нижнее белье для полных
მედიცინის კვლევები

   Велика Радянська Енциклопедія

Магнітні пастки

   
 

Магнітні пастки, конфігурації магнітного поля , здатні тривалий час утримувати заряджені частинки всередині певного обсягу простору. М. л. природного походження є магнітне поле Землі; величезне число захоплених і утримуваних їм космічних заряджених часток високих енергій (електронів і протонів) утворює радіаційні пояси Землі за межами її атмосфери В лабораторних умовах М. л. різних видів досліджують головним чином стосовно до проблеми утримання суміші великого числа позитивно і негативно заряджених частинок - плазми . Вдосконалення М. л. для плазми направлено на здійснення з їх допомогою керованої термоядерної реакції , в якій ядерна енергія легких елементів вивільняється не у вигляді потужного вибуху, а порівняно повільно, в ході контрольованого і регульованого людиною процесу (див. Керований термоядерний синтез ).

Для того щоб бути М. л., магнітне поле повинне задовольняти певним умовам. Відомо, що воно діє тільки на рухомі заряджені частинки. Швидкість частинки v в будь-якій точці завжди можна представити у вигляді геометричної суми двох складових - v^, перпендикулярної до напруженості Н магнітного поля в цій точці, і v | | , збігається за напрямком з Н. Сила F впливу поля на частку, так звана Лоренца сила , визначається тільки v^ і не залежить від v | | . В СГС системі одиниць F по абсолютній величині дорівнює v^ H, де c - швидкість світла, е - заряд частинки. Сила Лоренца завжди спрямована під прямим кутом як до v^, так і до v | | і не змінює абсолютних величини швидкості частки, проте міняє напрям цій швидкості, викривляючи траєкторію частинки. Найбільш простим є рух частки в однорідному магнітному полі (Н всюди однакова по величині і напряму). Якщо швидкість частки направлена ??впоперек такого поля (v = v^), то її траєкторією буде коло радіуса R ( рис. 1 , а) . Сила Лоренца в цьому випадку відіграє роль центростремительной сили (рівний mv 2^ / R, m - маса частки), що дає можливість висловити R через v^ и Н : R = v^ / w н, де wн = eH / mc. Окружність, по якій рухається заряджена частинка в однорідному магнітному полі, називається ларморовской окружністю, її радіус - ларморовскім радіусом (Rл), а wн - ларморовской частотою. Якщо швидкість частки направлена ??до поля під кутом, відмінним від прямого, то, окрім v^, частинка володіє і v | | . ларморовской обертання при цьому збережеться, але до нього додасться рівномірний рух уздовж магнітного поля, так що результуюча траєкторія буде гвинтовою лінією ( рис. 1 , б).

Розгляд навіть цього найпростішого випадку однорідного поля дозволяє сформулювати одну з вимог до М. л.: її розміри повинні бути великі в порівнянні з Rл, інакше частинка вийде за межі пастки. Так як Rл убуває із зростанням Н, то задовольнити цій умові можна не тільки збільшенням розмірів М. л., але і збільшенням напруженості магнітного поля. При експериментах в лабораторіях йдуть по другому шляху, в той час як в природних умовах, не стиснутих людськими масштабами, частіше виникають М. л. з протяжними, але порівняно слабкими полями (наприклад, радіаційний пояс Землі).

Далі, малість Rл забезпечує обмеження руху частки в напрямку поперек поля, але його необхідно обмежити і у напрямі уздовж силових ліній поля. Залежно від методу обмеження розрізняють два типи М. л.: тороїдальні і дзеркальні (адіабатичні).

