Kas vadinama plazma? Iš ko susideda kraujo plazma ir kodėl ji reikalinga medicinoje?

iš dalies arba visiškai jonizuotos dujos, susidarančios iš neutralių atomų (arba molekulių) ir įkrautų dalelių (jonų ir elektronų). Svarbiausia plazmos savybė yra jos kvazineutralumas, o tai reiškia, kad teigiamo ir neigiamo krūvio dalelių, iš kurių ji susidaro, tūrio tankiai yra beveik vienodi. Dujos virsta plazmine būsena, jei kai kurie jas sudarantys atomai (molekulės) dėl kokių nors priežasčių prarado vieną ar daugiau elektronų, t.y. virto teigiamais jonais. Kai kuriais atvejais neigiami jonai taip pat gali atsirasti plazmoje dėl elektronų „prisijungimo“ prie neutralių atomų. Jei dujose nelieka neutralių dalelių, sakoma, kad plazma yra visiškai jonizuota.

Tarp dujų ir plazmos nėra aštrios ribos. Bet kuri medžiaga, kuri iš pradžių yra kietoje būsenoje, kylant temperatūrai pradeda tirpti, o toliau kaitinant išgaruoja, t.y. virsta dujomis. Jei tai yra molekulinės dujos (pavyzdžiui, vandenilis arba azotas), tada, vėliau kylant temperatūrai, dujų molekulės suyra į atskirus atomus (disociacija). Dar aukštesnėje temperatūroje dujos jonizuojasi, jose atsiranda teigiamų jonų ir laisvųjų elektronų. Laisvai judantys elektronai ir jonai gali nešti elektros srovę, todėl vienas plazmos apibrėžimų yra toks, kad plazma yra laidžios dujos. Medžiagos kaitinimas nėra vienintelis būdas gaminti plazmą.

Plazma yra ketvirtoji materijos būsena, ji paklūsta dujų dėsniams ir daugeliu atžvilgių elgiasi kaip dujos. Tuo pačiu metu plazmos elgesys daugeliu atvejų, ypač veikiamas elektrinių ir magnetinių laukų, yra toks neįprastas, kad dažnai vadinamas nauja ketvirtąja materijos būsena. 1879 m. anglų fizikas W. Crookesas, tyrinėjęs elektros išlydį vamzdeliuose su retu oru, rašė: „Reiškiniai evakuotuose vamzdeliuose atveria naują pasaulį fiziniam mokslui, kuriame materija gali egzistuoti ketvirtoje būsenoje. Senovės filosofai tikėjo, kad visatos pagrindą sudaro keturi elementai: žemė, vanduo, oras ir ugnis. . Tam tikra prasme tai atitinka šiuo metu priimtą skirstymą į agreguotas materijos būsenas, o ketvirtasis elementas – ugnis – akivaizdžiai atitinka plazmą.

Pats terminas „plazma“, susijęs su beveik neutraliomis jonizuotomis dujomis, buvo įvestas amerikiečių fizikai Langmuiras ir Tonksas 1923 m., apibūdindami reiškinius dujų išlydžio metu. Iki tol žodį „plazma“ vartojo tik fiziologai ir reiškė bespalvį skystą kraujo, pieno ar gyvų audinių komponentą, tačiau netrukus „plazmos“ sąvoka tvirtai pateko į tarptautinį fizikos žodyną ir tapo plačiai vartojama.

Frankas-Kamenetsky D.A. Plazmos ketvirtoji materijos būsena. M., Atomizdat, 1963 m
Artsimovičius L.A. Elementarioji plazmos fizika. M., Atomizdatas, 1969 m
Smirnovas B.M. Plazmos fizikos įvadas. M., Nauka, 1975 m
Milantiev V.P., Temko S.V. Plazmos fizika. M., Išsilavinimas, 1983 m
Chenas F. Plazmos fizikos įvadas. M., Mir, 1987 m

Raskite „PLASMA“.

Plazma Plazminė lempa, iliustruojanti kai kuriuos sudėtingesnius plazmos reiškinius, įskaitant filamentaciją. Plazmos švytėjimą sukelia elektronų perėjimas iš didelės energijos būsenos į mažos energijos būseną po rekombinacijos su jonais. Dėl šio proceso susidaro spinduliuotė, kurios spektras atitinka sužadintas dujas.

