Szczypta (fizyka plazmy) - Pinch (plasma physics)

Zjawiska uszczypnięcia
Błyskawice wyładowań ukazujące elektromagnetycznie ściśnięte włókna plazmy
Badanie szczypiec z 1905 r., w którym do wytworzenia skurczu w metalowej rurce użyto błyskawicy elektrycznej.
Sterowany prądem toroidalny skurcz Z w plazmie kryptonowej

Zaciskowy (czyli Bennett zaciskowy (po Willard Harrison Bennett ) zaciskowy elektromagnetyczne , szczypty magnetyczne , efekt zaciskowy lub zaciskowego osoczu .) Jest kompresja przewodzącego elektrycznie włókna przez magnetycznych sił, lub urządzenie, które wykonuje takie. Przewodnikiem jest zwykle plazma , ale może być również metalem stałym lub ciekłym . Szczypce były pierwszym rodzajem urządzenia używanego do eksperymentów w zakresie kontrolowanej energii syntezy jądrowej .

Uszczypnięcia występują naturalnie w wyładowaniach elektrycznych, takich jak błyskawice , zorze planetarne , arkusze prądu i rozbłyski słoneczne .

Podstawowy mechanizm

To jest podstawowe wyjaśnienie, jak działa szczypta. (1) Szczypce przykładają wysokie napięcie i prąd do lampy. Ta rurka jest wypełniona gazem, zwykle paliwem fuzyjnym, takim jak deuter. Jeśli iloczyn napięcia i ładunku jest wyższy niż energia jonizacji gazu, gaz ulega jonizacji. (2) Prąd przeskakuje przez tę lukę. (3) Prąd wytwarza pole magnetyczne prostopadłe do prądu. To pole magnetyczne ściąga materiał razem. (4) Te atomy mogą zbliżyć się na tyle blisko, aby się skondensować.

Rodzaje

Przykład szczypty stworzonej przez człowieka. Tutaj skurcze Z ograniczają plazmę do włókien wyładowania elektrycznego z cewki Tesli
Koncepcja MagLIF, połączenie zacisku Z i wiązki laserowej

Szczypce istnieją w naturze iw laboratoriach. Szczypce różnią się geometrią i siłami roboczymi. Obejmują one:

  • Niekontrolowany – Za każdym razem, gdy prąd elektryczny porusza się w dużych ilościach (np. piorun, łuki, iskry, wyładowania), siła magnetyczna może ściągnąć plazmę. To może być niewystarczające do fuzji.
  • Uszczypnięcie arkusza – Efekt astrofizyczny, który powstaje z ogromnych arkuszy naładowanych cząstek.
  • Z-pinch - Prąd płynie wzdłuż osi lub ścian cylindra, podczas gdy pole magnetyczne jest azymutalne
  • Theta pinch - Pole magnetyczne biegnie wzdłuż osi cylindra, podczas gdy pole elektryczne jest w kierunku azymutalnym (zwanym również thetatronem)
  • Ściśnięcie śrubowe — połączenie zacisku Z i zacisku theta (nazywanego również ustabilizowanym zaciskiem Z lub zaciskiem θ-Z)
  • Odwrócony skurcz pola lub skurcz toroidalny — jest to skurcz w kształcie litery Z ułożony w kształcie torusa . Plazma posiada wewnętrzne pole magnetyczne. Wraz ze wzrostem odległości od środka tego pierścienia pole magnetyczne zmienia kierunek.
  • Odwrotne szczypanie — koncepcja wczesnej fuzji, to urządzenie składało się z pręta otoczonego plazmą. Prąd przepływał przez plazmę i wracał wzdłuż środkowego pręta. Ta geometria była nieco inna niż skurcz-z, ponieważ przewodnik znajdował się pośrodku, a nie po bokach.
  • szczypta cylindryczna
  • Ortogonalny efekt szczypania
  • Ware pinch – skurcz, który występuje wewnątrz plazmy tokamaka, gdy cząstki wewnątrz orbity bananowej kondensują się razem.
  • Magnetized Liner Inertial Fusion (MagLIF) — skurcz Z wstępnie podgrzanego, wstępnie namagnesowanego paliwa wewnątrz metalowej wkładki, co może prowadzić do zapłonu i praktycznej energii syntezy jądrowej z większym sterownikiem o mocy impulsowej.

