Πάνω από 2 δισεκατομμύρια βαθμούς! Ανάλυση του έγγραφου του Μαλκόλμ Χέινς (Απρίλιος 2006)

Πάνω από δύο δισεκατομμύρια βαθμούς! Ανάλυση του άρθρου του Μαλκόλμ Χέινς (Απρίλιος 2006)

< u >Πάνω από δύο δισεκατομμύρια βαθμούς!
Το άρθρο του Μαλκόλμ Χέινς

Δημοσιεύτηκε στις 24 Φεβρουαρίου 2006 στο Physical Review Letters

Ενημέρωση στις 16 Ιουλίου 2006 (δεδομένα στο τέλος της γραφικής παράστασης της αύξησης του ρεύματος στη Z-machine)

****Ενημέρωση της 18ης Μαρτίου 2008. Μετά από άρθρο που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Science et Avenir

**papier_Haines.htm#vilnius ** ****

σίδηρος

Μηχανή Z της Sandia

Καμπύλη αύξησης θερμοκρασίας

διάταξη συρμάτων

Λαπλάς

καρδιά πουλιού

σχηματισμός κελύφους

Συμπίεση σε δίκονο

Εξέλιξη ταχύτητας στο κελύφος με σύρματα

Για τους μη επιστήμονες

Οι αναγνώστες ρωτούν αν οι θερμοκρασίες των ιόντων που υπερβαίνουν τα δύο δισεκατομμύρια βαθμούς έχουν πραγματικά μετρηθεί. Η απάντηση είναι ναι. Ωστόσο, ήδη από το 1998, είχε παρατηρηθεί ένα αποκαλυπτικό φαινόμενο σε πειράματα συμπίεσης πλάσματος με τη Z-machine. Τα πειράματα αφορούσαν διαφορετικές διατάξεις. Για παράδειγμα, όταν η "κλουβί" συμπίεζε, εκπέμπονταν μια "πνοή αερίου" (gas puff), δηλαδή μια "πνοή αερίου", ακριβώς στο κέντρο, το οποίο τότε συμπιέζεται. Η εκπομπή ακτίνων Χ επέτρεψε τη μέτρηση της ηλεκτρονικής θερμοκρασίας. Ένα πλάσμα είναι μίγμα "δύο ειδών": τα ιόντα, βαριά, και τα ηλεκτρόνια, ελαφριά. Σε ένα "πλάσμα σιδήρου", σε "ιονισμένο σίδηρο", τα πυρήνες

(56 νουκλεόνια, 26 πρωτόνια) είναι 100.000 φορές βαρύτερα από τα ηλεκτρόνια (οι πυρήνες αποτελούνται από "νουκλεόνια" με πολύ παρόμοιες μάζες: τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια. Ένα ηλεκτρόνιο είναι 1850 φορές ελαφρύτερο από ένα πρωτόνιο).

Ένα σωλήνα νέον περιέχει επίσης "αυτά τα δύο είδη", τα ηλεκτρόνια και τα ιόντα νέου (ακόμα και αν σε αυτή την περίπτωση δεν έχουν αποκομιστεί εντελώς από το "ηλεκτρονικό τους φύλλο"). Όταν ο σωλήνας λειτουργεί, περιέχει ένα μίγμα "δύο θερμοκρασιών", όπου τα αέρια από τα άτομα, τα ιόντα νέου, παραμένουν ψυχρά. (Μπορείτε να αγγίξετε το σωλήνα με το χέρι), αλλά όπου το "αέριο ηλεκτρονίων" είναι πολύ ζεστό, φτάνοντας σε 10.000°C. Γιατί δεν αισθάνεστε αυτή τη θερμότητα με το χέρι; Διότι τα ηλεκτρόνια, τα φτωχά, είναι πολύ αποκλειστικά για να σας μεταφέρουν ενέργεια, θερμότητα. Αντίθετα, έχουν αρκετή ενέργεια για να διεγείρουν, με συγκρούσεις, το φωσφορίζον υλικό που επικαλύπτει το εσωτερικό του σωλήνα. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο τους αποκαλούμε