Žodis „jonizuotas“ reiškia, kad bent vienas elektronas buvo atskirtas nuo didelės atomų ar molekulių dalies elektronų apvalkalo. Žodis „kvazineutralus“ reiškia, kad nepaisant laisvųjų krūvių (elektronų ir jonų), bendras plazmos elektrinis krūvis yra maždaug lygus nuliui. Laisvųjų elektros krūvių buvimas paverčia plazmą laidžia terpe, todėl jos sąveika su magnetiniais ir elektriniais laukais yra žymiai didesnė (palyginti su kitomis agreguotomis medžiagos būsenomis). Ketvirtąją materijos būseną 1879 metais atrado W. Crookes, o 1928 metais I. Langmuiras pavadino „plazma“, galbūt dėl ​​jos sąsajos su kraujo plazma. Langmuir rašė:

Išskyrus šalia elektrodų, kur randamas nedidelis elektronų skaičius, jonizuotose dujose jonų ir elektronų yra beveik vienodais kiekiais, todėl sistemos grynasis krūvis yra labai mažas. Mes naudojame terminą plazma, kad apibūdintume šią paprastai elektriškai neutralią jonų ir elektronų sritį.

Plazmos formos

Remiantis šiandieninėmis koncepcijomis, daugumos Visatos materijos (apie 99,9 % masės) fazinė būsena yra plazma. Visos žvaigždės yra pagamintos iš plazmos ir net tarpas tarp jų yra užpildytas plazma, nors ir labai reta (žr. tarpžvaigždinę erdvę). Pavyzdžiui, Jupiterio planeta savyje sukoncentravo beveik visą Saulės sistemos materiją, kuri yra „ne plazmos“ būsenoje (skysta, kieta ir dujinė). Tuo pačiu metu Jupiterio masė sudaro tik apie 0,1% Saulės sistemos masės, o jos tūris yra dar mažesnis: tik 10–15%. Šiuo atveju mažiausios dulkių dalelės, užpildančios kosminę erdvę ir turinčios tam tikrą elektros krūvį, kartu gali būti laikomos plazma, susidedančia iš itin sunkių įkrautų jonų (žr. dulkėtą plazmą).

Plazmos savybės ir parametrai

Plazmos nustatymas

Plazma yra iš dalies arba visiškai jonizuotos dujos, kuriose teigiamų ir neigiamų krūvių tankiai yra beveik vienodi. Ne kiekviena įkrautų dalelių sistema gali būti vadinama plazma. Plazma turi šias savybes:

• Pakankamas tankis: Įkrautos dalelės turi būti pakankamai arti viena kitos, kad kiekviena iš jų sąveikautų su visa šalia esančių įkrautų dalelių sistema. Sąlyga laikoma įvykdyta, jei įkrautų dalelių skaičiaus įtakos sferoje (sferoje su Debye spinduliu) pakanka kolektyviniam poveikiui atsirasti (tokie pasireiškimai yra tipinė plazmos savybė). Matematiškai ši sąlyga gali būti išreikšta taip:

• Pirmenybė vidinėms sąveikoms: Debye atrankos spindulys turi būti mažas, palyginti su būdingu plazmos dydžiu. Šis kriterijus reiškia, kad plazmos viduje vykstančios sąveikos yra reikšmingesnės, palyginti su poveikiu jos paviršiui, į kurią galima nepaisyti. Jei ši sąlyga įvykdoma, plazma gali būti laikoma beveik neutralia. Matematiškai tai atrodo taip:

klasifikacija

Plazma paprastai skirstoma į puikus Ir netobulas, žema temperatūra Ir aukštos temperatūros, pusiausvyra Ir nepusiausvyra, ir gana dažnai šalta plazma yra nepusiausvyra, o karšta plazma yra pusiausvyra.

