Pinch (fyzika plazmy) - Pinch (plasma physics)

Pinch jevy
Bleskové výbojové šrouby zobrazující elektromagneticky přiskřípnutá plazmová vlákna
Studie pinčů z roku 1905, kde byl k vytvoření Z-pinče uvnitř kovové trubice použit elektrický blesk.
Proudem poháněný toroidní Z-pinch v kryptonové plazmě

Pinch (nebo: Bennett pinch (po Willard Harrison Bennett ), elektromagnetické špetka , magnetické špetka , špetka účinek , nebo plazma pinch ). Je komprese z elektricky vodivého vlákna od magnetických sil, nebo zařízení, které dělá takové. Vodič je obvykle plazma , ale může to být také pevný nebo tekutý kov . Pinches byly prvním typem zařízení používaného pro experimenty s řízenou jadernou fúzní energií .

Kleště se přirozeně vyskytují v elektrických výbojích, jako jsou blesky , planetární polární záře , proudové pláty a sluneční erupce .

Základní mechanismus

Toto je základní vysvětlení toho, jak špetka funguje. (1) Pinches aplikuje na trubku vysoké napětí a proud. Tato trubice je naplněna plynem, obvykle fúzním palivem, jako je deuterium. Pokud je součin napětí a náboje vyšší než ionizační energie plynu, plyn ionizuje. (2) Aktuální skoky přes tuto mezeru. (3) Proud vytváří magnetické pole, které je kolmé na proud. Toto magnetické pole táhne materiál k sobě. (4) Tyto atomy se mohou dostat dostatečně blízko k fúzi.

Typy

Příklad uměle vytvořené špetky. Zde Z-pinches omezují plazmu uvnitř vláken elektrického výboje z Tesla cívky
Koncept MagLIF, kombinace Z-pinch a laserového paprsku

Pinchy existují v přírodě a v laboratořích. Kleště se liší svou geometrií a provozními silami. Tyto zahrnují:

  • Nekontrolovaný - Kdykoli se elektrický proud pohybuje ve velkých množstvích (např. Blesky, oblouky, jiskry, výboje), magnetická síla může přitáhnout plazmu k sobě. To může být pro fúzi nedostačující.
  • Štípnutí listu - Astrofyzický efekt, který vzniká z obrovských archů nabitých částic.
  • Z-pinch -Proud teče po ose nebo stěnách válce, zatímco magnetické pole je azimutální
  • Theta pinch - Magnetické pole probíhá po ose válce, zatímco elektrické pole je v azimutálním směru (také se nazývá thetatron)
  • Šroub sevření -kombinace Z-pinch a theta pinch (také nazývaný stabilizovaný Z-pinch nebo θ-Z pinch)
  • Reverzní pole pinch nebo toroidální pinch -Jedná se o Z-pinch uspořádané ve tvaru torusu . Plazma má vnitřní magnetické pole. Jak se vzdálenost zvyšuje od středu tohoto prstence, magnetické pole mění směr.
  • Inverzní špetka - Koncept rané fúze, toto zařízení sestávalo z tyče obklopené plazmou. Proud procházel plazmou a vracel se podél středové tyče. Tato geometrie se mírně lišila od z-pinch v tom, že vodič byl ve středu, ne po stranách.
  • Válcová špetka
  • Ortogonální špetkový efekt
  • Ware pinch - Pinch, který se vyskytuje uvnitř plazmy Tokamak, když částice uvnitř oběžné dráhy Banana společně kondenzují.
  • Magnetized Liner Inertial Fusion (MagLIF)-Z-špetka předehřátého, předmagnetizovaného paliva uvnitř kovové vložky, což by mohlo vést k zapálení a praktické fúzní energii s větším ovladačem pulzního výkonu.

Běžné chování

Štípnutí může být nestabilní . Vyzařují energii v celém elektromagnetického spektra , včetně rádiových vln , mikrovlny , infračervené , rentgenové záření , gama záření , synchrotronové záření a viditelné světlo . Produkují také neutrony jako produkt fúze.

Aplikace a zařízení

Pinch se používá ke generování rentgenových paprsků a generovaná intenzivní magnetická pole se používají při elektromagnetickém tváření kovů. Mají také aplikace v svazcích částic, včetně zbraní s částicovým paprskem , astrofyzikálních studií a bylo navrženo použít je ve vesmírném pohonu. Pro studium fúzní energie byla postavena řada velkých štípacích strojů ; zde je několik:

Drtící plechovky se štípacím efektem

Štípaná hliníková plechovka, vyráběná pulzním magnetickým polem vytvořeným rychlým vybíjením 2 kilojoulů z vysokonapěťové kondenzátorové banky do 3otáčkové cívky těžkého vodiče.

