|
|
Большая Советская Энциклопедия (цитаты)
|
|
|
|
|
Магнитные ловушки | ловушки (далее М) конфигурации магнитного поля, способные длительное время удерживать заряженные частицы внутри определенного объема пространства. М природного происхождения является поле Земли; огромное число захваченных и удерживаемых им космических заряженных частиц высоких энергий (электронов и протонов) образует радиационные пояса Земли за пределами ее атмосферы В лабораторных условиях М различных видов исследуют главным образом применительно к проблеме удержания смеси большого числа положительно и отрицательно заряженных частиц - плазмы. Совершенствование М для плазмы направлено на осуществление с их помощью управляемой термоядерной реакции, в которой ядерная энергия легких элементов высвобождается не в виде мощного взрыва, а сравнительно медленно, в ходе контролируемого и регулируемого человеком процесса (см. Управляемый термоядерный синтез).
Для того чтобы быть М, поле должно удовлетворять определенным условиям. Известно, что оно действует только на движущиеся заряженные частицы. Скорость частицы v в любой точке всегда можно представить в виде геометрической суммы двух составляющих - v^, перпендикулярной к напряженности Н поля в этой точке, и v||, совпадающей по направлению с Н. Сила воздействия поля на частицу, так называемая Лоренца сила, определяется только v^ и не зависит от v||. В СГС системе единиц по абсолютной величине равна  v^, где c - скорость света, е - заряд частицы. Сила Лоренца всегда направлена под прямым углом как к v^, так и к v|| и не изменяет абсолютных величины скорости частицы, однако меняет направление этой скорости, искривляя траекторию частицы. Наиболее простым является движение частицы в однородном поле (Н повсюду одинакова по величине и направлению). Если скорость частицы направлена поперек такого поля (v = v^), то ее траекторией будет окружность радиуса R (рис. 1, а). Сила Лоренца в этом случае играет роль центростремительной силы (равной mv2^ / R, m - масса частицы), что дает возможность выразить R через v^ и Н : R = v^ / wн, где wн = eH / mc. Окружность, по которой движется заряженная частица в однородном поле, называется ларморовской окружностью, ее радиус - ларморовским радиусом (Rл), а wн - ларморовской частотой. Если скорость частицы направлена к полю под углом, отличающимся от прямого, то, кроме v^, частица обладает и v||. Ларморовское вращение при этом сохранится, но к нему добавится равномерное движение вдоль поля, так что результирующая траектория будет винтовой линией (рис. 1, б).
Рассмотрение даже этого простейшего случая однородного поля позволяет сформулировать одно из требований к М: ее размеры должны быть велики по сравнению с Rл, иначе частица выйдет за пределыМ. Так как Rл убывает с возрастанием Н, то удовлетворить этому условию можно не только увеличением размеров М, но и увеличением напряженности поля. При экспериментах в лабораториях идут по второму пути, в то время как в природных условиях, не стесненных человеческими масштабами, чаще возникают М с протяженными, но сравнительно слабыми полями (например, радиационный пояс Земли).
Далее, малость Rл обеспечивает ограничение движения частицы в направлении поперек поля, но его необходимо ограничить и в направлении вдоль силовых линий поля. В зависимости от метода ограничения различают два типа М: тороидальные и зеркальные (адиабатические).