φωσφορίζοντα σωλήνες

. Η φθορισμός είναι η ικανότητα να απορροφά ακτινοβολία και να την επανεκπέμπει σε μια διαφορετική συχνότητα. Για παράδειγμα, η φλουορεσκείνη απορροφά την ηλιακή ακτινοβολία και επανεκπέμπει στο πράσινο. Τα πουκάμισα από νυλόν μπορούν να απορροφήσουν υπεριώδη ακτινοβολία και να την επανεκπέμψουν στο ορατό (είναι η "μαύρη φωτισμός" των πολυτελών νυχτερινών κέντρων) κ.λπ. Το λευκό υλικό του σωλήνα νέου είναι βομβαρδισμένο από ηλεκτρόνια που έχουν ενέργειες που αντιστοιχούν στην περιοχή των υπεριώδων, αλλά όταν χτυπούν τις ουσίες που αποτελούν το υλικό προκαλούν επανέκπτωση στο ορατό. Το υλικό αυτό σχηματίζεται με τέτοιο τρόπο ώστε κατά την επανέκπτωση το φως του να είναι όσο πιο κοντά γίνεται στο ορατό. Αλλά δεν είναι ακριβώς έτσι. Αυτός είναι ο λόγος που το φως των νέων σας φαίνεται τόσο "περίεργο".

Το κύριο που πρέπει να θυμηθείτε είναι ότι μπορεί να υπάρχουν μέσα "δύο θερμοκρασίες". Η αιτία αυτής της κατάστασης είναι ότι το ηλεκτρικό πεδίο στο εσωτερικό του σωλήνα, συνδεδεμένο με την τάση των ηλεκτροδίων, μεταφέρει προτεραιότητα ενέργεια στα ηλεκτρόνια, τα οποία τη μεταφέρουν στα ιόντα μέσω συγκρούσεων. Αλλά επειδή η μεταφορά ενέργειας μεταξύ αερίου ηλεκτρονίων και αερίου ιόντων είναι αποτυχημένη, μπορεί να υπάρχει πολύ μεγάλη διαφορά θερμοκρασίας. Αυτό οφείλεται ειδικά στο γεγονός ότι το μέσο είναι αραιωμένο. Αν ο σωλήνας διαρρέει και η πίεση αυξάνεται, αυτή η "κατάσταση εκτός ισορροπίας" εξαφανίζεται αμέσως. Ισχυρά συζευγμένο με τα ιόντα, το αέριο ηλεκτρονίων ψύχεται πολύ γρήγορα. Τότε αυτά τα ηλεκτρόνια, λιγότερο "κινητικά" (η απόλυτη θερμοκρασία σε ένα αέριο αντιστοιχεί στην κίνηση της θερμικής διακύμανσης), επιστρέφουν προσεκτικά στα άτομα που αποιονίζονται, γίνονται ξανά ουδέτερα.

Το πείραμα της Z-machine οδήγησε σε μία πολύ περίεργη κατάσταση. Υπάρχουν δύο είδη παρόντα:

Το αέριο των ηλεκτρονίων
Το αέριο των ιόντων (στο ανοξείδωτο, κυρίως πυρήνες σιδήρου, θετικά φορτισμένοι)

Όταν άνθρωποι, από το 1998, προσπαθούσαν να εξηγήσουν τις μετρήσεις τους, είχαν πρόσβαση μόνο στη θερμοκρασία των ηλεκτρονίων, κάνοντας μετρήσεις στις ακτίνες Χ που εκπέμπονται. Γιατί το αέριο των ηλεκτρονίων είναι σε αυτά τα πειράματα η κύρια πηγή αυτής της ακτινοβολίας; Διότι γύρω από το πλάσμα υπάρχει ένα πολύ ισχυρό μαγνητικό πεδίο. Όταν τα ηλεκτρόνια, που εκτοξεύονται με 40.000 km/s, εισέρχονται σε αυτή την περιοχή όπου υπάρχει ισχυρό μαγνητικό πεδίο, αυτά περιστρέφονται. Τότε "κράζουν", εκπέμπουν "ακτινοβολία φρεναρίσματος". Με τη μέτρηση αυτών των ακτίνων Χ που εκπέμπονται, οι πειραματιστές μέτρησαν τη θερμοκρασία αυτού του αερίου ηλεκτρονίων: 35 εκατομμύρια βαθμούς στα πειράματα που περιγράφονται στο παρόν άρθρο.