Тороїдальні М. л. Один із способів запобігання відходу частинок з М. л. вздовж напрямку поля полягає в доданні пастці конфігурації, при якій у обсягу, займаного нею, взагалі немає "кінців"; такою конфігурацією є, наприклад, тор . Пастка цього типу була першою М. л., запропонованої І. Є. Таммом і А. Д. Сахаровим в 1950 у зв'язку з проблемою здійснення керованої термоядерної реакції. Найпростішим прикладом М. л. цього типу є тороїдальний соленоїд ( рис. 2 , а) . Проте в пастці з настільки простий геометрією поля частки утримуються не дуже довго: за кожен зворот довкола тора частка відхиляється на невелику відстань впоперек поля (так званий тороїдальний дрейф). Ці зміщення накопичуються, і врешті-решт частки потрапляють на стінки М. л. Для компенсації тороїдального дрейфу можна зробити поле неоднорідним уподовж М. л., Як би "прогофріровав" його ( рис. 2 , б) . Але більш зручно створити конфігурацію, при якій силові лінії магнітного поля гвинтоподібно навиваються на замкнуті поверхні, причому ці поверхні вкладені одна в іншу. Наприклад, якщо всередині тороїдального соленоїда помістити провідник із струмом, що проходить по його середньої лінії ( рис. 2 , в) , то силові лінії поля будуть навивається на тороїдальні поверхні. Частки з малим Rл будуть не дуже сильно відхилятися від цих поверхонь. Аналогічні зміни можна створити за допомогою зовнішніх обмоток, наприклад, як запропоновано американським ученим Л. Спіцер в 1951, додаючи до обмотки тора (рис. 2, а) гвинтову обмотку з поперемінно направленими струмами. Ще один спосіб полягає в скручуванні тора у фігуру типу "вісімки" ( рис. 2 , г) . Можна також використовувати складніші конфігурації, комбінуючи різні елементи "гофрованих" і гвинтових полів.

Дзеркальні М. л. Інший метод утримання часток в М. л. в поздовжньому (по полю) напрямі був запропонований в 1952 сов. фізиком Г. І. Будкером і незалежно від нього американськими вченими Р. Постом і Х. Йорком. Він полягає у використанні магнітних пробок, або магнітних дзеркал, - областей, в яких напруженість магнітного поля сильно (але плавно) зростає. Такі області можуть відображати "падаючі" на них уздовж силових ліній поля заряджені частинки. На малюнку 3 зображена траєкторія частки в неоднорідному магнітному полі, напруженість якого змінюється уздовж його силових ліній. Ефект відображення обумовлений тим, що при просуванні частки в область більш сильного поля за деяких умов її поперечна швидкість v^, зростає і збільшується пов'язана з цією швидкістю "поперечна енергія" частки mv ^2. Але повна енергія зарядженої частинки Е = mv | | 2 + mv ^2 при русі в магнітному полі не змінюється, так як сила Лоренца, будучи перпендикулярна швидкості, роботи не виробляє. Тому одночасно із збільшенням v^, зменшується v | | . В якійсь точці v | | може стати рівною нулю. У цій точці і відбувається відображення частки від "магнітного дзеркала". Подібний механізм "перекачування" енергії, пов'язаної з v | | , в енергію, пов'язану з v^ (і навпаки), діє тільки в тому випадку, якщо магнітне поле за один період гвинтового руху частки міняється відносно мало. Процеси, що відбуваються при порівняно повільному зміні зовнішніх умов, називаються адіабатичними. Відповідно, так називають і М. л. з "магнітними дзеркалами". Найпростіша дзеркальна (адіабатична) М. л. створюється двома однаковими коаксіальними котушками, в яких струм протікає в однаковому напрямі ( рис. 4 ). "Магнітними дзеркалами" в ній є області найбільш сильного поля усередині котушок.

Адіабатичні М. л. утримують не всі частки: якщо v | | досить велика порівняно з v^, то частки вилітають за межі "магнітних дзеркал". Максимальне відношення v | | / v ^, при якому віддзеркалення ще відбувається, тим більше, чим вище так зване "дзеркальне відношення "найбільшої напруженості магнітного поля в" дзеркалах "до поля в центральній частині М. л. (Між "дзеркалами"). Наприклад, магнітне поле Землі убуває пропорційно кубу видалення від її центру. Відповідно, при наближенні зарядженої частки до Землі уздовж силової лінії, що йде в площині екватора досить далеко від Землі, магнітне поле зростає дуже сильно. "Дзеркальне відношення" в цьому випадку велике; максимальне відношення v | | / v ^ також велике (частка вилітають з М. л. частинок мала).

