قرصة بلازما

ونحصل على

(علاقة بينيت)

إضافةً إلى ذلك، حيث "N" هو عدد الإلكترونات لكل وحدة طول على طول المحور ، و "T e " و "T i " هي الإلكترون والأيون درجات الحرارة ، "I" هو تيار الحزمة الكلي ، و "k" هو ثابت بولتزمان.

تأثير قرصة متعامدة

ومن جهة أخرى، قرصة المستودع - قرصة تحدث داخل بلازما توكاماك ، عندما تتكثف الجزيئات الموجودة داخل المدار في هيئة الموزة .

كذلك، الانصهار بالقصور الذاتي للبطانة الممغنطة (MagLIF) Magnetized Liner Inertial Fusion- قرصة على شكل Z من الوقود الساخن الممغنط مسبقًا داخل بطانة معدنية ، مما قد يؤدي إلى اشتعال وطاقة اندماج عملية باستخدام محرك طاقة نبضي أكبر.

التاريخ

ومن جهة أخرى، ربما حدث أول إنشاء للقرصة Z في المختبر في عام 1790 في هولندا عندما أحدث مارتينوس فان ماروم انفجارًا عن طريق تفريغ 100 جرة ليدن Leyden jars في سلك. لم تُفهم هذه الظاهرة حتى عام 1905 ، عندما قام بولوك وباراكلوف بالتحقيق في طول أنبوب نحاسي مضغوط ومشوه من مانع الصواعق بعد أن ضربه البرق. أظهر تحليلهم أن القوى الناتجة عن تفاعل تدفق التيار الكبير مع المجال المغناطيسي الخاص به يمكن أن تسبب الضغط والتشويه. تم نشر تحليل نظري مشابه ومستقل على ما يبدو لتأثير القرصة في المعادن السائلة بواسطة Northrup في سنة 1907. التطور الرئيسي التالي نــُشر في عام 1934 لتحليل توازن الضغط الشعاعي في قرصة Z ثابتة بأجراها بينيت (انظر القسم التالي للحصول على التفاصيل).

في هذا الإطار، في عام 1958 ، تم إنجاز أول تجربة اندماج نووي حراري مضبوط في العالم باستخدام آلة ثيتا ، وهي قرصة تسمى Scylla I في مختبر لوس ألاموس الوطني . حيث تم تحويل أسطوانة مليئة بالديوتيريوم إلى بلازما وضغطها إلى 15 مليون درجة مئوية تحت تأثير قرصة ثيتا . وأخيرًا في إمبريال كوليدج في عام 1960 ، بقيادة ر. لاثام ، ظهر عدم استقرار هضبة رايلي ، وتم قياس معدل نموها بضغطة Z ديناميكية.

علاوةً على ذلك، لاحقًا ، كان التقدم التجريبي والنظري على القرصة مدفوعًا بأبحاث قوة الاندماج . في مقالهم حول "مصفوفة سلكية Z-pinch-array : مصدر أشعة سينية قوي لـ ICF ، للمؤلف. MG Haines et al كتبه عن "التاريخ المبكر للقرصات Z".

كذلك، في عام 1946 ، قدم طومسون وبلاكمان براءة اختراع لمفاعل اندماجي قائم على قرص Z حلقي مع مجال مغناطيسي رأسي إضافي. ولكن في سنة 1954 ، نشر كروسكال وشوارزشيلد نظريتهم حول عدم استقرار MHD في ضغط Z. في عام 1956 ، ألقى كورشاتوف محاضرته الشهيرة في هارويل والتي أظهرت وجود النيوترونات غير الحرارية ووجود عدم استقرار m = 0 و m = 1 في قرصة الديوتيريوم. في سنة 1957 ، تنبأ بيز وبراجينسكي بشكل مستقل بانهيار إشعاعي في قرص Z تحت توازن الضغط عندما يتجاوز التيار 1.4 مللي أمبير في الهيدروجين. (إن التبديد اللزج بدلاً من المقاومة للطاقة المغناطيسية التي تمت مناقشتها أعلاه وفي من شأنه أن يمنع الانهيار الإشعاعي).