Temperatūra

Skaitydamas populiariąją mokslinę literatūrą skaitytojas dažnai mato dešimčių, šimtų tūkstančių ar net milijonų °C ar K dydžio plazmos temperatūros vertes. Norint apibūdinti plazmą fizikoje, patogu matuoti temperatūrą ne °C. , bet būdingos dalelių judėjimo energijos matavimo vienetais, pavyzdžiui, elektronų voltais (eV). Norėdami konvertuoti temperatūrą į eV, galite naudoti tokį ryšį: 1 eV = 11600 K (Kelvinas). Taigi tampa aišku, kad „dešimčių tūkstančių °C“ temperatūra yra gana lengvai pasiekiama.

Nepusiausvyros plazmoje elektronų temperatūra žymiai viršija jonų temperatūrą. Taip nutinka dėl jonų ir elektronų masių skirtumo, todėl energijos mainų procesas apsunkinamas. Tokia situacija susidaro dujų išlydžiose, kai jonų temperatūra siekia apie šimtus, o elektronų – apie dešimtis tūkstančių K.

Pusiausvyros plazmoje abi temperatūros yra vienodos. Kadangi jonizacijos procesui reikia temperatūros, panašios į jonizacijos potencialą, pusiausvyros plazma paprastai yra karšta (daugiau nei keli tūkstančiai K).

Koncepcija aukštos temperatūros plazma paprastai naudojamas termobranduolinės sintezės plazmai, kuriai reikia milijonų K temperatūros.

Jonizacijos laipsnis

Kad dujos taptų plazma, jos turi būti jonizuotos. Jonizacijos laipsnis yra proporcingas elektronus dovanojusių ar sugėrusių atomų skaičiui ir labiausiai priklauso nuo temperatūros. Netgi silpnai jonizuotos dujos, kuriose mažiau nei 1% dalelių yra jonizuotos būsenos, gali pasižymėti kai kuriomis tipiškomis plazmos savybėmis (sąveika su išoriniu elektromagnetiniu lauku ir didelis elektros laidumas). Jonizacijos laipsnis α yra apibrėžiamas kaip α = n aš/( n i+ n a), kur n i yra jonų koncentracija ir n a – neutralių atomų koncentracija. Laisvųjų elektronų koncentracija neįkrautoje plazmoje n e nustatomas akivaizdžiu ryšiu: n e =<Z> n aš, kur<Z> yra vidutinis plazmos jonų krūvis.

Žemos temperatūros plazmai būdingas mažas jonizacijos laipsnis (iki 1%). Kadangi tokios plazmos gana dažnai naudojamos technologiniuose procesuose, kartais jos vadinamos technologinėmis plazmomis. Dažniausiai jie sukuriami naudojant elektrinius laukus, kurie pagreitina elektronus, kurie savo ruožtu jonizuoja atomus. Elektriniai laukai į dujas įvedami per indukcinę arba talpinę jungtį (žr. Induktyviai susietą plazmą). Tipiški žemos temperatūros plazmos panaudojimo būdai yra paviršiaus savybių modifikavimas plazmoje (deimantinės plėvelės, metalų nitridavimas, drėkinimo modifikavimas), paviršių ėsdinimas plazminiu būdu (puslaidininkių pramonė), dujų ir skysčių valymas (vandens ozonavimas ir suodžių dalelių deginimas dyzeliniuose varikliuose). .

Karšta plazma beveik visada yra visiškai jonizuota (jonizacijos laipsnis ~100%). Paprastai būtent tai suprantama kaip „ketvirtoji materijos būsena“. Pavyzdys yra Saulė.

Tankis

Be temperatūros, kuri yra esminė plazmos egzistavimui, antra pagal svarbą plazmos savybė yra jos tankis. Kolokacija plazmos tankis paprastai reiškia elektronų tankis, tai yra laisvųjų elektronų skaičius tūrio vienete (griežtai kalbant, čia tankis vadinamas koncentracija – ne tūrio vieneto masė, o dalelių skaičius tūrio vienete). Kvazineutralioje plazmoje jonų tankis prijungtas prie jo per vidutinį krūvį jonų skaičių: . Kitas svarbus dydis yra neutralių atomų tankis. Karštoje plazmoje jis mažas, bet vis dėlto gali būti svarbus plazmoje vykstančių procesų fizikai. Nagrinėjant procesus tankioje, neidealioje plazmoje, būdingas tankio parametras tampa , kuris apibrėžiamas kaip vidutinio atstumo tarp dalelių ir Boro spindulio santykis.

