пинч-эффект

ПИНЧ-ЭФФЕКТ (от англ. pinch - сужение, сжатие) - эффект сжатия, стягивания сильноточного газового разряда (плазменного образования) в результате взаимодействия тока разряда с магн. полем, собственным или внешним. Впервые подобное явление описано в 1934 У. Беннеттом (W. H. Bennett) применительно к потокам быстрых заряж. частиц в газоразрядной плазме. Термин "П--э." введён в 1937 Л. Тонксом (L. Tonks) для описания физ. процессов в сильноточной дуге.
В зависимости от направления тока в плазменном столбе различают z- и-пинч. Если ток J протекает вдоль оси z цилиндрич. плазменного столба и взаимодействует с собственным магн. полем, П--э. наз. z-пинчем. Если к цилиндрич. разрядной камере приложено внеш. продольное магн. поле, то в плазме индуцируется азимутальный токв результате взаимодействия к-рого с внеш. магн. полем происходит стягивание плазмы к оси --пинч. Сжатие плазмы наблюдается и в конфигурациях, имеющих вид тонкого плоского плазменного слоя с током - нейтральный токовый слой.
Механизм П--э. можно рассмотреть на примере z-пинча. Силовые линии магн. поля В, создаваемого током, имеют вид концентрич. окружностей, плоскости к-рых перпендикулярны оси. Возникающая электро-динамич. сила F, действующая на единицу объёма проводящей среды с плотностью тока j, равна с^-1 [jВ], направлена по радиусу к оси цилиндра и вызывает сжатие токового канала. Сжимающее действие протекающего тока можно считать также простым следствием закона Ампера о магн. притяжении отд. параллельных токовых нитей с одинаковым направлением, создающих полный ток J.
При описании П--э. в терминах магн. гидродинамики для случая идеально проводящей среды объёмная электродинамич. сила F может быть заменена на поверхностное магн. давление p_магн = к-рому в случае П--э. в металлич. проводниках противодействует сила упругости, а при сжатии газоразрядной плазмы - газокинетич. давление, обусловленное тепловым движением частиц - ионов и электронов.
При нек-рой величине тока магн. давление на поверхности подвижной, легко сжимаемой газовой среды (плазмы) может стать больше газокинетического и токовый канал начнёт уменьшать своё сечение - возникает П--э.
П--э. может наблюдаться только в проводящих средах, где подвижные носители заряда (электроны и ионы в газоразрядной плазме, электроны и дырки - в полупроводниках) присутствуют в приблизительно одинаковом 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 газ сопровождается ионизацией и нагревом вещества и переходом его в состояние плазмы. Нагрев плазмы происходит при токовом тепловыделении на омич. сопротивлении плазменного канала (джоулев нагрев) и при адиабатич. сжатии пинча как целого (образуется высокотемпературная плазма).
Магн. поле тока отжимает плазменный канал от стенок разрядной камеры, и образуется изолиров. токовый шнур - пинч. Само магн. поле сосредоточено в пристеночном вакуумном зазоре между пинчем и стенкой, тем самым создаются условия для магн. термоизоляции высокотемпературной плазмы. Линии магн. поля параллельны поверхности пинча, и вылетающие из плазмы 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. термоизоляцией высокотемпературной плазмы - объясняется возникший в связи с проблемой УТС 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 выполнять ещё одну необходимую для УТС ф-цию - обеспечивать магн. удержание пинча в состоянии равновесия. Неограниченному магн. сжатию при П--э. противодействует газокинетич. давление плазмы р_пл = k(n_eT_e+ n_iТ_i, к-рое в плотной высокотемпературной плазме в силу её квазинейтральности (п_е = n_i = п)и обычно выполняющемуся условию Т_е = Т_iстановится равным р_пл = 2nkT (n - плотность, а Т - темп-pa пинча). При равновесии легкоподвижная граница пинча располагается на поверхности равного давления, т. е. после нек-рого нач. сжатия на границе плазменного образования должно непрерывно выполняться условие квазиравновесия пинча
p_пл- p_магн =
Из этого условия следует т. н. соотношение Беннетта Т. к. для цилиндрич. проводника В = 2J/cr, то J² = 4c²kNT, где - число частиц в сечении пинча. Это соотношение показывает, что для достижения в плазме Т10⁸ К, при к-рой скорость протекания термоядерных реакций в равнокомпонентной дейтерий-тритиевой смеси уже настолько велика, что синтез ядер может стать энергетически выгодным, требуется хотя и большой, но вполне достижимый ток пинча А, в зависимости от N).