تحليل التوازن

الأنواع

قرصة أسطوانية

وفي هذا الصدد، القرصة على شكل Z - يمر التيار في محور أو عبر جدران أسطوانة بينما يكون المجال المغناطيسي سمتياً

وعلى صعيد آخر، القرص العكسي - مفهوم الاندماج المبكر ، يتكون هذا الجهاز من قضيب محاط بالبلازما. يسير التيار عبر البلازما ويعود على طول القضيب المركزي. كانت هذه الهندسة مختلفة قليلاً عن z-pinch حيث كان الموصل في المركز ، وليس الجوانب.

وفي هذا الصدد، قرصة لولبية - مجموعة من قرصات Z و قرصات ثيتا (تسمى كذلك قرصة Z المستقرة أو قرصة θ-Z)

ومن ناحية أخرى، توجد القرصات في الطبيعة وفي المختبرات. القرصات تختلف في هندستها وقوى التشغيل. وهي تشمل :

كذلك، قرصة ثيتا - يمر المجال المغناطيسي خلال محور أسطوانة، بينما يكون المجال الكهربائي في اتجاه السمتي (ويسمى كذلك ثيتاترون )

من جانب آخر، قرصة المجال المعكوسة أو القرصة الحلقية - هذه هي قرصة Z مرتبة في شكل طارة . تحتوي البلازما على مجال مغناطيسي داخلي. مع زيادة المسافة من مركز هذه الحلقة يعكس المجال المغناطيسي اتجاهه.

وفي السياق ذاته، غير متحكم فيه - في أي وقت يتحرك فيه تيار كهربائي بكميات كبيرة (مثل البرق ، والأقواس الكهربية ، والشرر ، والتفريغ) ، يمكن للقوة المغناطيسية أن تسحب البلازما وتكثيفها. وقد يكون هذا غير كافٍ للاندماج.

من جهة ثانية، قرصة في مساحة - هو تأثير فيزيائي فلكي ، ينشأ من طبقة مستوية واسعة من الجسيمات المشحونة.

تشكيل المجال المعكوس

• حلقة ماديسون المتماثلة (reversed field pinch)
• توكاماك DIII-D
• حلقة ماديسون المتماثلة

"E" φ هو المجال الكهربائي الدوراني

من جانب آخر، المصطلحات الموجبة في المعادلة هي قوى تمدد بينما تمثل المصطلحات السالبة قوى ضغط الحزمة.

سحق العلب مع تأثير قرصة

إضافةً إلى ذلك، تتكون كسّارة علب الألمنيوم الكهرومغناطيسية من أربعة مكونات رئيسية: مصدر طاقة تيار مستمر عالي الجهد ، الذي يوفر مصدرًا للطاقة الكهربائية ، ومكثفًا كبيرًا لتفريغ الطاقة لتجميع الطاقة الكهربائية ، ومفتاح جهد عالي أو فجوة شرارة ، وملف قوي (قادر على تحمل ضغط مغناطيسي عالٍ) يمكن من خلاله تفريغ الطاقة الكهربائية المخزنة بسرعة من أجل توليد مجال مغناطيسي قوي مماثل (انظر الرسم البياني أدناه).

وفي هذا السياق، من الناحية العملية يعد هذا الجهاز أكثر تعقيدًا إلى حد ما مما يوحي به الرسم التخطيطي ، بما في ذلك المكونات الكهربائية التي تتحكم في التيار من أجل تعظيم الضغط الناتج ، ولضمان عمل الجهاز بأمان. لمزيد من التفاصيل ، انظر الملاحظات.

وعلى صعيد آخر، يصنع الكثير من عشاق الإلكترونيات عالية الجهد أجهزة التشكيل الكهرومغناطيسية الخام الخاصة بهم. يستعملون تقنيات الطاقة النبضية لإنتاج قرصة ثيتا قادرة على سحق علبة مشروب غازي من الألومنيوم باستخدام قوى لورنتز التي تنشأ عندما يتم تحفيز تيارات شديدة في العلبة بواسطة مجال مغناطيسي قوي من الملف الأساسي.