Wspólne zachowanie

Uszczypnięcia mogą stać się niestabilne . Promieniują energię w całym widmie elektromagnetycznym tym fal radiowych , promieniowania mikrofalowego , podczerwonego , promieniami rentgenowskimi , promieniami gamma , promieniowaniem synchrotronowej i światła widzialnego . Wytwarzają również neutrony jako produkt syntezy jądrowej.

Aplikacje i urządzenia

Szczypce są wykorzystywane do generowania promieni rentgenowskich, a generowane intensywne pola magnetyczne są wykorzystywane w elektromagnetycznym formowaniu metali. Mają również zastosowanie w wiązkach cząstek, w tym broni wiązek cząstek , w badaniach astrofizycznych i zaproponowano wykorzystanie ich w napędzie kosmicznym. Zbudowano wiele dużych maszyn zaciskowych do badania mocy syntezy jądrowej ; oto kilka:

Kruszenie puszek z efektem szczypania

Ściśnięta puszka aluminiowa, wytwarzana za pomocą pulsującego pola magnetycznego wytworzonego przez szybkie wyładowanie 2 kilodżuli z baterii kondensatorów wysokiego napięcia do 3-zwojowej cewki z grubego drutu.

Wielu entuzjastów elektroniki wysokiego napięcia tworzy własne prymitywne urządzenia do formowania elektromagnetycznego. Wykorzystują one techniki zasilania impulsowego , aby wytworzyć szczyptę theta, która jest w stanie zmiażdżyć aluminiową puszkę do napojów bezalkoholowych przy użyciu sił Lorentza, które powstają, gdy w puszce indukowane są duże prądy przez silne pole magnetyczne cewki pierwotnej.

Elektromagnetyczny aluminiowej, kruszarka składa się z czterech głównych elementów: wysokiego napięcia stałego zasilacza , który zapewnia źródło energii elektrycznej , duża rozładowania energii kondensator do gromadzenia energii elektrycznej, przełącznik wysokiego napięcia lub iskiernik i niezawodne cewki ( zdolne do przetrwania wysokiego ciśnienia magnetycznego), przez które zmagazynowana energia elektryczna może zostać szybko rozładowana w celu wytworzenia odpowiednio silnego magnetycznego pola ściskającego (patrz schemat poniżej).

Szczypce elektromagnetyczne „kruszarka do puszek”: schemat ideowy

W praktyce takie urządzenie jest nieco bardziej wyrafinowane niż sugeruje schemat ideowy, w tym elementy elektryczne, które kontrolują prąd w celu zmaksymalizowania wynikowego zacisku i zapewnienia bezpiecznego działania urządzenia. Więcej szczegółów w notatkach.

Historia

Instytut Inżynierów Elektryków i Elektroników godło przedstawia podstawowe cechy w azymutalnym szczyptą magnetycznego.

Pierwsze stworzenie skurczu-Z w laboratorium mogło mieć miejsce w 1790 roku w Holandii, kiedy Martinus van Marum wywołał eksplozję, wyrzucając 100 słoików lejdejskich do drutu. Zjawisko to nie zostało zrozumiane aż do 1905 roku, kiedy Pollock i Barraclough zbadali skompresowaną i zniekształconą długość miedzianej rurki z piorunochronu po uderzeniu w nią piorunem. Ich analiza wykazała, że ​​siły wywołane oddziaływaniem dużego przepływu prądu z jego własnym polem magnetycznym mogły spowodować kompresję i zniekształcenia. Podobną i najwyraźniej niezależną analizę teoretyczną efektu skurczu w ciekłych metalach opublikował Northrupp w 1907 roku. Kolejnym ważnym osiągnięciem była publikacja w 1934 roku analizy równowagi ciśnienia promieniowego w statycznym skurczu Z autorstwa Bennetta (patrz poniższa sekcja zawiera szczegółowe informacje).

Następnie eksperymentalny i teoretyczny postęp w zakresie zaciskania był napędzany badaniami nad energią termojądrową . W swoim artykule na temat „Wire-array Z-pinch: potężne źródło promieniowania rentgenowskiego dla ICF ”, MG Haines i in. , pisał na temat "Wczesnej historii szczypiec Z".

