Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
ПИНЧ-ЭФФЕКТ

ПИНЧ-ЭФФЕКТ

ПИНЧ-ЭФФЕКТ (от англ. pinch - сужение, <сжатие) - эффект сжатия, стягивания сильноточного газового разряда (плазменногообразования) в результате взаимодействия тока разряда с магн. полем, собственнымили внешним. Впервые подобное явление описано в 1934 У. Беннеттом (W. H.Bennett) применительно к потокам быстрых заряж. частиц в газоразряднойплазме. Термин "П.-э." введён в 1937 Л. Тонксом (L. Tonks) для описанияфиз. процессов в сильноточной дуге.

В зависимости от направления тока в плазменномстолбе различают z- и -пинч. <Если ток J протекает вдоль оси z цилиндрич. плазменного столба ивзаимодействует с собственным магн. полем, П.-э. наз. z-пинчем. Если кцилиндрич. разрядной камере приложено внеш. продольное магн. поле, то вплазме индуцируется азимутальный ток врезультате взаимодействия к-рого с внеш. магн. полем происходит стягиваниеплазмы к оси - -пинч. <Сжатие плазмы наблюдается и в конфигурациях, имеющих вид тонкого плоскогоплазменного слоя с током - нейтральный токовый слой.

Механизм П.-э. можно рассмотреть на примереz-пинча. Силовые линии магн. поля В, создаваемого током, имеют видконцентрич. окружностей, плоскости к-рых перпендикулярны оси. Возникающаяэлектро-динамич. сила F, действующая на единицу объёма проводящейсреды с плотностью тока j, равна с^-1 [jВ], направленапо радиусу к оси цилиндра и вызывает сжатие токового канала. Сжимающеедействие протекающего тока можно считать также простым следствием законаАмпера о магн. притяжении отд. параллельных токовых нитей с одинаковымнаправлением, создающих полный ток J.

При описании П.-э. в терминах магн. гидродинамикидля случая идеально проводящей среды объёмная электродинамич. сила F может быть заменена на поверхностное магн. давление p _магн= к-ромув случае П.-э. в металлич. проводниках противодействует сила упругости, <а при сжатии газоразрядной плазмы - газокинетич. давление, обусловленноетепловым движением частиц - ионов и электронов.

При нек-рой величине тока магн. давлениена поверхности подвижной, легко сжимаемой газовой среды (плазмы) можетстать больше газокинетического и токовый канал начнёт уменьшать своё сечение- возникает П.-э.

П.-э. может наблюдаться только в проводящихсредах, где подвижные носители заряда (электроны и ионы в газоразряднойплазме, электроны и дырки - в полупроводниках) присутствуют в приблизительноодинаковом кол-ве. Если же имеется только один тип носителей тока, то электрич. <поле пространственного заряда эффективно препятствует сжатию тока к оси. <Прохождение больших токов (10 ^б - 10⁶ А) через газсопровождается ионизацией и нагревом вещества и переходом его в состояниеплазмы. Нагрев плазмы происходит при токовом тепловыделении на омич. сопротивленииплазменного канала (джоулев нагрев) и при адиабатич. сжатии пинча как целого(образуется высокотемпературная плазма).

Магн. поле тока отжимает плазменный каналот стенок разрядной камеры, и образуется изолиров. токовый шнур - пинч. <Само магн. поле сосредоточено в пристеночном вакуумном зазоре между пинчеми стенкой, тем самым создаются условия для магн. термоизоляции высокотемпературнойплазмы. Линии магн. поля параллельны поверхности пинча, и вылетающие изплазмы заряж. частицы движутся поперёк магн. поля, процесс диффузии плазмы(и перенос тепла) на стенку существенно замедляется: характерная длина- свободный пробег частиц заменяется на ларморовский радиус к-рый, в зависимости от величины магнитного поля В, меньше на несколько порядков величины.

Этим свойством пинчей - магн. термоизоляциейвысокотемпературной плазмы - объясняется возникший в связи с проблемойУТС интерес к П.-э. Исследование пинчей в действии началось в 50-х гг. <одновременно в СССР, США и Великобритании в рамках нац. программы по УТС. <Осн. внимание при этом уделялось двум типам пинчей - линейному и тороидальному.

Ток пинча J должен был выполнятьещё одну необходимую для УТС ф-цию - обеспечивать магн. удержание пинчав состоянии равновесия. Неограниченному магн. сжатию при П.-э. противодействуетгазокинетич. давление плазмы р _пл = k(n_eT_e+n_i Т _i, к-рое в плотной высокотемпературной плазме в силу её квазинейтральности( п _е= n_i = п )и обычно выполняющемусяусловию Т _е = Т _i становится равным р _пл= 2nkT (n - плотность, а Т - темп-pa пинча). При равновесиилегкоподвижная граница пинча располагается на поверхности равного давления, <т. е. после нек-рого нач. сжатия на границе плазменного образования должнонепрерывно выполняться условие квазиравновесия пинча

p _пл- p _магн=

Из этого условия следует т. н. соотношениеБеннетта Т. к. для цилиндрич. проводника В= 2J/cr, то J²= 4c²kNT, где - число частиц в сечении пинча. Это соотношение показывает, что для достиженияв плазме Т 10⁸ К, при к-рой скорость протекания термоядерных реакций в равнокомпонентнойдейтерий-тритиевой смеси уже настолько велика, что синтез ядер может статьэнергетически выгодным, требуется хотя и большой, но вполне достижимыйток пинча А, в зависимости от N).

