высо­котемпературной плазмы, с более высокими степенями ионизации, которая возникает спонтанно в природе. Вспышка молнии - это гигантский искровой разряд, в котором плазма с температурой Т = 3x104 К образуется в проводя­щем канале диаметром приблизительно г = 0,1 м на период порядка / = 10"6 с. Мгновенно нагретый газ расширяется, создавая акустические волны, то есть гром. Искусственно созданная в электрическом разряде плазма широко исполь­зуется в различных технологиях, описание которых находится вне области рас­смотрения настоящего издания.

Плазма электрического разряда принадлежит к категории низкотемпера­турной плазмы, хотя в ней достигаются температуры порядка Т « 104 К. Под высокотемпературной плазмой мы понимаем полностью ионизированную плазму, в которой не существует никаких нейтральных атомов. Это состояние формируется при температурах 7’>105К. В случае водородной плазмы даль­нейшее возбуждение может происходить только с увеличением температуры. В плазме более тяжелых элементов подаваемая энергия используется для мно­гократной ионизации, то есть образования большего числа электронов. В плаз-

ме тяжелых элементов ядра становятся полностью «очищенными» при темпе­ратурах около Т «10е К. При таких температурах у ядер атомов водорода (про­тонов) имеется достаточная кинетическая энергия, чтобы преодолеть отталки­вающие силы идентичных электрических зарядов, и приблизиться к каждому настолько близко (^ = 1(Г|5м), чтобы вызвать ядерные реакции. Такая плазма существует, например, в ядрах звезд и в недрах нашего Солнца в частности. Для «очистки» еще более тяжелых ядер необходимы еще более высокие темпе­ратуры, так как ядерные электрические заряды более высоки, и поэтому оттал­кивающие электростатические силы между ядрами больше. При температурах приблизительно Т = 10й К, достижимых в течение коротких периодов во время взрыва сверхновой звезды, ядра расщепляются полностью, образуя плазму, в которой могут существовать только свободные ядра водорода (протоны) и сво­бодные электроны.

Далее обратимся к физике ядерного энерговыделения. Ядра атомов со­стоят из протонов и нейтронов. Однако ядерная масса покоя ниже, чем сумма масс покоя свободных протонов и нейтронов, из которого ядро состоит. Этот дефект массы преобразуется в ядерную энергию связи, которая скрепляет ядро.

Это выражено известной формулой Е - Ате2 Эйнштейна. Рисунок 4.4 пояс­няет зависимость энергии связи от массового числа ядра. Очевидно, что энер­гия может быть получена или слиянием легких ядер в более тяжелые ядра, на­ходящиеся в состоянии стабильных ядер, или расщеплением более тяжелых ядер также в стабильные ядра. Слияние легких ядер называют термоядерной

реакцией, или ядерным синтезом и имеет место в ядрах звезд. Масса Солнца сформирована, главным образом, из водородных ядер и свободных электронов, небольшой доли ядер гелия и следов литиевых ядер, а также, возможно, более тяжелых элементов. В табл. 4.1 [13] приводятся примеры некоторых реакций, происходящих в ядре Солнца. Показано также количество энергии, выделяю­щееся в результате различных реакций.

Таблица 4.1. Примеры ядерных реакций в солнечном ядре

Процесс деления тяжелых ядер может проходить управляемым способом и ядерных реакторах расщепления либо как неуправляемая реакция ядерного взрыва. Высокотемпературная плазма может быть искусственно создана либо ядерным взрывом, либо в очень сложных устройствах [6], работающих обычно в импульсном режиме с длительностью импульса в интервале от микросекунды до миллисекунды.

К этим устройствам относятся так называемые закрытые торы (токамаки), магнитные ловушки. Магнитные ловушки — это устройства, работающие с пинч-эффектом, использующие лазерное нагревание, и т. д. Однако практиче­ская значимость таких устройств для производства энергии с помощью термо­ядерных реакций в настоящее время существенно ограничена, несмотря на ин­тенсивные усилия по их техническому усовершенствованию и использованию для выработки электроэнергии. Собственно ядерный взрыв всегда минимально полезен для мирных целей.

Высокотемпературная плазма с полностью «очищенными» ядрами обра­зуется тогда, когда все электроны удалены от атомных ядер в результате мно­жественной ионизации. Такая плазма не может испускать линейчатый спектр, поскольку электроны полностью свободны и не могут демонстрировать пере-

мещения между энергетическими уровнями в электронных оболочках атомов. Поэтому испускаются только фотоны с отличительным признаком шума, воз­никающего в результате столкновений электрически заряженных частиц, у ко­торых направление движения внезапно меняется, что сопровождается испуска­нием электромагнитной волны (фотон). Спектр испускания такой плазмы очень широк и непрерывен. Он распространяется через высокоэнергетичную ультра­фиолетовую область до рентгеновских лучей. Эта энергия фотона испускается, то есть она удаляется из плазмы. Без ее восполнения температура плазмы начи­нала бы уменьшаться, а электроны и ионы начали бы рекомбинировать, т. е. плазма просто исчезла бы. В звездах излучаемая наружу энергия восполняется энергией, выделяемой в результате термоядерных реакций, происходящих в их ядрах. В случае искусственной плазмы (в отсутствие ядерных реакций) для ее поддержания энергия должна, так или иначе, поставляться извне непрерывно, например в форме электроэнергии, высокочастотной энергии электрического поля или лазерного излучения