Тороидальные М Один из способов предотвращения ухода частиц из М вдоль направления поля состоит в придании ловушке конфигурации, при которой у объема, занимаемого ею, вообще нет "концов"; такой конфигурацией является, например, тор. Ловушка этого типа была первой М, предложенной И. Е. Таммом и А. Д. в 1950 в связи с проблемой осуществления управляемой термоядерной реакции. Простейшим примером М этого типа является тороидальный соленоид (рис. 2, а). Однако в ловушке со столь простой геометрией поля частицы удерживаются не очень долго: за каждый оборот вокруг тора частица отклоняется на небольшое расстояние поперек поля (так называемый тороидальный дрейф). Эти смещения накапливаются, и в конце концов частицы попадают на стенки М Для компенсации тороидального дрейфа можно сделать поле неоднородным вдоль М, как бы "прогофрировав" его (рис. 2, б). Но более удобно создать конфигурацию, при которой силовые линии поля винтообразно навиваются на замкнутые поверхности, причем эти поверхности вложены одна в другую. Например, если внутри тороидального соленоида поместить проводник с током, проходящий по его средней линии (рис. 2, в), то силовые линии поля будут навиваться на тороидальные поверхности. Частицы с малым Rл будут не очень сильно отклоняться от этих поверхностей. Аналогичные конфигурации можно создать с помощью внешних обмоток, например, как предложено американским ученым Л. Спицером в 1951, добавляя к обмотке тора (рис. 2, а) винтовую обмотку с попеременно направленными токами. Еще один способ состоит в скручивании тора в фигуру типа "восьмерки" (рис. 2, г). Можно также использовать более сложные конфигурации, комбинируя различные элементы "гофрированных" и винтовых полей.
Зеркальные М. л. Другой метод удержания частиц в М в продольном (по полю) направлении был предложен в 1952 сов. физиком Г. И. Будкером и независимо от него американскими учеными Р. Постом и Х. Йорком. Он состоит в использовании пробок, или зеркал, - областей, в которых напряженность поля сильно (но плавно) возрастает. Такие области могут отражать "падающие" на них вдоль силовых линий поля заряженные частицы. На рисунке 3 изображена траектория частицы в неоднородном поле, напряженность которого меняется вдоль его силовых линий. Эффект отражения обусловлен тем, что при продвижении частицы в область более сильного поля при некоторых условиях ее поперечная скорость v^, возрастает и увеличивается связанная с этой скоростью "поперечная энергия" частицы  mv^2. Но полная энергия заряженной частицы Е =  mv||2 +  mv^2 при движении в поле не изменяется, так как сила Лоренца, будучи перпендикулярна скорости, работы не производит. Поэтому одновременно с увеличением v^, уменьшается v||. В какой-то точке v|| может стать равной нулю. В этой точке и происходит отражение частицы от "магнитного зеркала". Подобный механизм "перекачки" энергии, связанной с v||, в энергию, связанную с v^ (и наоборот), действует только в том случае, если поле за один период винтового движения частицы меняется относительно мало. Процессы, происходящие при сравнительно медленном изменении внешних условий, называются адиабатическими. Соответственно, так называют и М с "магнитными зеркалами". Простейшая зеркальная (адиабатическая) М создается двумя одинаковыми коаксиальными катушками, в которых ток протекает в одинаковом направлении (рис. 4). "Магнитными зеркалами" в ней являются области наиболее сильного поля внутри катушек.
Адиабатические М удерживают не все частицы: если v|| достаточно велика по сравнению с v^, то частицы вылетают за пределы "магнитных зеркал". Максимальное отношение v||/v^, при котором отражение еще происходит, тем больше, чем выше так называемое "зеркальное отношение" наибольшей напряженности поля в "зеркалах" к полю в центральной части М (между "зеркалами"). Например, поле Земли убывает пропорционально кубу удаления от ее центра. Соответственно, при приближении заряженной частицы к Земле вдоль силовой линии, уходящей в плоскости экватора достаточно далеко от Земли, поле возрастает очень сильно. "Зеркальное отношение" в этом случае велико; максимальное отношение v||/v^также велико (доля вылетающих из М частиц мала).
М для плазмы. Если заполнять М частицами одного вида (например, электронами), то по мере накопления этих частиц увеличивается создаваемое ими электрическое поле. Сила электростатического отталкивания одноименных зарядов растет, и эффективностьМ падает. Поэтому заполнить М с достаточно большой плотностью можно только смесью частиц разных зарядов (например, электронов и протонов), взятых в таком соотношении, чтобы их общий электрический заряд был близок к нулю. Такая смесь заряженных частиц называется плазмой.