Исследования линейного (цплиндрич.)z -пинчапроводились в двухэлектродных керамич. камерах. Разрядная камера состоялаиз изолирующей трубы (фарфор, кварц), торцы к-рой вакуумно-плотно закрывалисьметаллич. электродами. Камера заполнялась дейтерием при давлениии ~10^-3 тор, и через газ пропускался импульсный ток (10⁴10⁶ А), источником к-рого служила малоиндуктивная конденсаторная батарея (напряжениезарядки 10³10⁵ В), включаемая через разрядное устройство. Протекающий через газ ток изменялсяво времени по закону, близкому где С -ёмкость конденсаторного накопителя, L - эфф. индуктивность, <состоящая из внеш. индуктивности контура и изменяющейся во времени индуктивностиплазменного столба. Скорость нарастания тока достигала величины 10¹² А/с. В первых же экспериментах по исследованию z -пинчавыяснились две главные не учитывавшиеся ранее особенности сильноточногогазового разряда.

При изменяющемся во времени токе плазменныйшнур скинируется (см. Скип-эффект), и в нагреве плазмы существеннымоказывается не джоулево тепловыделение, а электродинамнч. ускорение тонкойтоковой оболочки (скин-слоя) к оси, сопровождающееся образованием мощнойсходящейся ударной волны. Движение токово-плазменной оболочки происходитпри р _{магн пл} и определяющую рольв движении играют силы инерции; условия нагрева в ударной волне и при кумуляциина оси в результате перехода кинетич. энергии в тепловую оказались болеевыгодными, но никакого квазиравновесия пинча не обеспечивалось. Оказалосьтакже, что в линейном z -пинче с резкой границей плазма - магн. полев принципе невозможно получить равновесие пинча из-за развивающихся плазменныхнеустойчивостей (см. Неустойчивости плазмы и Магнитные ловушки). Этаособенность сильноточного разряда связана с крайне высокой подвижностьюи неравновес-ностыо коллектива частиц, составляющих плазменную среду, иотсутствием внутр. "жёсткости" у плазмы, способствующей сохранению пинчемустойчивой формы. Более того, при сжатии магн. полем диамагн. свойстваплазмы способствуют выталкиванию её целиком (или отд. её частей) из областис большим В в сторону уменьшающегося поля.

В экспериментах наблюдалась сначала перваяфаза - сжатие плазмы к оси, при к-ром диам. токового канала уменьшалсяв ~10 раз и на оси камеры образовывался ярко светящийся плазменный шнур, <а затем вторая - быстрое развитие плазменных неустойчивостей токового канала- возникали местные пережатия пинча ("перетяжки", "шейки"), его изгибы, <винтовые возмущения и т. д. Нарастание этих неустойчивостей происходитчрезвычайно быстро и ведёт к разрушению пинча - выбрасыванию плазменныхструй, разрывам пинча, образованию вихрей и т. д. В результате возникаютусловия, при к-рых ток не сжимает плазму, как следовало бы из соотношенияБеннетта, а перехватывается образующейся околопинчевой плазмой или шунтируетсявследствие приизоляторных пробоев.

В 1952 Л. А. Арцимовичем, М. А. Леонтовичемс сотрудниками была обнаружена одна из наиб. интересных особенностей линейногоП.-э. в дейтерии, связанная с развивающимися неустойчивостями. При определённыхусловиях мощный импульсный z -пинч в разреженном дейтерии становитсяисточником жёсткого рентг. излучения и нейтронов, происхождение к-рых немогло быть объяснено термоядерным механизмом. Разрушение пинча неустойчивостямиограничивает время жизни высокотемпературной плазмы, поэтому в линейномпинче оказывается нереальным достижение Лоусона критерия (соблюденияусловия с).

Изучение самосжимающихся разрядов явилосьсвоеобразной школой плазменных исследований, позволивших получать плотнуюплазму со временем жизни, хотя и малым (~10^-6 с), но достаточнымдля изучения физики П.-э., разработать разнообразные методы диагностикиплазмы, развить совр. теорию процессов в ней. Эволюция установок с пинчемпривела к созданию мн. типов плазменных устройств, в к-рых неустойчивостиП.-э. либо стабилизируются с помощью внеш. магн. полей (квазистационарныесистемы типа токамака), либо сами эти неустойчивости используютсядля получения короткоживущей сверхплотной плазмы в т. н. быстрых процессах( плазменныйфокус, микропинчи), либо весь процесс имеет столь малую длительность(~10^-7 с), что неустойчивость пинча не успевает развиться.

В связи с успехами техники получения большихимпульсных токов по-новому встал вопрос о П.-э. в металлич. проводникахв виде полых тонкостенных цилиндров. Пропускание большого тока через полыйцилиндр приводит к его разрушению - сжатию, смятию, сплющиванию, потерепервонач. формы. Такой эффект наблюдается, напр., при попадании молниив трубчатый громоотвод. Сжатие металлич. цилиндра в варианте z -пинчаили -пинчастало широко использоваться в работах по получению импульсных магн. полей, <сверхвысоких давлений, в процессах магн. сварки металлов и т. д.

Новая интересная идея использовать z -П.-э. <связана с радиац. охлаждением плазмы сильноизлучающих газов. Потери плазмойэнергии на излучение уменьшают противодействие магн. сжатию, и микропинчипозволяют надеяться на получение сверхвысокой плотности вещества при т. <н. явлении радиац. коллапса.

П.-э. имеет место также и в плазме твёрдыхтел, особенно в сильно вырожденной электронно-дырочной плазме полупроводников, <где этот эффект влияет на их проводящие свойства.

Лит.: Арцимович Л. А., Элементарнаяфизика плазмы, 3 изд., М., 1969; Стил М., Вюраль Б., Взаимодействие волнв плазме твёрдого тела, пер. с англ., М., 1973; Лукьянов С. Ю., Горячаяплазма и управляемый ядерный синтез, М.,1975.

Т. И. Филиппова.