ПИНЧ-ЭФФЕКТ

ПИНЧ-ЭФФЕКТ

       

(от англ, pinch -сужение, сжатие) (эффект самосжатия разряда), свойство электрич. токового канала в проводящей среде уменьшать своё сечение под действием собственного, порождаемого самим током, магнитного поля. Впервые это явление описано в 1934 амер. учёным У. X. Беннеттом применительно к потокам быстрых заряж. ч-ц в газоразрядной плазме. Термин «П.-э.» введён в 1937 амер. физиком Л. Тонксом при исследовании дугового разряда.

Механизм П.-э. проще всего понять на примере заполненного проводящей средой длинного цилиндра, в к-ром параллельно его оси течёт ток J. Силовые линии магн. поля, создаваемого J, имеют вид концентрич. окружностей, плоскости к-рых перпендикулярны оси цилиндра. Электродинамич. сила, действующая на единицу объёма проводящей среды с плотностью тока 3, равна 1/c.(JB) в СГС системе единиц; сила направлена к оси цилиндра и стремится сжать среду. Это и есть П.-э. (Здесь В — магнитная индукция в единичном объёме.) П.-э. можно рассматривать также как простое следствие Ампера закона о магн. притяжении отд. параллельных токовых нитей (элем. токовых трубок), совокупностью к-рых явл. токовый цилиндр. Магн. сжатию препятствует газокинетич. давление проводящей среды, обусловленное тепловым движением её ч-ц; силы этого давления направлены от оси токового канала. Однако при достаточно большом токе перепад магн. 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 носителей зарядов одного знака электрич. поле пространственного заряда эффективно препятствует сжатию тока. Прохождение достаточно больших токов через газ сопровождается его переходом в полностью ионизованную плазму, состоящую из заряж. ч-ц обоих знаков. П.-э. в этом случае отжимает плазменный шнур (токовый канал) от стенок камеры, в к-рой происходит разряд. Т. о. создаются условия для магнитной термоизоляции плазмы. Этим св-вом мощных самосжимающихся разрядов объясняется возникший в связи с проблемой управляемого термоядерного синтеза (УТС) интерес к П.-э., как к наиболее простому и обнадёживающему механизму удержания высокотемпературной плазмы.

Условия, при к-рых газокинетич. давление плазмы nk(Те+Тi) становится равным магн. давлению поля тока J, описываются соотношением Беннетта: (1/8p)(2J/cr)2=nk(Те+Тi). Здесь r— радиус пинча, Те и Ti — электронная и ионная темп-ры, n — число эл-нов в единице объёма (равное из условия квазинейтральности плазмы, числу ионов). Из ф-лы Беннетта следует, что для достижения миним. темп-ры (Т = 108 К), при к-рой термоядерный синтез может представлять интерес как источник энергии, требуется хотя и большой, но вполне достижимый ток =106 A. Исследование пинчей в дейтерии началось в 1950—51 одновременно в СССР, США и Великобритании в рамках нац. программ по УТС. При этом осн. внимание уделялось двум типам пинчей — линейному и тороидальному. Предполагалось, что плазма в них при протекании тока будет нагреваться не только за счёт её собств. электрич. сопротивления (джоулев нагрев), но и при т. н. адиабатическом (т. е. происходящем без обмена энергией с окружающей средой) сжатии. Однако в первых же экспериментах выяснилось, что П.-э. сопровождается развитием разл. плазменных неустойчивостей (см. ПЛАЗМА). Образовывались местные пережатая («шейки») пинча, его изгибы и винтовые возмущения («змейки»). Нарастание этих возмущений происходит чрезвычайно быстро и ведёт к разрушению пинча (его разрыву или выбрасыванию плазмы на стенки камеры). Оказалось, что простейшие пннчи 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 конденсаторных батарей большой ёмкости. Скорости нарастания тока в отд. случаях достигают =1012 А/с. При этом наиболее существенным оказывается не джоулев нагрев, а электродпнамич. 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 создаёт плазму с темп-рой, намного более высокой, чем мог бы дать джоулев нагрев. С др. стороны, преобразование в пинче энергии электрич. тока в тепловую становится значительно эффективнее, когда определяющий вклад в электрич. сопротивление плазмы начинает давать её турбулентность, возникающая при развитии т. н. микронеустойчивостей.

Для мощных импульсных пинчей в разреженном дейтерии характерно, что при нек-рых условиях они становятся источниками жёстких 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 совр. теорию процессов в ней. Эволюция установок, использующих П.-э., привела к созданию мн. типов плазменных устройств, в к-рых неустойчивости П.-э. либо стабилизируются с помощью внешних магн. полей (токамаки, q-пинчи и т. д.), либо сами эти неустойчивости используются для получения короткоживущей сверхплотной плазмы в т. н. «быстрых» процессах (плазменный фокус, «микропинчи»). Поэтому в наст. время (1983) существ. место в нац. и межнац. программах решения проблемы УТС (СССР, США, Европейское сообщество но ат. энергии) отводится системам, в основе к-рых лежит П.-э.

П.-э. имеет место не только в газовом разряде, но и в плазме твёрдых тел, особенно в т. н. сильно вырожденной электронно-дырочной плазме полупроводников.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.

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.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.