Введение

Несколько недель назад услышал в вагоне метро разговор молодых людей, одна фраза из которого запомнилась, так как коснулась моей прошлой жизни, связанной с исследованием газоразрядной плазмы. Фраза была следующая: "Понимаю, что такое поляризация света, но, хоть убей, не могу понять, что такое поляризация плазмы. Даже, в Википедии не нашел ответа".
По возвращении домой убедился через интернет, что в электронной энциклопедии Википедия, действительно, нет информации по этому вопросу, и в связи с этим предлагается написать для энциклопедии статью "Поляризация плазмы"...

Спустя некоторое время подспудно появилось желание описать свое видение этой темы, но не в Википедии, а на своем сайте, хотя до этого думал, что ничего больше для сайта писать не буду.
Для статьи в Википедию нужно сухим беспристрастным языком изложить суть рассматриваемого вопроса. Однако услышанные слова навеяли столько воспоминаний, что решил пояснить это понятие не в Википедии, а на своем сайте совместно с рассказом о событиях, которые привели меня самого к этому понятию.

Как удалось выяснить роль поляризации в разряде.

Пересказывать содержание предыдущих страниц сайта не стану, а только сделаю краткие "выжимки" из них.
Математическая обработка результатов экспериментального измерения давления р в разрядных трубках в зависимости от величины тока разряда I, начального давления наполняющего трубки газа p_o и радиуса трубки R показала, что приближенно величину р можно выразить в виде произведения трех показательных функций следующей формулой:

В этой формуле показатели степеней являются средними экспериментальными значениями, округленными для легкости запоминания до простейших дробей. Величина масштабного множителя Π_o также является усредненным эмпирическим значением, которое при расчете по этой формуле можно считать постоянной величиной. Формула получена при анализе режимов разряда, обеспечивавших создание в канале разряда сильно или полностью ионизованной плазмы. Таким образом, с помощью зависимости (1) по заданным значениям I, p_o и R, при которых получается названная плазма, можно оценивать величину давления разряда р с точностью до множителя обычно не более двух в обследованной области параметров разрядов.

Зависимость (1) была получена вовремя экспериментального исследования разрядов при подготовке диссертационной работы на соискание ученой степени к.ф.-м.н. на собственноручно собранной экспериментальной установке. Причем подавляющая часть узлов экспериментальной установки была изготовлена в домашней мастерской, так как в лаборатории был только сверлильный станок и настольное электрическое точило. Большего в лаборатории из механического оборудования по соображениям техники безопасности иметь не полагалось: как-никак, а институт учебный. Поэтому без домашней мастерской этой статьи никогда бы не было.
В сформированных на установке разрядах была получена сильно и полностью ионизованная квазистационарная плазма при токах разрядов в диапазоне от килоампер до десятков килоампер. Было впервые проведено подробное исследование таких разрядов. Аналогов этим опытам встретить в литературе не удалось.

Понять природу выражения (1) помог мысленый анализ однородной модели линейного ограниченного стенками разряда, в основу которой было положено следующее простое допущение: любая частица из канала, сталкивающаяся со стенками, теряет (уносит из канала) порцию энергии ΔE. Напрямую это обозначение в выкладках обычно не использовалось, а использовалась величина τ, связанная с ΔE соотношением:

Здесь k- постоянная Больцмана, а T - температура плазмы.
Кроме того, предполагалось, что электропроводность σ плазмы канала описывается формулой Спитцера, которая получена для описания полностью ионизованной плазмы, но которая, видимо, подходит и для описания сильно ионизованной плазмы:

Элементарный алгебраический анализ энергобаланса этой однородной модели приводит, в частности, к следующему выражению для давления в разряде р:

Сопоставление модельной зависимости (4) с эмпирической (1) показывает структурое сходство этих формул, а отклонение расчетных значений давления от экспериментальных по этой формуле оказывается меньше, чем при обсчете по зависимости (1). Кроме того, в этой формуле величина Π_p (см. страницу "История...") уже не является эмпирическим коэффициентом, а выражается через параметры плазмы канала и величину τ:

Это позволило по известным из опыта значениям p, I, p_o и R оценить численное значение τ из выражений (4-5). Результаты этих оценок показали, что величина ΔE в (2) близка к величине снижения энергии ионизации частиц в плазме разряда. Таким образом, величина τ представляет собой отношение величины снижения энергии ионизации частиц в плазме разряда к величине их поступательной энергии kT. Величина τ легко оценивается, если известен термодинамический состав плазмы.

Таким образом, в июне 1976 года был получен фундаментальный, с моей точки зрения, результат, который наглядно можно сформулировать следующим образом. При соударении любой частицы канала разряда со стенками последним передается порция энергии ΔE, равная снижению энергии частиц в плазме канала, обуславливаемому поляризацией плазмы.

В 1976 г. была отослана в журнал "Теплофизика высоких температур" (ТВТ) для публикации статья, содержащая результаты экспериментального измерения давления в разрядах, эмпирическую зависимость, их описывающую, и возможное её объяснение на основе учета поляризации плазмы. Редколлегия журнала пропустила в печать лишь описание экспериментов, приведших к зависимости (1), и попросила исключить из статьи обоснование её, построенное на учете снижения энергии ионизации в разряде. В урезанном виде статья появилась во второй половине 1978 г.

В связи с решением руководства института (МИФИ) по измению направления деятельности кафедры, принятом в 1976 г., моя экспериментальная установка по формированию сильноточных разрядов, которую по крупицам изготавливал, собирал, отлаживал, вносил изменения в течение почти четырех лет, была за три дня разобрана и выброшена на свалку где-то в середине 1977 г. с целью освобождения площади для проведения семинаров физиков-теоретиков. Это было для меня ударом, причем особенно сильным в связи с тем, что незадолго до этого выяснилось, что конденсаторы ИМ5-150, которые установил в последний вариант генератора тока и которые согласно справочникам можно использовать только при напряжениях до 5 киловольт, сделаны по спецзаказу на большее напряжение. Проведенные испытания показали, что их можно заряжать до напряжения 12 киловольт. А это означало, что генератор без всяких переделок мог формировать прямоугольные импульсы тока амплитудой до 100 килоампер вместо 40, которые формировались при 5 киловольтах. Поэтому на установке стало возможным проведение исследований при токах до 100 килоампер, причем для их проведения нужно было только время.

Изменение деятельности кафедры произошло в связи с тем, что ставший в 1974 г. ректором МИФИ В.М. Колобашкин на каком-то внеинститутском совещании (он был отягчен членством в значительном числе различных советов и комитетов самого различного характера) загорелся идеей разработки лазерных методов для поиска месторождений нефти и газа. Поэтому создал на основе кафедры, ранее руководимой Е.С.Треховым и оставшейся к тому времени без руководителя, проблемную лабораторию.
В качестве руководителя проблемной лаборатории назначил выпускника МИФИ А.И.Попова, который развернул бурную деятельность по рекламе проводимых и планируемых в лаборатории работ как в печати, так и по телевидению, часто заранее выдавая желаемые результаты за действительные. Впоследствии получил широкую известность своими попытками как в печати, так и в интернете, доказать тот факт, что американцы на Луну не летали.

Большинство старых сотрудников потихоньку ушло из лаборатории. Одним из первых, кажется, ушел Александр Николаевич Варгин, начавший работать на кафедре с момента её основания (он перешел на кафедру общей физики). Меня с ним связывала совместная учеба, а впоследствии и работа. Кроме того, это был единственный человек, с которым я постоянно и детально обсуждал результаты по исследованию плазмы сильноточного разряда и возникающих при этом проблем.
В 1980 г. ушел и я в другой институт и с тех пор экспериментальным исследованием физики разрядов не занимался.

