|
|
Большая Советская Энциклопедия (цитаты)
|
|
|
|
|
Пинч-эффект | Пинч-эффект (далее П) (от англ. pinch — сужение, сжатие), эффект самостягивания разряда, свойство электрического токового канала в сжимаемой проводящей среде уменьшать свое сечение под действием собственного, порождаемого самим током, поля. Впервые это явление описано в 1934 американским ученым У. Беннетом применительно к потокам быстрых заряженных частиц в газоразрядной плазме. Термин "П-э." введен в 1937 английским физиком Л. Тонксом при исследовании дугового разряда.
Механизм П-э. проще всего понять на примере тока , текущего вдоль оси цилиндра, заполненного проводящей средой. Силовые линии поля, создаваемого , имеют вид концентрических окружностей, плоскости которых перпендикулярны оси цилиндра. Электродинамическая сила, действующая на единицу объема проводящей среды с плотностью тока j, в СГС системе единиц равна 1/c × (jb) и направлена к оси цилиндра, стремясь сжать среду. Возникающее состояние и есть П-э. (Здесь квадратные скобки обозначают векторное произведение; с — скорость света в вакууме; В — магнитная индукция в рассматриваемом единичном объеме.) П-э. можно считать также простым следствием Ампера закона о притяжении отдельных параллельных токовых нитей (элементарных токовых трубок), совокупностью которых является токовый цилиндр. сжатию препятствует газокинетическое давление проводящей среды, обусловленное тепловым движением ее частиц; силы этого давления направлены от оси токового канала. Однако при достаточно большом токе перепад давления становится больше газокинетического и токовый канал сжимается — возникает П-э.
Для П-э. необходимо примерное равенство концентраций носителей зарядов противоположного знака в среде. В потоках же носителей зарядов одного знака электрическое поле пространственного заряда эффективно препятствует сжатию тока. Прохождение достаточно больших токов через газ сопровождается его переходом в состояние полностью ионизованной плазмы, состоящей из заряженных частиц обоих знаков. П-э. в этом случае отжимает плазменный шнур (токовый канал) от стенок камеры, в которой происходит разряд. Т. о. создаются условия для термоизоляции плазмы. Этим свойством мощных самосжимающихся разрядов (их называют пинчами) объясняется возникший в связи с проблемой управляемого термоядерного синтеза (УТС) интерес к П-э., как к наиболее простому и обнадеживающему механизму удержания высокотемпературной плазмы.
Условия, при которых газокинетическое давление плазмы nk (Te + Ti) становится равным давлению поля тока , описываются соотношением Беннета: (2/cr)2/8p = nk (Te + Ti). Здесь n — число частиц в единице объема, r — радиус пинча; Te и Ti — электронная и ионная температуры, соответственно; n — число электронов в единице объема (равное из условия квазинейтральности плазмы числу ионов); k — Больцмана постоянная. Из формулы Беннета следует, что для достижения минимальной температуры (Т~108К), при которой термоядерный синтез может представлять интерес как источник энергии, требуется хотя и большой, но вполне осуществимый ток ~ 106 а. Исследование пинчей в дейтерии началось в 1950—51 одновременно в СССР, США и Великобритании в рамках национальных программ по УТС. При этом основное внимание уделялось двум типам пинчей — линейному и тороидальному. Предполагалось, что плазма в них при протекании тока будет нагреваться не только за счет ее собственного электрического сопротивления (джоулев нагрев), но и при так называемом адиабатическом (т. е. происходящем без обмена энергией с окружающей средой) сжатии пинча. Однако в первых же экспериментах выяснилось, что П-э. сопровождается развитием различных плазменных неустойчивостей (см. Магнитные ловушки). Образовывались местные пережатия ("шейки") пинча, его изгибы и винтовые возмущения ("змейки"). Нарастание этих возмущений происходит чрезвычайно быстро и ведет к разрушению пинча (его разрыву или выбрасыванию плазмы на стенки камеры). Оказалось, что простейшие пинчи подвержены практически всем видам неустойчивостей высокотемпературной плазмы и могут служить как для их изучения, так и для испытания разных способов стабилизации плазменного шнура. Ток ~ 106 а в установках с линейным пинчем получают при разряде на газовый промежуток мощных конденсаторных батарей. Скорости нарастания тока в отдельных случаях ~1012 а/сек. При этом наиболее существенным оказывается не джоулев нагрев, а электродинамическое ускорение к оси токового шнура его тонкой наружной оболочки (скин-слоя; см. Скин-эффект), сопровождающееся образованием мощной сходящейся к оси ударной волны. Превращение накопленной такой волной энергии в тепловую создает плазму с температурой, намного более высокой, чем мог бы дать джоулев нагрев. С др. стороны, преобразование в пинче энергии электрического тока в тепловую становится значительно эффективнее, когда определяющий вклад в электрическое сопротивление плазмы начинает давать ее турбулентность, возникающая при развитии так называемых микронеустойчивостей (см. Плазма).
Для мощных импульсных пинчей в разреженном дейтерии характерно, что при некоторых условиях они становятся источниками жестких излучений (нейтронного и рентгеновского). Это явление впервые было обнаружено в СССР в 1952.
Хотя в простейших вариантах пинчей и не удалось решить задачу УТС, самосжимающиеся разряды явились своеобразной школой плазменных исследований, позволив получать плотную плазму со временем жизни хотя и малым, но достаточным для изучения физики П-э., создать разнообразные методы диагностики плазмы, развить современную теорию процессов в ней. Эволюция установок, использующих П-э., привела к созданию многих типов плазменных устройств, в которых неустойчивости П-э. либо стабилизируются с помощью внешних полей ("Токамаки", Q-пинчи и т.д.), либо сами эти неустойчивости используются для получения короткоживущей сверхплотной плазмы в так называемых "быстрых" процессах ("плазменный фокус", "микро-пинчи"). Поэтому в настоящее время (1975) существенное место в национальной и межнациональной программах решения проблемы УТС (СССР, США, Европейское сообщество по атомной энергии) отводится системам, в основе которых лежит П-э.
П-э. имеет место не только в газовом разряде, но и в плазме твердых тел, особенно в так называемой сильно вырожденной электронно-дырочной плазме полупроводников.
Лит.: Арцимович Л. А., Элементарная физика плазмы, 3 изд., М., 1969, Пост Р., Высокотемпературная плазма и управляемые термоядерные реакции, пер. с англ., М., 1961; Стил М., Вюраль Б., Взаимодействие волн в плазме твердого тела, пер. с англ., М., 1973.
Т. И. Филиппова, Н. В. Филиппов. |
Для поиска, наберите искомое слово (или его часть) в поле поиска
|
|
 |
 |
 |
|