W 1946 Thompson i Blackman złożyli patent na reaktor termojądrowy oparty na toroidalnym skurczu typu Z z dodatkowym pionowym polem magnetycznym. Ale w 1954 Kruskal i Schwarzschild opublikowali swoją teorię niestabilności MHD w skurczu-Z. W 1956 Kurczatow wygłosił swój słynny wykład w Harwell, pokazując nietermiczne neutrony i obecność niestabilności m = 0 i m = 1 w skurczu deuterowym. W 1957 Pease i Braginskii niezależnie przewidzieli załamanie radiacyjne skurczu-Z pod wpływem równowagi ciśnień, gdy w wodorze prąd przekracza 1,4 MA. (Lepkie, a nie rezystancyjne rozpraszanie energii magnetycznej omówione powyżej i w tym, zapobiegłoby jednak rozpadowi radiacyjnemu).

W 1958 roku pierwszy na świecie sterowany fuzja termojądrowa Eksperyment przeprowadzono przy użyciu maszyny theta-pinch nazwie Scylla I w Los Alamos National Laboratory . Cylinder pełen deuteru został przekształcony w plazmę i skompresowany do 15 milionów stopni Celsjusza pod wpływem efektu skurczu teta. Wreszcie w Imperial College w 1960 r., prowadzonym przez R. Lathama, wykazano niestabilność Plateau-Rayleigh , a jej tempo wzrostu mierzono dynamicznym skurczem-Z.

Analiza równowagi

Jeden wymiar

W fizyce plazmy powszechnie bada się trzy geometrie zaciskania: zacisk θ, zacisk Z i zacisk śrubowy. Mają one kształt cylindryczny. Walec jest symetryczny w kierunku osiowym ( z ) i azymutalnym (θ). Jednowymiarowe uszczypnięcia są nazwane od kierunku, w którym porusza się prąd.

-szczypta

Szkic równowagi skurczu . ten   Zorientowane pole magnetyczne odpowiada a   -kierowany prąd plazmowy.

Skurcz θ ma pole magnetyczne skierowane w kierunku z i duży prąd diamagnetyczny skierowany w kierunku θ. Korzystanie z prawa Ampère'a (odrzucanie terminu przemieszczenia)

Ponieważ B jest tylko funkcją od r, możemy to uprościć do

Zatem J wskazuje w kierunku θ.

Zatem warunek równowagi ( ) dla skurczu θ brzmi:

Skurcze θ wydają się być odporne na niestabilność plazmy; Wynika to częściowo z twierdzenia Alfvéna (znanego również jako twierdzenie o strumieniu zamrożonym).

Szczypce Z

Szkic równowagi skurczu-Z. A  -kierowane pole magnetyczne odpowiada a   Z-kierowany prąd plazmy.

Skurcz Z ma pole magnetyczne w kierunku θ i prąd J płynący w kierunku z . Ponownie, zgodnie z elektrostatycznym prawem Ampère'a,

Zatem warunek równowagi, , dla skurczu Z brzmi:

Ponieważ cząstki w plazmie zasadniczo podążają za liniami pola magnetycznego, skurcze-Z prowadzą je po okręgu. W związku z tym mają zwykle doskonałe właściwości ograniczające.

Ścisk śruby

Zacisk śrubowy jest próbą połączenia aspektów stabilności zacisku θ z aspektami ograniczania zacisku Z. Odwołując się raz jeszcze do prawa Ampère'a,

Ale tym razem, B pole ma składową θ oraz do Z komponent

Więc tym razem J ma składnik w kierunku z i składnik w kierunku θ.

