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Über dieses Buch

Ausgehend von den Grundlagen der Plasmaphysik spannt das Buch einen Bogen zwischen den verschiedenen Feldern der Wissenschaft sowie zwischen Experiment und Theorie. Es wurde der anschauliche Zugang des Experimentalphysikers gewählt, um die vielfältigen Phänomene der Plasmaphysik zur erklären, ohne dabei die mathematisch korrekte Beschreibung zu vernachlässigen. Die entwickelten Grundlagen finden zahlreichen Anwendung in Beispielen aus verschiedensten Forschungsfeldern, wie die der Laborplasmen, der Plasmatechnologie, der extraterrestrischen und Astrophysik , sowie der Fusionsforschung, die einen Schwerpunkt bildet und der auch spezielle Kapitel gewidmet sind.

Das Buch eignet sich für Studierende der Physik im Bachelor- und Masterstudium und bietet auch (angehenden) Plasmaphysikern einen übersichtlichen Zugang in die Materie.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einleitung

Sieht man von der mikroskopischen Struktur der Materie ab und betrachtet sie als aus neutralen Atomen und Molekülen bestehend, dann kann man unter den bekannten drei Aggregatzuständen unterscheiden. Abhängig vom Druck kann Materie mit ansteigender Temperatur vom festen über den flüssigen in den gasförmigen Zustand übergehen.
Ulrich Stroth

2. Geladene Teilchen im Magnetfeld

In diesem Kapitel werden wir Trajektorien geladener Teilchen in elektromagnetischen Feldern behandeln. Kollektive Effekte des Plasmas spielen hier keine Rolle. Für die Plasmaphysik ist die Einzelteilchenbewegung jedoch von besonderem Interesse. In der kinetischen Theorie werden daraus die Flüssigkeitsgleichungen des Plasmas hergeleitet.
Ulrich Stroth

3. Flüssigkeitsbild des Plasmas

Im letzten Kapitel haben wir die Trajektorien einzelner Teilchen in elektrischen und magnetischen Feldern betrachtet. Die Wechselwirkung der Teilchen untereinander spielte bei der Betrachtung keine Rolle. Jetzt wollen wir einen Standpunkt einnehmen, der als das andere Extrem angesehen werden kann. Dabei wird das Plasma als Flüssigkeit behandelt.
Ulrich Stroth

4. Plasmastabilität

Stabile Plasmazustände treten in der Natur nur dann auf, wenn neben der Gleichgewichtsbedingung noch eine Stabilitätsbedingung erfüllt ist. Ist das nicht der Fall, so führen kleinste Störungen des Gleichgewichtszustandes über eine Instabilität zu dessen Zerfall. In der Mechanik einzelner Körper ist das nicht anders.
Ulrich Stroth

5. Wellen im Flüssigkeitsbild

In Plasmen gibt es einen ganzen Zoo unterschiedlicher Wellentypen. Eine Einteilung in verschiedene Klassen ist nur bedingt möglich. So breiten sich im Plasma elektromagnetische Wellen aus, die das Plasma als dielektrisches Medium verändert, und wie in einem Gas gibt es Schallwellen, die von Störungen im Plasmadruck getrieben werden.
Ulrich Stroth

6. Nichtlineare Phänomene6

In den Kapiteln über Plasmastabilität und Plasmawellen haben wir die Dynamik von Prozessen betrachtet, die aus kleinen Abweichungen der Plasmaparameter von ihrem Gleichgewichtszustand hervorgehen. Dazu wurden die Flüssigkeitsgleichungen linearisiert, was in beiden Fällen eine sehr gute Näherung darstellt.
Ulrich Stroth

7. Kinetische Theorie der Plasmen

Die kinetische Theorie liefert die Basis für eine mikroskopische Beschreibung der Plasmen. Alle wesentlichen Elemente dieser Theorie wurden schon im Rahmen der kinetischen Gastheorie entwickelt, die auf ideale Gase anwendbar ist. Die kinetische Theorie der Plasmen unterscheidet sich davon in drei Punkten: Anders als neutrale Gasatome werden geladene Plasmateilchen durch elektromagnetische Felder beeinflusst; Stöße geschehen in einem Coulomb-Potential und nicht als elastische Kugeln, und bei nicht vollständig ionisierten Plasmen können Elektronen und Ionen eines bestimmten Ladungszustandes erzeugt und vernichtet werden.
Ulrich Stroth