Когда электрическое поле в плазме настолько мало, что можно пренебречь его влиянием на движение частиц, механизмы их удержания в ловушке не отличаются от рассмотренных применительно к отдельным частицам. Поэтому в М для плазмы должны быть выполнены все сформулированные выше условия. Но, кроме того, к таким М предъявляются дополнительные требования, связанные с необходимостью стабилизации так называемых плазменных неустойчивостей - самопроизвольно возникающих и резко нарастающих отклонений электрического поля и плотности частиц в плазме от их средних значений. Простейшая неустойчивость, получившая название желобковой, обусловлена диамагнетизмом плазмы, вследствие которого плазма выталкивается из областей более сильного поля. Происходит следующий процесс: сначала поверхность плазмы становится волнистой - образуются длинные желобки, направленные вдоль силовых линий поля (отсюда название неустойчивости); затем эти желобки увеличиваются и плазма распадается на отд. трубочки, движущиеся к боковым границам объема, занимаемого М Например, в простой зеркальной М (рис. 4), в которой поле убывает в направлении, перпендикулярном общей оси катушек, плазма может быть выброшена в этом направлении. Желобковую неустойчивость, как впервые показали в 1961 советские физики (М. С. Иоффе и другие), можно стабилизировать с помощью дополнительных проводников с током, устанавливаемых вдоль М по ее периферии. При этом напряженность поля достигает минимума на некотором расстоянии от оси М, а на удалениях от оси, превышающих это расстояние, Н опять возрастает. В тороидальных М также может возникнуть желобковая неустойчивость; ее стабилизируют, создавая конфигурацию со средним (по силовой линии) минимумом поля. Примером таких М являются установки типа токамак, исследуемые коллективом советских физиков, возглавлявшимся до 1973 Л. А. Арцимовичем, а также во многих зарубежных лабораториях. Название "токамак" представляет собой сокращение полного наименования подобных устройств - "тороидальная камера с аксиальным (направленным по оси) полем". В токамаках тороидальное поле создается соленоидом типа изображенного на рисунке 2, а, по плазме, заключенной внутри тора, пропускается сильный продольный ток, поле которого, складываясь с тороидальным, образует поверхности, близкие к описанным для рисунка 2, б. На этих установках стабилизированы не только желобковая, но и многие другие виды неустойчивости и достигнуто сравнительно длительное устойчивое удержание высокотемпературной плазмы (сотые доли сек при температуре в десятки миллионов градусов). В М, называются стеллараторами, конфигурации поля, при которых силовые линии навиваются на тороидальные поверхности (например, скрученные в "восьмерку", рис. 2, г), в отличие от токамаков, создаются только внешними обмотками. Различные модификации стеллараторов также интенсивно исследуются в целях использования их для удержания горячей плазмы.
Существуют и иные механизмы стабилизации желобковой неустойчивости. Например, в радиационных поясах Земли она стабилизируется за счет электрического контакта плазмы с ионосферой: заряженные частицы ионосферы могут компенсировать электрические поля, возникающие в радиационных поясах. Борьба с желобковой и другими видами неустойчивости плазмы составляет одну из основных задач лабораторных исследований М
Лит.: Арцимович Л. А., Элементарная физика плазмы, М., 1966; Роуз Д. - Дж., Кларк М., физика плазмы и управляемые термоядерные реакции, перевод с английского, М., 1963.
Б. Б. Кадомцев.
Рис. 1. В однородном (=const) поле заряженная частица движется по окружности, если ее скорость направлена поперек поля (а), и по винтовой линии, если скорость частицы, кроме поперечной v^, имеет и продольную (по полю) составляющую v||
|
Для поиска, наберите искомое слово (или его часть) в поле поиска
|
|
 |
 |
 |
|
|
|
Новости 21.11.2024 12:29:08
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
