Сообщение о плазме. Плазма — четвертое агрегатное состояние вещества: свойства, получение и применение

Что такое плазма и чем она отличается от других состояний вещества. Как получают плазму в лабораторных и промышленных условиях. Где применяется плазма в современных технологиях и науке. Какие перспективы открывает использование плазмы в будущем.

Что такое плазма и ее основные свойства

Плазма — это четвертое агрегатное состояние вещества, представляющее собой ионизированный газ. Основные свойства плазмы:

• Состоит из свободных электронов, положительных и отрицательных ионов
• Обладает высокой электропроводностью
• Взаимодействует с магнитными и электрическими полями
• Демонстрирует коллективное поведение частиц
• Характеризуется квазинейтральностью (в целом электрически нейтральна)
• Обладает эффектом экранирования зарядов (дебаевский радиус)

Чем плазма отличается от обычного газа? В плазме частицы взаимодействуют на больших расстояниях за счет кулоновских сил, в то время как в газе взаимодействие происходит только при непосредственных столкновениях.

История открытия и изучения плазмы

Основные вехи в истории исследования плазмы:

• 1819 г. — Майкл Фарадей высказал гипотезу о существовании четвертого, «лучистого» состояния вещества
• 1879 г. — Уильям Крукс экспериментально обосновал существование «четвертого состояния вещества» при изучении катодных лучей
• 1897 г. — Джозеф Томсон открыл электрон, что временно отодвинуло интерес к гипотезе Крукса
• 1928 г. — Ирвинг Ленгмюр ввел термин «плазма» для ионизированного газа
• 1950-е гг. — начало активного изучения плазмы в связи с работами по управляемому термоядерному синтезу

Какую роль сыграли эти открытия? Они последовательно формировали современное представление о плазме как особом состоянии вещества со специфическими свойствами.

Способы получения плазмы

Основные методы получения плазмы:

1. Нагрев газа до очень высоких температур (термическая ионизация)
2. Электрический разряд в газе
3. Воздействие сильного электромагнитного излучения на вещество
4. Сжатие вещества до сверхвысоких плотностей
5. Облучение газа потоком быстрых заряженных частиц

Какой метод получения плазмы наиболее распространен в лабораторных условиях? Чаще всего используется электрический разряд в газе, так как он относительно прост в реализации и позволяет получать плазму с контролируемыми параметрами.

Классификация видов плазмы

Плазму можно классифицировать по различным параметрам:

• По температуре:
  • Низкотемпературная (до 1 млн К)
  • Высокотемпературная (свыше 1 млн К)
• По степени ионизации:
  • Слабоионизованная
  • Сильноионизованная
• По давлению:
  • Низкого давления
  • Высокого давления

Какое практическое значение имеет эта классификация? Она позволяет выбирать оптимальный тип плазмы для различных технологических и исследовательских задач.

Применение плазмы в современных технологиях

Плазма находит широкое применение в различных областях:

• Осветительные приборы (газоразрядные лампы, плазменные панели)
• Обработка материалов (плазменная резка, сварка, напыление покрытий)
• Электроника (производство микрочипов, плазменное травление)
• Медицина (плазменная стерилизация, обработка ран)
• Энергетика (плазмотроны, МГД-генераторы)
• Космические технологии (плазменные двигатели)

Почему плазма так востребована в современных технологиях? Благодаря своим уникальным свойствам она позволяет реализовать процессы, недоступные для обычных агрегатных состояний вещества.

Плазма в природе и космосе

Плазма широко распространена в природе и космосе:

• Звезды, включая Солнце, состоят преимущественно из плазмы
• Солнечный ветер — поток плазмы, исходящий от Солнца
• Ионосфера Земли — слой атмосферы, содержащий плазму
• Полярные сияния — свечение плазмы в верхних слоях атмосферы
• Молнии — плазменные каналы в атмосфере
• Межзвездная среда содержит разреженную плазму

Какую долю видимой материи во Вселенной составляет плазма? По современным оценкам, около 99% видимого вещества во Вселенной находится в состоянии плазмы.

Перспективы исследования и применения плазмы

Основные направления будущих исследований и применений плазмы:

• Управляемый термоядерный синтез для получения энергии
• Разработка новых типов плазменных двигателей для космических аппаратов
• Создание компактных источников рентгеновского и ультрафиолетового излучения
• Развитие плазменных технологий для медицины (лечение рака, стерилизация)
• Использование плазмы для утилизации отходов и очистки окружающей среды

Какие преимущества может дать человечеству освоение управляемого термоядерного синтеза? Это позволит получить практически неисчерпаемый источник чистой энергии, что решит многие экологические и энергетические проблемы.

Проблемы и вызовы в исследовании плазмы

Основные сложности, с которыми сталкиваются исследователи плазмы:

• Создание и удержание высокотемпературной плазмы для термоядерного синтеза
• Разработка материалов, устойчивых к воздействию плазмы
• Моделирование сложных процессов в плазме
• Контроль и управление параметрами плазмы в технологических процессах
• Масштабирование лабораторных плазменных установок до промышленных размеров

Как решаются эти проблемы? Ученые разрабатывают новые методы магнитного и инерционного удержания плазмы, создают сверхпрочные материалы, используют суперкомпьютеры для моделирования и прецизионные диагностические системы.

Плазма и ее применение реферат по физике

Плазма и ее применение . Если любое вещество накалить до очень высокой температуры или пропускать через него сильный электрический ток , его электроны начинают отрываться от атомов . То , что остается от атомов после отрыва электрона , имеет положительный заряд и называется ионом , сам процесс отрыва электронов от атомов называется ионизацией , В результате ионизации получается смесь свободных частиц с положительными и отрицательными зарядами . Эту смесь назвали плазмой . При отрыве электронов разрываются и все связи ,которые удерживают частицы в кристалле или жидкости . Казалось бы , в движении частиц не должно остаться никакого порядка . И действительно , плазма во многом похожа на газ . Иногда ее так и называют – газом из заряженных частиц или ионизованным газом . Но самые замечательные свойства плазмы проявляются тогда , когда на нее действует магнитное поле . При этом в движении частиц плазмы проявляется некоторого рода порядок и свойства плазмы становятся совсем другими , чем у газа . По этому плазму и называют четвертым состоянием вещества .Порядок , который вносит магнитное поле в движение частиц плазмы ,-совсем особенный порядок .Его можно назвать винтовым . Заряженная частица может свободно двигаться вдоль направления магнитного поля . Но при этом она быстро вращается вокруг направления магнитного поля . Это вращение происходит по тому же закону , что и в круговом ускорителе заряженных частиц – циклотроне . Поэтому вращение частиц плазмы вокруг направления магнитного поля так и называют – циклотронным вращением . Из сочетания свободного движения вдоль поля и циклотронного вращения поперек поля получается винтовое движение частиц плазмы . Если плазма не слишком плотная , то частицы редко сталкиваются между собой : каждая движется по своему винту . В поперечном направлении такая плазма может двигаться только вместе с магнитным полем . Для наглядности говорят , что магнитное поле как бы вморожено в плазму . Но снаружи магнитное поле не может проникнуть в плазму . Если снаружи возникает сильное магнитное поле , оно давит на плазму с силой , которую так и называют – силой магнитного давления . Отсюда следует , что плазму можно удерживать «магнитной стенкой» , толкать «магнитным поршнем». Можно сказать: если вдоль магнитного поля плазма движется как газ , то при движении поперек магнитного поля она обретает в известной степени свойства твердого тела . На этих свойствах плазмы основаны многие природные явления , которые начинают использовать в технике . Солнце – громадный шар , состоящий из раскаленной плазмы . С поверхности Солнца непрерывно стекает спокойный поток плазмы – так называемый солнечный ветер . Время от времени на поверхности Солнца происходят вспышки . При каждой такой вспышке в космос выплескивается кратковременный поток плазмы . Эти плазменные потоки , достигая атмосферы земли вызывают в ней много замечательных явлений : полярное сияние , магнитные бури , нарушение радиосвязи . Дело в том ,что и вокруг Земли есть плазменная оболочка , только эта оболочка находится высоко .Ведь Солнце на ряду с видимым светом посылает невидимые ультрафиолетовые лучи . Эти лучи воздействуют на атомы воздуха и отрывают от электроны , т. е. производят ионизацию . Так получается , что верхние слои атмосферы – ионосфера — состоят из ионизированного воздуха , иначе говоря , из плазмы .Плазма с каждым годом все чаще применяется в технике . В обычной пока электрической лампочке светится раскаленная нить металла . А в лампах дневного света светится плазма , заполняющая стеклянною трубку . Начинают входить в употребление плазменные горелки для сварки и резки металлов .

Плазма. Свойства и получение. Применение и отличие. Особенности

Плазма – это ионизированный газ, содержащий электроны, а так же положительно и отрицательно заряженные ионы. Она является одним из четырех основных агрегатных состояний веществ.

Физическое объяснение плазмы и способы ее получения

Традиционно утверждалось, что существует 3 основных агрегатных состояний веществ. Они могут быть жидкими, твердыми и газообразными. Об этом говорили ученые с самого начала существования известной науки. С развитием технологий и научных наблюдений было установлено четвертое состояние веществ, именуемое плазмой. Обычно она возникает в результате сильного нагрева. Процесс ее образования выглядит следующим образом. Любое твердое вещество при очень сильном нагреве сначала плавится, после чего переходит в газообразное состояние, при продолжении температурного воздействия осуществляется его дальнейшее распадение на свободные атомы. От продолжающегося повышения температуры осуществляется отделение электронов, а также положительно и отрицательно заряженных ионов. В результате получается ионизированный газ, являющийся плазмой.

Впервые о плазме заговорил английский физик сэр Уильям Крикс в 1879 году. Предложенная им концепция активно развивалась и совершенствовалась, что наблюдается и сегодня. Существуют различные предположения, которые указывают на то, что плазма была открыта намного раньше. Об этом можно судить даже по древнему утверждению о существовании четырех стихий: земля, вода, воздух и огонь. Они тесно переплетаются с современным трактованием 4 агрегатных состояний: твердое, жидкое, газообразное и плазменное.

В определенных смыслах можно вполне сопоставить плазму и огонь.

Помимо получения плазмы в результате термической обработки вещества, его также можно выделить проводя бомбардировку газа быстрыми заряженными частицами. Для этого проводится облучение радиоактивными веществами. В таких случаях осуществляется выработка низкотемпературной плазмы.

Также была разработана технология получения газоразрядной плазмы. Для этого через газ пропускается электрический ток, вызывающий его ионизацию. Ионизированные частицы переносят ток, что приводит к их дальнейшему разрушению. Получаемая в результате электрического воздействия плазма менее эффективна в плане сохранения жизнедеятельности, чем образованная от термической обработки. Это связано с меньшим нагревом и высокой скоростью охлаждения частиц, так как они постоянно контактируют с другими ионами, не получившими необходимого нагрева.

Более сложный способ ее образования заключается в сильном сжатии вещества. Подобные методы воздействия приводят к сходу атомов со своих орбит. Возникающие в результате отдельные положительно и отрицательно заряженные частицы приобретают определенные свойства, которые могут применяться в различных сферах при обработке материалов.

Свойства плазмы

Главным свойством плазмы является высокая электрическая проводимость, значительно превосходящая прочие агрегатные состояния веществ. При этом суммарный электрический заряд равен нулю. Плазма подвержена влиянию магнитного поля. Под его воздействием она способна концентрировать струю, что позволяет проводить контроль движения газа.

Также для плазмы характерно корректирование взаимодействия. У обычного газа происходит сталкивание частиц по двое, а в случае с плазмой электроны сталкиваются чаще и крупными группами.

Свойства плазмы могут отличаться в зависимости от ее разновидности. По термическим свойствам ее разделяют на 2 вида:

• Низкотемпературная.
• Высокотемпературная.

Для низкотемпературной плазмы характерен нагрев менее чем до 1 млн. Кельвинов. Высокотемпературный газ имеет температуру как минимум 1 млн. Кельвинов. Последняя разновидность плазмы принимает участие в термоядерном синтезе.

Проявление плазмы в природе

Считается, что 99% Вселенной представлено плазмой. Любая звезда состоит именно из ионизированного газа. Впервые об этом начали задумываться наблюдая за Солнцем. Исходящий от него ветер является ничем иным, как плазмой.

Наблюдать плазму можно и в ионосфере. Визуально этот эффект можно заметить рассмотрев пример полярного сияния. Оно образовывается в результате облучения азота и кислорода солнечным излучением. Конечно, пример с полярным сиянием не столь удачный, поскольку данное явление можно увидеть только в определенных участках местности, малодоступной для большинства людей. Более частым проявлением природной плазмы, которое встречается везде, является момент удара молнии. Электрический искровой разряд, появляющийся в грозу, это и есть сильно ионизирующий газ.

Раньше считалось, что огонь это тоже разновидность плазмы, но это утверждение в корне неверно. Для плазмы характерна температура от 8000 градусов. Самое мощное пламя даже при обдуве кислородом не может нагреваться выше 4000 градусов.

Отличие плазмы от газов

На первый взгляд может показаться, что плазма и газ это довольно взаимосвязанные агрегатные состояния, которые можно объединить в одно понятие. Все же существует ряд особенностей, позволяющие их разделить. В первую очередь можно отметить электрическую проводимость. У газа она крайне мала. Ярким примером будет воздух. Сам по себе он отличный диэлектрик, поэтому по нему электрический заряд не передается. Стоит его довести до состояния плазмы, как ситуация кардинально меняется, ведь по ней заряд передается вполне эффективно.

Также плазму от газов отличает однородность частиц. Для газов характерно, что в их структуре присутствуют подобные друг к другу составляющие. Они постоянно двигаются и взаимодействуют между собой на сравнительно небольшом расстоянии. В случае же с плазмой в ней есть как минимум 2-3, а то и больше вида частиц. В ее составе наблюдаются электроны, ионы и нейтральные частицы. Их свойства отличаются между собой. У них может быть разная скорость или температура. Именно по этой причине для плазмы характерна неустойчивость и сложность управления, поскольку многие ее составляющие действуют отличительно от прочих.

Где применяется плазма

В последнее время появилось довольно много приборов, устройство которых предусматривает работу где применяется плазма. Впервые ионизированные газы начали использоваться при создании светотехники. Ярким тому примером станут газоразрядные лампы. Принцип действия таких лампочек заключается в передаче электрического тока через газ заключенный в колбе. В результате наблюдается ионизация с получением ультрафиолетового излучения. Последнее поглощается люминофором, что и вызывает его свечение в видимом для человеческого глаза диапазоне.

Особо востребованной технологией является плазменная резка. Таким оборудованием создается разогретая струя, способная плавить металлы и практически все вещества, встречаемые на ее пути. Обычно такое оборудование превращает в ионизированный газ обыкновенную воду. Сначала она испаряется, после чего под воздействием электрического тока из нее формируется плазменный пучок.

Принцип плазмы может применяться для осуществления передачи данных на расстояние. В связи с этим проводится активная разработка плазменных антенн. Данная идея запатентована еще в 1919 году, но так и не была полноценно применена вплоть до начало XXI века. Технические наработки испытания такого оборудования дают основание полагать, что эта технология придет на замену привычного для всех wi-fi соединения. Она обладает большей скоростью передачи данных, а также возможностью действия в большом радиусе. Проводимость плазмы превышает проводимость серебра, которое является одним из лучших твердых веществ для передачи зарядов.

Также в промышленности началось внедрение технологии напыления расплавленного материала под воздействием плазменной струи. Металл, или другой материал, расплавляется, после чего подается на струю в плазму. В результате он распыляется, дополняя струю. После этого взаимодействия с плазмой прекращается, и материал оседает на требуемых поверхностях в виде тонкого покрытия. Этот метод позволяет провести обработку гораздо быстрее, чем в случае с электрохимическим методом.

Применение плазмы в научном проекте Токамак

Всемирно известный научный проект Токамак, являющийся сокращением полного названия тороидальная камера с магнитными катушками – это установка для магнитного удержания плазмы. Она разработана с целью поддержания условий для проведения управляемого термоядерного синтеза. Впервые эта установка была построена в 1954 году, после успеха проведенных испытаний, в мире было создано более 200 ее копий, где осуществляются исследования и сегодня.

Особенность данного проекта заключается в обеспечении контроля ионизированного газа. В Токамаке плазма удерживается с помощью магнитного поля. Такой способ применяется, поскольку создать ограждение стенками для предотвращения утечки плазмы невозможно. Любое вещество при контакте с ней расплавляется. Чтобы магнитное поле могло подействовать ионизирующий газ, через него пропускают электрический ток. Он обеспечивает создание электрического поля. Также прохождение тока активизирует набор высокой температуры.

Исследование плазмы, позволят реализовать идею контролируемого термоядерного синтеза. Как следствие удастся создать высокоэффективные электростанции, работающие значительно безопаснее атомных, и не создающих вредного выброса в атмосферу.

Похожие темы:

Вездесущая плазма

Алексей Левин
«Популярная механика» №4, 2010

Что такое четвертое состояние вещества, чем оно отличается от трех других и как заставить его служить человеку.

Полтораста лет назад почти все химики и многие физики считали, что материя состоит лишь из атомов и молекул, которые объединяются в более-менее упорядоченные или же совсем неупорядоченные комбинации. Мало кто сомневался, что все или почти все вещества способны существовать в трех разных фазах — твердой, жидкой и газообразной, которые они принимают в зависимости от внешних условий. Но гипотезы о возможности других состояний вещества уже высказывались.

Эту универсальную модель подтверждали и научные наблюдения, и тысячелетия опыта обыденной жизни. В конце концов, каждый знает, что вода при охлаждении превращается в лед, а при нагревании закипает и испаряется. Свинец и железо тоже можно перевести и в жидкость, и в газ, их надо лишь нагреть посильнее. С конца XVIII века исследователи замораживали газы в жидкости, и выглядело вполне правдоподобным, что любой сжиженный газ в принципе можно заставить затвердеть. В общем, простая и понятная картина трех состояний вещества вроде бы не требовала ни поправок, ни дополнений.

Ученые того времени немало удивились бы, узнав, что твердое, жидкое и газообразное состояния атомно-молекулярного вещества сохраняются лишь при относительно низких температурах, не превышающих 10000°, да и в этой зоне не исчерпывают всех возможных структур (пример — жидкие кристаллы). Нелегко было бы и поверить, что на их долю приходится не больше 0,01% от общей массы нынешней Вселенной.