Исследования линейного (цплиндрич.) z-пинча проводились в двухэлектродных керамич. камерах. Разрядная камера состояла из изолирующей трубы (фарфор, кварц), торцы к-рой вакуумно-плотно закрывались металлич. электродами. Камера заполнялась дейтерием при давлениии ~10^-3 тор, и через газ пропускался импульсный ток (10⁴10⁶ А), источником к-рого служила малоиндуктивная конденсаторная батарея (напряжение зарядки 10³10⁵ В), включаемая через разрядное устройство. Протекающий через газ ток изменялся во времени по закону, близкому где С - ёмкость конденсаторного накопителя, L - эфф. индуктивность, состоящая из внеш. индуктивности контура и изменяющейся во времени индуктивности плазменного столба. Скорость нарастания тока достигала величины 10¹² А/с. В первых же экспериментах по исследованию z-пинча выяснились две главные не учитывавшиеся ранее особенности сильноточного газового разряда.
При изменяющемся во времени токе плазменный шнур скинируется (см. Скип-эффект), и в нагреве плазмы существенным оказывается не джоулево тепловыделение, а электродинамнч. ускорение тонкой токовой оболочки (скин-слоя) к оси, сопровождающееся образованием мощной сходящейся ударной волны. Движение токово-плазменной оболочки происходит при р_магн >р_пл и определяющую роль в движении играют силы инерции; условия нагрева в ударной волне и при кумуляции на оси в результате перехода кинетич. энергии в тепловую оказались более выгодными, но никакого квазиравновесия пинча не обеспечивалось. Оказалось также, что в линейном z-пинче с резкой границей плазма - магн. поле в принципе невозможно получить равновесие пинча из-за развивающихся плазменных неустойчивостей (см. Неустойчивости плазмы и Магнитные ловушки ).Эта особенность сильноточного разряда связана с крайне высокой подвижностью и неравновес-ностыо коллектива частиц, составляющих плазменную среду, и отсутствием внутр. "жёсткости" у плазмы, способствующей сохранению пинчем устойчивой формы. Более того, при сжатии магн. полем диамагн. свойства плазмы способствуют выталкиванию её целиком (или отд. её частей) из области с большим В в сторону уменьшающегося поля.
В экспериментах наблюдалась сначала первая фаза - сжатие плазмы к оси, при к-ром диам. токового канала уменьшался в ~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 происходит чрезвычайно быстро и ведёт к разрушению пинча - выбрасыванию плазменных струй, разрывам пинча, образованию вихрей и т. д. В результате возникают условия, при к-рых ток не сжимает плазму, как следовало бы из соотношения Беннетта, а перехватывается образующейся околопинчевой плазмой или шунтируется вследствие приизоляторных пробоев.
В 1952 Л. А. Арцимовичем, М. А. Леонтовичем с сотрудниками была обнаружена одна из наиб. интересных особенностей линейного П--э. в дейтерии, связанная с развивающимися неустойчивостями. При определённых условиях мощный импульсный z-пинч в разреженном дейтерии становится источником жёсткого рентг. излучения и нейтронов, происхождение к-рых не могло быть объяснено термоядерным механизмом. Разрушение пинча неустойчивостями ограничивает время жизни высокотемпературной плазмы, поэтому в линейном пинче оказывается нереальным достижение Лоусона критерия (соблюдения условия с).
Изучение самосжимающихся разрядов явилось своеобразной школой плазменных исследований, позволивших получать плотную плазму со временем жизни, хотя и малым (~10^-6 с), но достаточным для изучения физики П--э., разработать разнообразные методы диагностики плазмы, развить совр. теорию процессов в ней. Эволюция установок с пинчем привела к созданию мн. типов плазменных устройств, в к-рых неустойчивости П--э. либо стабилизируются с помощью внеш. магн. полей (квазистационарные системы типа токамака), либо сами эти неустойчивости используются для получения короткоживущей сверхплотной плазмы в т. н. быстрых процессах (плазменный фокус, микропинчи), либо весь процесс имеет столь малую длительность (~10^-7 с), что неустойчивость пинча не успевает развиться.
В связи с успехами техники получения больших импульсных токов по-новому встал вопрос о П--э. в металлич. проводниках в виде полых тонкостенных цилиндров. Пропускание большого тока через полый цилиндр приводит к его разрушению - сжатию, смятию, сплющиванию, потере первонач. формы. Такой эффект наблюдается, напр., при попадании молнии в трубчатый громоотвод. Сжатие металлич. цилиндра в варианте z-пинча или-пинча стало 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 плазмой энергии на излучение уменьшают противодействие магн. сжатию, и микропинчи позволяют надеяться на получение сверхвысокой плотности вещества при т. н. явлении радиац. коллапса.
П--э. имеет место также и в плазме твёрдых тел, особенно в сильно вырожденной электронно-дырочной плазме полупроводников, где этот эффект влияет на их проводящие свойства.

Лит.: Арцимович Л. А., Элементарная физика плазмы, 3 изд., М., 1969; Стил М., Вюраль Б., Взаимодействие волн в плазме твёрдого тела, пер. с англ., М., 1973; Лукьянов С. Ю., Горячая плазма и управляемый ядерный синтез, М.,1975.

Т. И. Филиппова.