НЕУСТО́ЙЧИВОСТИ ПЛА́ЗМЫ

НЕУСТО́ЙЧИВОСТИ ПЛА́ЗМЫ, са­мо­про­из­воль­ные воз­бу­ж­де­ния ко­ле­ба­ний плаз­мы, ве­ду­щие к раз­ру­ше­нию её ста­цио­нар­но­го со­стоя­ния. Н. п. ха­рак­те­ри­зу­ют­ся со­гла­со­ван­ным дви­же­ни­ем её час­тиц. При та­ких дви­же­ни­ях элек­тро­маг­нит­ные по­ля отд. за­ря­жен­ных час­тиц сум­ми­ру­ют­ся и мо­гут дос­ти­гать мак­ро­ско­пич. зна­че­ний. Со­от­вет­ст­вен­но весь­ма зна­чи­тель­ны­ми ста­но­вят­ся и сме­ще­ния час­тиц под дей­ст­ви­ем этих по­лей – раз­ви­ва­ют­ся Н. п. Не­ус­той­чи­во­сти про­яв­ля­ют­ся в кос­мич. и ла­бо­ра­тор­ной плаз­ме, в низ­ко­тем­пе­ра­тур­ной (в т. ч. га­зо­раз­ряд­ной) и вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ной (тер­мо­ядер­ной) плаз­ме. Имен­но Н. п. ока­за­лись гл. пре­пят­ст­ви­ем для осу­ще­ст­в­ле­ния управ­ляе­мо­го тер­мо­ядер­но­го син­те­за.

Из-за даль­но­дей­ст­вия ку­ло­нов­ских сил за­ря­жен­ные час­ти­цы плаз­мы име­ют боль­ше воз­мож­но­стей для кол­лек­тив­ных со­гла­со­ван­ных дви­же­ний, чем ней­траль­ные час­ти­цы жид­ко­сти или га­за. По­это­му ко­ле­ба­ния плаз­мы очень раз­но­об­раз­ны (осо­бен­но при на­ли­чии внеш­не­го маг­нит­но­го по­ля), раз­ли­ча­ют­ся по­ля­ри­за­ци­ей элек­тро­маг­нит­ных по­лей и ха­рак­те­ром дви­же­ния за­ря­жен­ных час­тиц.

Од­но­род­ная не­ог­ра­ни­чен­ная плаз­ма с мак­свел­лов­ским рас­пре­де­ле­ни­ем час­тиц по ско­ро­стям бы­ла бы рав­но­вес­ной и не под­вер­жен­ной не­ус­той­чи­во­стям. Ре­аль­ная плаз­ма не­рав­но­вес­на, хо­тя бы из-за ог­ра­ни­чен­но­сти в про­стран­ст­ве. Не­рав­но­вес­ность не­об­хо­ди­ма, но не­дос­та­точ­на для не­ус­той­чи­во­сти. Воз­ник­но­ве­ние Н. п. мо­жет за­ви­сеть так­же от её раз­ме­ров, со­ста­ва, про­во­ди­мо­сти сте­нок ка­ме­ры, в ко­то­рой плаз­ма соз­да­ёт­ся, при­сут­ст­вия пе­ре­мен­ных элек­тро­маг­нит­ных по­лей, от кон­фи­гу­ра­ции удер­жи­ваю­ще­го ста­цио­нар­но­го маг­нит­но­го по­ля и т. д.

Наи­бо­лее опас­ные для маг­нит­но­го удер­жа­ния плаз­мы маг­ни­то­гид­ро­ди­на­ми­че­ские не­ус­той­чи­во­сти (МГД-не­ус­той­чи­во­сти) пред­став­ля­ют со­бой бы­ст­ро на­рас­таю­щие воз­му­ще­ния с дли­на­ми волн по­пе­рёк маг­нит­но­го по­ля, мно­го бóль­ши­ми лар­мо­ров­ско­го ра­диу­са ио­нов, вплоть до раз­ме­ров сис­те­мы. Они воз­ни­ка­ют, напр., ес­ли на­пря­жён­ность маг­нит­но­го по­ля умень­ша­ет­ся в ту же сто­ро­ну, что и дав­ле­ние плаз­мы. В этом слу­чае плаз­ме как диа­маг­не­ти­ку энер­ге­ти­че­ски вы­год­но сме­стить­ся в об­ласть бо­лее сла­бо­го маг­нит­но­го по­ля, т. е. вый­ти из об­лас­ти удер­жа­ния. При этом воз­ни­ка­ют струк­ту­ры, вы­тя­ну­тые вдоль маг­нит­но­го по­ля, – же­лоб­ки, а са­ма Н. п. на­зы­ва­ет­ся же­лоб­ко­вой. Дру­гое её на­зва­ние – кон­век­тив­ная, или пе­ре­ста­но­воч­ная, по­сколь­ку за­пол­нен­ные плаз­мой маг­нит­ные си­ло­вые труб­ки ме­ня­ют­ся мес­та­ми. К МГД-не­ус­той­чи­во­стям при­над­ле­жит и вин­то­вая не­ус­той­чи­вость, воз­ни­каю­щая в плаз­мен­ных «шну­рах» с про­доль­ным то­ком (напр., в то­ка­ма­ке) и при­во­дя­щая к из­ви­ва­нию шну­ра. Же­лоб­ко­вую не­ус­той­чи­вость по­дав­ля­ют вве­де­ни­ем маг­нит­но­го по­ля, на­рас­таю­ще­го на­ру­жу от плаз­мы, – соз­да­ни­ем «маг­нит­ной ямы», вин­то­вую – уси­ле­ни­ем про­доль­но­го маг­нит­но­го по­ля. С ко­неч­но­стью элек­трич. про­во­ди­мо­сти плаз­мы свя­за­на раз­рыв­ная Н. п., или ти­ринг-не­ус­той­чи­вость, со­про­во­ж­даю­щая­ся из­ме­не­ни­ем то­по­ло­гии маг­нит­но­го по­ля в ре­зуль­та­те пе­ре­со­еди­не­ния маг­нит­ных си­ло­вых ли­ний.

