Introduction to Plasma Physics and Its Applications

The course will encompass the basic phenomena in the classical plasma, the principal methods of their description and the main applications of plasmas with some excess of their applications to nuclear fusion and particle acceleration.

Zaczniemy od omówienia podstawowych właściwości odróżniających plazmę od gazu obojętnego, klasyfikacji plazm oraz podania podstawowych parametrów i sposobów opisu plazmy. Następnie omówimy zjawiska jednocząstkowe. Kolejne tematy to zjawiska płynowe: fale i niestabilności w teorii dwupłynowej i w magnetohydrodynamice, dyfuzja, opis kinetyczny (bezzderzeniowy i wstęp do całki zderzeń). W trakcie kursu będziemy mówili o konsekwencjach opisywanych zjawisk dla zastosowań; szerzej omówimy zastosowania pod koniec kursu.

Program: The contents of the lectures (not necessarily in the order of this list) will include

• What is plasma? Distinctive features of the medium.

• Classification of plasmas.

• Description of plasmas: main approaches.

• Single-particle phenomena

• Fluid approach to plasma (two-fluid, one-fluid, magnetohydrodynamics)

• Waves in plasmas

• Instabilities in plasmas

• Diffusion in plasmas

• Equilibria and stationary states

• Kinetic theory of plasma

• The Vlasov equation and its linear modes

• Collisions in plasmas versus collisions in neutral gases. The Landau and Lenard-Balescu equations.

• Most important nonlinear phenomena in plasmas

• Weak turbulence, wave-wave interaction

• Strong plasma turbulence

• Nonlinear models of special phenomena

• Review of applications

• Methods of nuclear fusion. Fusion devices

 Magnetic confinement

 Inertial confinement

• Laser and particle beams in plasmas. Plasma accelerators

• Free-electron lasers

• Space plasmas. Ionosphere and magnetosphere

• Astrophysical plasmas

• Other applications

• If time allows: Numerical modelling in plasma physics

The classical plasma theory will be based on a few old testbooks:

F. Chen, Plasma Physics and Controlled Fusion, 3rd ed., Springer, New York 2016

N. A. Krall and A.W. Trivelpiece, Principles of Plasma Physics, McGraw-Hill, New York 1973

N.G. van Kampen, B.U. Felderhof, Theoretical Methods in Plasma Physics, North-Holland, Amsterdam 1967

S. Ichimaru, Statistical Plasma Physics, Addison-Wesley, Redwood City 1992

A.G. Peeters, The Physics of Fusion Power, https://warwick.ac.uk/fac/sci/physics/research/cfsa/people/pastmembers/peeters/teaching/lnw.pdf , Warwick University, 2008

Efekty kształcenia: Student, który ukończył kurs, powinien:

• Umieć wskazać różnice między plazmą a gazami obojętnymi

• Znać podstawowe parametry plazmy i sklasyfikować różne rodzaje plazmy według ich wartości

• Znać podstawowe sposoby opisu plazmy i umieć sformułować odpowiednie dla nich równania

• Znać najważniejsze rodzaje fal w plazmie i umieć wyprowadzić oraz zinterpretować ich relacje dyspersyjne. Umieć z grubsza określić zakresy częstości, dla których różne rodzaje plazmy przepuszczają, absorbują, odbijają lub niestabilnie wzmacniają promieniowanie elektromagnetyczne i omawiać zastosowania tych zjawisk.

• Znać kilka najważniejszych rodzajów niestabilności plazmowych i ich skutki dla głównych zastosowań plazmy.

• Mieć podstawowe wiadomości o dyfuzji w plazmie.

• Znać najważniejsze zastosowania plazmy i obecne ograniczenia dla tych zastosowań.

Zaliczenie przedmiotu – zostawiam decyzję Panu Dziekanowi (najchętniej zaliczyłbym na podstawie obecności, ale jeśli trzeba, to przeprowadzę egzamin. Przy tak małej liczbie uczestników z UW sens ma tylko egzamin ustny (minimum zaliczające=60%)