علاقة بينيت

ومن جهة أخرى، حيث ∇p هو تدرج الضغط المغناطيسي ، و p e و p i هما ضغط الإلكترون والأيون ، على التوالي. ثم استعمل معادلة ماكسويل

وطبقا لقانون الغاز المثالي:

إضافةً إلى ذلك، ضع في اعتبارك عمودًا أسطوانيًا من شبه محايد مؤين بالكامل <! - يفترض هذا الاشتقاق أن البلازما شبه محايدة ، وإلا لا يمكن التعبير عن N i و N e على أنهما واحد N. بالطبع ، يمكن للمرء أن يفترض بسهولة أن هذا كان ضمنيًا. التوضيح قد لا يكون ضروريا. -> بلازما ، ذات مجال كهربائي محوري ، تنتج كثافة تيار محوري ، "" j "" ، وما يرتبط بها من مجال مغناطيسي سمتي ، "" ب "". عندما يتدفق التيار عبر المجال المغناطيسي الخاص به ، يتم إنشاء قرصة بكثافة قوة شعاعية داخلية تبلغ "" j x B "". في حالة مستقرة مع توازن القوى:

,

التطبيقات والأجهزة

منشأة الطاقة النبضية Z في مختبرات سانديا الوطنية.

وعلى صعيد آخر، تستعمل القرصات لتوليد الأشعة السينية وتستعمل الحقول المغناطيسية الشديدة المتولدة في التشكيل الكهرومغناطيسي للمعادن. لديهم كذلك تطبيقات في حزم الجسيمات بما في ذلك أسلحة حزمة الجسيمات ، وفي دراسات الفيزياء الفلكية وقد اقترح استخدامها في محركات الدفع الفضائي. تم بناء عدد من آلات القرص الكبيرة لدراسة قوة الاندماج ؛ نذكر هنا عدة منها:

من جهة ثانية، MAGPIE A Z- قرصة شكلت في إمبريال كوليدج. هذا يفرغ كمية كبيرة من التيار عبر سلك. في ظل هذه الظروف ، يتحول السلك إلى بلازما ويضغط لإنتاج الاندماج.

ثلاثة أبعاد

ومن جهة أخرى، ، لا توجد نظرية تحليلية متماسكة للتوازن ثلاثي الأبعاد. النهج العام لإيجاد مثل هذا التوازن هو حل معادلات MHD المثالية الفراغية. أسفرت الحلول العددية عن تصميمات لـ نجمي. تستفيد بعض الآلات من تقنيات التبسيط مثل التناظر الحلزوني (مثلًا ، التجربة الحلزونية المتماثلة في جامعة ويسكونسن). ومع ذلك ، بالنسبة للتكوين التعسفي ثلاثي الأبعاد ، توجد علاقة توازن ، شبيهة بعلاقة التكوينات 1-D:

• حيث κ انحناء المتجه المعرف بـ :
• مع "ب" متجه الوحدة المماس إلى "ب".
• المعالجة الرسمية

قرصة Z

من جانب آخر، نظرًا لأن الجسيمات في البلازما تتبع خطوط المجال المغناطيسي بشكل أساسي ، فإن قرصات Z تقودها في دوائر. لذلك ، فهي تميل إلى امتلاك خصائص حبس ممتازة.

وهكذا فإن حالة التوازن ، ، للقرصة Z تقرأ:

وفي السياق ذاته، للقرصة Z مجال مغناطيسي في اتجاه θ والتيار J يتدفق في اتجاه z . مرة أخرى ، بموجب قانون أمبير للكهرباء الساكنة ،

جهاز ZETA في كولهام ، إنجلترا

تجربة المجال المعكوس في إيطاليا.

حلقة ماديسون المتناظرة في جامعة ويسكونسن ، ماديسون

السلوك الشائع

كذلك، قد تصبح القرصات غير مستقرة . و تشع الطاقة عبر الطيف الكهرومغناطيسي بأكمله بما في ذلك موجات الراديو ، والميكروويف ، والأشعة تحت الحمراء ، والأشعة السينية ، وأشعة غاما ، وإشعاع السنكروترون ، والضوء المرئي . كما أنها تنتج النيوترونات كناتج للاندماج.

