Физическая энциклопедия - пинч-эффект

(от англ, pinch -сужение, сжатие) (эффект самосжатия разряда), свойство электрич. токового канала в проводящей среде уменьшать своё сечение под действием собственного, порождаемого самим током, магнитного поля. Впервые это явление описано в 1934 амер. учёным У. X. Беннеттом применительно к потокам быстрых заряж. ч-ц в газоразрядной плазме. Термин «П.-э.» введён в 1937 амер. физиком Л. Тонксом при исследовании дугового разряда. Механизм П.-э. проще всего понять на примере заполненного проводящей средой длинного цилиндра, в к-ром параллельно его оси течёт ток J. Силовые линии магн. поля, создаваемого J, имеют вид концентрич. окружностей, плоскости к-рых перпендикулярны оси цилиндра. Электродинамич. сила, действующая на единицу объёма проводящей среды с плотностью тока 3, равна 1/c.(JB) в СГС системе единиц; сила направлена к оси цилиндра и стремится сжать среду. Это и есть П.-э. (Здесь В магнитная индукция в единичном объёме.) П.-э. можно рассматривать также как простое следствие Ампера закона о магн. притяжении отд. параллельных токовых нитей (элем. токовых трубок), совокупностью к-рых явл. токовый цилиндр. Магн. сжатию препятствует газокинетич. давление проводящей среды, обусловленное тепловым движением её ч-ц; силы этого давления направлены от оси токового канала.

Однако при достаточно большом токе перепад магн. 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 носителей зарядов одного знака электрич. поле пространственного заряда эффективно препятствует сжатию тока.

Прохождение достаточно больших токов через газ сопровождается его переходом в полностью ионизованную плазму, состоящую из заряж. ч-ц 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 св-вом мощных самосжимающихся разрядов 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(Те+Тi) становится равным магн. давлению поля тока J, описываются соотношением Беннетта: (1/8p)(2J/cr)2=nk(Те+Тi).

Здесь rрадиус пинча, Те и Ti электронная и ионная темп-ры, n число эл-нов в единице объёма (равное из условия квазинейтральности плазмы, числу ионов). Из ф-лы Беннетта следует, что для достижения миним. темп-ры (Т = 108 К), при к-рой термоядерный синтез может представлять интерес как источник энергии, требуется хотя и большой, но вполне достижимый ток =106 A.

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 собств.

электрич. сопротивления (джоулев нагрев), но и при т. н. адиабатическом (т. е. происходящем без обмена энергией с окружающей средой) сжатии. Однако в первых же экспериментах выяснилось, что П.-э. сопровождается развитием разл. плазменных неустойчивостей (см. ПЛАЗМА). Образовывались местные пережатая («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 пннчи подвержены практически всем видам неустойчивостей высокотемпературной плазмы и могут служить как для их изучения, так и для испытания разных способов стабилизации плазменного шнура.

Ток -106 А в установках с линейным пинчем получают при разряде на газовый промежуток конденсаторных батарей большой ёмкости. Скорости нарастания тока в отд. случаях достигают =1012 А/с. При этом наиболее существенным оказывается не джоулев нагрев, а электродпнамич. 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 электрич. сопротивление плазмы начинает давать её турбулентность, возникающая при развитии т. н. микронеустойчивостей. Для мощных импульсных пинчей в разреженном 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 магн. полей (токамаки, q-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 (1983) существ. место в нац. и межнац. программах решения проблемы УТС (СССР, США, Европейское сообщество но ат. 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. .