Αλλά με τη βοήθεια τύπων (η "σχέση του Μπένετ"), αν προσπαθούσαν να εκτιμήσουν τη θερμοκρασία που έπρεπε να έχουν τα ιόντα σιδήρου για να αντισταθμίσουν την τεράστια "πίεση μαγνητική", πρέπει να αποδεχθούν ότι η τιμή θα έπρεπε να είναι σημαντικά υψηλότερη. Από το 1998, ανεξάρτητα από τα πειράματα που διεξήχθησαν, αυτή η διαφορά θερμοκρασίας εμφανίζεται ως προφανής. Χρειαζόταν αυτές τις υψηλές τιμές για να μην συμπιεστεί αμέσως το πλάσμα από τη μαγνητική πίεση. Παρατηρούμε ότι αυτό υποδηλώνει κατάσταση εκτός ισορροπίας (στη θερμοδυναμική ισορροπία, όλες οι θερμοκρασίες των ειδών που αποτελούν ένα αέριο μίγμα είναι ίσες), μία κατάσταση δύο θερμοκρασιών αντίστροφη από εκείνη του σωλήνα νέου, όπου τώρα το αέριο των ιόντων είναι πιο ζεστό από το αέριο των ηλεκτρονίων.

Απλή παρατήρηση: Τι δημιουργεί αυτή τη "θερμοδυναμική ισορροπία"; Είναι οι ανταλλαγές ενέργειας μεταξύ σωματιδίων, μέσω συγκρούσεων. Η ενέργεια είναι για παράδειγμα η κινητική ενέργεια

. Γιατί ο δείκτης i; Διότι ένα πλάσμα είναι μίγμα διαφορετικών ειδών, v

είναι η ταχύτητα θερμικής διακύμανσης και η

είναι η "μέση τετραγωνική ταχύτητα". Έτσι

είναι η μέση κινητική ενέργεια, στο είδος που εξετάζεται. Αυτή είναι η ίδια ορισμός της απόλυτης θερμοκρασίας, που μετρά τη μέση κινητική ενέργεια (θερμική διακύμανση) ενός δεδομένου είδους, σύμφωνα με τη σχέση:

όπου k είναι η σταθερά του Boltzmann, που είναι 1,38 10

Στις συγκρούσεις τα σωματίδια ανταλλάσσουν ενέργεια. Αυτό το φαινόμενο τείνει προς την ισοκατανομή της ενέργειας. Όταν πρόκειται για καθαρά κινητική ενέργεια, τα διάφορα είδη τείνουν να αποκτήσουν ίση κινητική ενέργεια θερμικής διακύμανσης. Έτσι, έχουν ίσες

απόλυτες θερμοκρασίες

Έστω δύο σωματίδια με διαφορετικές μάζες m

και m

και έστω i το ελαφρύτερο.

Η θεωρία των αερίων

μας λέει ότι ο ρυθμός μεταφοράς κινητικής ενέργειας σε μία σύγκρουση θα είναι ανάλογος του λόγου

Αν οι μάζες είναι πολύ διαφορετικές, παρατηρούμε ότι σε μία δεδομένη θερμοκρασία (αρκετά υψηλή για να είναι το μέσο ιονισμένο, να υπάρχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια), η διαφορά των μαζών κάνει τις ταχύτητες θερμικής διακύμανσης των ηλεκτρονίων και των ιόντων πολύ διαφορετικές. Πάρτε την περίπτωση ενός πλάσματος υδρογόνου δευτερίου-τριτίου, με μέση ατομική μάζα 2,5 (2 για το δευτέριο, 3 για το τρίτιο). Υποθέστε ότι το αέριο των ιόντων είναι σε 100.000.000°C (σε ένα τοκαμάκ). Η ταχύτητα θερμικής διακύμανσης θα είναι:

τάξης (3 k T

Ένα πρωτόνιο ζυγίζει 1,6 10

κιλο

Η μέση μάζα των ιόντων υδρογόνου είναι λοιπόν 1,6 10

2,5, δηλαδή 4 10

κιλο

Η μέση ταχύτητα θερμικής διακύμανσης των ιόντων υδρογόνου είναι λοιπόν, σε ένα τοκαμάκ 10

m/s, δηλαδή

χιλιάδες χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο

. Ένας ενδιαφέρων αριθμός για να θυμηθείτε. Σε ένα τοκαμάκ καθορίζεται η θερμοδυναμική ισορροπία. Η θερμοκρασία του αερίου ηλεκτρονίων είναι ίδια με αυτή των ιόντων. Αλλά η ταχύτητα διακύμανσης των ηλεκτρονίων είναι μεγαλύτερη από αυτή των ιόντων, στο αντίστροφο της τετραγωνικής ρίζας του λόγου των μαζών.

Η μάζα ενός ηλεκτρονίου είναι

= 0,91 10

κιλο

Σε ένα πλάσμα βαρέος υδρογόνου ο λόγος των μαζών είναι 4400, και ο λόγος των ταχυτήτων διακύμανσης είναι η τετραγωνική ρίζα αυτού του αριθμού, δηλαδή 66. Η ταχύτητα θερμικής διακύμανσης των ηλεκτρονίων σε ένα τοκαμάκ είναι λοιπόν 66 φορές μεγαλύτερη από αυτή των ιόντων και είναι λοιπόν 66.000 km/s, δηλαδή 20% της ταχύτητας του φωτός. Απλή παρατήρηση.

Στο πλάσμα σιδήρου των Z-machine ο λόγος των μαζών φτάνει τα 100.000. Σε ένα πλάσμα σιδήρου σε ισορροπία, ο λόγος των θερμικών ταχυτήτων μεταξύ ηλεκτρονίων και ιόντων σιδήρου θα ήταν 316. Αλλά, όπως θα δούμε παρακάτω, το πλάσμα σιδήρου των Z-machine είναι πολύ εκτός ισορροπίας. Η διαφορά με τους φωσφορίζοντες σωλήνες είναι ότι τώρα η θερμοκρασία των ηλεκτρονίων είναι 100 φορές χαμηλότερη από αυτή των ιόντων. Επομένως πρόκειται για ένα νέο είδος πλάσματος

σε αντίστροφη κατάσταση εκτός ισορροπίας

Είναι ένα νέο μέσο, λιγότερο γνωστό, που χρειάζεται εξερεύνηση. Στην πραγματικότητα, ένας αληθινός "δυτικός δρόμος" για πειραματιστές και θεωρητικούς. Μία Z-machine είναι πρώτα απ' όλα ένας ισχυρός ηλεκτρικός γεννήτριας:

Η Z-machine της Sandia, πριν το 2007

(έχει τροποποιηθεί από τότε και μετατραπεί σε ZR, Z "refurbished")

Παρέχει παλμούς 18 εκατομμυρίων αμπέρ, σε 100 νανοδευτερόλεπτα. Ένα νανοδευτερόλεπτο είναι μια δισεκατομμυριοστή του δευτερολέπτου. Η ηλεκτρική ένταση αυξάνεται γραμμικά: Καμπύλη αύξησης της ηλεκτρικής έντασης στη Z-machine (όμοια στη ZR)

Η Z-machine ZR, λειτουργική από το 2007, ικανή να φτάσει τα 26 εκατομμύρια αμπέρ, πάλι σε 100 νανοδευτερόλεπτα

Η Z-machine εκπέμπει αυτό το ρεύμα σε ένα "σωλήνα με σύρματα", μία γέφυρα που μοιάζει με κλουβί πουλιού, ύψους 5 cm και διαμέτρου 8 cm, αποτελούμενη από 240 σύρματα ανοξείδωτου χάλυβα, λεπτότερα από ένα μαλλί:

Κατασκευή του "σωλήνα με σύρματα"

Σε κάθε σύρμα περνά:

75.000 αμπέρ

Κάθε σύρμα δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο, το οποίο αλληλεπιδρά με τα γειτονικά σύρματα σύμφωνα με τη δύναμη Laplace I B. Αυτές οι δυνάμεις είναι κεντρομόλες και τείνουν να συγκεντρώσουν όλα αυτά τα σύρματα κατά μήκος του άξονα του συστήματος.

Οι δυνάμεις Laplace τείνουν να συγκεντρώσουν τα σύρματα κατά μήκος του άξονα του συστήματος

Το σχέδιο που είχε πολύ περισσότερη αποδοχή από τον Γκερόλντ Γιόνας, τον εφευρέτη της μηχανής

Καθώς συγκεντρώνονται, τα μεταλλικά σύρματα υποβασίζονται σταδιακά:

Σχηματισμός του κελύφους πλάσματος

(διδακτορική διατριβή του Μαθιά Μπαβέ)

Η δομή από σύρματα διατηρεί την άξονα συμμετρίας και εμποδίζει την εμφάνιση αστάθειας MHD. Τα γνώμη είναι διχοτομημένες όσον αφορά τη συμπεριφορά αυτού του σωλήνα με σύρματα κατά τη διάρκεια της συμπίεσης. Το σύρμα περιβάλλεται από μία γάστρα πλάσματος σιδήρου. Το πείραμα δείχνει ότι τα σύρματα αφήνουν πίσω τους μία είδους "ουρά κομήτη" που αντιπροσωπεύει το 30% της μάζας τους.

Η γραφική παράσταση αυτής της συμπίεσης μπορεί να υπολογιστεί (βλ. παρακάτω). Ο ακτινικός ακτίνας της κλουβί είναι 4 cm και ο χρόνος 100 νανοδευτερόλεπτα, άρα η μέση ταχύτητα σύγκλισης είναι 400 km/s. Υπάρχει στην πραγματικότητα επιτάχυνση λίγο πριν τη σύγκρουση. Η ταχύτητα των ιόντων πριν τη σύγκρουση είναι μεταξύ 550 και 650 km/s. Η διατήρηση της άξονα συμμετρίας κάνει ώστε το πλάσμα σιδήρου να αποτελέσει στο τέλος της συμπίεσης ένα σύρμα διαμέτρου μισού χιλιοστού.

Ιόντα και ηλεκτρόνια συγκλίνουν στην ίδια ταχύτητα προς τον άξονα. Δεν είναι δυνατό να διαχωρίσουμε τις δύο πληθυσμούς λόγω των ισχυρών ηλεκτροστατικών δυνάμεων που τους συνδέουν. Όταν αυτά τα σωματίδια, ιόντα σιδήρου και ηλεκτρόνια, συγκρούονται γύρω από τον άξονα, πραγματοποιείται θερμική ισορροπία, δηλαδή, κατά την αρχή, η κινητική ενέργεια που σχετίζεται με την ακτινική ταχύτητα διανέμεται σε όλες τις κατευθύνσεις. Αυτό ισχύει για τα ιόντα όπως και για τα ηλεκτρόνια.

Αγνοήστε πρώτα τα ηλεκτρόνια και φανταστείτε μία πληθυσμό αντικειμένων με μάζα ίδια με τη μάζα των ιόντων σιδήρου που βρίσκονται γύρω από τον άξονα με 650 km/s.

Η μάζα των ιόντων σιδήρου είναι 9 10

κιλο

Θα γράψουμε:

V = 600 km/s

Παίρνουμε μία θερμοκρασία ιόντων 925 εκατομμύρια βαθμών. Απλή μετατροπή αυτής της ακτινικής ταχύτητας σε ταχύτητα θερμικής διακύμανσης των ιόντων.

Εκτελέστε το ίδιο υπολογισμό για τα ηλεκτρόνια, παίρνουμε μία θερμοκρασία 100 φορές χαμηλότερη, στα 9250 βαθμούς. Ένα ισχυρό κατάσταση αντίστροφης εκτός ισορροπίας. Τότε εισέρχονται σε σύγκρουση. Για τα ιόντα, ο Μαλκόλμ Χέινς υπολόγισε ότι ο χρόνος αποκατάστασης (ο χρόνος θερμικής ισορροπίας του αερίου ιόντων, εγκαθίδρυσης μίας συνάρτησης διανομής των ταχυτήτων) ήταν 37 πικοδευτερόλεπτα, δηλαδή 3,7 10

δευτερόλεπτα. Αυτός ο χρόνος είναι μικρότερος από το "χρόνο στάσης" του πλάσματος, σε μορφή εξαιρετικά πυκνού και ζεστού συρματίου, με μέγεθος όπως το μολύβι.

Οι μετρήσεις (εκπομπή ακτίνων Χ με "ακτινοβολία φρεναρίσματος", αλληλεπίδραση ηλεκτρονίων-ιόντων) δίνουν μία θερμοκρασία 30 εκατομμύρια βαθμών. Το αέριο των ηλεκτρονίων έχει λοιπόν θερμανθεί. Θα το αναλύσουμε παρακάτω. Συνηθίζουμε να κωδικοποιούμε τις υψηλές θερμοκρασίες σε ηλεκτρονικά βολτ, σύμφωνα με τη σχέση

e V = k T

όπου e (μοναδιαίο φορτίο) = 1,6 10-19 κουλόμπ

Αν έχουμε ένα μέσο που αντιπροσωπεύει μία θερμοκρασία, κωδικοποιημένη σε "ηλεκτρονικά βολτ", που είναι 1 "eV", αυτό αντιστοιχεί σε θερμοκρασία

T = e / k = 11.600° K

Επειδή λογίζουμε σε τάξεις μεγέθους, συνηθίζουμε να μετατρέπουμε τα ηλεκτρονικά βολτ σε βαθμούς Kelvin κάνοντας απλώς

T = 10.000 V

Έτσι, ένα "keV", ένα χιλιοηλεκτρονικό βολτ, αντιστοιχεί σε 10.000°

Οι μετρήσεις της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας (στην περιοχή των ακτίνων Χ) δίνουν μία θερμοκρασία 30 keV, που στρογγυλοποιείται σε 30 εκατομμύρια βαθμούς.

Άλλο πρόβλημα: βρίσκουμε ότι το αέριο των ιόντων είναι 3 έως 4 φορές ζεστότερο από αυτό που θα είχαμε με απλή θερμική ισορροπία. Οι μετρήσεις της θερμοκρασίας δίνουν μία τιμή υψηλότερη από 2 δισεκατομμύρια βαθμών, φτάνοντας ακόμα και στη μέγιστη τιμή των 3,7 δισεκατομμυρίων βαθμών. Από πού προέρχεται λοιπόν αυτή η ενέργεια; Εδώ θα συζητήσουμε γι' αυτό παρακάτω.

Μετρήσεις θερμοκρασίας έγιναν χρησιμοποιώντας την κλασική μέθοδο της εκτίμησης της διεύρυνσης των φασματικών γραμμών λόγω αποκλίσεως Doppler. Οι πυρήνες (όπως τα άτομα, τα μόρια) εκπέμπουν ακτινοβολία σύμφωνα με ένα συγκεκριμένο φάσμα που περιέχει χαρακτηριστικές γραμμές.

Αν το μέσο είναι σχετικά ψυχρό, αυτές οι γραμμές είναι λεπτές.

Φάσμα εκπομπής του ανοξείδωτου χάλυβα "σχετικά ψυχρό", θερμανθέν σε θερμοκρασία 100.000° K

Αναγνωρίζουμε τις γραμμές του χρωμίου (οι πρώτες, αριστερά), στη συνέχεια εκείνες του μαγγανίου, του σιδήρου και του νικελίου.

Σε αυτόν τον ανοξείδωτο χάλυβα το άνθρακα αντιπροσωπεύει 0,15% του μίγματος και οι γραμμές του δεν είναι ορατές.