Kvazineutralumas

Kadangi plazma yra labai geras laidininkas, elektrinės savybės yra svarbios. Plazmos potencialas arba erdvės potencialas vadinama vidutine elektrinio potencialo verte tam tikrame erdvės taške. Jei į plazmą patenka koks nors kūnas, jo potencialas paprastai bus mažesnis už plazmos potencialą dėl Debye sluoksnio atsiradimo. Šis potencialas vadinamas plaukiojantis potencialas. Dėl gero elektrinio laidumo plazma linkusi ekranuoti visus elektrinius laukus. Tai veda prie kvazineutralumo fenomeno – neigiamų krūvių tankis lygus teigiamų krūvių tankiui (geru tikslumu). Dėl gero plazmos elektrinio laidumo teigiamų ir neigiamų krūvių atskyrimas yra neįmanomas didesniais atstumais nei Debye ilgis ir kartais didesniais nei plazmos virpesių periodas.

Nekvazineutralios plazmos pavyzdys yra elektronų pluoštas. Tačiau neneutralių plazmų tankis turi būti labai mažas, antraip jos greitai sunyks dėl Kulono atstūmimo.

Skirtumai nuo dujinės būsenos

Plazma dažnai vadinama ketvirtoji materijos būsena. Ji skiriasi nuo trijų mažiau energingų agreguotų materijos būsenų, nors yra panaši į dujų fazę, nes neturi konkrečios formos ar tūrio. Vis dar diskutuojama, ar plazma yra atskira agregacijos būsena, ar tik karštos dujos. Dauguma fizikų mano, kad plazma yra daugiau nei dujos dėl šių skirtumų:

Sudėtingi plazmos reiškiniai

Nors valdančiosios lygtys, apibūdinančios plazmos būsenas, yra gana paprastos, kai kuriose situacijose jos negali tinkamai atspindėti tikrosios plazmos elgesio: tokių efektų atsiradimas yra tipiška sudėtingų sistemų savybė, jei joms apibūdinti naudojami paprasti modeliai. Didžiausias skirtumas tarp tikrosios plazmos būsenos ir jos matematinio aprašymo pastebimas vadinamosiose ribinėse zonose, kur plazma pereina iš vienos fizinės būsenos į kitą (pavyzdžiui, iš žemo jonizacijos laipsnio būsenos į labai stiprią). jonizuotas). Čia plazmos negalima apibūdinti naudojant paprastas sklandžias matematines funkcijas arba naudojant tikimybinį metodą. Tokie efektai, kaip spontaniški plazmos formos pokyčiai, yra įkrautų dalelių, sudarančių plazmą, sąveikos sudėtingumo pasekmė. Tokie reiškiniai įdomūs tuo, kad pasireiškia staigiai ir nėra stabilūs. Daugelis jų iš pradžių buvo tiriami laboratorijose, o vėliau atrasti Visatoje.

Matematinis aprašymas

Plazmą galima aprašyti įvairiais detalumo lygiais. Paprastai plazma aprašoma atskirai nuo elektromagnetinių laukų. Bendras laidžiojo skysčio ir elektromagnetinių laukų aprašymas pateiktas magnetohidrodinaminių reiškinių teorijoje arba MHD teorijoje.

Skysčio (skysčio) modelis

Skysčio modelyje elektronai apibūdinami pagal tankį, temperatūrą ir vidutinį greitį. Modelis pagrįstas: tankio balanso lygtimi, impulso išsaugojimo lygtimi ir elektronų energijos balanso lygtimi. Dviejų skysčių modelyje jonai apdorojami taip pat.