Mnoho nadšenců vysokonapěťové elektroniky vyrábí vlastní surová elektromagnetická tvářecí zařízení. Využívají techniky pulzní síly k výrobě theta pinče schopné rozdrtit hliníkovou plechovku nealkoholického nápoje pomocí Lorentzových sil vytvořených, když jsou silné proudy v plechovce indukovány silným magnetickým polem primární cívky.

Elektromagnetický drtič hliníkových plechovek se skládá ze čtyř hlavních součástí: vysokonapěťový stejnosměrný napájecí zdroj , který poskytuje zdroj elektrické energie , velký kondenzátor pro vybíjení elektrické energie, vysokonapěťový spínač nebo jiskřiště a robustní cívka ( schopné přežít vysoký magnetický tlak), jehož prostřednictvím může být uložená elektrická energie rychle vybita, aby se vytvořilo odpovídajícím způsobem silné svírací magnetické pole (viz diagram níže).

Elektromagnetická špetka „může drtit“: schematický diagram

V praxi je takové zařízení poněkud sofistikovanější, než naznačuje schematický diagram, včetně elektrických součástek, které řídí proud, aby se maximalizovalo výsledné sevření a aby se zajistilo, že zařízení funguje bezpečně. Další podrobnosti najdete v poznámkách.

Dějiny

Znak Ústavu elektrotechnických a elektronických inženýrů ukazuje základní rysy azimutální magnetické špetky.

K prvnímu vytvoření Z-pinče v laboratoři mohlo dojít v roce 1790 v Holandsku, kdy Martinus van Marum vytvořil výbuch vypuštěním 100 sklenic Leyden do drátu. Tento jev byl pochopen až v roce 1905, kdy Pollock a Barraclough zkoumali stlačenou a zkreslenou délku měděné trubice z hromosvodu poté, co byl zasažen bleskem. Jejich analýza ukázala, že síly způsobené interakcí velkého proudu proudu s vlastním magnetickým polem mohly způsobit kompresi a zkreslení. Podobnou, a zdánlivě nezávislou, teoretickou analýzu efektu sevření v tekutých kovech publikoval Northrupp v roce 1907. Dalším významným vývojem byla publikace v roce 1934 o analýze rovnováhy radiálního tlaku ve statickém Z-pinch od Bennetta (viz. podrobnosti naleznete v následující části).

Poté byl experimentální a teoretický pokrok v pinchech řízen výzkumem fúzní energie . Ve svém článku o "wire-array Z-pinče: výkonný zdroje rentgenového pro ICF ", MG Haines et al. , napsal na „Ranou historii Z-pinčů“.

V roce 1946 Thompson a Blackman předložili patent na fúzní reaktor založený na toroidním Z-pinch s přídavným vertikálním magnetickým polem. Ale v roce 1954 Kruskal a Schwarzschild publikovali svou teorii nestabilit MHD v Z-pinch. V roce 1956 měl Kurchatov slavnou Harwellovu přednášku ukazující netermální neutrony a přítomnost nestabilit m = 0 a m = 1 v deuteriovém sevření. V roce 1957 Pease a Braginskii nezávisle předpovídaly radiační kolaps v Z-pinch pod tlakovou bilancí, když ve vodíku proud překročil 1,4 MA. (Viskózní než odporový rozptyl magnetické energie diskutovaný výše a v by však zabránil radiačnímu kolapsu).

V roce 1958 byl proveden první experiment s termonukleární fúzí na světě s použitím zařízení theta-pinch s názvem Scylla I v Los Alamos National Laboratory . Válec plný deuteria byl přeměněn na plazmu a stlačen na 15 milionů stupňů Celsia pod efektem theta-pinch. A konečně, na Imperial College v roce 1960, vedené R Lathamem, byla prokázána nestabilita Plateau-Rayleigh a její rychlost růstu měřena dynamickým Z-pinčem.

Rovnovážná analýza

Jedna dimenze

V plazmové fyzice se běžně studují tři geometrie špetky: θ-pinch, Z-pinch a pinch pin. Ty mají válcovitý tvar. Válec je symetrický v axiálním ( z ) směru a azimutálním (θ) směru. Jednorozměrné špetky jsou pojmenovány podle směru, kterým proud prochází.

Θ-špetka

Náčrt rovnováhy θ-pinch. The   magnetické pole směrované z odpovídá a   Plazmový proud směrovaný θ.