Уничтожение экспериментальной установки не позволяло ставить эксперименты с целью получения ответа на целый ряд появившихся при исследовании вопросов, поэтому, чтобы как-то возместить её потерю, до 1981 г. исподволь занимался изучением опубликованных работ по каналовым электрическим дугам, которых насчитывалось достаточно большое количество. Конечно токовый диапазон, в котором были исследованы эти дуги, был невелик (примерно от 10 до 200 ампер) по сравнению с диапазоном уничтоженной установки.

К 1979-81 гг. на основе вывода о роли поляризации плазмы в энергетике плазменого объема, была рассчитана зависимость температуры в каналовых дугах от тока и радиуса канала хорошо согласующаяся с экспериментами. С помощью полученной температурной зависимости была затем рассчитана вольтамперная характеристика каналовой дуги, также хорошо согласующаяся с опубликованной экспериментальной зависимостью. Это были важные результаты в том смысле, что на экспериментальных данных, полученных большим числом независимых исследователей, причем в совершенно другом токовом диапазоне, был подтвержден вывод от июня 1976 о роли поляризации в энергетике плазменного объема (Вывод, исключенный из ранее опубликованной статьи редколлегий ТВТ).

После смены места работы опубликовать этот результат не удалось. Получить направление на публикацию на новом месте оказалось сложно, так как написанная статья была чужда тематике работы. А без такого направления журналы статьи не принимали.

В 1986 г. удалось, наконец, получить направление на публикацию выше упомянутой статьи, которую отправил в журнал "Теплофизика высоких температур". Но с этой статьей произошло почти то же самое, что и со статьей, посланной в ТВТ в 1976 г.. В публикации статьи, построенной на основе учета величины снижения энергии ионизации частиц в плазме, было отказано, но удалось добиться депонирования её в ВИНИТИ от имени Академии Наук СССР и Редколлегии журнала ТВТ, предварительно переписав её на основе допущения, совпадающего по смыслу с допущением (2). Аннотация на депонированную работу появилась в ТВТ в 1990 г.

В 1992 г. сделал последнюю попытку опубликовать полученные расширенные результаты в "открытой" печати, которые касались не только сильноточных разрядов, но и каналовых дуг, плазма канала которых не описывается формулой Спитцера. Новую статью отправил в ТВТ с обоснованием полученных зависимостей на основе учета поляризационных плазменных эффектов, примерно через полтора года получил отказ с пояснениями от члена редколлегии журнала, с которым контактировал раньше (1986 г.) при обсуждении возможности депонирования работы.

По поводу этого отказа хочу сделать несколько замечаний:

1. Согласно известному положению на рецензирование статьи отводится три месяца. Но в данном случае рецензирование продолжалось более полутора лет.

2. "по долгу службы" меня в отказе переименовали из Александра Витальевича в Александра Васильевича. В связи с этим решил на новых страницах сайта указывать полную фамилию, имя и отчество.

3. Замечание о том, что редакция имеет право не указывать причину отказа вызывает недоумение. Рецензент судит об авторе по его статье, а автор судит о рецензенте по его рецензии. И если причина отказа не объясняется, то, вполне возможно, что рецензент скорее всего не компетентен.

Вообще, вред от некомпетентности не так опасен, как вред от желания скрыть её.

4. В предложенной редакции ТВТ работе рассмотрен неизвестный ранее механизм потерь энергии из плазменного объема, установленный при анализе экспериментальной зависимости (1). Учет этого механизма позволил установить неизвестные ранее зависимости, касающиеся сильноточных разрядов, получить которые пытаются в течение не менее 80 лет. Поэтому вывести эти зависимости на основе формул, которые член редколлегии "разжевывает" своим студентам, принципиально невозможно, так как они не учитывают упомянутый механизм потерь, впервые рассматриваемый в данной работе.

Стабильный отказ рецензентов таких журналов как ЖЭТФ, ЖТФ, ТВТ опубликовать выводы из анализа результатов выполненной экспериментальной работы, именно выводов, а не результатов, которые публиковались без проблем, можно объяснить устоявшимися теоретическими представлениями, касающимися плазмы, которые не проверены экспериментально в достаточно широкой области изменения параметров плазмы. Поэтому выводы из анализа экспериментов, которые противоречат этим устоявшимся представлениям, вызывали отторжение.
Одним из таких устоявшихся представлений является критерий Грима, который гласит, что, если концентрация электронов в плазме удовлетворяет значению, вытекающему из этого критерия или превышает его, то в плазме, по крайней мере, реализуется модель частичного ЛТР (чЛТР). Практически это означает, что для оптической диагностики плазмы можно использовать методы, основанные на этой модели. В реализованных плазмах этот критерий выполнялся, но модель чЛТР тем не менее не реализовалась. Это означало просто то, что выполнение критерия Грима не является достаточным условием реализации чЛТР. Этот вывод был сделан мною в первоначальном варианте диссертации.

Оппонирующая организация, в которую обратился для получение заключения по диссертации, в лице ГОИ (Государственный оптический институт им. Вавилова С.И., что в Ленинграде) по заключению лаборатории, руководимой И.В.Подмошенским, в которой мною была сделана предзащита диссертации, отказалась в связи с этим выводом дать положительный отзыв на диссертацию.

Хочу отметить, что примерно за полгода до этого Иван Васильевич был у меня на установке в МИФИ, которая ему чрезвычайно понравилась. Свой отказ дать положительный отзыв в текущей ситуации объяснил просто: "Мы тоже занимаемся исследованием разрядов. Наши экспериментальные работы основываются на критерии Грима, который обоснован теоретически, поэтому, если я дам тебе положительный отзыв, это будет камнем в мой город, в институт, где я работаю. Найди другую нейтральную оппонирующую организацию или, если это сложно сделать в оставшееся до защиты время (менее двух недель), переделай выводы диссертации".

От предложения Ивана Васильевича сначала отказался. Но потом эта конфликтная ситуация разрешилась следующим образом: я не стал переделывать выводы, а удалил из диссертации материал, вызывающий конфликт. Оставшегося материала вполне хватило для защиты. Как отметил мой оппонент Владимир Николаевич Колесников (ФИАН) в своем выступлении на совете по защите диссертаций: "Представленного в диссертации материала достаточно для защиты пяти полновесных кандидатских диссертаций".

Процедура получения положительного отзыва оттянула защиту на полтора года, так как пришлось заново отстоять более чем годовую очередь из соискателей. Причем возникло непредвиденное препятствие - защищаться по ранее выбранной специальности ("Физика и химия плазмы") стало невозможно, так как ученый совет МИФИ был уже лишен права принимать защиту по этой специальности из-за отсутствия в нем специалистов данного профиля. Успешная защита состоялась в конце 1976 г. по другому профилю ("Экспериментальная физика").

В 2004 г. (после собственноручной сборки компьютера в 2001 г.) открыл авторский сайт http://polarization.narod.ru, на котором рассказываю о своих работах в области разрядов и газоразрядной плазмы, причем без получения каких-либо "направлений" на публикацию. На этом сайте мы сейчас и на ходимся.

Поляризация плазмы.