Не­од­но­род­ность плаз­мы в на­прав­ле­нии по­пе­рёк маг­нит­но­го по­ля мо­жет вы­зы­вать дрей­фо­вые не­ус­той­чи­во­сти, ха­рак­тер­ная по­пе­реч­ная дли­на вол­ны ко­то­рых по­ряд­ка или мень­ше лар­мо­ров­ско­го ра­диу­са ио­нов. Обыч­но од­но­вре­мен­но воз­бу­ж­да­ет­ся мно­же­ст­во мод дрей­фо­вых ко­ле­ба­ний, в ре­зуль­та­те плаз­ма пе­ре­хо­дит в тур­бу­лент­ное со­стоя­ние, ха­рак­те­ри­зуе­мое ус­ко­рен­ным по­пе­реч­ным пе­ре­но­сом (ано­маль­ная диф­фу­зия). Дрей­фо­вую не­ус­той­чи­вость мож­но по­да­вить, ус­лож­няя гео­мет­рию маг­нит­но­го по­ля.

Дос­та­точ­но силь­ные от­ли­чия рас­пре­де­ле­ния час­тиц плаз­мы по ско­ро­стям от рав­но­вес­но­го мак­свел­лов­ско­го ве­дут к по­яв­ле­нию ки­не­ти­че­ских не­ус­той­чи­во­стей. Так, ес­ли в плаз­ме при­сут­ст­ву­ет вы­со­ко­ско­ро­ст­ной пу­чок час­тиц, то мо­гут воз­ник­нуть пуч­ко­вые не­ус­той­чи­во­сти. Они ис­поль­зу­ют­ся в плаз­мен­ной элек­тро­ни­ке для ге­не­ра­ции мик­ро­вол­но­во­го из­лу­че­ния.

Ес­ли в за­маг­ни­чен­ной плаз­ме ср. энер­гия дви­же­ния час­тиц по­пе­рёк маг­нит­но­го по­ля $ε_⊥$ от­ли­ча­ет­ся от про­доль­ной $ε_‖$, то эта ани­зо­тро­пия функ­ции рас­пре­де­ле­ния мо­жет при­во­дить к ани­зо­троп­ной не­ус­той­чи­во­сти. При­ме­ром та­кой Н. п. яв­ля­ет­ся зер­каль­ная не­ус­той­чи­вость, воз­мож­ная при $ε_⊥ > ε_‖$. Она ха­рак­тер­на для от­кры­тых маг­нит­ных ло­ву­шек – ло­ву­шек с маг­нит­ны­ми проб­ка­ми (зер­ка­ла­ми). В них не удер­жи­ва­ют­ся ио­ны, на­прав­ле­ние ско­ро­сти ко­то­рых близ­ко к на­прав­ле­нию маг­нит­но­го по­ля, так что в про­стран­ст­ве ско­ро­стей име­ет­ся «ко­нус по­терь». С этим свя­за­ны ко­нус­ные не­ус­той­чи­во­сти плаз­мы.

Мно­го­чис­лен­ные Н. п. по­ро­ж­да­ют­ся со­че­та­ни­ем не­сколь­ких фак­то­ров не­рав­но­вес­но­сти плаз­мы (дрей­фо­во-пуч­ко­вая, то­ко­во-кон­век­тив­ная, дрей­фо­во-ко­нус­ная и т. д.). Н. п. с дли­ной вол­ны, ма­лой по срав­не­нию с раз­ме­ром сис­те­мы, ино­гда на­зы­ва­ют мик­ро­не­ус­той­чи­во­стя­ми (см. Мик­ро­не­ус­той­чи­во­сти плаз­мы).

Для силь­но не­рав­но­вес­ной плаз­мы ха­рак­тер­но су­ще­ст­во­ва­ние волн с от­ри­ца­тель­ной энер­ги­ей. Ес­ли у та­кой вол­ны энер­гия от­би­ра­ет­ся, напр., за счёт дис­си­па­тив­ных про­цес­сов, то её ам­пли­ту­да на­рас­та­ет – раз­ви­ва­ет­ся дис­си­па­тив­ная не­ус­той­чи­вость. Роль по­гло­ти­те­ля энер­гии вол­ны с от­ри­ца­тель­ной энер­ги­ей мо­жет иг­рать так­же взаи­мо­дей­ст­вую­щая с ней вол­на с по­ло­жи­тель­ной энер­ги­ей, при этом на­рас­та­ют од­но­вре­мен­но ам­пли­ту­ды обе­их волн.

Эф­фек­тив­ным ме­ха­низ­мом воз­бу­ж­де­ния Н. п. или их по­дав­ле­ния, в за­ви­си­мо­сти от кон­крет­ных ус­ло­вий, яв­ля­ет­ся ре­зо­нанс­ное взаи­мо­дей­ст­вие ко­ле­ба­ний плаз­мы с дви­же­ни­ем отд. за­ря­жен­ных час­тиц (че­рен­ков­ский и цик­ло­трон­ный ре­зо­нан­сы).

При рас­про­стра­не­нии в плаз­ме элек­тро­маг­нит­ных волн боль­шой ам­пли­ту­ды воз­мож­но воз­бу­ж­де­ние па­ра­мет­ри­че­ских Н. п., при­во­дя­щих к ус­лож­не­нию спек­тра волн и их про­стран­ст­вен­ной струк­ту­ры.