Θ-pinch má magnetické pole namířené ve směru z a velký diamagnetický proud směrovaný ve směru θ. Použití Ampèrova zákona (zahození termínu přemístění)

Protože B je pouze funkcí r, můžeme to zjednodušit

J tedy ukazuje ve směru θ.

Rovnovážná podmínka ( ) pro θ-pinch tedy zní:

θ-pinče bývají odolné vůči nestabilitě plazmy; To je částečně způsobeno Alfvénovou větou (také známou jako teorém zmrazeného toku).

Z-pinch

Náčrt rovnováhy Z-pinch. A  Magnetické pole směrované θ odpovídá a   plazmový proud z.

Kleště Z má magnetické pole ve směru θ a proud J proudící ve směru z . Opět, elektrostatickým Ampèrovým zákonem,

Rovnovážná podmínka pro Z-pinch zní:

Protože částice v plazmě v zásadě sledují magnetické siločáry, svírají je Z-pinče v kruzích. Proto mívají vynikající vlastnosti uvěznění.

Štípnutí šroubu

Šroub sevření je snahou spojit aspekty stability θ-špetky a omezující aspekty Z-pinče. Ještě jednou s odkazem na Ampérův zákon,

Ale tentokrát je B pole má složku t Vstup a na Z složku

Tentokrát tedy J má složku ve směru z a složku ve směru θ.

Nakonec rovnovážná podmínka ( ) pro špetku šroubu zní:

Šroub sevře pomocí kolizních optických vírů

Šroub špetka může být produkován v laserového plazmatu při srážkách optických vírů trvání ultrakrátkých. Za tímto účelem by optické víry měly být fázově konjugovány. Distribuce magnetického pole je zde opět dána Ampèrovým zákonem:

Dva rozměry

Toroidní souřadnicový systém v běžném používání v oblasti fyziky plazmatu.
  Červená šipka označuje poloidální směr (θ)
  Modrá šipka označuje toroidální směr (φ)

Běžným problémem jednorozměrných pinčů jsou konečné ztráty. Většina pohybu částic probíhá podél magnetického pole. Pomocí θ-pinch a šroub-pinch to velmi rychle vede částice z konce stroje, což vede ke ztrátě hmotnosti a energie. Spolu s tímto problémem má Z-pinch velké problémy se stabilitou. Ačkoli se částice mohou do určité míry odrážet pomocí magnetických zrcadel , i tyto umožňují průchod mnoha částic. Běžným způsobem, jak porazit tyto konečné ztráty, je ohnout válec do torusu. Bohužel to narušuje symetrii θ, protože cesty na vnitřní části (vnitřní straně) torusu jsou kratší než podobné cesty na vnější části (vnější straně). Je tedy zapotřebí nová teorie. Z toho vychází slavná rovnice Grad – Shafranov . Numerická řešení rovnice Grad – Shafranov také přinesla určité rovnováhy, zejména rovnováhy sevřeného pole .

Tři rozměry

Od roku 2015 neexistuje soudržná analytická teorie pro trojrozměrné rovnováhy. Obecným přístupem k hledání takových rovnováh je řešení vakuových ideálních rovnic MHD. Numerická řešení přinesla návrhy pro stellaratory . Některé stroje využívají výhod zjednodušovacích technik, jako je například šroubovicová symetrie (například Helically Symmetric eXperiment University of Wisconsin). Pro libovolnou trojrozměrnou konfiguraci však existuje rovnovážný vztah, podobný vztahu 1-D konfigurací:

Kde κ je vektor zakřivení definovaný jako:

s b jednotkový vektor tangenty k B .

Formální léčba

Proud vody skřípající do kapiček byl navržen jako analogie k elektromagnetickému štípnutí. Gravitace zrychluje volně padající vodu, což způsobuje zúžení vodního sloupce. Poté povrchové napětí rozbije zužující se vodní sloupec na kapičky (zde není znázorněno) (viz Plateau-Rayleighova nestabilita ), což je analogické magnetickému poli, které bylo navrženo jako příčina sevření v kuličkových blescích. Morfologie (tvar) je podobná takzvané nestálosti klobás v plazmě.

