Skurcz plazmy

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacji, wyszukiwania
Pioruny są przykładem elektromagnetycznie ściśniętych włókien plazmy

Skurcz plazmy[1] – kompresja włókna elektrycznego przez siły magnetyczne. Przewodnikiem zwykle jest plazma, ale może nim być też stały lub płynny metal. W skurczu zeta prąd biegnie osiowo (w kierunku z układu współrzędnych walcowych) a pole magnetyczne jest azymutalne. W skurczu theta prąd płynie azymutalnie (w kierunku theta układu walcowego), a pole magnetyczne jest osiowe. Zjawisko to można również określić jako skurcz Bennetta[2] (na cześć W. H. Bennetta), skurcz elektromagnetyczny[3] lub skurcz magnetyczny[4].

Skurcze plazmy występują naturalnie w wyładowaniach elektrycznych, takich jak pioruny[5], zorza polarna[6], prądy powierzchniowe[7] czy rozbłyski słoneczne[8]. Są również wytwarzane w laboratorium, głównie w ramach badań nad syntezą jądrową.

Wytwarzanie i rodzaje[edytuj | edytuj kod]

Sekcja zniszczonej miedzianej rurki, studiowana przez Pollocka i Barraclough'a[9]. Rurka znajduje się w kolekcji w School of Physics na Uniwersytecie w Sydney, w Australii.

Skurcze plazmy wytwarzane są w laboratorium przy pomocy sprzętu powiązanego z fuzją nuklearną, jak Maszyna Z czy fizyką wysokich energii, jak skupiacz gęstej plazmy. Skurcze mogą być niestabilne[10] oraz generować duże spektrum promieniowania elektromagnetycznego, od fal radiowych po promieniowanie rentgenowskie[11] i promieniowanie gamma[12], a także neutrony[13] i promieniowanie synchrotronowe[14]. Rodzaje skurczów mogą różnić się geometrią i działającymi siłami[15]. Istnieje więc skurcz walcowy, skurcz odwrócony, skurcz prostopadły, skurcz powierzchniowy, skurcz śrubowy[16] (zwany również stabilizowanym skurczem osiowym lub skurczem osiowym theta)[17], skurcz theta (lub thetatron[18]), skurcz toroidalny, skurcz Ware'a[19] oraz skurcz zeta (osiowy).

Skurcze są wykorzystywane do generowania promieni rentgena oraz silnego pola magnetycznego wykorzystywanego w elektromagnetycznym formowaniu metali. Mają zastosowanie w formowaniu wiązek cząsteczek[20][21] oraz w astrofizyce[22].

Historia badań[edytuj | edytuj kod]

Do pierwszego wytworzenia skurczu osiowego w laboratorium mogło dojść w 1790 w Holandii, kiedy Martinus van Marum spowodował eksplozję, dokonując wyładowania ze 100 butelek lejdejskich do drutu[23]. Zjawisko to nie zostało zrozumiane, aż w 1905 Pollock i Barraclough[9] zbadali skurczoną i poskręcaną miedzianą rurkę z piorunochronu po uderzeniu pioruna. Ich analiza wykazała, że siły wyzwolone podczas oddziaływania dużego prądu z jego własnym polem magnetycznym mogą spowodować skurcz i zniekształcenia[24]. Podobna, teoretyczna analiza zjawiska skurczu w płynnym metalu została opublikowana przez Northruppa w 1907[25]. Następnym kamieniem milowym była publikacja przez Willarda Bennetta w 1934 roku analizy radialnej równowagi ciśnienia w statycznym skurczu osiowym[26].

