Základy fyziky plazmatu

Garant předmětu:

Jiří Limpouch

Přednášející:

Martin Jirka, Jiří Limpouch

Cvičící:

Martin Jirka, Jiří Limpouch

Předmět zajišťuje:

katedra laserové fyziky a fotoniky

Anotace:

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, samookuzace a parametrické nestability. Stručně uvádí do magnetohydrodynamiky a jaderné fúze. Obsahuje i úvod do atomové fyziky mnohonásobně ionizovaného plazmatu.

Požadavky:

Základy matematické analýzy; Mechanika; Elektřina a magnetismus; Základy statistické fyziky; Základy kvantové teorie

Osnova přednášek:

1.Definice plazmatu, Debyeovo stínění, plazmový parametr, plazmová frekvence, srážky nabitych částic, Landauova délka, coulombovský logaritmus, kolektivní chování, ideální a neideální plazma, slabě a silně vázané plazma

2.Pohyby nabitých částic ve vnějších polích

3.Adiabatické invarianty, ponderomotorická síla

4.Základy kinetické teorie, Klimontovičova rovnice, Vlasovova rovnice, Krookův srážkový člen

5.Plazma jako dielektrikum, časová a prostorová disperze, dvoukapalinová hydrodynamika

6.Plazmové oscilace, plazmové vlny ve fluidním a kinetickém popisu, Landaův útlum

7.Bernstein-Greene-Kruskal módy, plazmové vlny v magnetickém poli

8.Principy simulací Particle-in-Cell (částice v buňkách)

9.Iontozvukové vlny, elektromagnetické vlny v plazmatu

10.Nelineární šíření vln, relativistická, ponderomotorická a tepelná nelinearita, samofokuzace laserového svazku a rozpad na vlákna

11.Šíření vln v magnetoaktivním plazmatu

12.Parametrické nestability

13.Jednokapalinový popis plazmatu, magnetohydrodynamika, hydromagnetická rovnováha, Rayleigh-Taylorova a Kruskal-Schwartzschildova nestabilita

14.Difúze ve slabě a silně ionizovaném plazmatu,

15.Úvod do atomové fyziky plazmatu, srážkové a radiační procesy, princip detailní rovnováhy

16.Lokální termodynamická rovnováha, koronální rovnováha, vyzařování z plazmatu

17.Jaderná syntéza, fúzní reakce, Lawsonovo kritérium, magnetické a inerciální udržení

18.Kinetická teorie, aproximace vedoucí k Fokker-Planckovu srážkovému členu

19.Příklady řešení Fokker-Planckovy rovnice

Osnova cvičení:

1.Debyeovo stínění, Debyova délka, plazmový parametr, plazmová frekvence, srážky nabitych částic, Landauova délka, coulombovský logaritmus

2.Vlasovova rovnice, Krookův srážkovy člen, odvození dvoukapalinových rovnic, diamagneticky drift

3.Plazmové oscilace, plazmové vlny ve fluidním a kinetickém popisu, Landaův útlum, energie vlny

4.Demonstrace pomocí částicového kódu ES1, plazmové vlny, Landaův útlum, dvousvazková nestabilita

5.Iontozvukové vlny, elektromagnetické vlny v plazmatu, šíření vln v nehomogenním rovinném plazmatu

6.Magnetohydrodynamika, hydromagnetická rovnováha, Rayleigh-Taylorova a Kruskal-Schwartzschildova nestabilita

7.Difúze ve slabě a silně ionizovaném plazmatu, ambipolární difúze, stěnová vrstva

8.Úvod do atomové fyziky plazmatu, mnohonásobně ionizované atomy, excitační a autoionizační stavy, srážkové a radiační procesy, síla oscilátoru, přímý a zpětný proces, princip detailní rovnováhy

Cíle studia:

Znalosti:

Všeobecný přehled o principech fyziky plazmatu se zaměřením na vysokoteplotní plazma, fyzikální procesy v něm probíhající a jejich teoretický popis.

Schopnosti:

Porozumění základním vlastnostem plazmatu a metodám popisu plazmatu a schopnost aplikovat tyto znalosti..

Studijní materiály:

Povinná literatura:

[1] F.F. Chen: Úvod do fyziky plazmatu, Academia, Praha 1984

[2] D.R. Nicholson, Introduction to Plasma Theory, J. Wiley 1983

Doporučená literatura:

[3] V.P. Silin: Úvod do kinetické teorie plynů, Academia, Praha 1976

[4] S. Eliezer: The Interactions of High-Power Lasers with Plasma, IOP Publishing, Bristol 2002

[5] D. Salzman: Atomic Physics in Hot Plasmas, Oxford University Press, Oxford 1998

Poznámka:

Další informace:

http://www.kfe.fjfi.cvut.cz/~limpouch/plazma/12ZFP.html

Rozvrh na zimní semestr 2024/2025:

Rozvrh není připraven

Rozvrh na letní semestr 2024/2025:

Rozvrh není připraven

Předmět je součástí následujících studijních plánů:

• Fyzikální inženýrství - Počítačová fyzika (PS)
• Fyzikální inženýrství - Fyzika plazmatu a termojaderné fúze (PS)
• Fyzikální inženýrství - Inženýrství pevných látek (volitelný předmět)
• Fyzikální inženýrství - Laserová technika a fotonika (volitelný předmět)
• Fyzikální inženýrství - Počítačová fyzika (PS)
• Fyzikální inženýrství - Fyzika plazmatu a termojaderné fúze (PS)