8. Transportprozesse im Plasma

Wir kennen nun die Gleichungen, die den Transport von Teilchen, Impuls und Energie im Plasma beschreiben. Wichtige Größen sind dabei Verlust- und Quellterme, die von Stößen bestimmt werden. Im Plasma dominieren elastische Coulomb-Stöße, deren Rolle wir jetzt studieren wollen. Sie sind verantwortlich für Transportprozesse und für die Thermalisierung von Teilchen im Plasma.
Ulrich Stroth

9. Niedertemperaturplasmen

Während die Plasmen im Weltraum oder in der Ionosphäre durch hochenergetische Teilchen erzeugt werden, verwendet man zur Plasmaerzeugung im Labor meistens elektrische Felder. Diese werden als Gleich-, Wechseloder Wellenfelder bereitgestellt. Die verschiedenen Techniken, elektrische Felder in Plasmen einzukoppeln, werden in diesem Kapitel beschrieben. In allen Fällen werden freie Elektronen soweit beschleunigt, bis ihre Energie der Ionisationsenergie der Neutralteilchen entspricht.
Ulrich Stroth

10. Fusionsforschung

In Plasmen ablaufende nukleare Fusionsreaktionen sind die wichtigste Energiequelle im Weltall. Die Sonne erzeugt auf diesem Weg indirekt quasi die gesamte auf der Erde umgesetzte Energie. Atomkerne fusionieren nur, wenn sie mit ausreichend hoher Energie zusammenstoßen. Bei der zur Fusion notwendigen Energie bzw. Temperatur liegt Materie im Plasmazustand vor. In diesem Kapitel wollen wir uns mit Fusionsprozessen in Plasmen befassen.
Ulrich Stroth

11. Magnetfeldkonfigurationen

In Kap. 8.3 über Transporteigenschaften im Plasma haben wir gesehen, dass die Beweglichkeit der Elektronen und Ionen parallel zu einer Feldlinie sehr hoch und senkrecht dazu sehr stark reduziert ist. Um ein Hochtemperaturplasma von der Wand zu isolieren, muss eine Magnetfeldkonfiguration gefunden werden, die so beschaffen ist, dass Teilchen entlang Feldlinien nicht an die Wand gelangen.
Ulrich Stroth

12. Parametergrenzen für Fusionsplasmen

Für ein sich ohne äußere Heizung selbständig erhaltendes Fusionsplasma muss das Tripelprodukt \(\bar{n}\bar{T}\tau_E\) einen Wert von etwa 0,5 MJs/m3 überschreiten. Da der Wert des Magnetfeldes technisch nach oben begrenzt ist, bedeutet das nach (10.22), dass hoheWerte für den normierten Plasmadruck β und die Energieeinschlusszeit τE erreicht werden müssen. Aber auch β und τE sind physikalische Grenzen gesetzt, die wir in den folgenden Kapiteln behandeln wollen.
Ulrich Stroth

13. Teilchenbahnen in Fusionsplasmen

Ziel dieses Kapitels ist die Klassifizierung der verschiedenen Trajektorien, die Teilchen in magnetischen Spiegeln, Tokamaks und Stellaratoren durchlaufen können. Behandelt werden Führungszentrumsbahnen, die aus einer Überlagerung der Driften mit der Bewegung entlang der Feldlinien entstehen. Dabei spielt die Reflexion an magnetischen Spiegeln eine wesentliche Rolle.
Ulrich Stroth

14. Stoßbehafteter Transport in Fusionsplasmen

In Kap. 8 haben wir Transportkoeffizienten für die Diffusion parallel und senkrecht zum Magnetfeld behandelt. Nach Tab. 8.3 liegen die Werte der Diffusionskoeffizienten für Ionen bei 107 bzw. 10–2 m2/s.Man redet von klassischem Transport, wenn man sich auf diese Koeffizienten bezieht.
Ulrich Stroth

15. Turbulenter Transport

Trotz der Erhöhung der Diffusion durch neoklassische Effekte sind Teilchenstöße alleine nicht in der Lage, die in Fusionsplasmen gemessenen hohen Werte von Transportkoeffizienten zu erklären. Inzwischen ist es unbestritten, dass Fluktuationen in den Plasmaparametern die Ursache für die beobachteten Transportverluste sind. Die Fluktuationen werden durch Plasmaturbulenz hervorgerufen.
Ulrich Stroth

16. Prozesse am Plasmarand

Der Rand von Fusionsplasmen reicht vom äußeren Bereich des eingeschlossenen Plasmas über die Separatrix und die Abschälschicht bis zur inneren Wand des Vakuumgefäßes. In diesem Bereich muss die im Plasma deponierte Fusionsleistung abgeführt werden, ohne dabei die materiellen Wände zu schädigen.
Ulrich Stroth

Backmatter

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