Сейчас-то мы знаем, что материя реализует себя во множестве экзотических форм. Некоторые из них (например, вырожденный электронный газ и нейтронное вещество) существуют лишь внутри сверхплотных космических тел (белых карликов и нейтронных звезд), а некоторые (такие как кварк-глюонная жидкость) родились и исчезли в краткий миг вскоре после Большого взрыва. Однако интересно, что предположение о существовании первого из состояний, выходящих за рамки классической триады, было высказано все в том же ХIХ столетии, причем в самом его начале. В предмет научного исследования оно превратилось много позже, в 1920-х. Тогда же и получило свое название — плазма.

Во второй половине 70-х годов XIX века член Лондонского королевского общества Уильям Крукс, весьма успешный метеоролог и химик (он открыл таллий и чрезвычайно точно определил его атомный вес), заинтересовался газовыми разрядами в вакуумных трубках. К тому времени было известно, что отрицательный электрод испускает эманацию неизвестной природы, которую немецкий физик Ойген Голдштейн в 1876 году назвал катодными лучами.

После множества опытов Крукс решил, что эти лучи есть не что иное, как частицы газа, которые после столкновения с катодом приобрели отрицательный заряд и стали двигаться в направлении анода. Эти заряженные частицы он назвал «лучистой материей», radiant matter.

Следует признать, что в таком объяснении природы катодных лучей Крукс не был оригинален. Еще в 1871 году сходную гипотезу высказал крупный британский инженер-электротехник Кромвелл Флитвуд Варли, один из руководителей работ по прокладке первого трансатлантического телеграфного кабеля. Однако результаты экспериментов с катодными лучами привели Крукса к очень глубокой мысли: среда, в которой они распространяются, – это уже не газ, а нечто совершенно иное. 22 августа 1879 года на сессии Британской ассоциации в поддержку науки Крукс заявил, что разряды в разреженных газах «так непохожи на все происходящее в воздухе или любом газе при обычном давлении, что в этом случае мы имеем дело с веществом в четвертом состоянии, которое по свойствам отличается от обычного газа в такой же степени, что и газ от жидкости».

Нередко пишут, что именно Крукс первым додумался до четвертого состояния вещества. В действительности эта мысль гораздо раньше осенила Майкла Фарадея. В 1819 году, за 60 лет до Крукса, Фарадей предположил, что вещество может пребывать в твердом, жидком, газообразном и лучистом состояниях, radiant state of matter. В своем докладе Крукс прямо сказал, что пользуется терминами, заимствованными у Фарадея, но потомки об этом почему-то забыли. Однако фарадеевская идея была все-таки умозрительной гипотезой, а Крукс обосновал ее экспериментальными данными.

Катодные лучи интенсивно изучали и после Крукса. В 1895 году эти эксперименты привели Вильяма Рёнтгена к открытию нового вида электромагнитного излучения, а в начале ХХ века обернулись изобретением первых радиоламп. Но круксовская гипотеза четвертого состояния вещества не вызвала интереса у физиков — скорее всего потому, что в 1897 году Джозеф Джон Томсон доказал, что катодные лучи представляют собой не заряженные атомы газа, а очень легкие частицы, которые он назвал электронами.

Это открытие, казалось, сделало гипотезу Крукса ненужной.

Однако она возродилась, как феникс из пепла. Во второй половине 1920-х будущий нобелевский лауреат по химии Ирвинг Ленгмюр, работавший в лаборатории корпорации General Electric, вплотную занялся исследованием газовых разрядов. Тогда уже знали, что в пространстве между анодом и катодом атомы газа теряют электроны и превращаются в положительно заряженные ионы. Осознав, что подобный газ имеет множество особых свойств, Ленгмюр решил наделить его собственным именем. По какой-то странной ассоциации он выбрал слово «плазма», которое до этого использовали лишь в минералогии (это еще одно название зеленого халцедона) и в биологии (жидкая основа крови, а также молочная сыворотка). В своем новом качестве термин «плазма» впервые появился в статье Ленгмюра «Колебания в ионизованных газах», опубликованной в 1928 году. Лет тридцать этим термином мало кто пользовался, но потом он прочно вошел в научный обиход.

Классическая плазма — это ионно-электронный газ, возможно, разбавленный нейтральными частицами (строго говоря, там всегда присутствуют фотоны, но при умеренных температурах их можно не учитывать). Если степень ионизации не слишком мала (как правило, вполне достаточно одного процента), этот газ демонстрирует множество специфических качеств, которыми не обладают обычные газы. Впрочем, можно изготовить плазму, в которой свободных электронов не будет вовсе, а их обязанности возьмут на себя отрицательные ионы.

Для простоты рассмотрим лишь электронно-ионную плазму. Ее частицы притягиваются или отталкиваются в соответствии с законом Кулона, причем это взаимодействие проявляется на больших расстояниях. Именно этим они отличаются от атомов и молекул нейтрального газа, которые чувствуют друг друга лишь на очень малых дистанциях. Поскольку плазменные частицы пребывают в свободном полете, они легко смещаются под действием электрических сил. Для того чтобы плазма находилась в состоянии равновесия, необходимо, чтобы пространственные заряды электронов и ионов полностью компенсировали друг друга. Если это условие не выполняется, в плазме возникают электрические токи, которые восстанавливают равновесие (например, если в какой-то области образуется избыток положительных ионов, туда мгновенно устремятся электроны). Поэтому в равновесной плазме плотности частиц разных знаков практически одинаковы. Это важнейшее свойство называется квазинейтральностью.

Практически всегда атомы или молекулы обычного газа участвуют только в парных взаимодействиях — сталкиваются друг с другом и разлетаются в стороны. Иное дело плазма. Поскольку ее частицы связаны дальнодействующими кулоновскими силами, каждая из них находится в поле ближних и дальних соседей. Это означает, что взаимодействие между частицами плазмы не парное, а множественное — как говорят физики, коллективное. Отсюда следует стандартное определение плазмы — квазинейтральная система большого числа разноименных заряженных частиц, демонстрирующих коллективное поведение.

Плазма отличается от нейтрального газа и реакцией на внешние электрические и магнитные поля (обычный газ их практически не замечает). Частицы плазмы, напротив, чувствуют сколь угодно слабые поля и немедленно приходят в движение, порождая объемные заряды и электрические токи. Еще одна важнейшая особенность равновесной плазмы — зарядовое экранирование. Возьмем частицу плазмы, скажем, положительный ион. Он притягивает электроны, которые формируют облако отрицательного заряда. Поле такого иона ведет себя в соответствии с законом Кулона лишь в его окрестности, а на расстояниях, превышающих определенную критическую величину, очень быстро стремится к нулю. Этот параметр называется дебаевским радиусом экранирования — в честь голландского физика Питера Дебая, который описал этот механизм в 1923 году.

Легко понять, что плазма сохраняет квазинейтральность, лишь если ее линейные размеры по всем измерениям сильно превышают дебаевский радиус. Стоит отметить, что этот параметр возрастает при нагреве плазмы и падает по мере увеличения ее плотности. В плазме газовых разрядов по порядку величины он равен 0,1 мм, в земной ионосфере — 1 мм, в солнечном ядре — 0,01 нм.

В наши дни плазма используется в великом множестве технологий. Одни из них известны каждому (газосветные лампы, плазменные дисплеи), другие представляют интерес для узких специалистов (производство сверхпрочных защитных пленочных покрытий, изготовление микрочипов, дезинфекция). Однако наибольшие надежды на плазму возлагают в связи с работами по осуществлению управляемых термоядерных реакций. Это и понятно. Чтобы ядра водорода слились в ядра гелия, их надо сблизить на расстояние порядка одной стомиллиардной доли сантиметра — а там уже заработают ядерные силы. Такое сближение возможно лишь при температурах в десятки и сотни миллионов градусов — в этом случае кинетической энергии положительно заряженных ядер хватит для преодоления электростатического отталкивания. Поэтому для управляемого термоядерного синтеза необходима высокотемпературная водородная плазма.

Правда, плазма на основе обычного водорода здесь не поможет. Такие реакции происходят в недрах звезд, но для земной энергетики они бесполезны, поскольку слишком мала интенсивность энерговыделения. Лучше всего использовать плазму из смеси тяжелых изотопов водорода дейтерия и трития в пропорции 1:1 (чисто дейтериевая плазма тоже приемлема, хотя даст меньше энергии и потребует более высоких температур для поджига).

Однако для запуска реакции одного нагрева маловато. Во-первых, плазма обязана быть достаточно плотной; во-вторых, попавшие в зону реакции частицы не должны покидать ее слишком быстро — иначе потеря энергии превысит ее выделение. Эти требования можно представить в виде критерия, который в 1955 году предложил английский физик Джон Лоусон. В соответствии с этой формулой произведение плотности плазмы на среднее время удержания частиц должно быть выше некоторой величины, определяемой температурой, составом термоядерного топлива и ожидаемым коэффициентом полезного действия реактора.

Легко увидеть, что существуют два пути выполнения критерия Лоусона. Можно сократить время удержания до наносекунд за счет сжатия плазмы, скажем, до 100–200 г/см³ (поскольку плазма при этом не успевает разлететься, этот метод удержания называют инерционным). Физики отрабатывают эту стратегию с середины 1960-х годов; сейчас ее наиболее совершенной версией занимается Ливерморская национальная лаборатория. В этом году там начнут эксперименты по компрессии миниатюрных капсул из бериллия (диаметр 1,8 мм), заполненных дейтериево-тритиевой смесью, с помощью 192 ультрафиолетовых лазерных пучков. Руководители проекта полагают, что не позднее 2012 года они смогут не только поджечь термоядерную реакцию, но и получить положительный выход энергии. Возможно, аналогичная программа в рамках проекта HiPER (High Power Laser Energy Research) в ближайшие годы будет запущена и в Европе. Однако даже если эксперименты в Ливерморе полностью оправдают возлагаемые на них ожидания, дистанция до создания настоящего термоядерного реактора с инерционным удержанием плазмы все равно останется очень большой. Дело в том, что для создания прототипа электростанции необходима очень скорострельная система сверхмощных лазеров. Она должна обеспечить такую частоту вспышек, зажигающих дейтериево-тритиевые мишени, которая в тысячи раз превысит возможности ливерморской системы, делающей не более 5–10 выстрелов в секунду. Сейчас активно обсуждаются различные возможности создания таких лазерных пушек, но до их практической реализации еще очень далеко.

Альтернативно можно работать с разреженной плазмой (плотностью в нанограммы на кубический сантиметр), удерживая ее в зоне реакции не менее нескольких секунд. В таких экспериментах вот уже более полувека применяют различные магнитные ловушки, которые удерживают плазму в заданном объеме за счет наложения нескольких магнитных полей. Самыми перспективными считают токамаки — замкнутые магнитные ловушки в форме тора, впервые предложенные А. Д. Сахаровым и И. Е. Таммом в 1950 году. В настоящее время в различных странах работает с дюжину таких установок, крупнейшие из которых позволили приблизиться к выполнению критерия Лоусона. Международный экспериментальный термоядерный реактор, знаменитый ITER, который построят в поселке Кадараш неподалеку от французского города Экс-ан-Прованс, — тоже токамак. Если все пойдет по плану, ITER позволит впервые получить плазму, удовлетворяющую лоусоновскому критерию, и поджечь в ней термоядерную реакцию.

«За последние два десятка лет мы добились огромного прогресса в понимании процессов, которые происходят внутри магнитных плазменных ловушек, в частности — токамаков. В целом мы уже знаем, как движутся частицы плазмы, как возникают неустойчивые состояния плазменных потоков и до какой степени увеличивать давление плазмы, чтобы ее все-таки можно было удержать магнитным полем. Были также созданы новые высокоточные методы плазменной диагностики, то есть измерения различных параметров плазмы, — рассказал «ПМ» профессор ядерной физики и ядерных технологий Массачусетского технологического института Йен Хатчинсон, который свыше 30 лет занимается токамаками. — К настоящему времени в крупнейших токамаках достигнуты мощности выделения тепловой энергии в дейтериево-тритиевой плазме порядка 10 мегаватт на протяжении одной-двух секунд. ITER превзойдет эти показатели на пару порядков. Если мы не ошибаемся в расчетах, он сможет выдавать не менее 500 мегаватт в течение нескольких минут. Если уж совсем повезет, энергия будет генерироваться вообще без ограничения времени, в стабильном режиме».

Профессор Хатчинсон также подчеркнул, что ученые сейчас хорошо понимают характер процессов, которые должны происходить внутри этого огромного токамака: «Мы даже знаем условия, при которых плазма подавляет свои собственные турбулентности, а это очень важно для управления работой реактора. Конечно, необходимо решить множество технических задач — в частности, завершить разработку материалов для внутренней облицовки камеры, способных выдержать интенсивную нейтронную бомбардировку. Но с точки зрения физики плазмы картина достаточно ясна — во всяком случае мы так считаем. ITER должен подтвердить, что мы не ошибаемся. Если все так и будет, придет черед и токамаку следующего поколения, который станет прототипом промышленных термоядерных реакторов. Но сейчас об этом говорить еще рано. А пока мы рассчитываем, что ITER начнет работать в конце этого десятилетия. Скорее всего, он сможет генерировать горячую плазму никак не раньше 2018 года — во всяком случае по нашим ожиданиям». Так что с точки зрения науки и техники у проекта ITER неплохие перспективы.

ПЛАЗМА | Энциклопедия Кругосвет

Содержание статьи

ПЛАЗМА – частично или полностью ионизованный газ, образованный из нейтральных атомов (или молекул) и заряженных частиц (ионов и электронов). Важнейшей особенностью плазмы является ее квазинейтральность, это означает, что объемные плотности положительных и отрицательных заряженных частиц, из которых она образована, оказываются почти одинаковыми. Газ переходит в состояние плазмы, если некоторые из составляющих его атомов (молекул) по какой-либо причине лишились одного или нескольких электронов, т.е. превратились в положительные ионы. В некоторых случаях в плазме в результате «прилипания» электронов к нейтральным атомам могут возникать и отрицательные ионы. Если в газе не остается нейтральных частиц, плазма называется полностью ионизованной.

Между газом и плазмой нет резкой границы. Любое вещество, находящееся первоначально в твердом состоянии, по мере возрастания температуры начинает плавиться, а при дальнейшем нагревании испаряется, т. е. превращается в газ. Если это молекулярный газ (например, водород или азот), то с последующим повышением температуры происходит распад молекул газа на отдельные атомы (диссоциация). При еще более высокой температуре газ ионизуется, в нем появляются положительные ионы и свободные электроны. Свободно движущиеся электроны и ионы могут переносить электрический ток, поэтому одно из определений плазмы гласит: плазма – это проводящий газ. Нагревание вещества не является единственным способом получения плазмы.

Плазма – четвертое состояние вещества, она подчиняется газовым законам и во многих отношениях ведет себя как газ. Вместе с тем, поведение плазмы в ряде случаев, особенно при воздействии на нее электрических и магнитных полей, оказывается столь необычным, что о ней часто говорят как о новом четвертом состоянии вещества. В 1879 английский физик В.Крукс, изучавший электрический разряд в трубках с разреженным воздухом, писал: «Явления в откачанных трубках открывают для физической науки новый мир, в котором материя может существовать в четвертом состоянии». Древние философы считали, что основу мироздания составляют четыре стихии: земля, вода, воздух и огонь. В известном смысле это отвечает принятому ныне делению на агрегатные состояния вещества, причем четвертой стихии – огню и соответствует, очевидно, плазма.

Сам термин «плазма» применительно к квазинейтральному ионизованному газу был введен американскими физиками Лэнгмюром и Тонксом в 1923 при описании явлений в газовом разряде. До той поры слово «плазма» использовалось лишь физиологами и обозначало бесцветный жидкий компонент крови, молока или живых тканей, однако вскоре понятие «плазма» прочно вошло в международный физический словарь, получив самое широкое распространение.

Получение плазмы.

Способ создания плазмы путем обычного нагрева вещества – не самый распространенный. Чтобы получить термическим путем полную ионизацию плазмы большинства газов, нужно нагреть их до температур в десятки и даже сотни тысяч градусов. Только в парах щелочных металлов (таких, например, как калий, натрий или цезий) электрическую проводимость газа можно заметить уже при 2000–3000° С, это связано с тем, что в атомах одновалентных щелочных металлов электрон внешней оболочки гораздо слабее связан с ядром, чем в атомах других элементов периодической системы элементов (т.е. обладает более низкой энергией ионизации). В таких газах при указанных выше температурах число частиц, энергия которых выше порога ионизации, оказывается достаточным для создания слабоионизованной плазмы.

Общепринятым способом получения плазмы в лабораторных условиях и технике является использование электрического газового разряда. Газовый разряд представляет собой газовый промежуток, к которому приложена разность потенциалов. В промежутке образуются заряженные частицы, которые движутся в электрическом поле, т.е. создают ток. Для поддержания тока в плазме нужно, чтобы отрицательный электрод (катод) испускал в плазму электроны. Эмиссию электронов с катода можно обеспечивать различными способами, например нагреванием катода до достаточно высоких температур (термоэмиссия), либо облучением катода каким-либо коротковолновым излучением (рентгеновские лучи, g-излучение), способным выбивать электроны из металла (фотоэффект). Такой разряд, создаваемый внешними источниками, называется несамостоятельным.

К самостоятельным разрядам относятся искровой, дуговой и тлеющий разряды, которые принципиально отличаются друг от друга по способам образования электронов у катода или в межэлектродном промежутке. Искровой разряд обычно оказывается прерывистым даже при постоянном напряжении на электродах. При его развитии возникают тонкие искровые каналы (стримеры), пронизывающие разрядный промежуток между электродами и заполненные плазмой. Пример одного из наиболее мощных искровых разрядов являет собой молния.

В обычном дуговом разряде, который реализуется в довольно плотном газе и при достаточно высоком напряжении на электродах, термоэмиссия с катода возникает чаще всего от того, что катод разогревается падающими на него газовыми ионами. Дуговой разряд, возникающий в воздухе между двумя накаленными угольными стержнями, к которым было подведено соответствующее электрическое напряжение, впервые наблюдал в начале 19 в. русский ученый В.В.Петров. Ярко светящийся канал разряда принимает форму дуги благодаря действию архимедовых сил на сильно нагретый газ. Дуговой разряд возможен и между тугоплавкими металлическими электродами, с этим связаны многочисленные практические применения плазмы дугового разряда в мощных источниках света, в электродуговых печах для плавки высококачественных сталей, при электросварке металлов, а также в генераторах непрерывной плазменной струи – так называемых плазмотронах. Температура плазменной струи может достигать при этом 7000–10 000 К.