Na koniec warunek równowagi ( ) dla zacisku śruby brzmi:

Ścisk śrubowy przez zderzające się wiry optyczne

Szczypta śruba może być wytwarzane w plazmie laserowej przez zderzanie wirów optycznych trwania ultrakrótkich. W tym celu wiry optyczne powinny być sprzężone fazowo. Rozkład pola magnetycznego jest tutaj ponownie podany przez prawo Ampère'a:

Dwa wymiary

Toroidalny układ współrzędnych w powszechnym użyciu w fizyce plazmy.
  Czerwona strzałka oznacza kierunek poloidalny (θ)
  Niebieska strzałka oznacza kierunek toroidalny (φ)

Częstym problemem związanym ze szczypcami jednowymiarowymi są straty końcowe. Większość ruchu cząstek odbywa się wzdłuż pola magnetycznego. W przypadku zaciskania θ i zaciskania śruby bardzo szybko odprowadza to cząstki z końca maszyny, co prowadzi do utraty masy i energii. Wraz z tym problemem zacisk Z ma poważne problemy ze stabilnością. Chociaż cząsteczki mogą być do pewnego stopnia odbijane przez lustra magnetyczne , nawet one przepuszczają wiele cząsteczek. Powszechną metodą pokonywania tych strat końcowych jest wygięcie cylindra w torus. Niestety to łamie symetrię θ, ponieważ ścieżki na wewnętrznej części (strona wewnętrzna) torusa są krótsze niż podobne ścieżki na części zewnętrznej (strona zewnętrzna). Potrzebna jest więc nowa teoria. Daje to początek słynnemu równaniu Grada-Szafranowa . Rozwiązania numeryczne równania Grada-Szafranowa również przyniosły pewne równowagi, w szczególności odwróconego napięcia pola .

Trzy wymiary

Od 2015 r. nie ma spójnej teorii analitycznej dla równowag trójwymiarowych. Ogólne podejście do znalezienia takich równowag polega na rozwiązaniu równań idealnej próżni MHD. Rozwiązania numeryczne zaowocowały projektami stellaratorów . Niektóre maszyny wykorzystują techniki upraszczania, takie jak symetria spiralna (na przykład eksperyment Helically Symmetric eXperiment Uniwersytetu Wisconsin). Jednak dla dowolnej konfiguracji trójwymiarowej istnieje relacja równowagi, podobna do konfiguracji 1-D:

Gdzie κ jest wektorem krzywizny zdefiniowanym jako:

gdzie b wektor jednostkowy tangens do B .

Leczenie formalne

Sugerowano, że strumień wody ściskający się w kropelki jest analogią do ściskania elektromagnetycznego. Grawitacja przyspiesza swobodnie spadającą wodę, co powoduje zwężenie słupa wody. Następnie napięcie powierzchniowe rozbija zwężający się słup wody na kropelki (nie pokazane tutaj) (patrz niestabilność Plateau-Rayleigha ), co jest analogiczne do pola magnetycznego, które sugerowano jako przyczynę ściskania w piorunach. Morfologia (kształt) jest podobna do tak zwanej niestabilności kiełbasy w plazmie.

Relacja Bennetta

Rozważmy cylindryczną kolumnę w pełni zjonizowanej quasi-neutralnej plazmy, z osiowym polem elektrycznym, wytwarzającą osiową gęstość prądu j i związane z nią azymutalne pole magnetyczne B . Gdy prąd przepływa przez własne pole magnetyczne, powstaje skurcz o gęstości wewnętrznej siły promieniowej równej jx B . W stanie ustalonym z równoważeniem sił:

gdzie ∇ p to gradient ciśnienia magnetycznego, a p e i p i to odpowiednio ciśnienie elektronów i jonów. Następnie korzystając z równania Maxwella i prawa gazu doskonałego , wyprowadzamy:

(relacja Bennetta)

gdzie N to liczba elektronów na jednostkę długości wzdłuż osi, T e i T i to temperatury elektronów i jonów, I to całkowity prąd wiązki, a k to stała Boltzmanna .

