ПИНЧ-ЭФФЕКТ
(от англ. pinch -сужение,
сжатие), эффект самостягивания разряда, свойство электрич. токового канала
в сжимаемой проводящей среде уменьшать своё сечение под действием собственного,
порождаемого самим током, магнитного поля. Впервые это явление описано
в 1934 амер. учёным У. Беннетом применительно к потокам быстрых заряженных
частиц в газоразрядной
плазме. Термин "П.-э." введён в 1937 англ.
физиком Л. Тонксом при исследовании дугового разряда.
Механизм П.-э. проще всего понять на примере
тока I, текущего вдоль оси цилиндра, заполненного проводящей средой. Силовые
линии магнитного поля, создаваемого I, имеют вид концентрических окружностей,
плоскости к-рых перпендикулярны оси цилиндра. Электродинамическая сила,
действующая на единицу объёма 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; B - магнитная индукция в рассматриваемом единичном
объёме.) П.-э. можно считать также простым следствием Ампера закона
о
магнитном притяжении отд. параллельных токовых нитей (элементарных токовых
трубок), совокупностью к-рых является токовый цилиндр. Магнитному сжатию
препятствует газокинетич. давление проводящей среды, обусловленное тепловым
движением её частиц; силы этого давления направлены от оси токового канала.
Однако при достаточно большом токе перепад магнитного 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 электрич. 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 к-рой происходит разряд.
Т. о. создаются условия для магнитной термоизоляции плазмы. Этим свойством
мощных самосжимающихся разрядов (их наз. пинчами) 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(Te + Тi) становится равным магнитному давлению поля тока
I, описываются соотношением Беннета: (2I/cr)2/8Пи
= nk(Te + Тi). Здесь n - число частиц в единице объёма, r
- радиус пинча; Тe a Тi - электронная и ионная темп-ры, соответственно;
n - число электронов в единице объёма (равное из условия квазинейтральности
плазмы числу ионов); k - Больцмана постоянная. Из формулы Беннета
следует, что для достижения минимальной темп-ры (Т108К), при
к-рой 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 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 собственного
электрич. сопротивления (джоулев нагрев), но и при т. н. 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 ведёт 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 106а
в
установках с линейным пинчём 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 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 электрическое сопротивление плазмы начинает
давать её турбулентность, возникающая при развитии т. н. микронеустойчивостей
(см. Плазма).
Для мощных импульсных пинчей в разрежённом
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 магнитных полей ("Токамаки", о-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 (1975) существ. место в нац. и межнац. программах
решения проблемы УТС (СССР, США, Европейское сообщество по атомной 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.
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., В гора ль Б., Взаимодействие
волн в плазме твёрдого тела, пер. с англ., М., 1973.
Т. И. Филиппова, Н. В. Филиппов.
А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я