Магнитные ловушки

конфигурации магнитного поля (См. Магнитное поле), способные длительное время удерживать заряженные частицы внутри определённого объёма пространства. М. Л. Природного происхождения является магнитное поле Земли. Огромное число захваченных и удерживаемых им космических заряженных частиц высоких энергий (электронов и протонов) образует Радиационные пояса Земли за пределами её атмосферы В лабораторных условиях М. Л. Различных видов исследуют главным образом применительно к проблеме удержания смеси большого числа положительно и отрицательно заряженных частиц — плазмы (См. Плазма). Совершенствование М. Л. Для плазмы направлено на осуществление с их помощью управляемой термоядерной реакции (См. Термоядерные реакции), в которой ядерная энергия лёгких элементов высвобождается не в виде мощного взрыва, а сравнительно медленно, в ходе контролируемого и регулируемого человеком процесса (см.

Управляемый термоядерный синтез). Для того чтобы быть М. Л., магнитное поле должно удовлетворять определённым условиям. Известно, что оно действует только на движущиеся заряженные частицы. Скорость частицы v в любой точке всегда можно представить в виде геометрической суммы двух составляющих — v^, перпендикулярной к напряжённости Н магнитного поля в этой точке, и v||, совпадающей по направлению с Н. Сила F воздействия поля на частицу, так называемая Лоренца сила, определяется только v^ и не зависит от v||. В СГС системе единиц (См. СГС система единиц) F по абсолютной величине равна v^H, где c — скорость света, е — заряд частицы. Сила Лоренца всегда направлена под прямым углом как к v^, так и к v|| и не изменяет абсолютных величины скорости частицы, однако меняет направление этой скорости, искривляя траекторию частицы.

Наиболее простым является движение частицы в однородном магнитном поле (Н повсюду одинакова по величине и направлению). Если скорость частицы направлена поперёк такого поля (v = v^), то её траекторией будет окружность радиуса R (рис. 1, а). Сила Лоренца в этом случае играет роль центростремительной силы (См. Центростремительная сила) (равной mv2^ / R, m — масса частицы), что даёт возможность выразить R через v^ и Н . R = v^ / wн, где wн = eH / mc. Окружность, по которой движется заряженная частица в однородном магнитном поле, называется ларморовской окружностью, её радиус — ларморовским радиусом (Rл), а wн — ларморовской частотой. Если скорость частицы направлена к полю под углом, отличающимся от прямого, то, кроме v^, частица обладает и v||.

Ларморовское вращение при этом сохранится, но к нему добавится равномерное движение вдоль магнитного поля, так что результирующая траектория будет винтовой линией (рис. 1, б). Рассмотрение даже этого простейшего случая однородного поля позволяет сформулировать одно из требований к М. Л. Её размеры должны быть велики по сравнению с Rл, иначе частица выйдет за пределы ловушки. Так как Rл убывает с возрастанием Н, то удовлетворить этому условию можно не только увеличением размеров М. Л., но и увеличением напряжённости магнитного поля. При экспериментах в лабораториях идут по второму пути, в то время как в природных условиях, не стеснённых человеческими масштабами, чаще возникают М. Л. С протяжёнными, но сравнительно слабыми полями (например, радиационный пояс Земли).

Далее, малость Rл обеспечивает ограничение движения частицы в направлении поперёк поля, но его необходимо ограничить и в направлении вдоль силовых линий поля. В зависимости от метода ограничения различают два типа М. Л. Тороидальные и зеркальные (адиабатические). Тороидальные М. Л. Один из способов предотвращения ухода частиц из М. Л. Вдоль направления поля состоит в придании ловушке конфигурации, при которой у объёма, занимаемого ею, вообще нет «концов». Такой конфигурацией является, например, Тор. Ловушка этого типа была первой М. Л., предложенной И. Е. Таммом и А. Д. Сахаровым в 1950 в связи с проблемой осуществления управляемой термоядерной реакции. Простейшим примером М. Л. Этого типа является тороидальный Соленоид (рис. 2, а).

Однако в ловушке со столь простой геометрией поля частицы удерживаются не очень долго. За каждый оборот вокруг тора частица отклоняется на небольшое расстояние поперёк поля (так называемый тороидальный дрейф). Эти смещения накапливаются, и в конце концов частицы попадают на стенки М. Л. Для компенсации тороидального дрейфа можно сделать поле неоднородным вдоль М. Л., как бы «прогофрировав» его (рис. 2, б). Но более удобно создать конфигурацию, при которой силовые линии магнитного поля винтообразно навиваются на замкнутые поверхности, причём эти поверхности вложены одна в другую. Например, если внутри тороидального соленоида поместить проводник с током, проходящий по его средней линии (рис. 2, в), то силовые линии поля будут навиваться на тороидальные поверхности.

Частицы с малым Rл будут не очень сильно отклоняться от этих поверхностей. Аналогичные конфигурации можно создать с помощью внешних обмоток, например, как предложено американским учёным Л. Спицером в 1951, добавляя к обмотке тора (рис. 2, а) винтовую обмотку с попеременно направленными токами. Ещё один способ состоит в скручивании тора в фигуру типа «восьмёрки» (рис. 2, г). Можно также использовать более сложные конфигурации, комбинируя различные элементы «гофрированных» и винтовых полей. Зеркальные М. Л. Другой метод удержания частиц в М. Л. В продольном (по полю) направлении был предложен в 1952 сов. Физиком Г. И. Будкером и независимо от него американскими учёными Р. Постом и Х. Йорком. Он состоит в использовании магнитных пробок, или магнитных зеркал, — областей, в которых напряжённость магнитного поля сильно (но плавно) возрастает.

Такие области могут отражать «падающие» на них вдоль силовых линий поля заряженные частицы. На рисунке 3 изображена траектория частицы в неоднородном магнитном поле, напряжённость которого меняется вдоль его силовых линий. Эффект отражения обусловлен тем, что при продвижении частицы в область более сильного поля при некоторых условиях её поперечная скорость v^, возрастает и увеличивается связанная с этой скоростью «поперечная энергия» частицы .