Различные формы холодного или тлеющего разряда создаются в разрядной трубке при низких давлениях и не очень высоких напряжениях. В этом случае катод испускает электроны по механизму так называемой автоэлектронной эмиссии, когда электрическое поле у поверхности катода просто вытягивает электроны из металла. Газоразрядная плазма, простирающаяся от катодного до анодного участков, а некотором расстоянии от катода образует положительный столб, отличающийся от остальных участков разряда относительным постоянством по длине характеризующих его параметров (например, напряженности электрического поля). Светящиеся рекламные трубки, лампы дневного света, покрытые изнутри люминофорами сложного состава, представляют собой многочисленные применения плазмы тлеющего разряда. Тлеющий разряд в плазме молекулярных газов (например, СО и СО₂)_{широко используется для создания активной среды газовых лазеров на колебательно-вращательных переходах в молекулах.}

Сам процесс ионизации в плазме газового разряда неразрывно связан с прохождением тока и носит характер ионизационной лавины. Это означает, что появившиеся в газовом промежутке электроны за время свободного пробега ускоряются электрическим полем и перед столкновением с очередным атомом набирают энергию, достаточную для того, чтобы ионизовать атом, т.е. выбить еще один электрон). Таким способом происходит размножение электронов в разряде и установление стационарного тока.

В тлеющих газовых разрядах низкого давления степень ионизации плазмы (т.е. отношение плотности заряженных частиц к общей плотности составляющих плазму частиц), как правило, мала. Такая плазма называется слабоионизованной. В установках управляемого термоядерного синтеза (УТС) используется высокотемпературная полностью ионизованная плазма изотопов водорода: дейтерия и трития. На первом этапе исследований по УТС плазма нагревалась до высоких температур порядка миллионов градусов самим электрическим током в так называемых самосжимаемых проводящих плазменных шнурах (омический нагрев) (см. ЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ). В тороидальных установках магнитного удержания плазмы типа токамак удается нагреть плазму до температур порядка десятков и даже сотен миллионов градусов с помощью впрыскивания (инжекции) в плазму высокоэнергетических пучков нейтральных атомов. Другой способ состоит в использовании мощного микроволнового излучения, частота которого равна ионной циклотронной частоте (т.е. частоте вращения ионов в магнитном поле) – то нагрев плазмы методом так называемого циклотронного резонанса.

Плазма в космосе.

В земных условиях из-за сравнительно низкой температуры и высокой плотности земного вещества естественная плазма встречается редко. В нижних слоях атмосферы Земли исключение составляют разве что разряды молнии. В верхних слоях атмосферы на высотах порядка сотен километров существует протяженный слой частично ионизованной плазмы, называемый ионосферой, который создается благодаря ультрафиолетовому излучению Солнца. Наличие ионосферы обеспечивает возможность дальней радиосвязи на коротких волнах, поскольку электромагнитные волны отражаются на определенной высоте от слоев ионосферной плазмы. При этом радиосигналы благодаря многократным отражениям от ионосферы и от поверхности Земли оказываются способными огибать выпуклую поверхность нашей планеты.

Во Вселенной основная масса вещества (ок. 99,9%) находится в состоянии плазмы. Солнце и звезды образованы из плазмы, ионизация которой вызывается высокой температурой. Так, например, во внутренней области Солнца, где происходят реакции термоядерного синтеза, температура составляет около 16 млн. градусов. Тонкая область поверхности Солнца толщиной порядка 1000 км, называемая фотосферой, с которой излучается основная часть солнечной энергии, образует плазму при температуре порядка 6000 К. В разреженных туманностях и межзвездном газе ионизация возникает под действием ультрафиолетового излучения звезд.

Над поверхностью Солнца находится разреженная сильно нагретая область (при температуре около одного миллиона градусов), которая носит название солнечной короны. Стационарный поток ядер атомов водорода (протонов), испускаемый солнечной короной, называется солнечным ветром. Потоки плазмы с поверхности Солнца создают межпланетную плазму. Электроны этой плазмы захватываются магнитным полем Земли и образуют вокруг нее (на расстоянии в несколько тысяч километров от поверхности Земли) радиационные пояса. Потоки плазмы, возникающие в результате мощных солнечных вспышек, изменяют состояние ионосферы. Быстрые электроны и протоны, попадая в атмосферу Земли, вызывают в северных широтах появление полярных сияний.

Свойства плазмы.

Квазинейтральность.

Одна из важных особенностей плазмы в том, что отрицательный заряд электронов в ней почти точно нейтрализует положительный заряд ионов. При любых воздействиях на нее плазма стремится сохранить свою квазинейтральность. Если в каком-то месте происходит случайное смещение (например, за счет флуктуации плотности) части электронов, создающее избыток электронов в одном месте и недостаток в другом, в плазме возникает сильное электрическое поле, которое препятствует разделению зарядов и быстро восстанавливает квазинейтральность. Порядок величины такого поля можно оценить следующим образом. Пусть в слое плазмы толщиной в Dx создается объемный заряд плотностью q. Согласно законам электростатики, на длине Dx он создает электрическое поле E = 4p qDx (использована абсолютная система единиц СГСЭ. В практических единицах – вольтах на сантиметр – это поле в 300 раз больше). Пусть в 1 см³ есть Dn_e лишних электронов сверх тех, которые точно нейтрализуют заряд ионов. Тогда плотность объемного заряда q = eDn_e , где e = 4,8·10^–10 ед. СГС – заряд электрона. Электрическое поле, возникающее от разделения зарядов, равно

E = 1,8·10^–6Dx в/см

В качестве конкретного примера можно рассмотреть плазму с такой же концентрацией частиц, как атмосферный воздух у поверхности Земли, – 2,7·10¹⁹ молекул/см³ или 5,4·10¹⁹ атомов/см³. Пусть в результате ионизации все атомы стали однозарядными ионами. Соответствующая концентрация электронов плазмы в этом случае равна n_e = 5,4·10¹⁹ электрон/cм³. Пусть на длине 1 см концентрация электронов изменилась на 1%. Тогда Dn_e = 5,4·10¹⁷ электрон/см³, Dx = 1 см и в результате разделения зарядов возникает электрическое поле E » 10¹² в/см.

Для создания такого сильного электрического поля понадобилась бы огромная энергия. Это говорит о том, что для рассматриваемого примера достаточно плотной плазмы фактическое разделение заряда будет ничтожно малым. Для типичного случая термоядерной плазмы (n_e ~ 10¹² – 10¹⁴ см^–3 ) поле, которое препятствует разделению зарядов для рассмотренного выше примера, остается еще очень большим (E ~ 10⁷10⁹ в/см).

Длина и радиус Дебая.

Пространственный масштаб разделения заряда или ту характерную длину, ниже которой (по порядку величины) разделение зарядов становится заметным, можно оценить, вычисляя работу по разделению зарядов на расстояние d, которая совершается силами возникающего на длине x электрического поля E = 4pn_e ex.

С учетом того, что сила, действующая на электрон равна eE, работа этой силы равна

Эта работа не может превышать кинетическую энергию теплового движения частиц плазмы, которая для случая одномерного движения равна (1/2)kT, где k – постоянная Больцмана, T – температура, т.е.

A Ј (1/2)kT.

Из этого условия следует оценка максимального масштаба разделения заряда

(1)

Эта величина называется длиной Дебая по имени ученого, который ввел ее впервые, исследуя явление электролиза в растворах, где встречается аналогичная ситуация. Для рассмотренного выше примера плазмы при атмосферных условиях (n_e = 5,4·10¹⁹ см^–3Т = 273 К, k = 1,38·10^–16 эрг/К) получаем d = 1,6 ·10^–19 см, а для условий термоядерной плазмы (n_e = 10¹⁴ см^–3, T = 10⁸K ) величина d = 7·10^–3 см.

Для существенно более разреженной плазмы длина Дебая может оказаться больше размеров самого плазменного объема. В этом случае условие квазинейтральности нарушается, и такую систему уже нет смысла называть плазмой.

Длина d (или радиус Дебая ) является важнейшей характеристикой плазмы. В частности, электрическое поле, создаваемое каждой отдельной заряженной частицей в плазме, экранируется частицами противоположного знака и фактически исчезает на расстоянии порядка радиуса Дебая от самой частицы. С другой стороны, величина d определяет глубину проникновения внешнего электрического поля в плазму. Заметные отклонения от квазинейтральности могут происходить вблизи границ плазмы с твердой поверхностью как раз на расстояниях порядка длины Дебая.

Плазменные колебания.

Еще одной важной характеристикой плазмы является плазменная (или лэнгмюровская) частота колебаний wp. Плазменные колебания – это колебания плотности заряда (например, электронной плотности). Они вызываются действием на заряд электрического поля, возникающего из-за нарушения квазинейтральности плазмы. Это поле стремится восстановить нарушенное равновесие. Возвращаясь в положение равновесия, заряд по инерции «проскакивает» это положение, что опять приводит к появлению сильного возвращающего поля.

Таким образом и возникают лэнгмюровские колебания плотности заряда в плазме. Электронная плазменная частота колебаний определяется при этом выражением

(2)

Для термоядерной плазмы, например, (n_e = 10¹⁴ см^–3 ) электронная плазменная частота оказывается равной wp = 10¹¹c^–1.

Идеальность плазмы.

По аналогии с обычным газом плазму считают идеальной, если кинетическая энергия движения составляющих ее частиц существенно больше энергии их взаимодействия. Заметное различие между плазмой и газом проявляется в характере взаимодействия частиц. Потенциал взаимодействия нейтральных атомов и молекул в обычном газе является короткодействующим. Частицы оказывают заметное влияние друг на друга лишь при непосредственном сближении на расстояния порядка диаметра молекул a. Среднее расстояние между частицами при плотности газа n определяется как n–1/3 (см. ГАЗ). Условие идеальности газа имеет при этом вид: a n–1/3. Кулоновский потенциал взаимодействия заряженных частиц в плазме оказывается дальнодействующим, т.е. заряженные частицы создают вокруг себя протяженные электрические поля, медленно убывающие с расстоянием. Энергия кулоновского взаимодействия двух частиц с зарядом e, находящихся на расстоянии R друг от друга, равна e2/R . Подставляя вместо R среднее расстояние b между частицами и полагая среднюю кинетическую энергию частиц равной kT, условие идеальности плазмы можно представить в виде: kT. Для оценки отклонения плазмы от идеальности обычно вводят параметр неидеальности плазмы

(3)

Очевидно, плазма является идеальной, если g 1.

Условию идеальности плазмы можно придать более наглядный смысл, если ввести представление о так называемой сфере Дебая. В объеме плазмы выделяется шар с радиусом, равным радиусу Дебая, и подсчитывается число частиц N_D, содержащихся в этом шаре,

(4) ~ g–3/2

Сравнение с критерием (3) показывает, что условие идеальности плазмы сводится к требованию, чтобы в сфере Дебая оказывалось достаточное число частиц (N_D >> 1).

Для рассмотренных выше условий термоядерной плазмы (n_e = 10¹⁴ см^–3 , T = 10⁸K ) получается, что N_D » 10⁸. Для плазмы, образующейся в разряде молнии (n_e = 5·10¹⁹, T = 10⁴), величина N_D » 0,1. Такая плазма оказывается слабо неидеальной.

Термодинамика плазмы.

Если плазма удовлетворяет условию идеальности, то в термодинамическом отношении она ведет себя как идеальный газ, это означает, что ее поведение подчиняется обычным газовым законам (см. ГАЗ). Поскольку плазма представляет собой смесь частиц различных сортов (включая ионы и электроны), применение закона Дальтона позволяет записать уравнение состояния идеальной плазмы, которое связывает давление плазмы с плотностями каждого из видов частиц в смеси, в виде

(5) p = p1 + p2 + … = (n1 + n2 + …) kT

Здесь T – общая для всех компонентов смеси температура, соответствующая установлению полного термодинамического равновесия в плазме. Реальная плазма многих экспериментальных установок, как правило, не находится в состоянии теплового равновесия. Так, газоразрядная плазма разогревается за счет энергии, которая выделяется при прохождении электрического тока в газе и передается, в основном, легкому компоненту плазмы – электронам. При столкновении с тяжелыми частицами (ионами и атомами) электроны отдают лишь незначительную часть своей энергии. Если электронов в плазме достаточно, чтобы обеспечить интенсивный обмен энергией между ними, в плазме устанавливается квазиравновесие, соответствующее установлению электронной температуры, отличающейся от температуры ионов и атомов. (T_e > T). Такая плазма называется неизотермической. В газосветных рекламных трубках или в лампах дневного света, например, температура электронов обычно составляет десятки тысяч кельвинов, между тем как ионная температура и температура нейтрального газа оказываются не выше 1000–2000 К. Для полностью ионизованной плазмы термоядерных установок уравнение состояния плазмы записывается в виде

(6) p = k(n_eT_e + n_iT_i)

При этом, в отличие от обычной газоразрядной плазмы, температура ионов может оказаться заметно выше электронной.

Столкновения частиц в плазме.

В обычном газе процессы взаимодействия (столкновения) частиц носят, в основном, упругий характер. Это означает, что при таких столкновениях остаются неизменными суммарный импульс и энергия каждой взаимодействующей пары частиц. Если газ или плазма не сильно разрежены, столкновения частиц достаточно быстро приводят к установлению известного максвелловского распределения частиц по скоростям (см. МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ), которое соответствует состоянию теплового равновесия. Плазма отличается от газа гораздо большим разнообразием процессов столкновений частиц. В слабоионизованной плазме особую роль играют упругие взаимодействия электронов с нейтральными атомами или молекулами, такие процессы, как, например, перезарядка ионов на атомах. По мере повышения степени ионизации плазмы к обычным упругим короткодействующим взаимодействиям нейтральных атомов и молекул и электронов с нейтральными частицами добавляются дальнодействующие кулоновские взаимодействия заряженных частиц плазмы. При достаточно высоких температурах или при наличии электронов с высокой энергией, которую они приобретают, например, в электрическом поле газового разряда, многие столкновения носят неупругий характер. К ним относятся такие процессы, как переход атомов и молекул в возбужденное состояние, ионизация атомов, рекомбинация электронов и ионов с участием третьей частицы и др.

Особую роль в плазме играют кулоновские взаимодействия заряженных частиц. Если в нейтральном идеальном газе частицы большую часть времени находятся в свободном движении, резко меняя свою скорость лишь в моменты кратковременных столкновений, силы кулоновского притяжения или отталкивания между электронами и ионами сохраняют заметную величину даже при относительно большом удалении частиц друг от друга. Вместе с тем, это взаимодействие ограничено расстоянием порядка дебаевского радиуса, за пределами которого происходит экранирование взаимодействия выделенной заряженной частицы с другими заряженными частицами. Траекторию заряженных частиц уже нельзя представить в виде зигзагообразной линии, состоящей из коротких отрезков пути, как это делается при рассмотрении упругих столкновений в обычном газе. В плазме каждая заряженная частица все время находится в поле, создаваемом остальными электронами и ионами. Действие плазменного микрополя на частицы проявляется в плавном непрерывном изменении величины и направления скорости частицы (рис.1). Теоретический анализ показывает, что результирующий эффект слабых столкновений из-за их многочисленности оказывается при этом значительно большим, чем эффект, обусловленный редкими столкновениями, в результате которых происходит резкое изменение величины и направления скорости частицы.

При описании столкновений частиц важную роль играет так называемое сечение столкновений или сечение рассеяния. Для атомов, взаимодействующих как твердые упругие шарики, сечение s = 4p a2, где a – диаметр шарика. Можно показать, что в случае взаимодействий заряженных частиц кулоновское сечение столкновений состоит их двух множителей, учитывающих ближние и дальние взаимодействия. Ближнее взаимодействие отвечает крутому повороту в направлении движения частиц. Частицы сближаются до наименьшего расстояния между ними, если потенциальная энергия кулоновского взаимодействия сравнивается с кинетической энергией относительного движения частиц

,

где e1, e2 – заряды частиц, r – расстояние между ними, v – относительная скорость, m – приведенная масса (для электрона m равна массе электрона m_e). Для взаимодействия между электроном и однократно заряженным ионом расстояние ближнего взаимодействия b = rmin определяется как

(7)

Эффективное сечение взаимодействия есть площадь круга радиуса b, т.е. pb2. Однако направление движения частицы меняется и за счет дальних взаимодействий, приводящих к постепенному искривлению пути. Расчеты показывают, что полное сечение кулоновского рассеяния получается умножением сечения ближнего взаимодействия на так называемый кулоновский логарифм

(8) s = pb²s = pb2 ln L

Величина L, стоящая под знаком логарифма, равна отношению радиуса Дебая (формула (1)) к параметру ближнего взаимодействия b. Для обычной плазмы (например плазмы термоядерного синтеза) кулоновский логарифм меняется в пределах 10–20. Таким образом, дальние взаимодействия дают вклад в сечение рассеяния, больший на целый порядок величины, чем ближние.

Средняя длина свободного пробега частиц между столкновениями в газе l определяется выражением.

(9)

Среднее время между столкновениями равно

(10) , 7

где бvс = (8kT/pm)^1/2 – средняя тепловая скорость частиц.

По аналогии с газом, можно ввести понятия средней длины свободного пробега и среднего времени между столкновениями и в случае кулоновских столкновений частиц в плазме, используя в качестве s выражение (8). Поскольку величина s в этом случае зависит от скорости частиц, для перехода к значениям, усредненным по максвелловскому распределению частиц по скоростям, можно приближенно использовать выражение для среднего квадрата скорости частиц бv2с = (3kT/m_e). В результате получается приближенная оценка для среднего времени электрон-ионных столкновений в плазме

(11)

что оказывается близким к точному значению. Средняя длина свободного пробега электронов в плазме между их столкновениями с ионами определяется как

(12)

Для электрон-электронных столкновений . Среднее время ион-ионных столкновений оказывается во много раз больше: tii = (2m_i/m_e)^1/2tei.

Таким образом, благодаря малой массе электрона в плазме устанавливается некоторая иерархия характерных времен столкновений. Анализ показывает, что приведенные выше времена соответствуют средним характерным временам передачи импульса частиц при их столкновениях. Как уже отмечалось ранее, при взаимодействии электрона с тяжелой частицей происходит очень малая (пропорциональная отношению их масс) передача энергии электрона. Благодаря этому характерное время передачи энергии оказывается в этой иерархии времен наименьшим:

tE = (m_i/2m_e)tei.

