ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРОВ К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ

Наша книга с успехом использовалась в качестве учебника во многих странах. Мы с радостью узнали о ее переводе на русский язык, что значительно расширит круг наших читателей и позволит установить единую терминологию. Для быстрого обучения методам моделирования плазмы можно рекомендовать исследовать задания гл. 5 при помощи кода ESI и небольшого компьютера. Разумеется, вы поймете, что более современные двух- и трехмерные программы приспособлены для более мощных и быстродействующих компьютеров. Рассмотренные в этой книге методы оказались полезными во многих приложениях — например, для исследования термоядерной и космической плазмы, плазмы СВЧ-разряда, а также заряженной плазмы и пучков частиц. Мы надеемся, что русский перевод поможет расширить использование многочастичного моделирования плазмы. Наконец, эта область развивается очень быстро, так что наша книга является только началом.

Мы очень благодарны научному редактору А. А. Рухадзе за проделанную им большую работу. Мы также были бы признательны читателям за замечания.

Чарльз К. (Нед) Бэдсел А. Брюс Ленгдон

ПРЕДИСЛОВИЕ К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ

Ни в одну область физики так глубоко не проникли методы численного моделирования, как в физику плазмы. Сегодня просто немыслимо достаточно полно описать плазменные процессы, опираясь только на аналитические методы современной теоретической физики, не прибегая к методам численного моделирования. Это объясняется, с одной стороны, сложностью и многообразием плазменных процессов, а с другой — наличием хорошо обоснованной модели динамики плазмы — модели Власова — Максвелла, с помощью которой можно количественно с любой степенью точности описать эти процессы. Поэтому, чтобы избежать проведения инженерно очень сложных и дорогостоящих физических экспериментов, исследователи в области физики плазмы уже давно, более 25 лет назад, начали разрабатывать эффективные численные методы анализа плазменных процессов, исходя из модели Власова — Максвелла, и достигли огромных успехов в численных экспериментах.

Сегодня учебники по физике плазмы без основ численного моделирования далеки от совершенства, хотя попыток такого органического слияния изложения теории физики плазмы и численного моделирования плазменных явлений до сих пор не делалось. По существу книга Бэдсела и Ленгдона — первая в этом смысле, но, надо думать, не последняя. Она представляет собой изложение физики плазмы с помощью численного моделирования. В этом смысле книга оригинальна и пока не имеет аналога в мировой литературе.

Книга переведена высококвалифицированными специалистами, хорошо владеющими как методами теории физики плазмы, так и методами численного моделирования, в особенности методом крупных частиц, наиболее распространенным в физике плазмы. Она рассчитана на довольно широкий круг читателей, начиная от студентов, изучающих физику плазмы, и кончая учеными, которые в этой книге найдут много полезного и интересного для себя.

Следует отметить единственную поправку, которая была внесена в русский перевод книги: в ссылках авторов опущены слова «частное сообщение». Такие ссылки приведены в тексте с указанием только фамилии и года, и они отсутствуют в списке литературы, приведенном в конце книги.

Кроме того, при переводе добавлены ссылки на работы советских авторов, сыгравших определяющую роль в развитии методов численного моделирования плазменных явлений. В конце книги приведены монографии, изданные в СССР за последние годы.

Перевод книги выполнен А. М. Афониным (предисловие авторов, гл. 1 —10) и А. М. Игнатовым (гл. 11 —16, приложения).

А. А. Рухадзе

ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРОВ

Наша книга по численному моделированию плазмы нацелена на понимание читателем сущности плазменных процессов. Большинство современных приложений физики плазмы связаны с задачами различных способов создания управляемого термоядерного синтеза (УТС). Однако моделирование с помощью крупных частиц используется также при изучении космической плазмы, электронных и ионных пушек, ядерных взрывов и СВЧ-приборов. Несмотря на название книги мы не претендуем на изложение всей физики плазмы или всего численного моделирования.