Kinetinis aprašymas

Kartais skysčio modelio nepakanka plazmai apibūdinti. Išsamesnį aprašymą pateikia kinetinis modelis, kuriame plazma apibūdinama elektronų pasiskirstymo pagal koordinates ir momento funkciją. Modelis pagrįstas Boltzmanno lygtimi. Boltzmanno lygtis netaikoma įkrautų dalelių, turinčių Kulono sąveiką, plazmai apibūdinti dėl tolimojo Kulono jėgų pobūdžio. Todėl, norint apibūdinti plazmą su Kulono sąveika, naudojama Vlasovo lygtis su savaime nuosekliu elektromagnetiniu lauku, kurį sukuria įkrautos plazmos dalelės. Kinetinis aprašymas turi būti naudojamas nesant termodinaminės pusiausvyros arba esant stipriam plazmos nehomogeniškumui.

Dalelė ląstelėje (dalelė ląstelėje)

„Particle-In-Cell“ modeliai yra išsamesni nei kinetiniai modeliai. Jie apima kinetinę informaciją, stebėdami daugelio atskirų dalelių trajektorijas. Elektros krūvis ir srovės tankis nustatomi susumavus dalelių skaičių ląstelėse, kurios yra mažos, palyginti su nagrinėjama problema, tačiau vis dėlto turi daug dalelių. Elektriniai ir magnetiniai laukai nustatomi pagal krūvio ir srovės tankį ląstelės ribose.

Pagrindinės plazmos charakteristikos

Visi dydžiai pateikiami Gauso CGS vienetais, išskyrus temperatūrą, kuri pateikiama eV, ir jonų masę, kuri pateikiama protonų masės vienetais; Z- įkrovimo numeris; k- Boltzmann konstanta; KAM- bangos ilgis; γ - adiabatinis indeksas; ln Λ – Kulono logaritmas.

Dažniai

• Elektronų Larmor dažnis, kampinis elektrono apskrito judėjimo plokštumoje, statmenoje magnetiniam laukui, dažnis:

• Jono Larmor dažnis, jono apskritimo judėjimo plokštumoje, statmenoje magnetiniam laukui, kampinis dažnis:

• plazmos dažnis(plazmos virpesių dažnis), dažnis, kuriuo elektronai svyruoja aplink pusiausvyros padėtį, pasislinkę jonų atžvilgiu:

• jonų plazmos dažnis:

• elektronų susidūrimo dažnis

• jonų susidūrimo dažnis

Ilgiai

• De Broglie elektronų bangos ilgis, elektronų bangos ilgis kvantinėje mechanikoje:

• minimalus artėjimo atstumas klasikiniu atveju, mažiausias atstumas, per kurį dvi įkrautos dalelės gali priartėti viena prie kitos įvykus susidūrimui, ir pradinis greitis, atitinkantis dalelių temperatūrą, neatsižvelgiant į kvantinius mechaninius efektus:

• elektronų giromagnetinis spindulys, elektrono apskrito judėjimo magnetiniam laukui statmenoje plokštumoje spindulys:

• jonų giromagnetinis spindulys, jono apskrito judėjimo magnetiniam laukui statmenoje plokštumoje spindulys:

• plazminio odos sluoksnio dydis, atstumas, kuriuo elektromagnetinės bangos gali prasiskverbti į plazmą:

• Debye spindulys (Debye ilgis), atstumas, kuriuo elektriniai laukai ekranuojami dėl elektronų persiskirstymo:

Greičiai

• šiluminis elektronų greitis, formulė elektronų greičiui įvertinti pagal Maksvelo skirstinį. Vidutinis greitis, labiausiai tikėtinas greitis ir vidutinis kvadratinis greitis nuo šios išraiškos skiriasi tik vienybės eilės veiksniais:

• šiluminis jonų greitis, formulė jonų greičiui įvertinti pagal Maksvelo skirstinį:

• jonų garso greitis, išilginių jonų garso bangų greitis:

• Alfveno greitis, Alfveno bangų greitis:

Kiekiai be matmenų

• kvadratinė šaknis iš elektronų ir protonų masių santykio:

• Dalelių skaičius Debye sferoje:

• Alfveno greičio ir šviesos greičio santykis

• plazmos ir Larmor dažnių santykis elektronui

• jonų plazmos ir Larmor dažnių santykis

• šiluminės ir magnetinės energijos santykis

• magnetinės energijos ir jonų ramybės energijos santykis

Kita

• Bohmo difuzijos koeficientas

• Spitzer šoninis atsparumas

Dėl didelio smūginės jonizacijos efektyvumo dujų išlydyje atsiranda daug teigiamų jonų, o jonų ir elektronų koncentracija yra vienoda. Tokia elektronų ir teigiamų jonų, paskirstytų ta pačia koncentracija, sistema vadinama plazma . Terminą „plazma“ 1929 metais įvedė amerikiečių fizikai I. Langmuiras ir L. Tonksas.