W następnych latach postępy w eksperymentalnym i teoretycznym badaniu skurczów plazmy odbywały się głównie w ramach badań nad energią termojądrową. W swoim artykule "Wire-array z-pinch: a powerful x-ray source for ICF", M. G. Haines i inni napisali na temat "Wczesnej historii skurczów osiowych plazmy"[27]:

"W 1946 roku Thompson i Blackman złożyli patent na reaktor fuzyjny bazujący na toroidalnym skurczu osiowym[28] z dodatkowym pionowym polem magnetycznym. Ale w 1954 Kruskal i Schwarzchild[29] opublikowali swoją teorię o niestabilnościach magnetohydrodynamicznych w skurczu osiowym. W 1956 Kurczatow dał swój sławny wykład w Instytucie Badań Energii Jądrowej, pokazując nietermiczne neutrony i obecność niestabilności m = 0 i m = 1 w skurczonej plazmie deuteru[30]. W 1957 Pease[31] i Braginskij[32] niezależnie przewidzieli radiacyjne zapadnięcie się w skurczu osiowym pod wpływem balansu ciśnienia, gdy prąd przekroczy 1,4 MA. (...) W końcu, w 1960 roku na Akademii Imperialnej, pod przewodnictwem R. Lathama zademonstrowano niestabilność Plateau-Rayleigha oraz jej tempo wzrostu zmierzone w dynamicznym skurczu osiowym[33]."

Zgniatanie puszek przy pomocy skurczu plazmy[edytuj | edytuj kod]

Puszka aluminiowa, zgnieciona przy pomocy pulsacyjnego pola magnetycznego wytworzonego przez gwałtowne rozładowanie 2 kJ z wysoko napięciowego kondensatora do potrójnej cewki z grubego drutu.
Information icon.svg Osobny artykuł: Formowanie elektromagnetyczne.

Wielu entuzjastów elektroniki wysokich napięć buduje swoje własne prymitywne urządzenia do formowania elektromagnetycznego[34][35][36]. Używają techniki pulsacyjnej do wytworzenia skurczu teta zdolnego zgnieść miękką aluminiową puszkę po napojach przy użyciu siły Lorentza, powstającej, gdy w puszce indukuje się pod wpływem pola magnetycznego z głównej cewki prąd o dużym natężeniu[37][38].

Elektromagnetyczny zgniatacz aluminiowych puszek składa się z czterech głównych komponentów: (1)wysokonapięciowy zasilacz prądu stałego, będący źródłem energii elektrycznej, (2) duży kondensator rozładowujący do gromadzenia energii elektrycznej, (3) wysokonapięciowy przełącznik lub iskrownik oraz wytrzymała cewka (zdolna wytrzymać duże ciśnienie magnetyczne), przez którą można szybko rozładować zmagazynowaną energię, aby otrzymać silne zgniatające pole magnetyczne (patrz poniższy diagram).

elektromagnetyczny "zgniatacz puszek": schemat

W praktyce, urządzenia tego typu są nieco bardziej złożone, niż sugeruje to schemat. Zawierają dodatkowe komponenty elektryczne kontrolujące przepływ prądu w celu zmaksymalizowania efektu skurczu, oraz zapewniające bezpieczeństwo. Więcej szczegółów w uwagach[39].