Для условий термоядерной плазмы с ионами тяжелого изотопа водорода (дейтерия)

(ne = 10¹⁴ см^–3, T = 10⁸K, m_D/m_e = 3,7·10³) оценки дают

tei » 2·10^–4c, tee » 3·10^–4, tii » 10^–2c, tE » 0,3c

Характерные средние длины свободного пробега для электронов и ионов при этих условиях оказываются близкими (~10⁶ см), что во много раз превышает длины свободного пробега в газах при обычных условиях.

Среднее время обмена энергией между электронами и ионами может иметь при этом тот же порядок величины, что и обычное макроскопическое время, характерное для проводимых с плазмой экспериментов. Это означает, что в течение времени порядка величины tE , в плазме может поддерживаться устойчивая разность температур электронного и ионного компонентов плазмы.

Плазма в магнитном поле.

При высоких температурах и низких плотностях плазмы заряженные частицы большую часть времени проводят в свободном движении, слабо взаимодействуя друг с другом. Это позволяет во многих случаях рассматривать плазму как совокупность заряженных частиц, которые движутся почти независимо друг от друга во внешних электрических и магнитных полях.

Движение заряженной частицы с зарядом q во внешнем электрическом поле с напряженностью Е происходит под действием силы F = qE, что приводит к движению частицы с постоянным ускорением. Если заряженная частица движется со скоростью в магнитном поле, то магнитное поле действует на нее с силой Лоренца

(13) F = qvB sin a,

где B – индукция магнитного поля в теслах (Tl) (в международной системе единиц СИ), a – угол между направлением линий магнитной индукции и направлением скорости частицы. При перемещении частицы параллельно линиям индукции (a = 0 или a = 180°) сила Лоренца равна нулю, т.е. магнитное поле не действует на движение частицы, и она сохраняет в этом направлении свою скорость. Наибольшая сила действует на заряженную частицу в перпендикулярном направлении (a = 90°), при этом сила Лоренца действует перпендикулярно как к направлению скорости частицы, так и направлению вектора магнитной индукции. Эта сила не совершает работу и поэтому может изменить лишь направление скорости, но не ее величину Можно показать, что траектория движения частицы представляет в этом случае окружность (рис.2). Радиус окружности легко найти, если записать для этого случая второй закон Ньютона, в соответствии с которым произведение массы на центростремительное ускорение равно силе, действующей на частицу,

(mv2/R) = qvB, откуда следует

(14)

Величина R называется ларморовским радиусом по имени английского физика Лармора, который еще в конце 19 в. изучал движение заряженных частиц в магнитном поле. Угловая скорость вращения частицы

wH = v/R определяется как

(15)

и носит название ларморовской (или циклотронной) вращения. Название это возникло потому, что именно с такой частотой обращаются заряженные частицы в специальных ускорителях – циклотронах.

Поскольку направление силы Лоренца зависит от знака заряда, электроны и положительные ионы вращаются в противоположные стороны, при этом ларморовский радиус однократно заряженных ионов в (M/m) раз больше радиуса вращения электронов (M – масса иона, m – масса электрона). Для ионов водорода (протонов), например, это отношение равно почти 2000.

При равномерном движении заряженной частицы вдоль силовой линий магнитного поля и одновременном вращении вокруг нее траектория частицы представляет собой винтовую линию. Винтовые траектории иона и электрона изображены на рис.3.

В тех случаях, когда кроме магнитного поля на заряженную частицу действуют еще какие-нибудь поля (например, сила тяжести или электрическое поле) или когда магнитное поле неоднородно, характер движения частицы становится более сложным. – составляющая силы, перпендикулярная силовым линиям магнитного поля. Такие силы, как сила тяжести и центробежная сила, которые в отсутствие магнитного поля действуют на все частицы одинаково (независимо от их заряда), заставляют электроны и ионы дрейфовать в противоположных направлениях, т.е. в этом случае возникает отличный от нуля дрейфовый электрический ток

В случае, когда наряду с однородным магнитным полем перпендикулярно его силовым линиям действует однородное электрическое поле, выражение для скорости дрейфа принимает вид:

(17)

Сила электрического поля сама пропорциональна заряду частицы, поэтому в выражении (17) заряд сократился. Дрейф частиц в этом случае приводит лишь к движению всей плазмы, т.е. не возбуждает ток (рис.4). Дрейф, скорость которого определяется выражением (17), называется электрическим дрейфом.

Различные специфические виды дрейфа возникают в неоднородном магнитном поле. Так в результате искривления силовых линий (продольная неоднородность магнитного поля) на центр циклотронного круга действует центробежная сила, которая вызывает так называемый центробежный дрейф. Поперечная неоднородность поля (сгущение или разрежение силовых линий) приводит к тому, что циклотронный круг как бы выталкивается поперек поля с силой, пропорциональной изменению величины индукции магнитного поля на единицу длины. Эта сила вызывает так называемый градиентный дрейф.

Магнитное удержание плазмы.

Исследование особенностей поведения плазмы в магнитных полях вышло на первый план, когда встала проблема реализации управляемого термоядерного синтеза (УТС). Сущность проблемы заключается в том, чтобы осуществить на Земле те же реакции ядерного синтеза (превращение водорода в гелий), которые служат источниками энергии Солнца и других звезд. Сами эти реакции могут протекать лишь при сверхвысоких температурах (порядка сотен миллионов градусов), поэтому вещество в термоядерном реакторе представляет собой полностью ионизованную плазму. Очевидно, главная трудность состоит в том, чтобы изолировать эту высокотемпературную плазму от стенок реактора.

В 1950 советские физики И.Е.Тамм и А.Д.Сахаров и независимо от них ряд зарубежных ученых выдвинули идею магнитной термоизоляции плазмы. Эта идея может быть проиллюстрирована следующим простым примером. Если создать однородное магнитное поле внутри прямой трубы, заполненной плазмой, то заряженные частицы будут закручиваться вокруг силовых линий магнитного поля, перемещаясь только вдоль трубы (рис.5), чтобы избежать ухода частиц через концы трубы, можно соединить оба ее конца, т.е. согнуть трубу в «бублик». Труба такой формы представляет собой тор, а соответствующее устройство носит название тороидальной магнитной ловушки. Магнитное поле внутри тора создается с помощью намотанной на него проволочной катушки, по которой пропускается ток.

Однако, эта простая идея сразу наталкивается на ряд трудностей, которые связаны, в первую очередь, с дрейфовыми движениями плазмы. Поскольку силовые линии магнитного поля в тороидальной ловушке представляют собой окружности, можно ожидать центробежный дрейф частиц к стенкам ловушки. Кроме того, в силу принятой геометрии установки, витки с током располагаются на внутренней окружности тора ближе друг к другу, чем на внешней, поэтому индукция магнитного поля увеличивается по направлению от внешней стенки тора к внутренней, что очевидным образом приводит к градиентному дрейфу частиц к стенкам ловушки. Оба вида дрейфа частиц вызывают движение зарядов противоположного знака в разные стороны, в результате вверху образуется избыток отрицательных зарядов, а внизу – положительных. (рис.6). Это приводит к появлению электрического поля, которое перпендикулярно магнитному полю. Возникшее электрическое поле вызывает электрический дрейф частиц и плазма как целое устремляется к наружной стенке.

Идею магнитной термоизоляции плазмы в тороидальной ловушке можно спасти, если создать в ней магнитное поле специального типа, так чтобы линии магнитной индукции представляли собой не окружности, а винтовые линии, навивающиеся на тороидальную поверхность (рис.7). Такое магнитное поле можно создать либо с помощью специальной системы катушек, либо закручивая тор в фигуру, напоминающую цифру восемь («восьмерку»). Соответствующие устройства носят название стеллараторов (от слова «стеллар» – звездный). Другой способ, также позволяющий компенсировать дрейф плазмы в тороидальной ловушке, состоит в возбуждении вдоль тора электрического тока прямо по плазме. Систему с кольцевым током назвали токамак (от слов «токовая камера», «магнитные катушки»).

Существуют и другие идеи магнитного удержания плазмы. Одна из них заключается, например, в создании ловушек с магнитными «пробками» или так называемых «пробкотронов». В таких устройствах силовые линии продольного магнитного поля, сгущаются по направлению к торцам цилиндрической камеры, в которой находится плазма, напоминая своей формой горлышко бутылки (рис.8). Уходу заряженных частиц на стенки поперек продольного магнитного поля препятствует их закручивание вокруг силовых линий. Нарастание магнитного поля к торцам обеспечивает выталкивание циклотронных кружков в область более слабого поля, что и создает эффект магнитных «пробок». Магнитные «пробки» называют иногда магнитными зеркалами, от них, как от зеркала, отражаются заряженные частицы.

Диффузия плазмы поперек магнитного поля.

Предыдущий анализ поведения заряженных частиц в магнитном поле основывался на предположении об отсутствии столкновений частиц между собой. В действительности же частицы, конечно, взаимодействуют между собой, их столкновения приводят к тому, что они перескакивают с одной линии индукции на другую, т.е. перемещаются поперек силовых линии магнитного поля. Такое явление называют поперечной диффузией плазмы в магнитном поле. Анализ показывает, что скорость поперечной диффузии частиц уменьшается с увеличением магнитного поля (обратно пропорционально квадрату величины магнитной индукции B), а также с возрастанием температуры плазмы. Однако, на самом деле процесс диффузии в плазме оказывается более сложным.

Основную роль в поперечной диффузии плазмы играют столкновения электронов с ионами, при этом ионы, которые движутся вокруг силовых линий по окружностям большего радиуса, чем электроны, в результате столкновений «легче» переходят на другие силовые линии, т.е диффундируют поперек силовых линий быстрее, чем электроны. Из-за различной скорости диффузии частиц противоположного знака происходит разделение зарядов, которому препятствуют возникающие сильные электрические поля. Эти поля практически устраняют возникшую разницу в скоростях движения электронов и ионов, в результате чего наблюдается совместная диффузия разноименно заряженных частиц, которая называется амбиполярной диффузией. Такая диффузия поперек магнитного поля является также одной из важных причин ухода частиц на стенки в устройствах магнитного удержания плазмы.

Плазма как проводящая жидкость.

Если столкновения частиц в плазме играют значительную роль, рассмотрение ее на основе модели частиц, движущихся во внешних полях независимо друг от друга, становится не вполне оправданным. В этом случае более правильным является представление о плазме как сплошной среде, подобной жидкости. Отличие от жидкости состоит в сжимаемости плазмы, а также в том, что плазма является очень хорошим проводником электрического тока. Поскольку проводимость плазмы оказывается близкой к проводимости металлов, наличие токов в плазме приводит к сильному взаимодействию этих токов с магнитным полем. Движение плазмы, как проводящей жидкости, в электрическом и магнитном полях, изучается магнитной гидродинамикой.

В магнитной гидродинамике часто используют приближение идеально проводящей плазмы: это означает, что электрическое сопротивление плазмы считается очень малым (и, наоборот, проводимость плазмы – бесконечно большой). При движении плазмы относительно магнитного поля (или магнитного поля относительно плазмы) в плазме, в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея, должна возникнуть ЭДС индукции. Но эта ЭДС вызывала бы в идеально проводящей плазме бесконечно большой ток, что невозможно. Отсюда следует, что магнитное поле не может перемещаться относительно такой плазмы: силовые линии поля оказываются как бы «вклеенными» или «вмороженными» в плазму, перемещаясь вместе с ней.

Понятие «вморожености» магнитного поля играет большую роль в физике плазмы, позволяя описать многие необычные явления, наблюдаемые особенно в космической плазме. Вместе с тем, если сопротивление плазмы не равно нулю, то магнитное поле может перемещаться относительно плазмы, т.е. происходит как бы «просачивание» или диффузия магнитного поля в плазму. Скорость такой диффузии тем больше, чем меньше проводимость плазмы.

Если рассмотреть неподвижный объем плазмы, окруженный внешним магнитным полем, то в случае идеально проводящей плазмы это поле не может проникнуть внутрь объема. Плазма как бы «выталкивает» магнитное поле за свои пределы. О таком свойстве плазмы говорят как о проявлении ее диамагнетизма. При конечной проводимости магнитное поле просачивается в плазму и первоначально резкая граница между внешним магнитным полем и полем в самой плазме начинает размываться.

Эти же явления можно просто объяснить, если ввести понятие о силах, действующих на плазму со стороны магнитного поля или об эквивалентной этим силам величине магнитного давления. Пусть проводник с током, расположен перпендикулярно силовым линиям магнитного поля. – составляющая вектора плотности тока, направленная поперек магнитного поля. Примером может быть бесконечно длинный круговой цилиндр плазмы (плазменный шнур). Если плотность тока равна j, то легко убедиться, что на любую линию тока в плазменном цилиндре действует со стороны магнитного поля сила F, направленная к оси цилиндра, Совокупность этих сил стремится как бы сжать плазменный шнур. Полная сила, отнесенная к единице поверхности называется магнитным давлением. Величина этого давления определяется выражением

(18)

где m – магнитная проницаемость среды, m0 – магнитная постоянная (магнитная проницаемость вакуума). Пусть есть резкая граница между плазмой и вакуумом. В этом случае магнитное давление , действующее на поверхность плазмы извне, уравновешивается газокинетическим давлением плазмы p и давлением магнитного поля в самой плазме

Из соотношения следует, что индукция магнитного поля B в плазме меньше индукции магнитного поля B0 вне плазмы, и это можно рассматривать как проявление диамагнетизма плазмы.

Магнитное давление играет, очевидно, роль некоторого поршня, сжимающего плазму. Для идеально проводящей среды (p_m = 0) действие этого поршня обеспечивает равновесие между магнитным давлением, приложенным извне к плазме, и гидростатическим давлением внутри нее, т.е. удержание плазмы магнитным полем. Если проводимость плазмы конечна, то граница плазмы размывается, магнитный поршень оказывается «дырявым», спустя некоторое время магнитное поле полностью проникает в плазму и уже ничто не препятствует разлету плазмы под действием ее гидростатического давления.

Волны в плазме.

Если в обычном нейтральном газе в каком-то месте возникает разрежение или уплотнение среды, то оно распространяется внутри газа от точки к точке в виде так называемой звуковой волны. В плазме, помимо возмущения давления (или плотности) среды, возникают колебания за счет разделения зарядов (лэнгмюровские или плазменные колебания). Простейшим и важнейшим способом возбуждения плазменных колебаний является, например, возбуждение их пучком быстрых электронов, проходящим через плазму, который вызывает смещение электронов плазмы из положения равновесия. Под совместным действием сил давления и электрического поля плазменные колебания начинают распространяться в среде, возникают так называемые лэнгмюровские или плазменные волны.

Распространение периодических колебаний в среде характеризуется длиной волны l, которая связана с периодом колебаний T соотношением

l = vT, где v – фазовая скорость распространения волны. Наряду с длиной волны рассматривают волновое число k = 2p/l. Поскольку частота колебаний w и период T связаны условием wT = 2p, то

(19) w = kv

Направление распространения волны характеризуется волновым вектором, равным по модулю волновому числу. Если направление распространения волны совпадает с направлением колебаний, то волну называют продольной. Когда колебания происходят перпендикулярно направлению распространения волны, она называется поперечной. Звуковые и плазменные волны являются продольными. Примером поперечных волн являются электромагнитные волны, которые представляют собой распространение в среде периодических изменений напряженности электрического и магнитного полей. Электромагнитная волна распространяется в вакууме со скоростью света C.

Для обычных звуковых и электромагнитных волн, распространяющихся в нейтральном газе, скорость их распространения не зависит от частоты волны. Фазовая скорость звука в газе определяется выражением

,

Где p – давление, r – плотность, g = c_p/c_v – показатель адиабаты (c_p и c_v – удельные теплоемкости газа при постоянном давлении и при постоянном объеме соответственно)/

Для волн, распространяющихся в плазме, наоборот, характерно наличие этой зависимости, которая носит название закона дисперсии. Электронные плазменные волны распространяются, например, с фазовой скоростью

(20) ,

где w0, – частота электронных плазменных колебаний, – квадрат скорости электронного звука.

Фазовая скорость электронных волн всегда больше скорости звуковых. Для больших длин волн фазовая скорость стремится к бесконечности – это значит, что весь объем плазмы колеблется с постоянной частотой w0.

Колебания ионов в плазме происходят с гораздо меньшей частотой из-за большой массы ионов по сравнению с электронами. Электроны, обладающие большей подвижностью, следуя за ионами, почти полностью компенсируют электрические поля, возникающие при таких колебаниях, поэтому распространение ионных волн происходит со скоростью ионного звука. Исследования показали, что ионно-звуковые волны в обычной равновесной плазме с температурой электронов T_e, мало отличающейся от температуры ионов T_i, сильно затухают уже на расстояниях порядка длины волны. Однако практически незатухающие ионные волны существуют в сильно неизотермической плазме (T_e>>_Ti), при этом фазовая скорость волны определяется как v = (kT_e/m_i)^1/2. Это соответствует так называемому ионному звуку с электронной температурой. В этом случае скорость заметно превышает тепловую скорость ионов v_t ~ (kT_i/m_i)^1/2.

Особый интерес представляет распространение электромагнитных волн в плазме. Закон дисперсии имеет в этом случае имеет вид

(21)

Распространение волны оказывается возможным только при условии, что частота волны w превышает электронную плазменную частоту w0. Если скорость электромагнитной волны в вакууме равна с (скорость света), то в веществе фазовая скорость распространения определяется формулой v = c/n, где n – показатель преломления среды. Из формул (19) и (21) следует

(22)

ри w w0 показатель преломления становится мнимым, это и означает, что при таком условии волна в плазме не может распространяться. Если после прохождения какой-то среды электромагнитная волна попадает на границу плазмы, то она проникает лишь в тонкий поверхностный слой плазмы, так как при выполнении условия w w0 колебания в электромагнитной волне являются «медленными». За период колебаний T заряженные частицы плазмы «успевают» распределиться таким образом, что возникающие в плазме поля препятствуют продвижению волны. В случае «быстрых» колебаний (w > w0) такое перераспределение не успевает произойти, и волна свободно распространяется по плазме.

