№ 1
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2015
УДК 533.9.01
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ПОДТВЕРЖДЕНИЕ ФАКТА СУЩЕСТВОВАНИЯ КВАНТОВОГО ПЛАЗМЕННОГО КОНДЕНСАТА
© 2015 г. А.В. КУЛАКОВ 1, В.А. РАНЦЕВ-КАРТИНОВ 2
1ФГБНУ Экспертно-аналитический центр министерства образования и науки, Москва
E-mail: kulan07@yandex.ru 2НИЦ "Курчатовский институт", Москва E-mail: rankarva@mail.ru
В работе приводятся результаты экспериментов по термоядерному синтезу (на прямом Z-пинче), именно, по определению параметров термоядерной плазмы посредством лазерного рассеяния (ЛР). Параметр ЛР, а обратно пропорционален масштабу когерентности, а его конкретная величина сильно влияет на вид спектра ЛР. Располагая надежно измеренными значениями основных параметров плазмы, наблюдая спектр ЛР и сравнивая его вид со стандартным, соответствующим рассчитанному для поставленного эксперимента значению а, авторы пришли к выводу, что только увеличением масштаба когерентности почти на порядок величины можно снять несоответствие между видом полученного и ожидаемого спектра ЛР. Имея (при достижении вполне определенного значения начального давления рабочего газа ~0,075 мм рт. ст.) положительный скачок плотности в момент максимального сжатия плазмы в пять—шесть раз, авторы приходят к выводу, что в данном эксперименте, благодаря включению механизма взаимодействия электронов перекрывающихся поляризационных оболочек заряженных частиц плазмы, они имеют дело с фазовым переходом плазмы в квантовый конденсат, о чем и свидетельствует наблюдаемое в эксперименте значительное увеличение длины когерентности. Оказалось, что наблюдаемый в эксперименте механизм обрыва сжатия плазменного шнура под действием сил поверхностного натяжения конденсата может быть выявлен путем рассмотрения компенсации действия суперобменных сил за счет увеличения газодинамического давления плазмы ионно-звуковыми волнами.
Ключевые слова: прямой Z-пинч, лазерное рассеяние, фазовый переход, квантовые обменные силы, плазменный конденсат.
EXPERIMENTAL CONFIRMATION OF THE FACT OF EXISTENCE OF A QUANTUM PLASMA CONDENSATE
A.V. KULAKOV 1, V.A. RANTSEV-KARTINOV 2
1FSSNM The Expertly-Analytical Centre of the Ministry of Education and the Science, Moscow
E-mail: kulan07@yandex.ru 2 NRC "Kurchatov Institute", Moscow E-mail: rankarva@mail.ru
In this paper the results of experiments (on straight linear Z-pinch) by definition of plasma parameters by means of laser scattering (LS) are presented. Parameter of LS, a is inversely to a scale of coherence, and its concrete value strongly influences a spectrum type of LS. Disposing by reliably measured values of key parameters of plasma, observing a spectrum of LS, by comparing its a kind with standard, which correspond to value of parameter of scattering, a of calculated for delivered experiment, authors came up to conclusion, that only by the increasing of scale of coherency almost on the order of size it is possible to take off discrepancy between a form of the obtained and expected spectrum of LS. Authors having in sight (at achievement of well-defined value of initial pressure of working gas ~0,075 mm Hg) else positive jump of density at a moment of maximal compression of plasma in 5—6 time, come to a conclusion, that in the given experiment, due to inclusion of the mechanism of long-distance interactions of electrons of overlapping of polarizing shells of the charged particles of plasma, deal with some phase transition of plasma into a quantum condensate what testifies a substantial growth of length of coherence of observable in experiment It turned out, that the mechanism of rupture of compression of a plasma cord observable in experiment under action of forces of a superficial tension of a condensate can be revealed by consideration of indemnification of action of superexchange forces due to increasing of gas-dynamic pressure of plasma by ionic-sound waves.
Key words: line Z-pinch, laser scattering, phase transition, quantum exchange forces, plasma condensate.
ВВЕДЕНИЕ
Прямой Z-пинч относится к одной из разновидностей электрофизических установок, на которых исследуются параметры термоядерной плазмы и условия зажигания термоядерных реакций в ней. В экспериментах на установках этого типа исследователи имеют дело с веществом, которое возможно будет основой мировой энергетики.