Bennettův vztah

Uvažujme válcový sloupec plně ionizované quasineutral plazma, s axiálním elektrického pole, produkující axiální hustota proudu, j , a související azimutální magnetické pole, B . Jak proud prochází svým vlastním magnetickým polem, špetka je generován s dovnitř radiální hustoty síly z Jx B . V ustáleném stavu s vyvažováním sil:

kde ∇ p je gradient magnetického tlaku a p e a p i jsou elektronové a iontové tlaky. Poté pomocí Maxwellovy rovnice a zákona ideálního plynu odvodíme:

(Bennettův vztah)

kde N je počet elektronů na jednotku délky podél osy, T e a T i jsou teploty elektronů a iontů, I je celkový proud paprsku a k je Boltzmannova konstanta .

Zobecněný Bennettův vztah

Zobecněný Bennettův vztah uvažuje s válcovou plazmovou pinzetou uspořádanou v magnetickém poli, nesoucí proud, procházející rotací na úhlové frekvenci ω

Zobecněné Bennett vztah považuje za proud-nesoucí magnetického pole zarovnán válcové plazma špetka prochází otáčení na úhlovou frekvencí co. Podél osy plazmového válce protéká proudová hustota j z , což má za následek azimutální magnetické pole Β φ . Zobecněný Bennettův vztah, původně odvozený společností Witalis, má za následek:

  • kde válcová plazma s magnetickým polem, nesoucí proud, má poloměr a ,
  • J 0 je celkový moment setrvačnosti vzhledem k ose z,
  • W ⊥kin je kinetická energie na jednotku délky v důsledku pohybu paprsku příčně k ose paprsku
  • W B z je soběstačná energie B z na jednotku délky
  • W E z je soběstačná energie E z na jednotku délky
  • W k je termokinetická energie na jednotku délky
  • I ( a ) je axiální proud uvnitř poloměru a ( r v diagramu)
  • N ( a ) je celkový počet částic na jednotku délky
  • E r je radiální elektrické pole
  • E φ je rotační elektrické pole

Kladné členy v rovnici jsou expanzní síly, zatímco záporné členy představují tlakové síly paprsku.

Vztah Carlqvist

Vztah Carlqvist, vydaný nakladatelstvím Per Carlqvist v roce 1988, je specializací zobecněného Bennettova vztahu (výše) pro případ, že kinetický tlak je na hranici špetky mnohem menší než ve vnitřních částech. Má to formu

a je použitelný pro mnoho vesmírných plazmatů.

Pinch Bennetta ukazující celkový proud (I) versus počet částic na jednotku délky (N). Graf ukazuje čtyři fyzicky odlišné oblasti. Teplota plazmy je 20 K, částic hmoty 3 x 10 -27 kg a Dw Bz je přebytek magnetická energie na jednotku délky v důsledku axiálního magnetického pole B Z . Předpokládá se, že plazma není rotační a kinetický tlak na okrajích je mnohem menší než uvnitř.

Carlqvistův vztah lze ilustrovat (viz vpravo), ukazující celkový proud ( I ) versus počet částic na jednotku délky ( N ) v Bennettově špetce. Graf ukazuje čtyři fyzicky odlišné oblasti. Teplota plazmy je poměrně chladná ( T i = T e = T n = 20 K) a obsahuje hlavně vodík se střední hmotností částic 3 × 10-27 kg. Termokinetická energie W k >> πa 2 p k (a). Křivky ΔW Bz ukazují různá množství přebytečné magnetické energie na jednotku délky v důsledku axiálního magnetického pole B z . Předpokládá se, že plazma není rotační a kinetický tlak na okrajích je mnohem menší než uvnitř.

Oblasti grafu: (a) V levé horní části dominuje svírací síla. (b) Směrem dolů kinetické tlaky vyvažují magnetický tlak dovnitř a celkový tlak je konstantní. (c) Vpravo od svislé čáry Δ W B z  = 0 magnetické tlaky vyrovnávají gravitační tlak a svírací síla je zanedbatelná. (d) Vlevo od šikmé křivky Δ W B z  = 0 je gravitační síla zanedbatelná. Všimněte si toho, že graf ukazuje zvláštní případ Carlqvistova vztahu, a pokud je nahrazen obecnějším Bennettovým vztahem, pak určené oblasti grafu nejsou platné.

Carlqvist dále poznamenává, že pomocí výše uvedených vztahů a derivátu je možné popsat Bennettovu špetku, Jeansovo kritérium (pro gravitační nestabilitu v jedné a dvou dimenzích), magnetická pole bez síly , gravitačně vyvážené magnetické tlaky a spojité přechody mezi těmito stavy.

Reference v kultuře

V Ocean's Eleven bylo použito beletrizované zařízení generující špetku , kde bylo použito k narušení energetické sítě Las Vegas jen tak dlouho, aby postavy začaly svou loupež.

Viz také

Reference

externí odkazy