При повышении температуры газа с ним начинают происходить качественные изменения, атомы начинают распадаться на ионы и электроны, то-есть в газе появляются заряженные частицы. При достаточно высокой температуре число заряженных частиц становится значительным. В этом случае говорят, что вещество перешло в состояние плазмы. Наличие заряженных частиц придает плазме ряд особых только ей присущих свойств, например, электропроводность, поэтому плазму часто называют еще четвертым состоянием вещества, помимо известных трех - твердого, жидкого и газообразного. В целом плазма является квазинейтральной, то-есть число положительных и отрицательных зарядов в ней одинаково. Но так как электрические заряженные частицы в плазме стремятся окружать себя частицами противоположного знака в силу кулоновского взаимодействия, то квазинейтральность в малых объемах нарушается. В этом случае говорят о том, что плазма поляризована. Следует подчеркнуть, что это картина не статическая, а динамическая, поскольку частицы в плазме не стоят на месте, а непрерывно двигаются, поэтому электрические поля обусловленные заряженными частицами постоянно меняются (флутуируют).

Наличие заряженных частиц приводит к изменению энергетических характеристик всех без исключения частиц плазы, включая нейтральные. Количество плазменных эффектов, обуславливаемых поляризацией, в краткой статье не перечислить, поэтому упомянем только некоторые, важные для сути дела. Один из основных эффектов указанной категории формулируется следующим образом: энергия ионизации атомов в плазме уменьшается. Что такое энергия ионизации атомов? Это энергия, которую надо затратить, чтобы удалить электрон из уединенного атома на значительное расстояние от него (физики говорят на бесконечность:-)). А как изменяется энергия ионизации, когда атом находится в плазме? При образовании электронно-ионной пары каждый заряд пары (положительный ион и отрицательный электрон) стремятся окружить себя зарядами противоположного знака, существующими в плазме. Эти заряды "помогают" растаскивать электрон от иона, поэтому энергия ионизации за счет этого уменьшается. Вот это уменьшение энергии ионизации и называется снижением энергии ионизации атомов в плазме. Часто употребляется также термин - снижение потенциала ионизации.

Аналогичным образом происходит в плазме и снижение энергии ионизации ионов.
Отметим также важный эффект снижения энергии электронов в плазме. Чтобы удалить электрон из плазмы нужно затратить энергию, так как его притягивают окружающие его положительные ионы.
Заметим, что уменьшение энергии ионизиции атомов и ионов в плазме, и уменьшение энергии электронов в плазме различаются множителем, равным 2. Поэтому в первом приближении можно пренебречь этим различием при оценках. Здесь для справки укажу, что снижение энергии электронов в плазме составляет половину от снижения энергии ионизации атомов в плазме.

Из теоретических соображений следует, что в плазме, состоящей из однократно ионизованных ионов, величина снижения энергии ионизации атомов χ_o выражается через концентрацию электронов в плазме n_e и её температуру Т следующей формулой:

Чтобы почувствовать типичное значение χ_o, рассчитаем величину снижения энергии ионизации атомов, например, в плазме с параметрами n_e=10¹⁷ см^-3 и температурой T=20000К, в результате получим значение 0,065 эв. Сравнивая это со значением типичного потенциала ионизации, например, у водорода он равен 13,6 эв, увидим, что относительное снижение потенциала мало, поэтому этот эффект при расчетах учитывают только в специальных случаях, например, при термодинамическом расчете состава плазмы. Если разделим величину χ_o на величину температуры плазмы T, то найдем для данной плазмы величину параметра τ, который фигурирует в формулах (2) и (5). Эта величина τ показывает, какая доля энергии частицы затрачивается при соударении её со стенками канала (или на удаление за пределы плазменного объема). Для рассматриваемого примера она равна 0,038 или примерно 4%.
Легко заметить, что при неизменном начальном давлении газа, наполняющего трубку, и отсутствии аксиального перемещения его при разряде, величина τ с увеличением амплитуды тока разряда сначала возрастает до определенного значения, а затем начинает убывать.

Заключение

Вот, пожалуй, и все, что могу сказать о поляризации плазмы и её роли в энергетике плазменных образований, не углубляясь в попытки развития и обобщения темы. Все, что здесь сказано, отражает личное понимание автором данного вопроса, поэтому требует к себе критического отношения.

Эта страница сайта написана 19-21 июля 2012 года, Москва.