Dujų išlydžio metu atsirandanti plazma vadinama dujų išlydžiu; jame yra teigiamas švytėjimo išlydžio stulpelis, kibirkšties ir lanko išlydžio kanalas.

Teigiamas stulpelis reiškia vadinamąjį neišoterminė plazma. Tokioje plazmoje elektronų, jonų ir neutralių molekulių (atomų) vidutinės kinetinės energijos skiriasi.

Prisiminkime ryšį tarp idealių dujų molekulių vidutinės kinetinės energijos (dujų slėgis švytėjimo išlydžioje mažas, todėl jį galima laikyti idealiu) ir temperatūros.

Galima teigti, kad plazmos komponentų temperatūros skiriasi. Taigi, elektronų temperatūra švytinčioje išlydyje neone esant 3 mm slėgiui. rt. Art., apie 4∙10 4 K, o jonų ir atomų temperatūra yra 400 K, o jonų temperatūra yra šiek tiek aukštesnė už atominę temperatūrą.

Plazma, kurioje yra lygybė:(kur indeksai " ai», « Ir», « A"reiškia elektronus, jonus, atomus) vadinamas izoterminiu . Tokia plazma atsiranda jonizacijos metu naudojant aukštą temperatūrą (lanko degimas esant atmosferos slėgiui ir aukštesniam, kibirkšties kanalas); pavyzdžiui, itin aukšto slėgio lanke (iki 1000 atm.) plazmos temperatūra siekia 10 000 K, plazmos temperatūra termobranduolinio sprogimo metu siekia keliasdešimt milijonų laipsnių, termobranduolinių tyrimų instaliacijoje TOKAMAK reakcijos – maždaug 7∙10 6 K.

Plazma gali atsirasti ne tik tada, kai srovė praeina per dujas. Dujos taip pat gali būti paverstos plazmine būsena, kaitinant jas iki aukštos temperatūros. Žvaigždžių (taip pat ir saulės) vidinės sritys yra plazminės būsenos, kurių temperatūra siekia 10 8 K (8.10 pav.).

Įkrautų dalelių ilgalaikė Kulono sąveika plazmoje lemia kokybinį plazmos unikalumą, leidžiantį laikyti ją ypatinga, ketvirtoji materijos būsena.

Svarbiausios plazmos savybės :

Plazma yra labiausiai paplitusi materijos būsena Visatoje. Saulė ir kitos žvaigždės yra sudarytos iš visiškai jonizuotos aukštos temperatūros plazmos. Pagrindinis žvaigždžių spinduliuotės energijos šaltinis yra termodinaminės sintezės reakcijos, vykstančios žvaigždžių viduje esant milžiniškai temperatūrai. Šalti ūkai ir tarpžvaigždinė terpė taip pat yra plazmos būsenoje. Tai žemos temperatūros plazma, kurios jonizacija daugiausia vyksta fotojonizacijos būdu, veikiant žvaigždžių ultravioletinei spinduliuotei. Arti Žemės esančioje erdvėje silpnai jonizuota plazma randama Žemės radiacijos juostose ir jonosferoje. Šioje plazmoje vykstantys procesai siejami su tokiais reiškiniais kaip magnetinės audros, tolimojo radijo ryšio sutrikimai ir pašvaistė.

Žematemperatūrinė dujų išlydžio plazma, susidaranti dujose švytėjimo, kibirkšties ir lanko išlydžio metu, plačiai naudojama įvairiuose šviesos šaltiniuose, dujų lazeriuose, suvirinimui, pjovimui, lydymui ir kitiems metalo apdirbimo darbams.

