Pinch (fyzika plazmy) - Pinch (plasma physics)
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
Typy
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:
- MAGPIE Z-pinch na Imperial College. Tím se přes vodič odebírá velké množství proudu. Za těchto podmínek se z drátu stane plazma a stlačí se a vytvoří fúzi.
- Z Pulsed Power Facility ve společnosti Sandia National Laboratories.
- Zařízení ZETA v Culhamu v Anglii
- Madison Symmetric Torus na University of Wisconsin, Madison
- Experiment s obráceným polem v Itálii.
- husté plazmové zaměření v New Jersey
- University of Nevada, Reno (USA)
- Cornell University (USA)
- University of Michigan (USA)
- Kalifornská univerzita, San Diego (USA)
- University of Washington (USA)
- Ruhr University (Německo)
- École Polytechnique (Francie)
- Weizmann Institute of Science (Izrael)
- Universidad Autónoma Metropolitana (Mexiko).
Drtící plechovky se štípacím efektem
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).
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
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
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
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
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
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
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.
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
- Fúzní síla
- Madison Symmetric Torus (špetka obráceného pole)
- Výbušně čerpaný generátor komprese toku
- Magneformování
- Seznam článků o plazmě (fyzika)