Плазма — это четвертная форма существования вещества, состоящая из электронов, ионов и нейтральных атомов, обычно при температуре более 104 К. Плазмой являются Солнце и звезды, ионосфера Земли, пояса Ван-Аллена, магнитосфера и т. д. Плазма составляет большую часть известного вещества во Вселенной.

Плазма является средой для магнитного и инерциально ограниченного управляемого термоядерного синтеза. В плазме из трития и дейтерия при температуре 108 К начинается термоядерное горение, в результате получаются энергетические ионы гелия и нейтроны. Такая плазма может быть использована в качестве теплового источника для создания пара, вращающего турбины электростанций. Современные исследования плазмы включают в себя теорию, эксперимент и численное моделирование с помощью больших и быстрых компьютеров, которые дают результаты, весьма полезные в теории и эксперименте, что позволяет экономить массу времени и средств при создании установок УТС. Частично моделирование выполняется с использованием жидкостных моделей, а частично— с использованием многочастичных моделей (от до частиц) для получения детального кинетического поведения. Ряд гибридных методов сочетают оба описания.

Моделирование плазмы с помощью крупных частиц за последние 20 лет прошло путь от искусства к науке и сейчас используется во всем мире. По мере улучшения параметров компьютеров затраты на моделирование снижались, и сейчас программы, приведенные в книге, можно использовать на очень маленьких ЭВМ или же очень быстро работать с ними на больших ЭВМ. Теперь моделирование с помощью крупных частиц используется не только в больших лабораториях, но и небольшими группами исследователей в университетах.

Книга состоит из четырех частей. Часть I можно уподобить букварю. Она предназначена новичкам, желающим научиться

численному моделированию плазмы. В ней описаны одномерный электростатический код ESI (с приведением текста программ) и одномерный электромагнитный код ЕМ1, изложены необходимые численные методы математической физики. Часть I является как бы вводным курсом, который дополнен задачами. Имеются задания (с указанием начальных величин и некоторых возможных результатов) для самостоятельной работы.

В части II (теория) разъясняется смысл основной части современной теории электростатического моделирования с помощью крупных частиц. Эта часть книги создает математические и физические основы алгоритмов, использованных в части I.

В части III (практика) рассмотрены более сложные случаи электростатического и электромагнитного моделирования в двухмерном случае. Эта часть, соответствующая современному уровню исследований плазмы, предназначена для научных сотрудников и студентов.

В части IV (приложения) освещены некоторые частные вопросы, существенные при численном моделировании.

Все составляющие элементы книги (программы, задания, задачи, теория) были созданы для курса лекций, который читался студентам более 10 лет.

Результатом, вознаградившим нас за разработку моделирования плазмы, была радость получения полного физического понимания поведения плазмы. Это очень захватывающе — создавать программы, которые хорошо описывают физику. Поэтому мы рекомендуем начинать выполнение заданий с первой недели занятий со студентами, с тем чтобы они приступали к моделированию параллельно со слушанием лекций. Моделирование всегда является единственным прямым опытом, который приобретают студенты по колебаниям плазмы, неустойчивостям потоков и кинетическому поведению горячей плазмы. Наш опыт говорит, что глубокие знания невозможны без практического выполнения заданий и решения всех задач, относящихся к теоретическим вопросам. В книге Иттена «Элементы цвета» есть одно интересное высказывание: «Изучение по книгам с помощью учителей подобно поездке в вагоне, но вагон служит нам, пока он находится на рельсах. Тот, кто достиг конечной станции, должен покинуть вагон и дальше идти пешком».

Основной упор сделан на математическую сторону создания алгоритмов с заданными свойствами. В книге собрана важная для исследователей, использующих моделирование, информация, рассеянная по многим журнальным статьям.

Мы выражаем глубокую признательность Коену и Мострому за написание гл. 6 и 7, Невинсу, написавшему гл. 11 и приложение Е.

Ч. Бэдсел, А. Ленгдон