21.8. ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО КРИТИЧЕСКОЙ СКОРОСТИ

Было проведено много независимых экспериментальных измерений напряжения выгорания в магнитных полях. Они продемонстрировали существование предельного напряжения которое при введении его в уравнение (21.4.4) с расстояние между электродами) позволяет получить почти те же самые значения какие получаются вычислением по (21.6.1). Это верхнее предельное значение напряжения выгорания прямо пропорционально напряженности магнитного поля, но в очень широких пределах не зависит от давления газа и тока. Однако для возникновения данного эффекта необходимо наличие нейтрального газа; как только достигается состояние полной ионизации, эти ограничивающие явления больше не проявляются.

Большинство первых наблюдений не дали определенных результатов. Действительно, отмеченный эффект иногда проявлялся как нежелательное ограничение накоплению энергии в различных плазменных устройствах — в таких, как термоядерные установки, подобные Иксиону, первым гомополярам и -установкам [255].

21.8.1. ЭКСПЕРИМЕНТЫ С ГОМОПОЛЯРАМИ

Один из первых экспериментов, специально предназначенный для выяснения явлений, возникающих при движении нейтрального газа относительно ионизованного, был выполнен Ангертом и др. [35]. На рис. 21.8.1 приведена схема гомополярного устройства и применяемой аппаратуры. В сосуде, содержащем газ при давлении порядка (или 1014 —

Рис. 21.8.1. Схема гомополяра. Между внутренним электродом (5) и внешним (4) приложено напряжение V, создающее радиальное электрическое поле Взаимодействие электрического поля с аксиальным магнитным полем В приводит во вращение ионизованную часть газа (7). Взаимодействие замагниченной плазмы с пеиопизопапным, невращающимся газом (соприкасающимся со стенкой) создает ограничение по напряжению, свидетельствующее о том, что относительная скорость двух компонент достигает критической скорости [35]. 1 — игнитроны, 2 — изоляторы, 3 — магнитопровод, 6 — вакуумная камера.

, создавалось радиальное электрическое поле от батареи конденсаторов, подсоединенной к двум концентрическим цилиндрическим электродам. Перпендикулярно плоскости нижнего рисунка прикладывалось почти однородное магнитное поле до Чтобы эксперимент имел отношение к нашей проблеме, следует определить масштабный коэффициент для плотности газа в эксперименте, равный отношению линейных размеров. Поскольку плотности во время образования системы планет должны были быть порядка и масштабный коэффициент равен , эксперимент соответствует астрофизической задаче. Температуры определяются плазменным процессом как в эксперименте, так и в астрофизической задаче и поэтому должны быть равными.

В электрическом разряде ионизуется часть газа. Ионизованная компонента подвергается действию тангенциальной силы, обусловленной взаимодействием магнитного поля и радиального

Рис. 21.8.2. Зависимость предельного значения напряжения выгорания от давления газа для водорода в эксперименте с гомополяром. не зависит от давления, но пропорционально магнитному полю В [35].

Рис. 21.8.3. Зависимость предельного напряжения от магнитного поля В в эксперименте с гомополяром. пропорционально В и, кроме того, зависит от химического состава исследуемого газа. [35].

электрического поля, и начинает вращаться вокруг центральной оси. Неионизованная компонента остается по существу неподвижной из-за трения о стенки. Таким образом, между ионизованной частью газа и неионизованным газом имеется относительное

(кликните для просмотра скана)

жение. Если относительное движение рассматривается в системе координат, движущейся вместе с плазмой, то существует замагниченный ионизованный газ в состоянии покоя, который соударяется с неионизованным газом. Можно ожидать, что это явление подобно падению неионизованного газа по направлению к центральному телу через замагниченный ионизованный газ (плазму).

Эксперимент показал, что ионизованная компонента легко ускоряется вплоть до достижения некоторой скорости, называемой «критической» Эта скорость не может быть превышена, пока еще имеется неионизованный газ. Любая попытка увеличить напряжение выгорания выше предельного значения с целью ускорения плазмы приводит к увеличению скорости ионизации газа, но не к повышению относительной скорости между ионизованной и неионизованной компонентами. С точки зрения теории это явление оказывается довольно сложным. По-видимому, должен иметься какой-то механизм, который переносит кинетическую энергию к электронам плазмы, а они ионизуют газ (см. разд. 21.9).

Было установлено, что предельное значение напряжения выгорания не зависит от давления газа во всем диапазоне измерений (рис. 21.8.2), но зависит от магнитного поля (рис. 21.8.3), чего и следовало ожидать из уравнения (21.4.4). Далее, напряжение выгорания не зависит от приложенного тока, т. е. оно равно до тех пор, пока ток не превысил определенной величины (связанной со степенью ионизации; рис. 21.8.4). Задаваясь отношением между напряжением выгорания и радиальным электрическим полем и величиной аксиального магнитного поля, по формуле (21.4.4) можно определить критическую скорость по измеренному значению предельного напряжения Была исследована также зависимость критической скорости от химического состава газа и обнаружено согласие с уравнением (21.6.1). В пределах точности эксперимента это уравнение было проверено для Не, (а также для но с меньшей точностью). Результаты экспериментов приведены на рис. 21.8.5, из которого следует, что скорость плазмы почти не изменяется, в то время как ток (и, следовательно, подводимая энергия и степень ионизации) изменяется почти на два порядка.