Свойства исследуемой плазмы сильно зависят от того, является ли она идеальной или относится к категории неидеальной. Неидеальной принято называть такую плазму, в которой средняя потенциальная энергия взаимодействия частиц U сравнима с их средней кинетической энергией E. Критерием неидеальности является условие [1]:
Y = U/E > 1. (1)
В зависимости от температуры (T) и давления неидеальная плазма может содержать нейтральные и заряженные компоненты. Поэтому неидеальность может быть обусловлена взаимодействиями свободных зарядов между собой, с нейтральными частицами, а также взаимодействиями нейтральных частиц между собой. Для плазмы достаточно сильно ионизованной, свойства которой определяются кулоновскими взаимодействиями, критерий неидеальности при Z = 1 можно записать
Y = еУ/3/kT > 1, (2)
где n — плотность плазмы; е — заряд электрона. В неидеальной плазме существенную роль играют квантовые эффекты. Они обусловлены тем, что с ростом плотности плазмы такие параметры, как средняя длина свободного пробега электрона, среднее расстояние между частицами, длина экранирования и др., становятся соизмеримыми с тепловой длиной волны де Бройля для электронов [2]. Состояние неидеальной плазмы реализуется при совместном воздействии на вещество сравнительно высокой температуры, обусловливающей его термическую ионизацию, и высокого давления, вызывающего эффекты плотности, в частности, ионизацию давлением. Неидеальность обусловливает ряд специфических явлений в плазме. К ним, например, относятся образование устойчивых групп частиц-кластеров, переход типа диэлектрик-полупроводник—металл, ионизация давлением, появление ионной структуры, возникновение новых фазовых переходов и т.д.
_3
и„ см 3
102 104 106
т„ к
Рис. 1. пеТе-диаграмма
ЭТ-диаграммы
Детальное представление области параметров плазмы, где становится существенной ее неидеальность, дают диаграммы плотность—температура, или так называемые пТ-диа-граммы. Среди этих диаграм особое значение имеют пеТе — диаграммы (пе — концентрация электронов плазмы), характеризующие плазму как кулоновскую систему (см., например, рис. 1) [1].
Дальнейший анализ основан на сравнении характерных длин плазмы, к ним относятся:
— средняя тепловая длина волны де Бройля частицы
X = П/(2шкТ)1'2; (3)
— среднее расстояние между частицами
г = п "1/3; (4)
— амплитуда рассеяния (/) по порядку величины равна среднему радиусу действия межчастичных сил, определяемому из условия равенства среднего потенциала взаимодействия между частицами средней кинетической энергии частиц Е, для оценки можно считать, что
/ ~ а1/2 (5)
(где а — эффективное сечение упругого рассеяния), которую для кулоновских взаимодействий можно записать
1к = е 2/кТ, (6)
т.е. это — амплитуда кулоновского рассеяния;
— радиус электростатического экранирования (радиус Дебая)
Гу = гв = Р^Т « 7,44 • 102Г-Т^!(см); (7)
\А%Пее ) \пе(см ))
— средняя длина свободного пробега частиц
I = (по)-1. (8)
Иногда в качестве критерия неидеальности классической плазмы предлагается использовать величину
С ~ гв//, (9)
равную количеству заряженных частиц в сфере радиуса Дебая. Эта величина родственна критерию у. В самом деле,
г 4 3 4 кТ 1 ГркТ -1
С =~пгвпе =-К--2 ГВПе =- = ^Г , (10)
3 3 4ппее 3 е 3
где
Г = е2/Т]кТ. (11)
Формальное отличие (11) от (2) заключается в том, что здесь в качестве средней потенциальной энергии кулоновского взаимодействия принято значение кулоновского потенциала на радиусе Дебая, а не на среднем расстоянии между частицами п-1,/3. Поэтому некоторые авторы используют иногда в качестве параметра неидеальности плазмы именно эту величину. Параметры у и Г связаны соотношением
у = 0,3414-Г2/3. (12)
Нетрудно убедиться, что при Г = 1 имеем у = 0,3414, при Г = 5,013 — у = 1.
На диаграмме пеТе линия С = 1 представляет собой прямую, параллельную прямой у = 1. При этом ординаты точек прямых С = 1 и у = 1, расположенных на одной вертикали, отличаются на три порядка величины. К плазме, соответствующей зоне между линиями С = 1 и у = 1, в принципе неприменимо приближение дебаевского экранирования. Это является первым признаком неидеальности плазмы. Например, основанные на этом приближении выражения для коэффициентов переноса кулоновских компонент плазмы здесь расходятся. В то же время оценка других величин (например, термодинамических свойств) остается формально возможной, так как поправки на неидеальность для них малы и приближение идеального газа дает вполне разумные результаты. Принято считать линию С = 1 границей перехода от разреженной идеальной плазмы к неидеальной плазме относительно кулоновского взаимодействия, которая будет рассмотрена далее. В связи с этим на диаграмме параметры плазмы, попадающие в область выше линии С = 1 отвечают плазме проявляющей свойства неидеальности.
Потенциал движущегося заряда в плазме
Известно, что покоящийся сторонний заряд, помещенный в классическую изотермическую плазму, создает в ней дебаевский экранирующий потенциал. Экранирование уменьшается, если заряд начинает двигаться. Кроме того, при движении заряда имеет место анизотропия углового распределения его потенциала, она исчезает в случае малых по сравнению с тепловой скоростью плазменных электронов и больших скоростей заряда (при этом полагается, что все скорости много меньше световых, т.е. рассматривается нерелятивисткий случай). Как было показано в работе [3], при движении системы, состоящей из стороннего заряда и создаваемого им поляризационного облака, у него появляется старший мультипольный момент-квадрупольный, который равен нулю только при нулевой скорости стороннего заряда, так что вне поляризационного облака потенциал этой системы на больших расстояниях убывает обратно пропорционально кубу расстояни
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.