Uogólniona relacja Bennetta

Uogólniona zależność Bennetta uwzględnia cylindryczny zacisk plazmowy przenoszący prąd, wyrównany do pola magnetycznego, który podlega rotacji z częstotliwością kątową ω

Uogólnione Bennett związek uznaje, że przewodzące prąd pola magnetycznego wyrównany cylindryczny osoczu przyciąć trakcie obracania przy kątowym Ohm częstotliwości. Wzdłuż osi cylindra plazmowego płynie prąd o gęstości j z , co daje w wyniku azymutalne pole magnetyczne Β φ . Oryginalnie wyprowadzona przez Witalisa, uogólniona relacja Bennetta skutkuje:

  • gdzie przenosząca prąd, zorientowana w polu magnetycznym cylindryczna plazma ma promień a ,
  • J 0 jest całkowitym momentem bezwładności względem osi z,
  • W kin to energia kinetyczna na jednostkę długości spowodowana ruchem wiązki poprzecznie do osi wiązki
  • W B z jest samoustaloną energią B z na jednostkę długości
  • W E z jest samospójną energią E z na jednostkę długości
  • W k to energia termokinetyczna na jednostkę długości
  • I ( a ) jest prądem osiowym wewnątrz promienia a ( r na schemacie)
  • N ( a ) to całkowita liczba cząstek na jednostkę długości
  • E r jest promieniowym polem elektrycznym
  • E φ to rotacyjne pole elektryczne

Dodatnie wyrazy w równaniu to siły rozprężne, podczas gdy wyrazy ujemne reprezentują siły ściskające belki.

Relacja Carlqvista

Relacja Carlqvista, opublikowana przez Pera Carlqvista w 1988 roku, jest specjalizacją uogólnionej relacji Bennetta (powyżej), w przypadku, gdy ciśnienie kinetyczne jest znacznie mniejsze na granicy zacisku niż w częściach wewnętrznych. Przybiera formę

i ma zastosowanie do wielu plazm kosmicznych.

Szczypta Bennetta pokazująca całkowity prąd (I) w funkcji liczby cząstek na jednostkę długości (N). Wykres ilustruje cztery fizycznie odrębne regiony. Temperatura w osoczu wynosi 20 K, średnia masa cząstek 3 x 10 -27 kg, a ΔW Bz jest nadmiar energii magnetycznej na jednostkę długości, w wyniku osiowego pola magnetycznego B, Z . Zakłada się, że plazma jest nieobrotowa, a ciśnienie kinetyczne na krawędziach jest znacznie mniejsze niż wewnątrz.

Zależność Carlqvista można zilustrować (patrz po prawej), pokazując całkowity prąd ( I ) w funkcji liczby cząstek na jednostkę długości ( N ) w skurczu Bennetta. Wykres ilustruje cztery fizycznie odrębne regiony. Temperatura plazmy jest dość niska ( T i = T e = T n = 20 K), zawierając głównie wodór o średniej masie cząstek 3× 10-27 kg. Energia termokinetyczna W k >> πa 2 p k (a). Krzywych ΔW Bz pokazują różne ilości nadmiaru energii magnetycznej na jednostkę długości, na skutek osiowego pola magnetycznego B, Z . Zakłada się, że plazma jest nieobrotowa, a ciśnienie kinetyczne na krawędziach jest znacznie mniejsze niż wewnątrz.

Regiony wykresów: (a) W lewym górnym regionie dominuje siła ściskająca. (b) W kierunku dna, zewnętrzne ciśnienia kinetyczne równoważą ciśnienie magnetyczne do wewnątrz, a całkowite ciśnienie jest stałe. (c) Na prawo od pionowej linii Δ W B z  = 0, ciśnienia magnetyczne równoważą ciśnienie grawitacyjne, a siła ściskania jest pomijalna. (d) Na lewo od nachylonej krzywej Δ W B z  = 0 siła grawitacji jest pomijalna. Zauważ, że wykres pokazuje szczególny przypadek relacji Carlqvista i jeśli zostanie zastąpiony przez bardziej ogólną relację Bennetta, to wyznaczone regiony wykresu nie będą ważne.

Carlqvist dalej zauważa, że ​​używając powyższych relacji i pochodnej, możliwe jest opisanie ściskania Bennetta, kryterium Jeansa (dla niestabilności grawitacyjnej, w jednym i dwóch wymiarach), bezsiłowych pól magnetycznych , grawitacyjnie zrównoważonych ciśnień magnetycznych i ciągłe przejścia między tymi stanami.

Odniesienia w kulturze

Fabularyzowanej urządzenie generujące szczypta użyto Oceana Eleven , w którym zostało użyte do zakłócenia sieci energetycznej Las Vegas za wystarczająco długi dla znaków, aby rozpocząć swój skok.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki