ОТКРЫ́ТЫЕ ЛОВУ́ШКИ

ОТКРЫ́ТЫЕ ЛОВУ́ШКИ, раз­но­вид­ность маг­нит­ных ло­ву­шек для удер­жа­ния плаз­мы в оп­ре­де­лён­ном объ­ё­ме про­стран­ст­ва, ог­ра­ни­чен­ном в на­прав­ле­нии вдоль маг­нит­но­го по­ля. В от­ли­чие от замк­ну­тых ло­ву­шек (то­ка­ма­ков, стел­ла­ра­то­ров), имею­щих фор­му то­рои­да, для О. л. ха­рак­тер­на ли­ней­ная гео­мет­рия, при­чём си­ло­вые ли­нии маг­нит­но­го по­ля пе­ре­се­ка­ют тор­це­вые по­верх­но­сти плаз­мы (с этим и свя­за­но про­ис­хо­ж­де­ние тер­ми­на «О. л.» – они от­кры­ты с тор­цов).

Наи­бо­лее рас­про­стра­нён­ный тип О. л. – проб­ко­трон (рис., а). Пред­ло­жен в нач. 1950-х гг. не­за­ви­си­мо Г. И. Буд­ке­ром и Р. Ф. По­стом (США). Силь­ное маг­нит­ное по­ле на кон­цах ло­вуш­ки удер­жи­ва­ет плаз­му, по­это­му их на­зы­ва­ют маг­нит­ны­ми проб­ка­ми.

Удер­жа­ние час­ти­цы в проб­ко­тро­не обу­слов­ле­но адиа­ба­тич. ин­ва­ри­ант­но­стью её маг­нит­но­го мо­мен­та, имею­щей ме­сто, ко­гда лар­мо­ров­ский ра­ди­ус час­ти­цы мал по срав­не­нию с мас­шта­бом из­ме­не­ния маг­нит­но­го по­ля. В не­ре­ля­ти­вист­ском при­бли­же­нии маг­нит­ный мо­мент час­ти­цы $\mu=mv^2_\perp/(2H)$, где $H$ – на­пря­жён­ность маг­нит­но­го по­ля, $m$ – мас­са час­ти­цы, $v_\perp$ – пер­пен­ди­ку­ляр­ная по­лю со­став­ляю­щая ско­ро­сти час­ти­цы. Из адиа­ба­тич. ин­ва­ри­ант­но­сти и за­ко­на со­хра­не­ния энер­гии $\mathscr E$ час­ти­цы сле­ду­ет, что при ус­ло­вии $\mu H_{макс} \gt \mathscr E$ ($H_{макс}$ – макс. зна­че­ние на­пря­жён­но­сти маг­нит­но­го по­ля в проб­ках) час­ти­ца от­ра­жа­ет­ся от про­бок и со­вер­ша­ет фи­нит­ное дви­же­ние внут­ри ло­вуш­ки. В ло­вуш­ке удер­жи­ва­ют­ся толь­ко те час­ти­цы, век­тор ско­ро­сти ко­то­рых име­ет угол с осью маг­нит­но­го по­ля $\theta>\arcsin R^{–1/2}$ ($R=H_{макс}/H$ – про­боч­ное от­но­ше­ние), т. е. ле­жит вне т. н. ко­ну­са по­терь.

В осе­сим­мет­рич­ном проб­ко­тро­не плаз­ма обыч­но под­вер­же­на же­лоб­ко­вой не­ус­той­чи­во­сти, при­во­дя­щей к про­са­чи­ва­нию плаз­мы по­пе­рёк маг­нит­но­го по­ля. Для ста­би­ли­за­ции не­ус­той­чи­во­сти при­ме­ня­ют не­осе­сим­мет­рич­ные маг­нит­ные по­ля.

Различные типы открытых магнитных ловушек (точками показана плазма): а – пробкотрон; б – амбиполярная ловушка (1 – длинный центральный пробкотрон, 2 – короткие концевые п...

Усо­вер­шен­ст­во­ван­ный тип О. л. – ам­би­по­ляр­ная ло­вуш­ка, со­стоя­щая из трёх проб­ко­тро­нов. Для по­вы­ше­ния вре­ме­ни удер­жа­ния ио­нов ис­поль­зу­ет­ся ам­би­по­ляр­ное элек­трич. по­ле. К длин­но­му проб­ко­тро­ну 1 (рис., б) с плаз­мой уме­рен­ной плот­но­сти с ка­ж­дой сто­ро­ны при­сое­ди­ня­ют по ко­рот­ко­му проб­ко­тро­ну 2 с вы­со­кой плот­но­стью плаз­мы. Ме­ж­ду цен­траль­ным и край­ни­ми проб­ко­тро­на­ми воз­ни­ка­ет раз­ность по­тен­циа­лов; для ио­нов це­нт­раль­но­го проб­ко­тро­на по­яв­ля­ет­ся элек­тро­ста­тич. по­тен­ци­аль­ная яма. При боль­шом пе­ре­па­де плот­но­сти глу­би­на по­тен­ци­аль­ной ямы столь ве­ли­ка, что по­те­ри ио­нов из централь­но­го проб­ко­тро­на ста­но­вят­ся пре­неб­ре­жи­мо ма­лы­ми. Т. к. мощ­ность тер­мо­ядер­но­го энер­го­вы­де­ле­ния в нём про­пор­цио­наль­на его дли­не, то, де­лая централь­ный проб­ко­трон дос­та­точ­но длин­ным, мож­но обес­пе­чить по­ло­жи­тель­ный энер­ге­тич. ба­ланс сис­те­мы в це­лом.

Для умень­ше­ния силь­но­го рас­сея­ния ио­нов и по­вы­ше­ния ус­той­чи­во­сти плаз­мы по от­но­ше­нию к же­лоб­ко­вой не­устой­чи­во­сти раз­ра­бо­тан ан­ти­проб­ко­трон, об­ра­зую­щий­ся при встреч­ном вклю­че­нии двух со­ос­ных маг­нит­ных ка­ту­шек (рис., в).

Вре­мя удер­жа­ния плаз­мы уве­ли­чи­ва­ет­ся в О. л. с дли­ной, пре­вы­шаю­щей дли­ну сво­бод­но­го про­бе­га ио­нов $\lambda_i$. По­это­му в нач. 1970-х гг. бы­ла пред­ло­же­на мно­го­про­боч­ная ло­вуш­ка, имею­щая вид це­поч­ки свя­зан­ных ме­ж­ду со­бой проб­ко­тро­нов (рис., г), дли­на ка­ж­до­го из ко­то­рых мень­ше $\lambda_i$. В та­кой О. л. вре­мя жиз­ни плаз­мы воз­рас­та­ет. Дос­то­ин­ст­во мно­го­про­боч­ных О. л. – про­доль­ные по­те­ри плаз­мы не за­ви­сят от мик­ро­флук­туа­ций час­тиц, не­дос­та­ток – дли­на та­ких ус­та­но­вок (в ва­ри­ан­те тер­мо­ядер­но­го ре­ак­то­ра) от­но­си­тель­но ве­ли­ка.

В нач. 21 в. ра­бо­ты по ис­сле­до­ва­нию ам­би­по­ляр­ных сис­тем ве­дут­ся в Япо­нии и Ко­рее. На ус­та­нов­ке «Гам­ма-10» (Япо­ния) вре­мя жиз­ни плаз­мы уве­ли­че­но бо­лее чем в 1000 раз. В Рос­сии (Но­во­си­бирск) по­строе­ны пол­но­стью осе­сим­мет­рич­ные мо­дер­ни­зо­ван­ные О. л.: мно­го­про­боч­ная и га­зо­ди­на­ми­че­ская (ГДЛ), пред­став­ляю­щая со­бой проб­ко­трон с боль­шим (50–100) про­боч­ным от­но­ше­ни­ем. Тер­мо­ядер­ный ре­ак­тор на ос­но­ве ГДЛ воз­мо­жен толь­ко на­чи­ная с её дли­ны ≈ 5 км, но ГДЛ мож­но ис­поль­зо­вать для соз­да­ния ком­пакт­но­го (≈ 15–20 м) мощ­но­го ис­точ­ни­ка ней­тро­нов с плот­но­стью мощ­но­сти 2 МВт/м² (10¹⁴ нейтр/с·см²). Та­кой ис­точ­ник не­об­хо­дим для ис­пы­та­ния ма­те­риа­лов бу­ду­ще­го тер­мо­ядер­но­го ре­ак­то­ра и др. при­ло­же­ний.