ПИНЧЭФФЕКТ

ПИНЧ-ЭФФЕКТ (от англ. pinch -сужение, сжатие), эффект самостягивания разряда, свойство электрич. токового канала в сжимаемой проводящей среде уменьшать своё сечение под действием собственного, порождаемого самим током, магнитного поля. Впервые это явление описано в 1934 амер. учёным У. Беннетом применительно к потокам быстрых заряженных частиц в газоразрядной плазме. Термин "П.-э." введён в 1937 англ. физиком Л. Тонксом при исследовании дугового разряда.

Механизм П.-э. проще всего понять на примере тока I, текущего вдоль оси цилиндра, заполненного проводящей средой. Силовые линии магнитного поля, создаваемого I, имеют вид концентрических окружностей, плоскости к-рых перпендикулярны оси цилиндра. Электродинамическая сила, действующая на единицу объёма проводящей среды с плотностью тока j, в СГС системе единиц равна 1/c ^. [jB] и направлена к оси цилиндра, стремясь сжать среду. Возникающее состояние и есть П.-э. (Здесь квадратные скобки обозначают векторное произведение; с - скорость света в вакууме; B - магнитная индукция в рассматриваемом единичном объёме.) П.-э. можно считать также простым следствием Ампера закона о магнитном притяжении отд. параллельных токовых нитей (элементарных токовых трубок), совокупностью к-рых является токовый цилиндр. Магнитному сжатию препятствует газокинетич. давление проводящей среды, обусловленное тепловым движением её частиц; силы этого давления направлены от оси токового канала. Однако при достаточно большом токе перепад магнитного 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 же носителей зарядов одного знака электрич. поле пространственного заряда эффективно препятствует сжатию тока. Прохождение достаточно больших токов через газ сопровождается его переходом в состояние полностью ионизованной плазмы, состоящей из заряженных частиц 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 свойством мощных самосжимающихся разрядов (их наз. пинчами) 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(Te + Тi) становится равным магнитному давлению поля тока I, описываются соотношением Беннета: (2I/cr)²/8Пи = nk(Te + Тi). Здесь n - число частиц в единице объёма, r - радиус пинча; Тe a Тi - электронная и ионная темп-ры, соответственно; n - число электронов в единице объёма (равное из условия квазинейтральности плазмы числу ионов); k - Больцмана постоянная. Из формулы Беннета следует, что для достижения минимальной темп-ры (Т~10⁸К), при к-рой термоядерный синтез может представлять интерес как источник энергии, требуется хотя и большой, но вполне осуществимый ток ~ 10⁶ а. 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 собственного электрич. сопротивления (джоулев нагрев), но и при т. н. адиабатическом (т. е. происходящем без обмена энергией с окружающей средой) сжатии пинча. Однако в первых же экспериментах выяснилось, что П.-э. сопровождается развитием различных плазменных неустойчивостей (см. Магнитные ловушки). Образовывались местные пережатия ("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 пинчи подвержены практически всем видам неустойчивостей высокотемпературной плазмы и могут служить как для их изучения, так и для испытания разных способов стабилизации плазменного шнура. Ток ~ 10⁶а в установках с линейным пинчём получают при разряде на газовый промежуток мощных конденсаторных батарей. Скорости нарастания тока в отдельных случаях ~ 10¹² а/сек. При этом наиболее существенным оказывается не джоулев нагрев, а электродинамическое 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 электрическое сопротивление плазмы начинает давать её турбулентность, возникающая при развитии т. н. микронеустойчивостей (см. Плазма).

Для мощных импульсных пинчей в разрежённом 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 магнитных полей ("Токамаки", о-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 (1975) существ. место в нац. и межнац. программах решения проблемы УТС (СССР, США, Европейское сообщество по атомной 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.

Лит.: Арцимович Л. А., Элементарная физика плазмы, 3 изд., М., 1969;

Пост Р., Высокотемпературная плазма и управляемые термоядерные реакции, пер. с англ., М., 1961; Стил М., В гора ль Б., Взаимодействие волн в плазме твёрдого тела, пер. с англ., М., 1973.

Т. И. Филиппова, Н. В. Филиппов.