Pagrindinis praktinis susidomėjimas plazmos fizika yra susijęs su kontroliuojamos termobranduolinės sintezės problemos sprendimu – lengvųjų atomų branduolių sintezės procesu aukštoje temperatūroje kontroliuojamomis sąlygomis. Reakcijoje reaktoriaus išeiga 10 5 kW/m 3

esant 10 5 cm - 3 plazmos tankiui ir 10 8 K temperatūrai.

Aukštos temperatūros plazmą (1950 m. SSRS, I. E. Tamm, A. D. Sacharovas) siūloma laikyti stipriu magnetiniu lauku toroidinėje kameroje su magnetinėmis ritėmis, sutrumpintai kaip - tokamakas. 8.11 paveiksle parodyta tokamako grandinė: 1 – transformatoriaus pirminė apvija; 2 – toroidinės magnetinio lauko ritės; 3 – įdėklas, plonasienė vidinė kamera toroidiniam elektriniam laukui išlyginti; 4 – toroidinės magnetinio lauko ritės; 5 – vakuuminė kamera; 6 – geležinė šerdis (magnetinė šerdis).

Šiuo metu, įgyvendinant pasaulinę termobranduolinę programą, naujausios sistemos, pvz tokamakas. Pavyzdžiui, pirmasis rusas sferinis tokamakas„Globus-M“. Plazmos konfigūracijos valdymui tirti planuojama sukurti didelį tokamaką TM-15. Kazachstano tokamako KTM statyba pradėta bandyti termobranduolinės energijos technologijas. 8.12 paveiksle parodyta KTM tokamako skerspjūvio schema ir vaizdas su vakuumine kamera.

Valdomos termobranduolinės reakcijos įgyvendinimas aukštos temperatūros plazmoje leis žmonijai ateityje gauti praktiškai neišsenkamą energijos šaltinį.

Žemos temperatūros plazma ( T~ 10 3 K) naudojamas dujų išlydžio šviesos šaltiniuose, dujiniuose lazeriuose, šiluminės energijos keitikliuose į elektros energiją. Galima sukurti plazminį variklį, kuris būtų efektyvus manevravimui kosmose ir ilgalaikiams skrydžiams į kosmosą.

Plazma naudojama kaip darbinis skystis plazminiuose raketų varikliuose ir MHD generatoriuose.

Plazmos judėjimas magnetiniame lauke naudojamas tiesioginio jonizuotų dujų vidinės energijos pavertimo elektros energija būdu. Šis metodas buvo įgyvendintas m magnetohidrodinaminis generatorius(MHD generatorius), kurio jungimo schema parodyta 8.13 pav.

Labai įkaitintos jonizuotos dujos, susidarančios deginant kurą ir degimo produktus sodrinant šarminių metalų garais, kurie padidina dujų jonizacijos laipsnį, praeina pro antgalį ir jame plečiasi. Šiuo atveju dalis vidinės dujų energijos paverčiama jų kinetine energija. Skersiniame magnetiniame lauke (8.9 pav. lauko magnetinės indukcijos vektorius nukreiptas už piešinio plokštumos) teigiami jonai, veikiami Lorenco jėgų, nukreipiami į viršutinį elektrodą. A, o laisvieji elektronai patenka į apatinį elektrodą KAM. Kai elektrodai yra trumpai sujungti su išorine apkrova, jais teka elektros srovė, nukreipta iš anodo A, MHD generatorius, prie jo katodo KAM.

Plazmos savybės skleisti elektromagnetines bangas ultravioletinių spindulių diapazone naudojamos šiuolaikiniuose plokščiaekraniuose plazminiuose televizoriuose. Plazmos jonizacija plokščiame ekrane vyksta dujų išlydžio metu. Iškrova atsiranda, kai dujų molekules bombarduoja elektronai, pagreitinti elektrinio lauko – nepriklausoma iškrova. Iškrova palaikoma esant gana dideliam elektriniam potencialui – dešimtims ir šimtams voltų. Plazminiams ekranams labiausiai paplitęs dujų užpildymas yra inertinių dujų mišinys helio arba neono pagrindu su ksenono priedu.

Plokščiaekranio televizoriaus arba ekrano, kuriame naudojami dujų išlydžio elementai, ekranas yra sudarytas iš daugybės elementų, kurių kiekviena yra nepriklausomas skleidžiantis elementas. 8.14 paveiksle parodytas plazmos elemento, sudaryto iš fosforo 1, elektrodų 2, kurie inicijuoja plazmą 5, dielektrinio sluoksnio (MgO) 3, stiklo 4, adreso elektrodo 6, konstrukcija. Adreso elektrodas kartu su pagrindine laidininkas, atlieka veidrodžio, atspindinčio pusę šviesos, skleidžiamos į žiūrovą, funkciją.

Tokio plazminio ekrano tarnavimo laikas yra 30 tūkstančių valandų.

Plokšti dujų išlydžio ekranai, atkuriantys spalvotus vaizdus, ​​naudoja trijų tipų fosforus, kurie skleidžia raudoną (R), žalią (G) ir mėlyną (B) šviesą. Plokščiaekranis televizorius su ekranu, pagamintu iš dujų išlydžio elementų, turi apie milijoną mažų plazminių elementų, surinktų į RGB pikselių triadas ( pikselis – vaizdo elementas).

Be trijų pagrindinių materijos būsenų: skystos, kietos ir dujinės, yra ir ketvirtoji materijos būsena. Ši būsena vadinama plazma. Plazma- iš dalies arba visiškai jonizuotos dujos. Plazma gali būti pagaminta toliau kaitinant dujas. Esant pakankamai aukštai temperatūrai, prasideda dujų jonizacija. Ir tai virsta plazmine būsena.

Plazmos jonizacijos laipsnis gali būti skirtingas, priklausomai nuo to, kiek atomų ir molekulių yra jonizuota. Be dujų šildymo, plazmą galima gauti ir kitais būdais. Pavyzdžiui, naudojant spinduliuotę arba bombarduojant dujas greitai įkrautomis dalelėmis. Tokiais atvejais kalbame apie žemos temperatūros plazmą.

Plazmos savybės

Plazma buvo padalinta į atskirą ketvirtąją materijos būseną, nes ji turi specifinių savybių. Plazma kaip visuma yra elektriškai neutrali sistema. Bet koks neutralumo pažeidimas pašalinamas susikaupus to paties ženklo dalelėms.

Taip atsitinka todėl, kad įkrautos plazmos dalelės turi labai didelį mobilumą ir jas lengvai veikia elektriniai ir magnetiniai laukai. Veikiamos elektrinių laukų, įkrautos dalelės juda link neutralumo pažeidimo, kol elektrinis laukas tampa lygus nuliui, tai yra atstatomas neutralumas.

Kulono traukos jėgos veikia tarp plazmos molekulių. Be to, kiekviena dalelė vienu metu sąveikauja su daugybe kitų ją supančių dalelių. Dėl to plazmos dalelės, be chaotiško šiluminio judėjimo, gali dalyvauti įvairiuose tvarkinguose judesiuose. Todėl plazmoje lengva sužadinti įvairius virpesius ir bangas.
Didėjant plazmos jonizacijos laipsniui, didėja jos laidumas. Esant pakankamai aukštai temperatūrai, plazma gali būti laikoma superlaidininku.

Plazma gamtoje

Didelė visatos materijos dalis yra plazmos būsenoje. Pavyzdžiui, Saulė ir kitos žvaigždės dėl savo aukštos temperatūros daugiausia susideda iš visiškai jonizuotos plazmos. Tarpžvaigždinė terpė taip pat susideda iš plazmos. Čia atomų jonizaciją sukelia pačių žvaigždžių spinduliavimas.

Tarpžvaigždinė plazma yra žemos temperatūros plazmos pavyzdys. Mūsų planeta taip pat yra apsupta plazmos. Pavyzdžiui, jonosfera. Jonosferoje dujų jonizaciją sukelia saulės spinduliuotė. Virš jonosferos yra Žemės spinduliuotės juostos, kurios taip pat susideda iš plazmos.

Šiuo atveju plazma taip pat yra žemos temperatūros. Daugumą plazmos savybių taip pat turi laisvieji elektronai metaluose. Tačiau jų apribojimas yra tai, kad jie negali laisvai judėti visame kūno tūryje.