قرصة القلاووظ

• لكن هذه المرة يحتوي الحقل B على المركبة θ والمركبة z
• إذن في هذه المرة تحتوي J على مركبة في اتجاه z ومركبة في اتجاه.
• أخيرًا نصل إلى حالة التوازن للقرصة القلاووظية (لولبية) ، وتقرأ:

ومن ناحية أخرى، قرصة اللولب هي محاولة للجمع بين جوانب الاستقرار للقرصة θ وجوانب الحبس للقرصة Z. ونشير مرة أخرى إلى قانون أمبير ،

علاقة بينيت العامة

J 0 هي اللحظة الكلية للقصور الذاتي فيما يتعلق بالمحور z ،

• W B z هي طاقة B z المتسقة ذاتيًا لكل وحدة طول
• W E z هي طاقة E z المتسقة ذاتيًا لكل وحدة طول
• "W" k هي طاقة حرارية لكل وحدة طول
• I ( a ) هو التيار المحوري داخل نصف القطر a ( r في الرسم التخطيطي)
• N ( a ) هو العدد الإجمالي للجسيمات لكل وحدة طول
• "E" r هو المجال الكهربائي الشعاعي

إضافةً إلى ذلك، حيث يكون للبلازما الأسطوانية الحاملة للتيار والمحاذاة للمجال المغناطيسي نصف قطر `` a ،

وفي هذا الصدد، تعتبر "علاقة بينيت المعممة" قرصة بلازما أسطوانية تحمل تيارًا مغناطيسيًا محاذاة للمجال المغناطيسي تخضع للدوران عند التردد الزاوي ω. على طول محور أسطوانة البلازما تتدفق كثافة التيار j z ، مما ينتج عنه حقل مغناطيسي سمتي Β φ . مشتق أصلاً من Witalis ، تؤدي علاقة بينيت المعممة إلى:أنتوني إل. بيرات ، "فيزياء الكون البلازما" ، 1992 Springer-Verlag ،

في هذا الإطار، "W" ⊥kin هي الطاقة الحركية لكل وحدة طول بسبب حركة الحزمة المستعرضة إلى محور الحزمة

ثنائي البعد

ومن ناحية أخرى، مشكلة شائعة مع القرصات أحادية البعد هي خسائر النهاية. تتم أغلب حركة الجسيمات على طول المجال المغناطيسي. مع قرصة θ والقرصة اللولبية ، يؤدي ذلك إلى خروج الجسيمات من نهاية الماكينة بسرعة كبيرة ، مما يؤدي إلى فقدان الكتلة والطاقة. إلى جانب هذه المشكلة ، فإن قرص Z لديه مشاكل استقرار كبيرة. على الرغم من أن الجسيمات يمكن أن تنعكس إلى حد ما مع [المرآة المغناطيسية ، إلا أنها تسمح للعديد من الجسيمات بالمرور. الطريقة الشائعة للتغلب على هذه الخسائر الطرفية ، هي ثني الأسطوانة في شكل طارة. لسوء الحظ ، فإن هذا يكسر التناظر ، حيث أن المسارات على الجزء الداخلي (الجانب الداخلي) من الطارة أقصر من المسارات المماثلة على الجزء الخارجي (الجانب الخارجي). وبالتالي ، هناك حاجة إلى نظرية جديدة. أدى هذا إلى ظهور معادلة جراد-شافرانوف الشهيرة. أسفرت الحلول العددية لمعادلة جراد-شافرانوف كذلك عن بعض التوازن ، وعلى الأخص تلك الخاصة بـ ضغط المجال المعكوس.

قرصة المسمار عبر تصادم الدوامات البصرية

وعلى صعيد آخر، قد يتم إنتاج قرصة اللولب في بلازما الليزر عن طريق تصادم الدوامات الضوئية ذات المدة القصيرة جدًا. لهذا الغرض ، يجب أن تكون الدوامات الضوئية مترافقة الطور. بهذا يكون توزيع المجال المغناطيسي هنا كذلك بواسطة قانون أمبير:

القرصة θ

• بما أن B ليست سوى دالة لـ r ، فيمكننا تبسيط ذلك
• لذا تشير J إلى الاتجاه θ.
• وعلى ذلك فإن حالة التوازن للقرصة θ تقرأ:

وفي هذا الصدد، القرصات θ تميل إلى أن تكون مقاومة لعدم استقرار البلازما ؛ هذا يرجع جزئيًا إلى نظرية ألففين (المعروفة كذلك باسم نظرية التدفق المتجمد).