В соответствии с формулой (2) электронная плазменная частота . Это позволяет для фиксированных значений n_e находить предельное значение длины электромагнитной волны, выше которой она отражается от границы плазмы. Для оценки этой величины в случае прохождения электромагнитных волн в ионосфере Земли используется формула lпр = 2p(c/w0), где w0 определяется формулой (2). Максимальная концентрация электронов в ионосфере, согласно ракетным зондовым измерениям, равна 10¹²м–3 . Для плазменной частоты в этом случае получается значение w0 = 6·10^–7с^–1, а для длины волны lпр » 30 м. Следовательно, радиоволны с l > 30 м будут отражаться от ионосферы, а для дальней космической связи со спутниками и орбитальными станциями нужно использовать радиоволны со значительно меньшей длиной волны.

На использовании тех же теоретических выражений основывается важный метод диагностики плазмы – микроволновое зондирование. Плазму просвечивают направленным пучком электромагнитных волн. Если волна проходит через плазму и обнаруживается приемником, помещенным с другой стороны, то концентрация плазмы ниже предельной. «Запирание» сигнала означает, что концентрация плазмы выше предельной. Так, для обычно используемых в этом случае волн с длиной l = 3 см предельная электронная плотность составляет 10¹² см^–3 .

Картина распространения волн в плазме существенно усложняется при наличии внешнего магнитного поля. Только в том частном случае, когда направление электрических колебаний в волне происходит вдоль магнитного поля, электромагнитная волна в плазме ведет себя также как и в отсутствие магнитного поля. Наличие магнитного поля приводит к возможности распространения волн совершенно другого характера, чем в случае обычных электромагнитных волн. Такие волны возникают в том случае, когда направление электрических колебаний перпендикулярно внешнему магнитному полю. Если частота колебаний электрического поля мала по сравнению с циклотронными частотами в плазме, то плазма ведет себя просто как проводящая жидкость, и поведение ее описывается уравнениями магнитной гидродинамики. В этой области частот параллельно магнитному полю распространяются магнитогидродинамические волны, а перпендикулярно ему – магнито-звуковые. Физическую природу этих волн можно наглядно представить, воспользовавшись понятием вмороженного магнитного поля.

В магнито-звуковой волне вещество вместе с вмороженным в него полем перемещается вдоль направления распространения волны. Механизм явления аналогичен обычному звуку, только вместе с колебаниями давления (плотности) самой плазмы вдоль того же направления возникают сгущения и разрежения силовых линий вмороженного магнитного поля. Скорость распространения волны может быть найдена по обычной формуле для скорости звука, в которой дополнительно учтено наличие магнитного давления. В результате скорость волны

(23)

(Показатель адиабаты для магнитного давления gm = 2). Если отношение газового давления к магнитному мало, то

(24)

Механизм распространения волн в направлении, параллельном магнитному полю, можно сравнить с распространением волны вдоль колеблющейся струны. Скорость движения вещества здесь перпендикулярна направлению распространения. Силовые линии магнитного поля играют роль как бы упругих нитей (струн), и механизм колебаний здесь состоит в «изгибании» магнитных силовых линий вместе с «приклеенной» к ним плазмой. Несмотря на различие в механизмах явления (по сравнению с предыдущим случаем), скорость распространения магнитогидродинамических волн при низких частотах в точности равна скорости магнитного звука V_A (24). Магнитогидродинамические волны были открыты шведским астрофизиком Альфвеном в 1943 и в его честь носят имя альфвеновских волн.

Владимир Жданов

Реферат — Плазма — Рефераты на referat.store

Плазма

Содержание:

Возникновение плазмы

Квазинейтральность плазмы

Движение частиц плазмы

Применение плазмы в науке и технике

Использованная литература

Долгий путь вёл человека к познанию плазмы, к её использованию в различных отраслях техники. Когда же наука и техника включили плазму в сферу своего внимания, рост знаний о ней и её практическое применение пошли семимильными шагами. Тут и возникли плазмохимия и плазмохимическая технология.

Ещё крупнейший древнегреческий учёный Аристотель предпо лагал, что все тела состоят из четырёх низших элементов-стихий: земли, воды, воздуха и огня. Дальнейшее развитие науки наполнило новым содержанием эти термины. Действительно вещество может быть в четырёх состояниях: твёрдом, жидком, газообразном и плазменном.

Плазма представляет собой состояние вещества, наиболее распространённое в космосе и обладающее очень интересными свойствами, которые находят всё более широкое применение в разработках, посвящённых большим проблемам современной техники. Например, Солнце и звёзды являются примерами высокотемпературной плазмы.

Газ, в котором значительная часть атомов или молекул ионизиована, называется плазмой. Это название было предложено в 1923 году американскими физиками Ленгмюром и Тонксом. Плазма – нормальная форма существования вещества при температуре порядка 10 000 градусов и выше. Вместе с тем это наиболее распространённое состояние вещества в природных условиях. Солнце и звёзды представляют собой не что иное, как сгустки высокотемпературной плазмы. Верхний слой атмосферной оболочки Земли также образован из плазмы – это так называемая ионосфера.

Возникновение плазмы.

Пусть в замкнутом сосуде, сделанном из очень тугоплавкого материала, находиться небольшое количество какого-либо вещества. Начнём подогревать сосуд, постепенно повышая его температуру. Если первоначально вещество, содержащееся в сосуде, было в твёрдом состоянии, то в некоторый момент оно начнёт плавиться, а при ещё более высокой температуре испариться и образовавшийся газ равномерно заполнит весь объём. Когда температура достигнет достаточно высокого уровня, все молекулы газа (если это молекулярный газ) диссоциируют, т.е. распадутся на отдельные атомы. В результате в сосуде будет содержаться газообразная смесь элементов, из которых состоит вещество. Атомы этих элементов будут быстро и беспорядочно двигаться, испытывая время от времени столкновения между собой.

Средняя скорость хаотического теплового движения атомов растёт пропорционально квадратному корню из абсолютной температуры газа. Она тем больше, чем легче газ, т.е. чем меньше атомный вес вещества. Величину средней скорости v можно найти с помощью следующей формулы:

Здесь T — абсолютная температура плазмы, A — атомный вес вещества. Скорость выражается в сантиметрах в секунду.

Естественно, возникает вопрос: как будут изменяться свойства вещества, если нагревание продолжиться дальше и температура выйдет за пределы нескольких тысяч градусов? Конечно, при очень высокой температуре изображаемую нами картину нагревания вещества в тугоплавком сосуде можно представить только теоретически, т.к. предел термической стойкости даже самых тугоплавких материалов сравнительно невелик – 3 000 – 4 000 градусов. Допустим, что стенки сосуда способны противостоять сколь угодно высокой температуре, не разрушаясь и не испытывая никаких изменений. Итак, нагревание продолжается. В таком случае уже при 3 000 – 5 000 градусов мы сможем заметить признаки проявления новых процессов, которые будут связаны с изменением свойств самих атомов вещества.

Как известно, каждый атом состоит из положительно заряженного ядра, в котором сосредоточена почти вся масса атома, и электронов, вращающихся вокруг ядра и образующих электронную оболочку атома. Эта оболочка и в особенности её внешний слой, содержащий электроны, сравнительно слабо связанные с ядром, обладают довольно хрупкой структурой. При столкновении атома с какой-либо быстро движущейся частицей один из внешних электронов может быть оторван от атома, который превратиться в положительно заряженный ион. Именно этот процесс ионизации и будет наиболее характерен для рассматриваемой стадии нагревания вещества. При достаточно высокой температуре газ перестаёт быть нейтральным: в нём появляются положительные ионы и свободные электроны, оторванные от атомов.

В условиях, когда нагретое вещество находиться в тепловом равновесии с окружающей средой (в нашем случае со стенками воображаемого идеального сосуда) при температуре в несколько десятков тысяч градусов, подавляющая часть атомов в любом газе ионизирована и нейтральные атомы практически отсутствуют. Например при T = 30 000 градусов на 20 000 положительных ионов приходиться всего лишь один нейтральный атом.

Электронная оболочка атома водорода содержит только один электрон, и поэтому с потерей атома ионизация заканчивается. В атомах других элементов электронная оболочка имеет более сложную структуру. В её состав входят электроны, обладающие разной степенью связи с атомом в целом. Электроны, принадлежащие к внешним слоям оболочки, отрываются сравнительно легко. Как уже говорилось выше, при температуре порядка 20 000 – 30 000 градусов почти не должно оставаться примесей нейтральных атомов. Это означает, что можно говорить о полной ионизации газа. Однако это не означает, что процесс ионизации закончился, т.к. положительные ионы в упомянутой области температур сохраняют значительную часть своего “электронного одеяния”. Чем больше порядковый номер элемента в периодической системе Менделеева, тем больше число электронов в атоме и тем прочнее связаны электроны внутренних слоёв оболочки с атомным ядром. Поэтому окончательная ионизация тяжёлых элементов только при очень высоких температурах (десятки миллионов градусов). При этом газ остаётся в целом нейтральным, т.к. процессы ионизации не создают избытка в зарядах того или иного знака.

В ионизации газа при высокой температуре принимают участие различные процессы взаимодействия между отдельными атомами, с одной стороны, и электронами, ионами и световым излучением – с другой.

Различают высокотемпературную плазму, возникающую при сверхвысоких температурах, и газоразрядную плазму, возникающую при газовом разряде. Любая плазма характеризуется степенью ионизации a — отношением числа ионизированных частиц к полному их числу в единице объёма плазмы. В зависимости от величины a говорят о слабо (a составляет доли процента), умеренно (a — несколько процентов) и полностью (a близко к 100%) ионизированной плазме.

Однако, описанный нами способ получения плазмы на практике не является самым лучшим из-за сложности его осуществления. Как в лабораторных опытах, так и в технике нормальным состоянием плазмы считают различные виды электрических разрядов в газах. При электрическом разряде через газ проходит ток. Носителями этого тока являются электроны и ионы, которые образуются в результате ионизации газа. Сам процесс ионизации неразрывно связан с прохождением тока. Только благодаря наличию тока в газе постоянно возникают новые ионы и электроны, и степень ионизации поддерживается на определённом уровне. Будь то молния, электрическая дуга, разряд в люминесцентной лампе дневного света – во всех случаях мы имеем дело с явлениями, разыгрывающимися в сильно ионизированной плазме. Между тем между плазмой, образовавшейся при нагревании вещества вместе с сосудом, в котором оно находиться, и плазмой газового разряда имеется одно существенное отличие. Плазма газового разряда не является в термическом отношении равновесной. Она нагревается изнутри за счёт энергии, выделяющейся за счёт прохождения тока, и охлаждается с поверхности вследствие контакта с холодными стенками газоразрядного прибора или же с окружающими слоями обычного газа. Плазма, образующаяся при интенсивных газовых разрядах, может иметь во много раз большую температуру, чем металл, стекло или нейтральный газ, которые её окружают. Кроме того, такая плазма термически неравновесна ещё в одном отношении. Она состоит из смеси нескольких компонент, неодинаково нагретых. Одной из этих компонент являются электроны, другой – положительные ионы и третьей – нейтральные атомы. Они так же равномерно перемешаны между собой, как кислород и азот в атмосфере.

Однако в противоположность обычной газовой смеси, все частицы которой независимо от их принадлежности к той или иной составляющей имеют одинаковую среднюю кинетическую энергию беспорядочного теплового движения, у электронов, ионов и нейтральных атомов плазмы газового разряда средняя кинетическая энергия различна. Электроны, как правило, обладают гораздо более высокими энергиями, чем ионы, а кинетическая энергия ионов может превышать энергию нейтральных атомов и молекул. Поэтому можно сказать, что плазма представляет собой смесь компонент с различными температурами. Как известно средняя величина кинетической энергии W _T беспорядочного теплового движения W связана с температурой T следующим соотношением:

где k – так называемая постоянная Больцмана, равная 1,38Ч эрг/град. Из-за различия в величине средней кинетической энергии электронов, ионов и нейтральных частиц в плазме вместо одной общей температуры следует различать три разные температуры: электронную T _e , ионную T _i и атомную T ₀ . Обычно T _e >> T _i > T _0, где “>>” означает “во много раз больше”. Очень большое различие между T _e и T _i , характерное для большинства форм газового разряда, обусловлено громадной разницей в величине массы электронов и ионов. Внешние источники электрической энергии, с помощью которых создаётся и поддерживается газовый разряд, передают энергию непосредственно электронам плазмы, т.к. именно лёгкие электроны являются носителями электрического тока. Ионы приобретают свою энергию благодаря столкновениям с быстро движущимися электронами. Однако при каждом отдельном столкновении из-за большого различия в массе лёгкий электрон передаёт иону лишь небольшую часть своей кинетической энергии. Простой анализ, основанный на применении закона сохранения энергии и закона сохранения суммарного количества движения, показывает, что если тело малой массы m сталкивается упруго с телом во много раз большей массы M , то относительная доля кинетической энергии, которую легкое тело в состоянии передать тяжёлому, не может превысить . Отношение массы электрона к массе иона равно 1 : 1840 A , где A – атомный вес вещества, которому принадлежат ионы. Следовательно наибольшая величина, передаваемой энергии соствляет всего . Поэтому электрон должен испытать очень много столкновений с ионами, для того, чтобы полностью отдать имеющийся у него излишек энергии. Поскольку параллельно процессам, при которых происходит обмен энергией между электронами и ионами, идёт процесс приобретения энергии электронами от источников электрического тока, питающего разряд, в плазме при газовом разряде всё время поддерживаеться большой перепад температу между электронами и ионами. Так, например, в упоминавшихся выше газоразрядных приборах величина T _e обычно лежит в пределах нескольких десятков тысяч градусов, в то время как величины T _i и T ₀ не превышают одной-двух тысяч градусов. При дуговом разряде, который используется в электросварке, электронная и ионная температуры ближе друг к другу вследствие того, что в этом случае разряд происходит в газе с большой плотностью и частые столкновения между электронами и ионами быстро выравнивают разность температур. При некоторых специальных условиях в сильно ионизированной плазме ионная температура может значительно превысить электронную. Такие условия возникают, например, при кратковременных разрядах большой мощности в экспериментальных установках. Например, можно взять угольные электроды, создать высокое давление, и подвести ток большой силы. В этом случае в узком межэлектродном пространстве возникнет сильно ионизированная плазма при температуре 50 000 K.

Следует также рассмотреть особенности движения частиц пла змы. Движения частиц обычного газа ограничиваются только столкновениями между собой или со стенками сосуда, в котором находиться этот газ. Движение частиц плазмы может быть ограничено магнитным полем. Плазму можно сдерживать магнитной стенкой, толкать магнитным поршнем, запирать в магнитной ловушке. В сильном магнитном поле частицы плазмы крутятся вокруг магнитных силовых линий. Вдоль магнитного поля частица движется свободно. Подробнее об этом будет рассказано ниже.

Квазинейтральность плазмы.

Даже в том случае, если плазма образуется в результате иони зации химически простого газа, например азота, кислорода, паров ртути, её ионная компонента будет содержать ионы различных сортов – с одним, двумя, тремя или более электронными зарядами. Следует отметить, что кроме атомарных ионов могут присутствовать молекулярные ионы, а также нейтральные атомы и молекулы. Каждая из этих компонент будет характеризоваться своей концентрацией n и температурой T . В общем случае, когда в плазме присутствуют однозарядные ионы с концентрацией n ₁ , двухзарядные – с концентрацией n ₂ , трёхзарядные – с концентрацией n ₃ и т.д., можно записать равенство: n _e = n ₁ + 2n ₂ + 3n ₃ + … Такое соотношение между концентрацией отрицательных и положительных зарядов в плазме говорит о том, что плазма в целом квазинейтральна, т.е. в ней нет заметного избытка зарядов одного знака над зарядами другого. На этом свойстве плазмы следует остановиться несколько подробнее, т.к. оно имеет существенное значение и, в конечном счёте, в нём содержится самоё определение понятия “плазма”. Естественно возникает вопрос: “С какой степенью точности в ионизированном газе должно соблюдаться условие квазинейтральности?”. Каким бы путём не создавалась ионизация, заранее совсем не очевидно, что положительных и отрицательных зарядов должно быть поровну. Из-за различия в скоростях движения электронов и ионов, первые могут с большей лёгкостью покидать объём, в котором они возникли. Поэтому если благодаря процессам ионизации атомов первоначально образуется одинаковое количество зарядов противоположного знака, то из-за быстрого исчезновения электронов, погибающих на стенках аппаратуры, внутри которой находиться ионизированный газ, ионы, казалось бы, должны оставаться в значительном большинстве, т.е. не о какой нейтральности не может быть и речи. С другой стороны, необходимо учесть, что при преимущественной утечке зарядов одного знака в ионизированном газе немедленно образуется избыток зарядов другого знака, который способствует выравниванию потока электронов и ионов и препятствует увеличению разницы между концентрациями частиц обоих знака. Условия, при которых этот эффект будет достаточен для того, чтобы поддерживать квазинейтральность, можно описать следующим образом.

Допустим для простоты, что в ионизированном газе присут ствуют кроме ионов только однозарядные ионы. Квазинейтральность означает, что n _e очень мало отличается от n _i . Как отразиться на поведении отдельных частиц заметное отклонение n _e от n _i ? Здесь сразу же выделяются два крайних случая. Если число заряженных частиц в объёме невелико, то создаваемые ими электрические поля слишком слабы для того, чтобы повлиять на их движение, даже если все поля складываются. В этом случае отдельные электроны и ионы в своём поведении никак не связаны друг с другом и каждая частица движется так, как будто все другие отсутствуют. Следовательно условие квазинейтральности здесь не обязательно выполняется. Противоположный случай ионизированному газу с высокой концентрацией заряженных частиц, занимающему большой объём. В этом случае избыточные заряды, возникающие при сильном нарушении равенства между n _e и n _i , создают электрические поля, достаточные для выравнивания потоков и восстановления квазинейтральности.

В конечном счёте всё зависит от соотношения между потен циальной энергией отдельного иона или электрона в электрическом поле, возникающем при нарушении квазинейтральности, и величиной средней кинетической энергии частиц, связанной с их тепловым движением.

До сих пор речь шла о газовой плазме. Однако плазменные явления возникают часто в объектах, казалось бы, далёких от газов.

