Пінч-ефект - фізична енциклопедія
ПІНЧ-ЕФЕКТ (від англ. Pinch - звуження, стиснення) - ефект стиснення, стягування потужнострумового газового розряду (плазмового утворення) в результаті взаємодії струму розряду з магн. полем, власним або зовнішнім. Вперше подібне явище описано в 1934 У. Беннеттом (W. H. Bennett) стосовно до водних потоків швидких заряджу. частинок в газорозрядної плазмі. Термін "П - е." введений в 1937 Л. Тонкс (L. Tonks) для опису фіз. процесів в потужнострумової дузі.
Залежно від напрямку струму в плазмовому стовпі розрізняють z- і-пинч. Якщо струм J протікає вздовж осі z цилиндрич. плазмового стовпа і взаємодіє з власним магнітним. полем, П - е. наз. z-Пінчем. Якщо до цилиндрич. розрядної камері докладено зовн. поздовжнє магн. поле, то в плазмі індукується азимутальний токв результаті взаємодії догрого з зовн. магн. полем відбувається стягування плазми до осі --пінч. Стиснення плазми спостерігається і в конфігураціях, що мають вигляд тонкого плоского плазмового шару з струмом - нейтральний струмовий шар.
Механізм П - е. можна розглянути на прикладі z-пинча. Силові лінії магнітного. поля В. створюваного струмом, мають вигляд концентричних. кіл, площини яких брало перпендикулярні осі. Виникає електро-динамічний. сила F. діюча на одиницю об'єму провідного середовища з щільністю струму j. дорівнює с -1 [JВ]. направлена по радіусу до осі циліндра і викликає стиснення струмового каналу. Стискуюче дію струму, що протікає можна вважати також простим наслідком закону Ампера про магн. тяжінні отд. паралельних струмових ниток з однаковим напрямком, що створюють повний струм J.
При описі П - е. в термінах магн. гідродинаміки для випадку ідеально провідного середовища об'ємна електродінаміч. сила F може бути замінена на поверхневе магн. тиск pмагн = к-рому в разі П - е. в металеві. провідниках протидіє сила пружності, а при стисненні газорозрядної плазми - газокінетіч. тиск, обумовлене тепловим рухом частинок - іонів і електронів.
При деякої величиною струму магн. тиск на поверхні рухомої, легко стискається, газового середовища (плазми) може стати більше газокінетичний і струмовий канал почне зменшувати своє перетин - виникає П - е.
П - е. може спостерігатися тільки в провідних середовищах, де рухомі носії заряду (електрони і іони в газорозрядної плазмі, електрони і дірки - в напівпровідниках) присутні в приблизно однаковому кол-ве. Якщо ж є тільки один тип носіїв струму, то електричні. поле просторового заряду ефективно перешкоджає стисненню струму до осі. Проходження великих струмів (10 б - 10 6А) через газ супроводжується іонізацією і нагріванням речовини і переходом його в стан плазми. Нагрівання плазми відбувається при струмовому тепловиділення на оміч. опорі плазмового каналу (Джоуль нагрів) і при адіабатіч. стисканні пинча як цілого (утворюється високотемпературна плазма).
Магн. поле струму віджимає плазмовий канал від стінок розрядної камери, і утворюється ізольован. струмовий шнур - пинч. Саме магн. поле зосереджено в пристеночном вакуумному зазорі між Пінчем і стінкою, тим самим створюються умови для магн. термоізоляції високотемпературної плазми. Лінії магнітного. поля паралельні поверхні пинча, і вилітають з плазми заряджу. частинки рухаються впоперек магн. поля, процес дифузії плазми (і перенесення тепла) на стінку істотно сповільнюється: характерна довжина - вільний пробіг частинок замінюється на ларморовской радіус к-рий, в залежності від величини магнітного поля В. менше на кілька порядків величини.
Цим властивістю Пінчем - магн. термоізоляцією високотемпературної плазми - пояснюється виник у зв'язку з проблемою УТС інтерес до П - е. Дослідження Пінчем в дії почалося в 50-х рр. одночасно в СРСР, США і Великобританії в рамках нац. програми по УТС. Осн. увага при цьому приділялася двом типам Пінчем - лінійному і тороїдальному.
Струм пинча J повинен був виконувати ще одну необхідну для УТС ф-цію - забезпечувати магн. утримання пинча в стані рівноваги. Необмеженому магн. стиску при П - е. протидіє газокінетіч. тиск плазми рпл = k (ne Te + ni Тi. доорої в щільній високотемпературної плазмі в силу її квазінейтральності (пе = ni = п) і зазвичай виконується умова Ті = Тi стає рівним рпл = 2nkT (n - щільність, а Т - темп-pa пинча). При рівновазі легкоподвижная межа пинча розташовується на поверхні рівного тиску, т. е. після деякого поч. стиснення на кордоні плазмового утворення має безперервно виконуватися умова квазірівноваги пинча
Pпл - pмагн =
З цієї умови випливає т. Н. співвідношення Беннетта Т. к. для цилиндрич. провідника В = 2J / cr. то J 2 = 4c 2 kNT. де - число часток в перерізі пинча. Це співвідношення показує, що для досягнення в плазмі Т 10 8 К, при якій швидкість протікання термоядерних реакцій в равнокомпонентной дейтерій-тритиевой суміші вже настільки велика, що синтез ядер може стати енергетично вигідним, потрібно хоча і великий, але цілком досяжний ток пинча А, в залежності від N).
Дослідження лінійного (цпліндріч.) Z -пінча проводилися в двоелектродної керамич. камерах. Разрядная камера складалася з ізолюючої труби (фарфор, кварц), торці к-рій вакуумно-щільно закривалися металеві. електродами. Камера заповнювалася дейтерієм при тиску
10 -3 тор, і через газ пропускався імпульсний струм (10 4 10 6А), джерелом догрого служила малоіндуктівная конденсаторна батарея (напруга зарядки 10 3 10 5 В), що включається через розрядний пристрій. Протікає через газ ток змінювався в часі за законом, близькому де С - ємність конденсаторного накопичувача, L - еф. індуктивність. що складається з зовн. індуктивності контуру і змінюється в часі індуктивності плазмового стовпа. Швидкість наростання струму досягала величини 10 12 А / с. У перших же експериментах по дослідженню z -пінча з'ясувалися дві головні не враховуються раніше особливості потужнострумового газового розряду.
При змінній в часі струмі плазмовий шнур скініруется (див. Скіп-ефект). і в нагріванні плазми істотним виявляється не джоулево тепловиділення, а електродінамнч. прискорення тонкої струмового оболонки (скін-шару) до осі, що супроводжується утворенням потужної сходящейся ударної хвилі. Рух струмів-плазмової оболонки відбувається при рмагн> рпл і визначальну роль в русі відіграють сили інерції; умови нагріву в ударній хвилі і при кумуляції на осі в результаті переходу кінетичної. енергії в теплову виявилися більш вигідними, але ніякого квазірівноваги пинча не забезпечує. Виявилося також, що в лінійному z -пінче навпроти матового відтінку плазма - магн. поле в принципі неможливо отримати рівновагу пинча через що розвиваються плазмових нестійкостей (див. Нестійкості плазми і Магнітні пастки) .Ця особливість потужнострумового розряду пов'язана з вкрай високою рухливістю і нерівноваги-ностио колективу частинок, складових плазмову середу, і відсутністю внутр. "Жорсткості" у плазми, що сприяє збереженню Пінчем стійкої форми. Більш того, при стисненні магн. полем діамагн. властивості плазми сприяють виштовхування її цілком (або від. її частин) з області з великим В в сторону зменшується поля.
В експериментах спостерігалася спочатку перша фаза - стиснення плазми до осі, при к-ром діам. струмового каналу зменшувався в
10 раз і на осі камери утворювався яскраво світиться плазмовий шнур, а потім друга - швидкий розвиток плазмових нестійкостей струмового каналу - виникали місцеві передавлення пинча ( "перетяжки", "шийки"), його вигини, гвинтові обурення і т. Д. Наростання цих нестійкостей відбувається надзвичайно швидко і веде до руйнування пинча - викидання плазмових струменів, розривів пинча, утворення вихорів і т. д. В результаті виникають умови, при яких струм не стискає плазму, як слід було б зі співвідношення Беннетта, а перехоплюється утворюється колопінчевой плазмою або шунтируется внаслідок пріізоляторних пробоїв.
У 1952 Л. А. Арцимовичем, М. А. Леонтовичем з співробітниками була виявлена одна з наиб. цікавих особливостей лінійного П - е. в дейтерії, пов'язана з країнами, що розвиваються неустойчивостями. При певних умовах потужний імпульсний z -пінч в розрідженому дейтерії стає джерелом жорсткого рентгена. випромінювання і нейтронів, походження яких брало не могло бути пояснено термоядерним механізмом. Руйнування пинча неустойчивостями обмежує час життя високотемпературної плазми, тому в лінійному Пінчем виявляється нереальним досягнення Лоусона критерію (дотримання умови с).
Вивчення самостискальних розрядів стало своєрідною школою плазмових досліджень, що дозволили отримувати щільну плазму з часом життя, хоча і малим (
10 -6 с), але достатнім для вивчення фізики П - е. розробити різноманітні методи діагностики плазми, розвинути суч. теорію процесів в ній. Еволюція установок з Пінчем привела до створення мн. типів плазмових пристроїв, в яких брало нестійкості П - е. або стабілізуються за допомогою зовн. магн. полів (квазістаціонарних системи типу токамака). або самі ці нестійкості використовуються для отримання короткоживущей надщільного плазми в т. н. швидких процесах (плазмовий фокус. мікропінчі), або весь процес має настільки малу тривалість (
10 -7 с), що нестійкість пинча не встигає розвинутися.
У зв'язку з успіхами техніки отримання великих імпульсних струмів по-новому постало питання про П - е. в металеві. провідниках у вигляді порожніх тонкостінних циліндрів. Пропускання великого струму через порожнистий циліндр призводить до його руйнування - стиску, зім'яту, сплющиванию, втрати первонач. форми. Такий ефект спостерігається, напр. при попаданні блискавки в трубчастий громовідвід. Стиснення металеві. циліндра в варіанті z -пінча або-пинча стало широко використовуватися в роботах по отриманню імпульсних магн. полів, надвисоких тисків, в процесах магн. зварювання металів і т. д.
Нова цікава ідея використовувати z-П - е. пов'язана з радиац. охолодженням плазми сільноізлучающіх газів. Втрати плазмою енергії на випромінювання зменшують протидію магн. стиску, і мікропінчі дозволяють сподіватися на отримання надвисокої щільності речовини при т. зв. явищі радиац. колапсу.
П - е. має місце також і в плазмі твердих тіл, особливо в сильно вироджених електронно-доречний плазмі напівпровідників. де цей ефект впливає на їх провідні властивості.
Літ .: Арцимовіч Л. А. Елементарна фізика плазми, 3 вид. М. 1969; Стіл М. Вюраль Б. Взаємодія хвиль в плазмі твердого тіла, пер. з англ. М. 1973; Лук'янов С. Ю. Гаряча плазма і керований ядерний синтез, М., 1975.