Przypisy

  1. Mgr inż. Leszek Ziętkowski, "Badania rozspajania bloków skalnych i betonowych metodą elektrohydrauliczną" [1]
  2. Zobacz, na przykład, Buneman, O., "The Bennett Pinch" (1961) Plasma Physics, Edited by James E. Drummond. LOC 60-12766. Publ. McGraw-Hill, Inc., New York, 1961, p.202
  3. Lee, S., "Energy balance and the radius of electromagnetically pinched plasma columns" (1983) Plasma Physics, Volume 25, Issue 5, pp. 571–576 (1983).
  4. Schmidt, Helmut, "Formation of a Magnetic Pinch in InSb and the Possibility of Population Inversion in the Pinch" (1966) Physical Review, vol. 149, Issue 2, pp. 564–573
  5. Rai, J.; Singh, A. K.; Saha, S. K, "Magnetic field within the return stroke channel of lightning" (1973) Indian Journal of Radio and Space Physics, vol. 2, Dec. 1973, p. 240-242.
  6. Galperin, Iu. I.; Zelenyi, L. M.; Kuznetsova, M. M. "Pinching of field-aligned currents as a possible mechanism for the formation of raylike auroral forms" (1986) Kosmicheskie Issledovaniia (ISSN 0023-4206), vol. 24, Nov.-Dec. 1986, p. 865-874. In Russian.
  7. Syrovatskii, S. I. "Pinch sheets and reconnection in astrophysics" (1981) In Annual review of astronomy and astrophysics. Volume 19. (A82-11551 02-90) Palo Alto, CA, Annual Reviews, Inc., 1981, p. 163-229
  8. Airapetyan, V. S.; Vikhrev, V. V.; Ivanov, V. V.; Rozanova, G. A. "Pinch Mechanism of Energy Release of Stellar Flares" (1990) Astrophsyics (Tr. Astrofizika) v.32 No.3 Nov. p.230 1990
  9. 9,0 9,1 Pollock J A and Barraclough S, 1905 Proc. R. Soc. New South Wales 39 131
  10. Hardee, P. E., "Helical and pinching instability of supersonic expanding jets in extragalactic radio sources" (1982) Astrophysical Journal, Part 1, vol. 257, June 15, 1982, p. 509-526
  11. Pereira, N. R., et al., "[X rays from z-pinches on relativistic electron-beam generators]" (1988) Journal of Applied Physics (ISSN 0021-8979), vol. 64, Aug. 1, 1988, p. R1-R27
  12. Wu, Mei; Chen, Li; Li, Ti-Pei, "Polarization in Gamma-Ray Bursts Produced by Pinch Discharge" (2005) Chinese Journal of Astronomy & Astrophysics, Vol. 5, p. 57-64
  13. Anderson, Oscar A., et al., "Neutron Production in Linear Deuterium Pinches" (1958) Physical Review, vol. 110, Issue 6, pp. 1375–1387
  14. Peratt, A.L., "Synchrotron radiation from pinched particle beams", (1998) Plasma Physics: VII Lawpp 97: Proceedings of the 1997 Latin American Workshop on Plasma Physics, Edited by Pablo Martin, Julio Puerta, Pablo Martmn, with reference to Meierovich, B. E., "Electromagnetic collapse. Problems of stability, emission of radiation and evolution of a dense pinch" (1984) Physics Reports, Volume 104, Issue 5, p. 259-346.
  15. Carlqvist, Per, "Cosmic electric currents and the generalized Bennett relation" (1988) Astrophysics and Space Science (ISSN 0004-640X), vol. 144, no. 1-2, May 1988, p. 73-84
  16. Srivastava, K. M.; Vyas, D. N., "Non-linear analysis of the stability of the screw pinch", (1982) Astrophysics and Space Science, vol. 86, no. 1, Aug. 1982, p. 71-89
  17. See "MHD Equilibria" in Introduction to Plasma Physics by I.H.Hutchinson (2001)
  18. See Dictionary of Material Science and High Energy Physics p.315 ISBN 0-8493-2889-6
  19. Helander, P. et al. "The effect of non-inductive current drive on tokamak transport" (2005) Plasma Physics and Controlled Fusion, Volume 47, Issue 12B, pp. B151-B163
  20. Ryutov, D. D.; Derzon, M. S.; Matzen, M. K, "The physics of fast Z pinches" (2000) Reviews of Modern Physics, vol. 72, Issue 1, pp. 167–223
  21. Andre Gsponer, "Physics of high-intensity high-energy particle beam propagation in open air and outer-space plasmas" (2004) http://arxiv.org/abs/physics/0409157
  22. Peratt, Anthony L., "The role of particle beams and electrical currents in the plasma universe" (1988) Laser and Particle Beams (ISSN 0263-0346), vol. 6, Aug. 1988, p. 471-491.