Остановимся, например, на металлах или полупроводниках. По современным представлениям их структура такова: есть решётка, состоящая из упорядоченно расположенных частиц – ионов или нейтральных частиц, и есть газ хаотически перемещающихся носителей электричества, называемых электронами (заряд отрицательный) и дырками (заряд положительный). Электроны и дырки в твёрдых телах не являются частицами в полном смысле этого слова: в свободном состоянии именно таких частиц (т.е. с соответствующими зарядом и массой) нет. Тем не менее уравнения, описывающие их движение, подобны уравнениям, описывающим движения обычных частиц – с той разницей, что роль массы здесь играют некоторые величины, зависящие от структуры вещества. Эти величины обычно именуют эффективными массами электронов и дырок. Поэтому электроны и дырки в твёрдых телах именуют квазичастицами (лат. quasi – почти). Поскольку поведение заряженных квазичастиц аналогично поведению электронов и ионов, то и свойства газа электронов и дырок сходны со свойствами газовой плазмы. Отсюда и название такой системы – твёрдотельная плазма.

Движение частиц плазмы.

Хотя мы можем рассматривать плазму как некоторую частную форму газовой смеси (в простейшем случае как смесь двух компонент: электронного и ионного газа), однако по целому ряду основных физических свойств она отличается от обычного газа, содержащего лишь нейтральные частицы. Это различие проявляется прежде всего в поведении плазмы под действием электрических и магнитных полей. В противоположность обычному нейтральному газу, на который электрические и магнитные поля не оказывают заметного воздействия, плазма под действием таких полей может очень сильно изменять свои свойства. Под действием электрического поля (даже очень слабого) в плазме появляется электрический ток. В магнитном поле плазма ведёт себя, как очень своеобразное диамагнитное вещество. Плазма может также интенсивно взаимодействовать с электромагнитными волнами. В частности, это находит выражение в том, что радиоволны могут отражаться от плазмы, как от зеркала.

Попытаемся сначала нарисовать самую общую картину движе ния заряженной частицы в плазме. Путь каждого иона или электрона можно сначала очень грубо представить себе состоящим из отрезков, на протяжении которых частица движется свободно, не испытывая взаимодействия с соседями. Эти участки свободного движения частиц прерываются кратковременными столкновениями, в результате которых направление движения меняется. В промежутках между двумя последовательными столкновениями частица движется под действием того общего электрического или магнитного поля, которое создано в плазме за счёт внешних источников. Это очень упрощённая картина поведения частицы, и она нуждается в серьёзных поправках, учитывающих основные особенности плазмы, которые проявляются прежде всего в характере её собственного электрического поля, существующего независимо от внешних источников. Каждая заряженная частица создаёт вокруг себя электрическое поле с радиально расходящимися от неё силовыми линиями. Поля от отдельных с зарядами разных знаков, складываясь между собой, в среднем компенсируют друг друга. Однако это не означает, что в каждый данный момент времени электрическое поле в какой-либо выбранной нами точке в точности равно нулю. Поле в любой точке плазмы в действительности очень быстро изменяется и по величине, и по направлению, и эти хаотические колебания дают нуль, только если рассчитывать среднюю величину напряжённости поля за достаточно длинный интервал времени.

Напряжённость собственного электрического поля плазмы ис пытывает сильные хаотичес- кие колебания как во времени, так и в пространстве, быстро изменяясь на очень малых расстояниях.

Заряженная частица, находящаяся в электрическом поле, движется по законам, напоминающим обычные законы движения тел в поле тяжести.

Обратимся к рисунку, на котором показаны траектории заряженных частиц в электрическом поле, направленном по вертикальной оси. Стрелки изображают скорости движения частиц в некоторый момент времени. Сила, действующая на заряженную частицу, равна qE , где q – заряд и E – напряжённость поля. Для однозарядных частиц q = ± e , где e – элементарный электрический заряд, а для многозарядных ионов q представляет собой небольшое целое, кратное e ( e= к ). Под действием этой силы однозарядный положительный ион с массой m _i приобретает ускорение , которое направленно вдоль вертикальной оси вверх. Ускорение электрона направлено вниз и численно равно , где m _e – масса электрона. Электрон гораздо легче иона, и поэтому ускорение, которое получает электрон, во много раз больше, чем ускорение иона. Траектория заряженной частицы в однородном электрическом поле всегда составляет собой пораболу. Форма этой пораболы зависит от свойств частицы, начальных условий движения и величины E . Пусть, например, электрическое поле направленно по оси y , а начальная скорость v ₀ – вдоль оси x (траектория I на рисунке). В этом случае движение частицы по оси x будет равномерным, а по оси y – равноускоренным.

Применение плазмы в науке и технике.

Электрическая дуга – наиболее подходящая среда для таких реакций, которые не могут протекать в обычных условиях по термодинамическим причинам. Можно зажечь плазму в кислороде и использовать высокую реакционную способность получающегося при этом озона. В азотной плазме можно получить такие экзотические соединения, как тетрафторид азота N ₂ F ₄ или нитрид титана TiN. Водородная плазма проявляет восстанавливающее действие, поэтому её можно применять для вскрытия железных руд. Продолжительность реакций в высокотемпературной плазме крайне мала. Метан, например, при 4 800 – 5 300 K за 1/10000 c на 75 — 80% превращается в ацителен. Главным преимуществом методов плазмохимии является то, что состав исходного сырья может колебаться в широких пределах. Реакции могут протекать и в холодной плазме при температурах ниже 400 K. Интересным примером может послужить азотирование в тлеющем разряде, применяемое для поверхностного упрочнения стали.

Плазма – ещё малоизученный объект не только в физике, но и в химии (плазмохимии), астрономии и многих других науках. Поэтому важнейшие технические положения физики плазмы до сих пор не вышли из стадии лабораторной разработки. В настоящее время плазма активно изучается т.к. имеет огромное значение для науки и техники. Эта тема интересна ещё и тем, что плазма – четвёртое состояние вещества, о существовании которого люди не подозревали до XX века. Возможно, что плазма и есть тот первоэлемент, который так упорно искали алхимики средних веков?

Использованная литература:

1. Арцимович Л.А. Элементарная физика плазмы, М, Атомиздат, 1966.
2. Вурзель Ф.Б., Полак Л.С. Плазмохимия, М, Знание, 1985.
3. Ораевский Н.В. Плазма на Земле и в космосе, К, Наукова думка, 1980.
4. Поллер З. Химия на пути в третье тысячелетие, М, Мир, 1982.
5. Франк-Каменецкий Д.А. Плазма – четвёртое состояние вещества, М, Атомиздат, 1975.
6. Энциклопедический словарь юного физика, 3 изд., М, Педагогика-Пресс, 1995.

Что такое плазма?

Что такое плазма?

Плазма — это полностью или частично ионизованный газ, в котором суммарный отрицательный заряд частиц равен суммарному положительному заряду. Поэтому в целом плазма является электрически нейтральной средой, или как говорят в физике, плазма обладает свойством квазинейтральности. Плазма считается четвертым (после твёрдого, жидкого и газообразного) агрегатным состоянием вещества и является нормальной формой существования вещества при температуре порядка 10 000 градусов и выше. 

Плазма очень распространена во Вселенной. Солнце и звёзды представляют собой не что иное, как сгустки высокотемпературной плазмы. Но на Земле плазмы очень мало, природный пример – верхний слой атмосферной оболочки Земли, он также образован из плазмы – это так называемая ионосфера. Космические частицы и частицы солнечного ветра ионизуют верхний слой атмосферы, и образовавшаяся плазма удерживается магнитным полем Земли. То есть, это своеобразная земная магнитная ловушка. В период повышенной солнечной активности поток заряженных частиц солнечного ветра деформирует магнитосферу планеты. Вследствие развития гидромагнитных неустойчивостей плазма проникает в верхнюю атмосферу в районе полюсов. Атмосферные газы взаимодействуют с заряженными частицами плазмы, возбуждаются и рождают свечение. Этим обусловлено явление полярного сияния, видимое только на полюсах.

Исследования плазмы как необычного состояния вещества в природе проводятся уже более века, а начиная со второй половины 20 века, в неразрывной связи с «генеральным направлением» физики плазмы – осуществлением самоподдерживающейся управляемой реакции термоядерного синтеза (УТС).

Для того, чтобы произошла реакция синтеза, исходные ядра должны преодолеть силу электростатического отталкивания, для этого они должны иметь большую кинетическую энергию. Если предположить, что кинетическая энергия ядер определяется их тепловым движением, то можно сказать, что для реакции синтеза нужна большая температура. Поэтому реакция названа «термоядерной». Чтобы вступить в реакцию, ядра должны преодолеть потенциальный барьер. Например, для реакции дейтерий-тритий величина этого барьера составляет примерно 0,1 МэВ. (Электронвольт (сокращённо эВ или eV) — внесистемная единица энергии, используемая в атомной и ядерной физике. Один электронвольт равен энергии, которая необходима для переноса электрона в электростатическом поле между точками с разницей потенциалов в 1 В. Таким образом, 1 эВ = 1,602 176 487(40)×10⁻¹⁹ Дж = 1,602 176 487(40)×10⁻¹² эрг). Для сравнения, энергия ионизации водорода — 13 эВ. Поэтому вещество, участвующее в термоядерной реакции будет представлять собой практически полностью ионизированную плазму. 

Главными реакциями синтеза с участием изотопов легких атомов являются следующие: 

D + T → ⁴He (3.5 МэВ) + n (14.1 МэВ),
 D + D → ³He (0.82 МэВ) + n (2.45 МэВ),

                                                                                                                                                      → T (1 МэВ) + p (3 МэВ),

причем вероятность двух каналов D+D реакции одинакова. Эти реакции в конечном итоге ведут к появлению радиоактивных продуктов, которые образуются во вторичных реакциях с участием термоядерных нейтронов в стенках реактора. Этого недостатка лишена реакция

D + ³He → ⁴He (3.6 МэВ) + p (14.7 МэВ)

На Земле 3He практически отсутствует, однако он обнаружен на поверхности Луны. Если термоядерная энергетика когда-нибудь станет реальностью, то вероятно она будет основана именно на этой реакции. А на сегодняшний день основной реакцией для будущей термоядерной электростанции выбрана реакция D+T благодаря высокому энерговыделению и большому сечению реакции.

В настоящее время международное научное сообщество приступило к строительству крупнейшего международного экспериментального термоядерного реактора типа токамак под названием «ИТЭР». В ближайшие десятилетия ИТЭР должен продемонстрировать возможность функционирования самоподдерживающейся управляемой термоядерной электростанции на основе реакции синтеза дейтерия и трития. Однако очевидно, что для дальнейшего развития термоядерной энергетики будущего и строительства таких станций, которые будут работать десятилетиями, уже сегодня нужно отобрать из уже существующих и создать новые надежные материалы, способные на протяжении всего срока службы выдерживать мощные нейтронные потоки. Для проведения испытаний таких материалов необходим мощный источник термоядерных нейтронов. Согласно требованиям специалистов в области термоядерного материаловедения, плотность потока нейтронов с энергией 14 МэВ в зоне испытаний должна быть порядка 2 МВт/м2. Источник нейтронов с таким потоком может быть создан на основе открытой ловушки.

Использование плазмы. | ПлазмаМаш

Наиболее широко плазма применяется в светотехнике — в газоразрядных лампах, освещающих улицы. Гуляя вечером по улицам города, мы любуемся световыми рекламами, не думая о том, что в них светится неоновая или аргоновая плазма. Пользуемся лампами дневного света. Всякий, кто имел «удовольствие» устроить в электрической сети короткое замыкание, встречался с плазмой. Искра,  которая проскакивает между проводами, состоит из плазмы электрического разряда в воздухе. Дуга электрической сварки тоже плазма.

Любое вещество, нагретое до достаточно высокой температуры, переходит в состояние плазмы. Легче всего это происходит с парами щелочных металлов,  таких, как натрий, калий, цезий. Обычное пламя обладает некоторой теплопроводностью; оно, хотя и в слабой степени, ионизировано, то есть является плазмой. Причина этой проводимости — ничтожная  примесь натрия, который можно распознать по желтому свечению. Для полной ионизации газа нужна температура в десятки тысяч градусов.

Кроме того, плазма применяется в самых разных газоразрядных приборах: выпрямителях электрического тока, стабилизаторах напряжения, плазменных усилителях и генераторах сверхвысоких частот (СВЧ), счётчиках космических частиц.

Все так называемые газовые лазеры (гелий-неоновый, криптоновый, на диоксиде углерода и т. п.) на самом деле плазменные: газовые смеси в них ионизованы электрическим разрядом.

Свойствами, характерными для плазмы, обладают электроны проводимости в металле (ионы, жестко закрепленные в кристаллической решётке, нейтрализуют их заряды), совокупность свободных электронов и подвижных «дырок» (вакансий) в полупроводниках. Поэтому такие системы называют плазмой твёрдых тел

Газовую плазму принято разделять на низкотемпературную — до 100 тыс. градусов и высокотемпературную — до 100 млн градусов. Существуют генераторы низкотемпературной плазмы — плазмотроны, в которых используется электрическая дуга. С помощью плазмотрона можно нагреть почти любой газ до 7000-10000 градусов за сотые и тысячные доли секунды. С созданием плазмотрона возникла новая область науки — плазменная химия: многие химические реакции ускоряются или идут только в плазменной струе. Плазмотроны применяются и в горно-рудной промышленности, и для плазменной резки металлов.

Созданы также плазменные двигатели, магнитогидродинамические электростанции. Разрабатываются различные схемы плазменного ускорения заряженных частиц. Центральной задачей физики плазмы является проблема управляемого термоядерного синтеза.

Термоядерными называют реакции синтеза более тяжёлых ядер из ядер лёгких элементов (в первую очередь изотопов водорода — дейтерия D и трития Т), протекающие при очень высоких температурах (» 10⁸ К)

В естественных условиях термоядерные реакции происходят на Солнце: ядра водорода соединяются друг с другом, образуя ядра гелия, при этом выделяется значительное количество энергии. Искусственная реакция термоядерного синтеза была осуществлена в  водородной бомбе.

PPTA повторяет призывы к пожертвованию плазмы

Ассоциация белковых терапевтов плазмы неуклонно выполняет свою миссию по обеспечению доступности и доступности безопасных и эффективных препаратов для лечения белков плазмы для пациентов во всем мире. Мы призываем всех подходящих взрослых сдавать плазму — независимо от того, вылечились ли вы от COVID-19 или нет, ваша плазма необходима для спасения жизней прямо сейчас.Сдавая плазму сегодня, вы напрямую помогаете спасать жизни детей, рожденных с первичным иммунодефицитом, нарушениями свертываемости крови и другими редкими состояниями, а также пациентов, которые полагаются на плазмотерапию в условиях неотложной помощи и интенсивной терапии.

Количество пожертвований плазмы

PPTA в этом году сократилось. Это снижение вызвано продолжающейся пандемией COVID-19 и неопределенностью, которую испытывают доноры плазмы. Снижение количества пожертвований может ограничить доступ пациентов к терапии на основе плазмы или PDT.Эми Эфантис, PPTA, президент и главный исполнительный директор, заявила, что «учитывая длительность производства ФДТ без необходимого сырья, в какой-то момент может оказаться затруднительным поставить достаточное количество ФДТ для удовлетворения клинических потребностей пациентов с редкими заболеваниями». Стандартный сбор плазмы остается критически важным для удовлетворения потребностей людей с редкими и хроническими заболеваниями. Обнадеживает рост осведомленности о роли выздоравливающей плазмы в качестве потенциального средства лечения COVID-19, и мы надеемся, что это сообщение имеет аналогичный эффект для стандартного сбора плазмы, который необходим пациентам с редкими и хроническими заболеваниями каждый день.

компаний-членов PPTA неустанно работают, чтобы предотвратить такую ​​ситуацию и обеспечить безопасность донорства плазмы. Плазменные центры признаны властями США и Европы «необходимыми», и сдача плазмы остается безопасной. Эфантис прокомментировал: «Наши компании внедрили все меры, требуемые властями, такими как Центры по контролю и профилактике заболеваний в США и Европейский центр профилактики и контроля заболеваний, чтобы обеспечить безопасность доноров.Эфантис продолжил: «Фактически, меры, используемые нашими компаниями, часто выходят за рамки этих требований, чтобы гарантировать донорам и персоналу их здоровье и безопасность от COVID-19 во время посещения центров плазмы».

Срочное обращение

PPTA к властям США и Европы с призывом к устранению барьеров, препятствующих возможности сбора большего количества плазмы, привело к временной отмене некоторых устаревших нормативных положений. Мы призываем власти навсегда устранить те препятствия, которые не имеют научного значения.

Мы срочно повторяем наш давний призыв к властям всего мира активизировать призыв к пожертвованиям плазмы. Хотя правительства США и Европы предприняли похвальные усилия по поощрению пожертвований плазмы для выздоравливающих от COVID-19, мы также призываем правительства принять участие в комплексной просветительской кампании для поощрения пожертвований плазмы в целом и заверить общественность в безопасность процесса пожертвования.

Любой взрослый, отвечающий критериям отбора, может ответить на этот звонок.Вы можете спасти жизнь сегодня. На нас рассчитывают пациенты с редкими заболеваниями.
Чтобы найти ближайший к вам центр донорства плазмы, посетите www.DonatingPlasma.org . Чтобы узнать больше о заболеваниях, которые лечатся с помощью терапии белками плазмы, и услышать непосредственное мнение пациентов, жизнь которых улучшилась благодаря доступу к этим методам лечения, спасающим жизнь, посетите сайт www.HowIsYourDay.org .

Скачать выписку можно здесь.

За дополнительной информацией обращайтесь к Мэту Гулику по телефону mgulick @ pptaglobal.org .

• Создано 5 августа 2020 года .

Инъекция плазмы, обогащенной тромбоцитами (PRP): как это работает

В последние годы врачи узнали, что организм обладает способностью к самовосстановлению. Плазмотерапия с высоким содержанием тромбоцитов — это форма регенеративной медицины, которая может использовать эти способности и усилить естественные факторы роста, которые ваше тело использует для заживления тканей.

Что такое плазма и что такое тромбоциты?

Плазма — жидкая часть цельной крови. Он состоит в основном из воды и белков и обеспечивает среду для циркуляции красных кровяных телец, лейкоцитов и тромбоцитов в организме. Тромбоциты, также называемые тромбоцитами, представляют собой клетки крови, которые вызывают образование тромбов и другие необходимые функции заживления роста.

Активация тромбоцитов играет ключевую роль в естественном процессе заживления организма.

Что такое плазма, обогащенная тромбоцитами (PRP) и что такое инъекции PRP?