М. л. для плазми. Якщо заповнювати М. л. частинками одного виду (наприклад, електронами), то в міру накопичення цих частинок збільшується створюване ними електричне поле. Сила електростатичного відштовхування однойменних зарядів зростає, і ефективність пастки падає. Тому заповнити М. л. з досить великою щільністю можна тільки сумішшю частинок різних зарядів (наприклад, електронів і протонів), узятих в такому співвідношенні, щоб їх загальний електричний заряд був близький до нуля. Така суміш заряджених частинок називається плазмою .

Коли електричне поле в плазмі настільки мало, що можна знехтувати його впливом на рух частинок, механізми їх утримання в пастці не відрізняються від розглянутих стосовно окремих часткам. Тому в М. л. для плазми повинні бути виконані всі сформульовані вище умови. Але, крім того, до таких М. л. пред'являються додаткові вимоги, пов'язані з необхідністю стабілізації так званих плазмових нестійкостей - мимовільно виникають і різко наростаючих відхилень електричного поля і щільності часток в плазмі від їх середніх значень. Найпростіша нестійкість, що отримала назву жолобкової, обумовлена ?? діамагнетизмом плазми, внаслідок якого плазма виштовхується з областей сильнішого магнітного поля. Відбувається наступний процес: спочатку поверхню плазми стає хвилястою - утворюються довгі жолобки, спрямовані уздовж силових ліній поля (звідси назва нестійкості); потім ці жолобки збільшуються і плазма розпадається на отд. трубочки, рухомі до бічних кордонів об'єму, займаного М. л. Наприклад, в простій дзеркальної М. л. ( Рис. 4 ), в якій поле убуває в напрямку, перпендикулярному загальній осі котушок, плазма може бути викинута в цьому напрямку. Жолобкова нестійкість, як вперше показали в 1961 радянські фізики (М. С. Іоффе та інші), можна стабілізувати за допомогою додаткових провідників із струмом, встановлюваних уздовж М. л. по її периферії. При цьому напруженість магнітного поля досягає мінімуму на деякій відстані від осі М. л., А на видаленнях від осі, що перевищують це відстань, Н знову зростає. У тороїдальних М. л. також може виникнути жолобкова нестійкість; її стабілізують, створюючи конфігурацію з середнім (по силовій лінії) мінімумом магнітного поля. Прикладом таких М. л. є установки типу токамак, досліджувані колективом радянських фізиків, очолювався до 1973 Л. А. Арцимовичем, а також у багатьох зарубіжних лабораторіях. Назва "токамак" являє собою скорочення повного найменування подібних пристроїв - "тороїдальна камера з аксіальним (направленим по осі) магнітним полем". У токамаках тороїдальне магнітне поле створюється соленоїдом типу зображеного на малюнку 2, а , по плазмі, укладеної всередині тора, пропускається сильний подовжній струм, магнітне поле якого, складаючись з тороїдальним, утворює магнітні поверхні, близькі до описаних для малюнка 2, б. На цих установках стабілізовані не тільки жолобкова, але і багато інших видів нестійкості і досягнуте порівняно тривале стійке утримання високотемпературної плазми (соті частки сек при температурі в десятки мільйонів градусів ). У М. л., Називаються стелараторах, конфігурації магнітного поля, при яких силові лінії навиваються на тороїдальні поверхні (наприклад, скручені в "вісімку", рис. 2 , г) , на відміну від токамаков, створюються лише зовнішніми обмотками. Різні модифікації стелараторів також інтенсивно досліджуються в цілях використання їх для утримання гарячої плазми.

Існують і інші механізми стабілізації жолобкової нестійкості. Наприклад, в радіаційних поясах Землі вона стабілізується за рахунок електричного контакту плазми з іоносферою : заряджені частинки іоносфери можуть компенсувати електричні поля, що виникають в радіаційних поясах. Боротьба з жолобкової та іншими видами нестійкості плазми становить одну з основних завдань лабораторних досліджень М. л.

Літ.: Арцимович Л. А., Елементарна фізика плазми, М., 1966; Роуз Д. - Дж., Кларк М., фізика плазми і керовані термоядерні реакції, переклад з англійської, М., 1963.

© Б. Б. Кадомцев.





Виберіть першу букву в назві статті:

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 ы э ю я

Повний політерний каталог статей


 

Алфавітний каталог статей

  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 ы э ю я
 


 
енциклопедія  біляші  морс  шашлик  качка