  23. van Marum M 1790 Proc. 4th Int. Conf. on Dense Z-Pinches (Vancouver 1997) (Am. Inst. Phys. Woodbury, New York, 1997) Frontispiece and p ii
  24. R. S. Pease, "The Electromagnetic Pinch: From Pollock to the Joint European Torus", "Pollock Memorial Lecture for 1984 delivered at the University of Sydney, 28 November, 1984": This review of the electromagnetic pinch starts with an exhibit taken from Pollock's work, carefully preserved and drawn to attention of modern research by Professor C. Watson-Munro. It is a compressed and distorted length of copper tube originally part of the lightning conductor on the Hartley Vale kerosene refinery in New South Wales. It was known to have been struck by lightning. Pollock and Barraclough (1905) from the Department of Mechanical Engineering at Sydney University carried out an analysis to see whether or not the compression could have arisen from the flow of electric current. They concluded that the compressive forces, due to the interaction of the large current flow with its own magnetic field could have been responsible for the compression and distortion. As far as I know, this is the first identified piece of observational data on the electromagnetic pinch; and the first theoretical discussion of the effect.
  25. Northrupp E F 1907 "Some Newly Observed Manifestations of Forces in the Interior of an Electric Conductor" (1907) Phys. Rev. 24 474. He wrote: "Some months ago, my friend, Carl Hering, described to me a surprising and apparently new phenomenon which he had observed. He found, in passing a relatively large alternating current through a non-electrolytic, liquid conductor contained in a trough, that the liquid contracted in cross-section and flowed up hill lengthwise of the trough... Mr. Hering suggested the idea that this contraction was probably due to the elastic action of the lines of magnetic force which encircle the conductor... As the action of the forces on the conductor is to squeeze or pinch it, he jocosely called it the 'pinch phenomenon'.
  26. W.H.Bennett, "Magnetically Self-Focussing Streams", Phys. Rev. 45 890 (1934)
  27. M G Haines, T W L Sanford and V P Smirnov, "Wire-array z-pinch: a powerful x-ray source for ICF" (2005) Plasma Phys. Control. Fusion 47 B1-B11 (PDF).
  28. Thompson G P and Blackman M 1946 British Patent 817681. Haines M G 1996 "Historical Perspective: Fifty years of controlled fusion research" Plasma Phys. Control. Fusion 38 643
  29. Kruskal M.D. and Schwarzchild "Some Instabilities of a Completely Ionized Plasma" 1954 Proc. R. Soc. Lond. A 223 348
  30. Kurchatov I V 1957 J. Nucl. Energy 4 193
  31. Pease R S "Equilibrium Characteristics of a Pinched Gas Discharge Cooled by Bremsstrahlung Radiation" 1957 Proc. Phys. Soc. Lond. 70 11
  32. Braginskii S I 1957 Zh. Eksp. Teor. Fiz 33 645; Braginskii S I 1958 Sov. Phys.—JETP 6 494
  33. Curzon F L et al. "Experiments on the Growth Rate of Surface Instabilities in a Linear Pinched Discharge" 1960 Proc. R. Soc. Lond. A 257 386
  34. LaPointe, Robert: High Voltage Devices and Experiments. [dostęp 2013-02-21].
  35. Tristan: Electromagnetic Can Crusher. [dostęp 2013-02-21].
  36. Borros, Sam: Solid State Can Crusher. [dostęp 2013-02-21].
  37. MagnetoPulS. W: web site [on-line]. 2002. [dostęp 2013-02-21].
  38. Industrial Application of the Electromagnetic Pulse Technology. W: biały papier [on-line]. czerwiec 2009. [dostęp 2013-02-21].
  39. Examples of electromagnetic pinch can crushers can be found at (a) Bob LaPointe's site on High Voltage Devices and Experiments (b) Tristran's Electromagnetic Can Crusher (including schematic) (c) Sam Borros's Solid State Can Crusher

Linki zewnętrzne[edytuj | edytuj kod]