Терапия с использованием обогащенной тромбоцитами плазмы (PRP) использует инъекции концентрации собственных тромбоцитов пациента для ускорения заживления поврежденных сухожилий, связок, мышц и суставов.Таким образом, PRP инъекция использует собственную систему исцеления каждого отдельного пациента, чтобы улучшить опорно-двигательный аппарат.

Для приготовления инъекций

PRP нужно взять от одной до нескольких пробирок с вашей собственной кровью и пропустить ее через центрифугу для концентрирования тромбоцитов. Затем эти активированные тромбоциты вводятся прямо в поврежденную или больную ткань. Это высвобождает факторы роста, которые стимулируют и увеличивают количество репаративных клеток, которые производит ваше тело.

Иногда для направления инъекции используется ультразвуковая визуализация.На фотографиях ниже показана инъекция PRP в разорванное сухожилие пациента. Слева показано ультразвуковое сопровождение, справа — инъекция.

Видео: Как работают инъекции богатой тромбоцитами плазмы?

В этом видео врач спортивной медицины HSS Брайан Д. Халперн обсуждает и демонстрирует инъекции PRP.

Плазма, богатая тромбоцитами, значительно улучшает процесс заживления, и использование PRP инъекции при боли в плече, вызванной разрывами вращающей манжеты, при разрывах ахиллова сухожилия и других травмах мягких тканей, становится все более распространенным.

Также было продемонстрировано, что

PRP улучшает функцию и уменьшает боль у людей с тендинитом или хроническими состояниями тендиноза, такими как теннисный локоть или локоть игрока в гольф.

Некоторые из ключевых преимуществ инъекций PRP заключаются в том, что они могут снизить потребность в противовоспалительных средствах или более сильных лекарствах, таких как опиоиды. Кроме того, побочные эффекты инъекций PRP очень ограничены, потому что, поскольку инъекции создаются из вашей собственной крови, ваше тело не будет их отвергать или отрицательно реагировать на них.Узнайте больше об инъекциях PRP из статей и другого контента ниже или выберите лучшего врача в HSS для вашего конкретного состояния и страховки.

Назад в игру Истории пациентов

Воодушевляющее сообщение о клинической пользе как для доноров, так и для реципиентов

Цель этой статьи — сделать предложения для небольшого шага вперед как в профилактических, так и в терапевтических мерах против пандемии коронавирусной болезни 2019 (COVID 19).Эта целевая стратегия заключается в использовании полностью выздоровевших героев COVID 19, то есть отважных добровольцев, в качестве источника антител в плазме, собранной с помощью плазмафереза, плазмафереза ​​или заместительной терапии для использования в группах населения, нуждающихся в антителах. Это будет включать использование у тяжелобольных пациентов с COVID 19 и, в качестве профилактической меры, у тех, кто подвержен потенциальному риску заражения, поскольку вакцины еще нет. Это был бы небольшой шаг вперед, пока мы ждем, чтобы произвести эффективную, валидированную вакцину, и наблюдаем все более широкое тестирование, самоизоляцию, отслеживание контактов, отслеживание, которые являются двумя наиболее эффективными текущими стратегиями [ ^{1 , 2} ].

В соответствии с этой концепцией выделены некоторые методологические аспекты использования УФ-стерилизации СЗП / обедненных криопреципитатом СЗП или иммуноглобулинов, содержащих нейтрализующие антитела, для клинического использования против COVID-19. Процедура плазмафереза, конечно же, в первую очередь предназначена для доноров-мужчин, которые составляют около 75% популяции COVID-19 и которые могут пройти несколько двойных или даже тройных процедур плазмафереза. Более того, поскольку некоторые из этих доноров уже находились в состоянии индуцированной гиперкоагуляции и склонны к тромбозу и ТГВ, эта стратегия будет частично направлена ​​на улучшение их здоровья за счет использования антикоагулянтов на основе цитрата и удаления высокомолекулярных вязких компонентов, которые способствуют к неблагоприятным клиническим эффектам ТГВ.Точно так же реципиенты, получившие по крайней мере две дозы высокоаффинных антител, направленных против COVID 19. Реципиенты такого производного продукта FFP выиграют от антител, которые могут нейтрализовать вирусные антигены даже в очень низкой концентрации, если они присутствуют на ранней стадии [ ³ ].

Излишне подчеркивать, что с концептуальной точки зрения безопасность доноров в таких особых случаях имеет первостепенное значение. Дополнительным бонусом для доноров является то, что, по опыту этих авторов, многие лабораторные нарушения гемостаза часто наблюдаются у тяжелобольных пациентов, инфицированных COVID, что считается очень важной клинической проблемой, учитывая высокую частоту наблюдаемых тромботических событий. в этой популяции у некоторых наблюдается почечная недостаточность и летальный исход.Повторный прицельный плазмаферез или плазмаферез отобранных пациентов с положительной реакцией на COVID-19, несомненно, снизит их состояние гиперкоагуляции и нормализует их. Таким образом, эта практика была бы палкой о двух концах, выгодной как для доноров, так и для реципиентов [ ⁴ ].

И процесс сбора плазмафереза, и плазмаферез являются очень хорошо принятыми клиническими процедурами в практике переливания крови в странах, которые оснащены современными мобильными технологиями афереза.Такие мобильные и полностью автоматизированные инструменты, использующие цифровые технологии, позволят этой устоявшейся практике быть доступной для использования либо медсестрой, либо обученным технологом по флеботомии, который сможет обслуживать 6 доноров под наблюдением квалифицированного клинициста даже в сайты по уходу на дому. Следовательно, переливание плазмы или производных от нее продуктов, содержащих иммуноглобулин, от пациентов, которые полностью выздоровели от COVID-19, будет дополнительным вмешательством, которое будет использоваться для тех, кто не может защитить себя от этого пандемического вируса в отсутствие соответствующей вакцины. .Пока раннее заражение выявляется современно и чувствительно.

ПЦР на основе РНК, потребуется обширное тестирование на уровень антител в сообществе, чтобы найти пациентов, которые будут добровольно помогать другим, сдавая плазму. Между тем, нынешняя концепция массового тестирования с помощью чувствительной и надежной методологии ПЦР, массового тестирования, отслеживания, отслеживания, тестирования и недавно предложенной стратегии разделения и изоляции пожилых людей, которые больше подвержены риску смертельных инфекций, будет изучена. строгость, чтобы уменьшить текущий рост смертности.Эти стратегии особенно важны для обслуживающего персонала больниц и в отделениях по уходу на дому. Тем не менее, число смертельных случаев среди более молодого населения увеличивается, поскольку этот вирус не распознает возраст или расу, и индивидуальная изменчивость, по-видимому, имеет значение в отношении того, как человек реагирует на вирусную инфекцию, и возможность второй волны инфекции еще не может быть полностью исключена.

Концептуально терапевтический подход к плазмаферезу основан на хорошо зарекомендовавшей себя пассивной иммунотерапии, успешно реализованной после вспышки вируса Эбола.Нейтрализующая способность иммуноглобулинов sars cov-2, которые, как предполагается, присутствуют в плазме выздоравливающих от COVID-19, будет соответствовать тому же принципу, что и пассивная иммунотерапия. Более того, такое терапевтическое вмешательство можно рассматривать как истинное отражение концепции точного переливания крови, заключающейся в использовании правильного продукта для нужного пациента в нужное время и в нужном состоянии, без риска, но с дополнительной пользой для здоровья доноров и получатели одинаковы. Мы хотели бы подчеркнуть, что эти люди часто будут подвержены повышенному риску тромбоза и ВТЭ, следовательно, в то же время будет оправдана соответствующая оценка риска, и пожертвования на плазмаферез с цитратным антикоагулянтом чрезвычайно помогли бы снизить их существующие или индуцированные -гиперкоагуляция COVID-19 [ ⁴ ].

В этом контексте следует отметить, что безопасность и эффективность плазмы выздоравливающей COVID-19 в качестве лечения COVID-19 еще не подтверждены. Однако даже в качестве экспериментальной терапии, в соответствии с первым принципом всех новых биопродуктов для переливания крови, необходимо соблюдать этические и юридические гарантии (информированное согласие доноров и пациентов, одобрение учреждения, специальная маркировка исследуемого продукта и соблюдение требований). с применимыми нормативными требованиями).Более того, плазму COVID-19 следует использовать в контексте организованного исследования, направленного на определение ее безопасности и эффективности по сравнению со стандартным лечением или другими терапевтическими вмешательствами. Даже при эмпирическом использовании жизненно важно обеспечить мониторинг результатов лечения пациентов, включая клинические и лабораторные показатели безопасности и эффективности, чтобы оптимизировать / максимизировать знания, которые могут быть получены [ ⁵ ].

В настоящее время процесс сбора и переливания плазмы, полученной от пациентов, полностью выздоровевших от COVID-19, вызывает широкий интерес как на национальном, так и на международном уровне, поскольку развитие инфекции и ее распространение носят пандемический характер.Следовательно, использование нейтрализующих иммуноглобулинов против SARS COV-2, которые присутствуют в плазме выздоравливающих COVID-19 как таковые или после выделения его более обогащенной части иммуноглобулина, логически является интересным целевым терапевтическим подходом, действующим на той же основе хорошо зарекомендовавшей себя концепции пассивная иммунотерапия.

Службы переливания крови и многие другие учреждения с соответствующими навыками проведения терапевтического афереза ​​обладают соответствующими знаниями, как эффективно выполнять эту процедуру, и на самом деле такие многочисленные испытания лошадей на 6500 добровольцах запланированы и начаты в начале мая 2020 года для преодоления COVID- 19.

Другая проверенная стратегическая мера безопасности, которая может быть реализована для улучшения качества СЗП плазмафереза ​​и производного криосупернатанта, основана на уменьшении количества патогенов с помощью УФ-излучения или других доступных технологий. Это обеспечивает дополнительную гарантию качества, даже если могут присутствовать какие-либо другие инфекционные вирусные агенты низкого класса, следовательно, они будут устранены. Эта процедура прошла валидацию и использует принцип стерилизации для уничтожения как вирусов, так и бактерий с очень хорошими показателями безопасности.В качестве альтернативы, специфические антитела, полученные из аффинной колонки, могут оказаться полезными в качестве важной части соответствующих клинических исследований для получения более чистых и безопасных продуктов.

Что касается общего управления качеством всего процесса от донора до реципиента, необходимо рассмотреть несколько ключевых моментов общего управления качеством:

• 1]

  Сбор и хранение образцов крови как от доноров, так и от реципиентов ( до и после лечения), чтобы дать возможность ретроспективно определить характеристики эффективного продукта и режима дозирования, а также характеристики пациентов, которые, скорее всего, получат пользу от этого вмешательства.

• 2]

  Сбор плазмы выздоравливающих только с помощью афереза, чтобы избежать ненужной потери эритроцитов у донора и оптимизировать объем плазмы, который может быть получен для исследовательского использования. Технологии двойного плазмафереза ​​и даже тройные процедуры могут применяться под постоянным наблюдением, если это необходимо и позволяют условия донора.

• 3]

  Критерии пригодности плазмы выздоравливающей COVID-19, приготовленной из цельной крови путем разделения компонентов и рассматриваемой для исследовательского использования, если клинически не требуется для общего ухода за пациентом.Переливания цельной крови для получения плазмы выздоравливающего, как правило, следует избегать, если использование цельной крови не имеет клинических показаний.

• Более того, как с лабораторной, так и с клинической точки зрения, несколько других ключевых моментов должны быть приняты во внимание в качестве важнейших препаративных и терапевтических методов, включая: a.] Право выздоравливающих лиц с COVID-19 сдавать цельную кровь или плазму с следующие основные требования; б.] Подтверждение предыдущего заражения SARS-CoV-2 записью утвержденного диагностического теста во время болезни; c.] Интервал не менее 14 дней после полного выздоровления; d.] Стандартный критерий отбора для донорства цельной крови или плазмы в соответствии с местными требованиями и стандартными операционными процедурами; д.] Во избежание риска острой травмы легких, связанной с переливанием крови (TRALI), следует отдавать предпочтение плазме доноров-мужчин или доноров-женщин, которые никогда не были беременны, включая аборты. Эта мера в настоящее время хорошо зарекомендовала себя для значительного снижения возможности присутствия в плазме антител к HLA или гранулоцитарных антигенов, которые вызывают TRALI и появляются в течение 6 часов после переливания соответствующей плазмы; f.] Оценка гиперкоагуляции, которая имеет особое значение для пациентов с COVID-19, должна быть полностью оценена.

• 4]

  Важно подтвердить выздоровление выздоравливающих доноров COVID-19 от инфекции COVID-19 перед скринингом и перед сдачей крови; а.] Физическое обследование донора для установления хорошего состояния здоровья, включая отсутствие лихорадки и респираторных симптомов; б.] Если плазма собирается до 28 дней после полного выздоровления от болезни, то подтверждение излечения инфекции должно быть получено путем демонстрации двух тестов на нереактивные нуклеиновые кислоты на SARS-CoV-2, выполняемых с интервалом минимум 24 часа на мазках из носа; c.] Вирусная инактивация плазмы выздоравливающих рекомендуется для устранения остаточных рисков известных трансфузионных трансмиссивных вирусов в экспериментальном продукте; d.] Приблизительная дата заражения COVID-19, история симптомов, полученное лечение и дата исчезновения всех симптомов должны быть задокументированы и отслеживаемы; e.] Суммарный и нейтрализующий титры антител против SARS-CoV-2, определенные как часть характеристики продукта перед использованием. Кроме того, образцы донорской крови / сыворотки / плазмы следует хранить и замораживать при -80 ° C для ретроспективного тестирования и дальнейших научных исследований.

• 5]

  Также важно, чтобы основные критерии сбора плазмы COVID-19 были полностью задокументированы: при взятии цельной крови с разделением плазмы и / или процедурами афереза) соответствующим образом обученным персоналом; б.] Использование только официально утвержденного оборудования для взятия крови или плазмафереза ​​в соответствии со стандартными операционными процедурами; c.] Надзор за процессом сбора со стороны обученного персонала; d.] Объем собираемой плазмы: не менее 200–600 мл (без антикоагулянта) в зависимости от процедуры и нормативных ограничений; e.] Единицы плазмы, предназначенные для использования в качестве плазмы выздоравливающих, должны иметь четкую маркировку. За первой сдачей плазмы могут последовать дальнейшие сдачи крови с частотой, соответствующей местным правилам и с учетом состояния здоровья донора (во многих юрисдикциях интервал между сдачей плазмы для афереза ​​объемом 600 мл или более не должен быть менее 7 дней и между сдачей цельной крови должно пройти не менее восьми недель).

• 6]

  Обработка данных о плазме после донорства: a.] Там, где это возможно, очень желательна инактивация патогенов плазмы с использованием лицензированной технологии для обеспечения строгого соблюдения текущих стратегий для эффективной оптимизации текущих практик, которые используются в некоторых европейских заведениях. Это важное нормативное требование для контроля остаточных рисков инфекционных заболеваний, передаваемых при переливании крови, и для снятия опасений по поводу возможных суперинфекций SARS COV-2.Это спорный момент, так как активация патогена не может выполняться во всех службах переливания крови, что ограничивает широкое использование этого метода лечения, несмотря на то, что он доступен во многих современных учреждениях и существует даже в некоторых больницах. б.] Заморозить как можно скорее при -30 ° C или, предпочтительно, ниже и хранить в замороженном виде до введения; c.] Плазма выздоравливающих, собранная у доноров, которые не соответствуют критериям пригодности для сдачи крови после COVID-19, должна храниться отдельно от других обычных СЗП; d.] Аликвоты образцов плазмы должны быть взяты для архивирования при температуре –80 ° C и будущих потенциальных научных исследований.

• 7]

  Необходимость выполнения дополнительных рекомендаций по переливанию плазмы: a.] Соблюдать стандартные процедуры и рекомендации по оттаиванию и переливанию плазмы; б.] Крайне важно обеспечить совместимость НПА между донором и получателем; c.] Переливание плазмы, по крайней мере, от двух доноров может быть терапевтически полезным для достижения более эффективной иммунной защиты от доставки различных антител; d.] В отсутствие опубликованных рецензируемых отчетов о переливании плазмы выздоравливающего COVID-19 пациенты могли получить начальную дозу 200 мл с последующей одной или двумя дополнительными дозами по 200 мл в зависимости от тяжести заболевания и переносимости инфузий, e .] Дополнительная информация об образцах крови / сыворотки / плазмы реципиента до и после переливания должна быть получена для будущих потенциальных научных исследований. Подробности можно найти в следующем документе ВОЗ по адресу http://www.who.int/bloodproducts/brn).

Другой очень важный вопрос, который необходимо выделить и подчеркнуть, — это плазмаферез у пациентов с ослабленным иммунитетом, особенно при злокачественных гематологических заболеваниях. Поскольку заболеваемость и смертность, связанные с коронавирусом, наиболее высоки у пожилых людей и лиц с сопутствующими сопутствующими заболеваниями, было бы очень интересно определить категории наиболее восприимчивых заболеваний к инфекции COVID-19 с целью предложения конкретных терапевтических вмешательств.В этом контексте, когда ежегодно проводится около 50000 трансплантаций гемопоэтических клеток (HSCT), пациенты, которые активно проходят HSCT, или те, кто пережил HSCT с ослабленной иммунной системой, составляют большую популяцию восприимчивых пациентов, у которых может быть инфекция COVID-19. к тяжелой легочной недостаточности и может привести к летальному исходу [ ⁶ ].

Более того, поскольку пневмония, связанная с COVID 19, опосредуется гиперактивацией эффекторных Т-клеток и чрезмерной выработкой воспалительных цитокинов, таких как IL-6, IL-1, интерферон-гамма и TNF.Этот воспалительный процесс может вызвать патологический процесс, который приводит к утечке плазмы, проницаемости сосудов и диссеминированному внутрисосудистому свертыванию. Эта реакция, получившая название «цитокиновый шторм», является опасным для жизни осложнением инфекции COVID 19. Состояние с ослабленным иммунитетом, связанное с гематологическими злокачественными новообразованиями, может повышать риск бактериального сепсиса, COVID-19 и других вирусных инфекций [ ⁷ ].