وفي هذا الصدد، للقرصة θ مجال مغناطيسي موجه في اتجاه z وتيار مغناطيسي كبير موجه في اتجاه θ. باستخدام قانون Ampère الدائري (مع تجاهل مصطلح الإزاحة)

علاقة Carlqvist

وينطبق على الكثير من البلازما الفضائية.

كذلك، يمكن توضيح علاقة Carlqvist (انظر إلى اليمين) ، وإظهار إجمالي التيار ("I") مقابل عدد الجسيمات لكل وحدة طول ("N") في قرصة بينيت. يوضح الرسم البياني أربع مناطق متميزة ماديًا. درجة حرارة البلازما باردة جدًا ( T i = T e = T n = 20 K) ، تحتوي بشكل أساسي على الهيدروجين بمتوسط كتلة جسيمية 3 × 10 −27 kg. الطاقة الحرارية W k >> πa 2 p k </ الفرعية> (أ). تظهر المنحنيات ، ΔW Bz كميات مختلفة من الطاقة المغناطيسية الزائدة لكل وحدة طول بسبب المجال المغناطيسي المحوري B z . يُفترض أن البلازما غير دورانية ، والضغط الحركي عند الحواف أصغر بكثير من الداخل.

إضافةً إلى ذلك، 'مناطق الرسم البياني:' (أ) في المنطقة العلوية اليسرى ، تهيمن قوة القرص. (ب) باتجاه الأسفل ، تتوازن الضغوط الحركية الخارجية مع الضغط المغناطيسي الداخلي ، ويكون الضغط الكلي ثابتًا. (ج) على يمين الخط العمودي ΔW Bz & nbsp ؛ = & nbsp ؛ 0 ، الضغط المغناطيسي يوازن ضغط الجاذبية ، وقوة القرص لا تذكر . (د) إلى يسار منحنى المنحدر ΔW Bz & nbsp ؛ = & nbsp ؛ 0 ، قوة الجاذبية لا تذكر. لاحظ أن الرسم البياني يوضح حالة خاصة لعلاقة Carlqvist ، وإذا تم استبدالها بعلاقة Bennett الأكثر عمومية ، فإن المناطق المحددة في المخطط غير صالحة.

ومن جهة أخرى، علاقة Carlqvist ، التي نشرتها Per Carlqvist في سنة 1988 ، هي تخصص لعلاقة بينيت المعممة (أعلاه) ، في حالة أن الضغط الحركي أصغر بكثير عند حدود القرصة مقارنة بالأجزاء الداخلية. يأخذ الشكل

المراجع في الثقافة

• انظر كذلك
• تشكيل كهرومغناطيسي
• مولد ضغط التدفق يضخ بمتفجر
• طاقة الاندماج

وعلى صعيد آخر، تم استخدام جهاز توليد الضغط في "Ocean's Eleven" ، حيث تم استخدامه لتعطيل شبكة الطاقة في لاس فيغاس لفترة كافية لتبدأ الشخصيات سرقتها.

بعد واحد

علاوةً على ذلك، في فيزياء البلازما تتم دراسة ثلاثة أشكال هندسية للقرصة بشكل شائع: θ-pinch ، و Z-pinch ، و screw pinch. وجميعها أسطواني الشكل. الاسطوانة متماثلة في الاتجاه المحوري ( z ) واتجاهات السمتية (θ). يتم تسمية القرصات أحادية البعد طبقا لاتجاه الحركة الجارية .

تركيز البلازما الكثيف في نيو جيرسي

• جامعة نيفادا ، رينو (الولايات المتحدة الأمريكية)
• جامعة كورنيل (الولايات المتحدة الأمريكية)
• جامعة ميتشجن (الولايات المتحدة الأمريكية)
• جامعة كاليفورنيا ، سان دييغو (الولايات المتحدة الأمريكية)
• جامعة واشنطن (الولايات المتحدة الأمريكية)
• جامعة الرور (ألمانيا)
• École Polytechnique (فرنسا)
• معهد وايزمان للعلوم (إسرائيل)
• جامعة أوتونوما ميتروبوليتانا (المكسيك).
• شركة Zap Energy (الولايات المتحدة الأمريكية)