На основании вышеизложенного можно предположить, что профилактическое или терапевтическое использование плазмы выздоравливающих может быть полезным для этих подкатегорий пациентов, возможно, смягчая воздействие COVID-19.Однако, чтобы прояснить этот момент, необходимы хорошо спланированные клинические испытания. Недавно началось итальянское исследование (названное «Итальянский гематологический альянс»), основная цель которого — оценка заболеваемости и потенциальных прогностических параметров смертности от COVID-19 у пациентов с гематологическими злокачественными новообразованиями.

Наконец, мы считаем, что предлагаемый протокол таргетного плазмафереза ​​добровольцев, выздоровевших с COVID-19, представляет собой осуществимый, хорошо зарекомендовавший себя и эффективный терапевтический метод лечения тяжелобольных пациентов с тяжелым респираторным дистресс-синдромом или септическим шоком при COVID-19. инфицированные пациенты.Фаза заболевания, при которой этот метод лечения может быть наиболее эффективным, все еще является предметом дискуссий (ранние и промежуточные-поздние стадии фазы реакции цитокинового шторма, связанной с острым респираторным дистресс-синдромом (ОРДС) или другими тяжелыми осложнениями заболевания). Более того, как подчеркивалось выше, эти пациенты, у которых часто наблюдаются некоторые лабораторные отклонения и высокая частота тромбозов, иногда со смертельным исходом, выиграют от вмешательства, поскольку их состояние гиперкоагуляции улучшится и нормализуется.Дополнительный процесс стерилизации плазмы сделает ее еще более безопасной в соответствии с использованием наилучшей доступной терапии. Мы также поддерживаем возможность использования аффинных колонок для удаления самого вируса COVID 19 или его антител из обращения доноров или пациентов. Этот процесс был недавно успешно реализован для пациентов с гемофилией B с очень высоким уровнем антител к фактору IX в Мальмё, Швеция. Этот подход может быть использован для пациентов с COVID с различными матрицами для выборочного удаления антигена или антител, в соответствии с потребностями, и колонка может быть впоследствии десорбирована для получения более чистых веществ для стерилизации и внутривенных или внутримышечных инъекций.Фактически, ELISA с захватом с планшетом, покрытым рекомбинантным ACE-2 или его комплексами с S-белком или его субъединицей S1 в качестве специфического рецептора, может быть разработан для захвата возможных алло- или аутоантител, присутствующих у пациентов с COVID 19, особенно с отсроченными тяжелыми осложнениями. Это позволило бы измерить кинетику этих антител во время патологической эволюции. Ожидается, что эти антитела, если они присутствуют, будут аллоантителами, индуцированными ассоциацией вирусного белка.Подобная конструкция может быть сконструирована на матрице аффинной колонки для захвата антител или антигенов, если это необходимо, либо в кровотоке, либо из FFP, полученных из плазмы COVID-19. Тем не менее на практике то, что нам нужно срочно, нелегко совместить с тем, что мы хотим [ ⁸ ].

Основываясь на концепции плазмафереза ​​выздоровевших добровольцев с COVID-19, мы считаем, что это привлекательный достижимый проект, который принесет пользу целевым донорам и целевым реципиентам до тех пор, пока не будет разработана и утверждена надлежащая эффективная вакцина.Такие действия следует использовать наряду с уже предпринимаемыми усилиями по самодисциплине и самоизоляции, чтобы уменьшить воздействие и постоянно растущий уровень распространения инфекции в этом кризисе, который парализует экономику и оказывает серьезное воздействие на здоровье международное сообщество в целом, за пределами мыслимых границ. В жизни предстоит преодолеть множество проблем, но нынешний кризис выходит за рамки понимания, и только объединив усилия в команде, мы можем превратить эти проблемы в возможности.

В заключение, этот проект — всего лишь небольшой шаг вперед в общей сложной задаче, но он достижим с должным упорством и надеждой. Единственный посыл, который следует передать всем научным сообществам из этого комментария, — это «изолировать, изолировать, изолировать» и «отслеживать, отслеживать и лечить» население, подверженное риску или с потенциальным риском тромбоза, и собирать драгоценные СЗП, которые будут использоваться население, которое больше всего нуждается в этой пандемической вспышке коронавирусной болезни. Такой подход, предусматривающий участие как пациентов, так и доноров, можно рассматривать как палку о двух концах, приносящую пользу как пациентам, так и донорам в этой пандемии.Пациентам с COVID-19 необходимы конкретные рекомендации по стандартизированной подготовке и оптимальному использованию плазмы выздоравливающих на глобальном уровне. Эти предложения будут полезны при планировании будущих клинических испытаний в этой области исследований.

Использование продуктов крови выздоравливающих с целью достижения пассивного иммунитета не ново и было предложено ВОЗ как один из первых вариантов лечения пациентов с болезнью, вызванной вирусом Эбола. Этот комментарий к различным применениям плазмы выздоравливающих COVID-19 и производных биопродуктов с использованием новых технологических возможностей, которые теоретически можно было бы рассмотреть, когда есть необходимость полагаться на наиболее практичные терапевтические варианты, после соответствующих программ валидации.В странах, не имеющих доступа к передовым технологиям обработки крови, выбор может первоначально быть ограничен плазмаферезом выздоравливающих с использованием современных инструментов афереза, которые обеспечивают лейкоредуцированную и бесклеточную плазму в закрытой системе, которую можно было бы использовать для лечения пациентов от COVID-19, если это реально содержание активности антител устанавливается путем тестирования. Использование по крайней мере двух единиц от двух разных индивидуумов и / или даже приготовление минибассейнов иммуноглобулинов, содержащих антитела от разных индивидуумов, было бы предпочтительным реалистичным вариантом, который следует рассмотреть.В технологически развитых странах дополнительные варианты для инактивированной патогенами и стерилизованной плазмы выздоравливающей или продуктов крови, таких как иммуноглобулины против COVID 19, включая вирусно-инактивированную плазму мини-пула, как это в настоящее время практикуется как для плазмы, так и для концентрата тромбоцитов или фракционированного полученного из иммуноглобина из интерактивной или косвенно полученной аффинной колонки или других существующих практических процедур с хорошими или превосходными записями о безопасности, которые могут быть успешно использованы после соответствующих программ валидации для определения дозировки и клинических испытаний для установления наилучшей практики.

способов помочь

В эти трудные времена важно помогать тем, кто находится в нашем сообществе. Вот несколько практических способов сделать это.

Испытание плазмы COVID-19 в Хоксворте

Центр крови Хоксворта активно ищет людей, вылечившихся от вируса COVID-19, для сдачи плазмы для исследовательского лечения.

Хоксворт тесно сотрудничает с FDA и партнерами из местных больниц, чтобы лечить местных пациентов с COVID-19 плазмой выздоравливающих.Если вы получили положительный результат теста на COVID-19 и выздоравливали в течение 28 дней или дольше, позвоните в Хоксворт по телефону 513-451-0910 или посетите веб-сайт Хоксворта, чтобы узнать больше.

Способы поддержки наших медицинских работников

Мы невероятно благодарны за излияния поддержки, которую мы получили от сообщества Tristate, от людей, которые делятся своей благодарностью за нашу команду по уходу в социальных сетях, до вопросов о том, как предоставить медицинские принадлежности для этих на передовой. Ваша забота и забота значат для нас весь мир.Вот несколько способов, которыми вы можете напрямую помочь нашей команде по уходу, помимо того, чтобы оставаться дома:

Накорми героя, поддержи бизнес — Поддержка медицинских работников и местных ресторанов во время COVID-19

Сеть здравоохранения больницы Христа с гордостью является партнером с Feed a Hero, поддержите бизнес. Поддержите наших смелых медицинских работников и местные рестораны в разгар пандемии COVID-19, купив подарочную карту и отправив ее работнику здравоохранения на передовой. Сделайте пожертвование сейчас.

Внесите вклад в Фонд реагирования на COVID-19 больницы Христа

Мы учредили Фонд реагирования на COVID-19 больницы Христа для поддержки наших лиц, осуществляющих уход, и предоставления необходимых ресурсов. Мы просим вас присоединиться к нам и помочь тем, кто подвергает себя опасности ради общего блага. Фонд покроет необходимые материалы, а также поможет нашим передовым сотрудникам с их самыми важными потребностями. Вы можете сделать пожертвование онлайн или позвонить нам по телефону 513-585-4128.

Посылайте сообщения надежды и вдохновения

Мы знаем, что многие из вас ищут способы поддержать и связаться с наиболее уязвимыми в наших сообществах.Отправка записки пациентам, жильцам домов престарелых и лицам, осуществляющим уход за больными, — это мощный инструмент, и они нуждаются в вашей поддержке сейчас как никогда. Вот три простых способа поделиться своими посланиями надежды:

Вариант 1. Поделитесь своим вдохновляющим сообщением в социальных сетях

Сделайте снимок, на котором вы делаете символ сердца своими руками, и опубликуйте свое сообщение через Instagram или Facebook feed / stories
Поделитесь видеосообщением (не более 15 секунд) и разместите его через Instagram или Facebook
Убедитесь, что вы отметили @thechristhospital и использовали #ThatMomentIsNow! Если вы не отметите нас, мы не увидим ваше сообщение / не сможем поделиться с нашими сотрудниками.
Отметьте своих друзей и семью, чтобы они сделали то же самое!

Вариант 2: Отправьте нам свои вдохновляющие сообщения по электронной почте: Patientandguestservices @ thechristhospital.com.

Вариант 3: Отправьте нам свои вдохновляющие сообщения или фотографию

Для пациентов и сотрудников TCH
Услуги для пациентов и гостей
Attn: Вдохновение для пациентов / сотрудников
2139 Auburn Ave.
Cincinnati, OH 45219

Для вдохновляющих писем для домов престарелых:
Услуги для пациентов и гостей
Attn: Письмо с вдохновением для дома престарелых
2139 Auburn Ave,
Cincinnati, OH 45219

Сдавайте неоткрытые медицинские принадлежности в больницу Christ

• Bouffant cap

• Очки: защитные очки или безопасность очки

• Халаты: медицинские защитные халаты, изоляционные халаты

• Перчатки: смотровые и хирургические перчатки

• Дезинфицирующее средство для рук: спирт более 60%

• Маски: маски N95, хирургические маски, процедуры маски, с защитными масками или без них

• Дезинфицирующие салфетки: Clorox

• 9 0002 Бахилы: медицинские или лабораторные бахилы / бахилы

Возможна доставка по адресу:

Центр распределения материалов сети здравоохранения больницы Христа (расположен на улице Мейсон-Стрит.сторона нашего медицинского офиса)
2123 Auburn Avenue, Cincinnati, OH 45219
пн-пт, 6:00 — 18:00
Если вы отправляетесь после 14:00, позвоните по телефону 513-585-3957, чтобы предупредить персонал.

Пожертвовать еду

Рестораны могут пожертвовать еду или закуски нашему непосредственному персоналу, связавшись с [email protected].

Отправьте кофе нашей команде!

Благодаря нашим щедрым партнерам по сообществу, Amanda Valentine Bites & Coffee Emporium и Proud Hound, вы можете купить кофе, чтобы поддерживать активность наших сотрудников.Вот что нужно сделать:

• Посетите Аманду Валентайн Байтс и закажите пакет ее особого жареного кофе в сотрудничестве с Coffee Emporium, и он будет передан нашей команде. Включите личное сообщение с благодарностью!
  

Помогите своему сообществу

• Сдать кровь остро нуждающимся членам сообщества

• Проверить пожилых соседей и близких или людей с заболеваниями

• Пожертвовать работникам сферы услуг или друзьям / семья, чьи рабочие места были затронуты

• Станьте волонтером или сделайте пожертвование в пользу Meals on Wheels of Southwest OH и Northern KY

• Отправьте карточку тому, кто нуждается в поддержке — жильцам дома престарелых, медицинским работникам, пациентам в больнице, полиции или пожарных и работников продуктовых магазинов

• Получите еду на вынос или доставку из вашего любимого ресторана

• Отправьте обнадеживающие тексты друзьям и членам семьи, работающим в сфере здравоохранения
  

сообщение от доктораСьюзан Шоу

Д-р Сьюзан Шоу, главный врач Управления здравоохранения Саскачевана

Вылечились от COVID-19? Если да, вы можете помочь другим, кто в настоящее время борется с вирусом.

Большое количество новых случаев заражения COVID-19 в Саскачеване означает, что все больше наших соседей, родственников и друзей нуждаются в помощи в отделениях интенсивной терапии и больницах Саскачевана. Это также означает, что теперь стало больше людей, которые могли бы помочь в лечении COVID-19.Национальные испытания проверяют безопасность и эффективность плазмы крови выздоравливающих COVID-19 как возможного варианта лечения пациентов с COVID-19.

Плазма — это богатая белком жидкость в крови, которая поддерживает иммунную систему, помогая другим компонентам крови, таким как эритроциты, лейкоциты и тромбоциты, циркулировать по нашему телу. Когда человек заражается вирусом, его организм начинает вырабатывать антитела для борьбы с ним. Эти антитела могут быть ключевым ингредиентом для лечения, чтобы помочь другим с тем же вирусом, если они собраны у кого-то, кто выздоровел.

Врачи в Реджайне и Саскатуне в настоящее время проводят три исследования, изучающих плазму выздоравливающего COVID-19 в качестве варианта терапии для пациентов с новыми инфекциями COVID-19. Нам нужно, чтобы выжившие с COVID-19 сдавали свою плазму, чтобы это исследование могло помочь нам всем лучше понять, как помочь инфицированным людям выздороветь и выжить.

Если вы живете рядом с центром донорства плазмы (в Саскачеване, они расположены в Реджайне и Саскатуне) и полностью вылечились от COVID-19, вы можете быть потенциальным донором и можете подписаться на донорство в кровь.ca / плазма.

Если вы излечились от COVID-19, пожалуйста, щелкните здесь, чтобы узнать больше о том, как вы можете внести свой вклад и изменить ситуацию к лучшему. Мы все в этом вместе.

Клинические испытания плазмы крови выздоравливающих пациентов с COVID-19 в настоящее время проводятся в Саскачеване и других частях Северной Америки.

Проверка фактов | Старое сообщение о донорстве крови возродилось как «донорство плазмы» после Covid-19

Список из 64 имен вместе с отдельными группами крови и контактными номерами стал вирусным в WhatsApp.Согласно тексту, перечисленные люди «готовы сделать пожертвование плазмы» и «вы можете добавить больше в список, если считаете, что можете и готовы помочь». Сообщение распространяется после вспышки коронавируса, когда терапия плазмой крови проходит испытания в качестве возможного лечения. Процедура направлена ​​на использование антител из крови выздоровевшего пациента с COVID-19 для лечения пациентов, страдающих вирусной инфекцией.

«От группы людей, готовых сдать плазму: мы готовы помочь. Для сдачи крови, пожалуйста, поделитесь своими друзьями, коллегами, родственниками и т. Д. (Затем укажите 64 имени и номера, как показано на снимках экрана), поделитесь этим как как можно большему количеству групп это может помочь разбитому сердцу.Вы можете добавить больше в список, если считаете, что можете и желаете помочь кому-то, кто переживает душераздирающий опыт. Давайте вместе поможем друг другу », — говорится в сообщении, скриншоты которого размещены ниже с размытыми номерами телефонов.

Проверка фактов

Alt News выполнила поиск по ключевым словам в Google, используя первый номер мобильного телефона, и обнаружила, что тот же список был опубликован в блоге в 2017 году и на странице BLOOD DONOR S в Facebook в 2016 году.Согласно сообщению 2016 года, люди в списке из Андхра-Прадеша или Теланганы.

В отличие от сообщений, вирусный текст содержит ложное и вводящее в заблуждение предложение: «От группы людей, готовых сдать плазму».

Следующий текст был также опубликован на странице «Доноры крови Хайдарабада» в Фейсбуке в 2017 году. В сопроводительном тексте на телугу говорилось: «Любой, кому нужна кровь в экстренных случаях, должен позвонить по вышеуказанным номерам» (в переводе с అత్యవసర పరిస్థితుల్లో రక్తం కావలసిన వారు పేర్కొన్న పేర్కొన్న వారిని సంప్రదించండి).Мы также нашли публикацию 2015 года на странице Facebook «Новое лицо общества», в которой указаны номера телефонов из вирусного сообщения.

Alt News попыталась связаться с несколькими спонсорами из списка. Большинство номеров не работали. Однако нам удалось связаться с одним человеком (личность скрывается по запросу), который подтвердил, что вирусному сообщению четыре года и он связан с кампанией по сдаче крови.

Заявления в социальных сетях о том, что люди из списка сдают плазму крови, — это еще одна дезинформация, плавающая на фоне вспышки коронавируса.

Эмили Миллер и еще один эксперт по P.R. уволены из F.D.A. After Blood Plasma Fiasco

Тем не менее, решение доктора Хана прояснить свои замечания и дать серию интервью СМИ, похоже, вызвало у Х.С. чиновники, которые посчитали это несвоевременным, учитывая, что республиканский съезд уже проходил. Представители администрации Трампа часто не хотят публично признавать ошибку, опасаясь, что это дает их критикам политическую поддержку.

Г-н Пайнс является президентом крупной практики здравоохранения в APCO Worldwide, фирме по связям с общественностью и лоббированию, которая представляет медицинские компании, которые вели бизнес до F.Д.А. Он сказал, что проделал эту работу самостоятельно, вне своей практики APCO. Он не сказал, сколько ему заплатили, но отметил, что как друг доктора Хана, он готов продолжать давать ему бесплатные консультации.

Мередит МакГихи, исполнительный директор Issue One, который продвигает двухпартийную политическую реформу, критически отозвался о контракте, отметив возможность конфликта интересов в работе г-на Пайнса на FDA и клиентской базе здравоохранения его компании.

«Это мнение:« О, я делаю это в своем личном качестве, с одной стороны, и представляю интересы здравоохранения, с другой », — не проходит тест на запах», — говорит РС.МакГихи.

The F.D.A. не ответили на запросы о комментариях в пятницу о контракте г-на Пайнса или о том, был ли он проверен на наличие конфликта интересов.

Г-жа Миллер начала работать в агентстве 17 августа после карьеры в политике и журналистике. В 2004 году, работая в Госдепартаменте, она попала в заголовки газет после того, как, по-видимому, прервала интервью для записанного на пленку фрагмента между Тимом Рассертом, ведущим программы NBC «Знакомьтесь с прессой», и ее боссом, тогдашним госсекретарем Колином Л. .Было слышно, как Пауэлл извиняется перед мистером Рассертом и говорит: «Эмили, уйди с дороги».