Οι γραμμές αντιστοιχούν σε ηλεκτρονικές διεγέρσεις. Γύρω από έναν πυρήνα περιφέρονται ηλεκτρόνια, σε καθορισμένες τροχιές, για λόγους που σχετίζονται με την κβαντική μηχανική (η κβάντωση των τροχιών). Μία προσφορά ενέργειας από οποιαδήποτε πηγή μπορεί να προκαλέσει "μετάβαση", δηλαδή αλλαγή τροχιάς ενός από τα ηλεκτρόνια. Αυτή η αλλαγή γίνεται πάντα με την κατεύθυνση της μετακίνησης των ηλεκτρονίων προς μία πιο απομακρυσμένη τροχιά, που αντιπροσωπεύει περισσότερη ενέργεια. Δεν χρειάζεται να κάνετε πολύπλοκους υπολογισμούς για να εξηγήσετε αυτή την ιδέα. Ξέρετε πολύ καλά ότι για να τοποθετήσετε φορτία μάζας M σε τροχιά, όσο ψηλότερη είναι η τροχιά, τόσο πιο ισχυρή πρέπει να είναι η πύραυλος. Η προσφορά ενέργειας βάζει λοιπόν το ηλεκτρόνιο σε μία "υψηλότερη" τροχιά, πιο απομακρυσμένη από τον πυρήνα. Δεν μένει για πολύ (υπάρχει μία διάρκεια ζωής για αυτές τις διεγερμένες καταστάσεις) και δεν καθυστερεί να πέσει σε μία πιο κοντινή τροχιά προς τον πυρήνα. Κατά τη διαδικασία αυτή χάνει ενέργεια που εκπέμπεται ως φωτόνιο με ενέργεια ίση με τη διαφορά ενέργειας των δύο επιπέδων τροχιάς. Έτσι προκύπτει αυτό το φάσμα σε "γραμμές".

Ένα άτομο όπως το σίδηρο έχει 26 ηλεκτρόνια.

Όλα είναι σε θέση να αλλάξουν τροχιά, να κατεβούν, όχι απαραίτητα στην αρχική τροχιά τους. Έτσι προκύπτει ένα φάσμα από μία πολυάριθμη γραμμές. Κάποιες είναι υψηλότερες από άλλες. Τι αντιπροσωπεύει αυτή η "ύψος των γραμμών"; Τη δύναμη που εκπέμπεται σε αυτή τη συχνότητα. Μία γραμμή μετρά τη συμβολή μίας συγκεκριμένης μετάβασης. Κάποιες μεταβάσεις είναι πιο πιθανές από άλλες. Είναι αυτές οι πιο πιθανές, λοιπόν συχνές μεταβάσεις που θα δώσουν την κύρια ακτινοβολία. Αν ρίξετε μία ματιά στο διάγραμμα παραπάνω, βλέπετε ότι για ανοξείδωτο χάλυβα με θερμοκρασία μεταξύ 58.000 (5 ηλεκτρονικά βολτ) και 116.000° K (10 ηλεκτρονικά βολτ), η μεγαλύτερη εκπομπή προέρχεται από μία γραμμή του χρωμίου. Η γραμμή του μαγγανίου είναι "πιο συγκρατημένη". Σε αυτές τις θερμοκρασίες τα άτομα είναι ήδη πολύ αποδεσμευμένα από τα ηλεκτρόνια. Αλλά παραμένουν. Πόσα; Δεν έχω στα χέρια μου βιβλίο για να σας απαντήσω. Η αποδέσμευση είναι διαδοχική. Δεν ξέρω σε ποια θερμοκρασία χρειάζεται να φέρουμε το σίδηρο ή το χρώμιο για να επιτευχθεί πλήρης αποδέσμευση, δηλαδή να αποκοπεί το τελευταίο ηλεκτρόνιο. Αυτό υπολογίζεται βέβαια. Είναι η ενέργεια που χρειάζεται για να αποκομίσει το τελευταίο ηλεκτρόνιο από έναν πυρήνα με 26 θετικά φορτία.

Αυτό που μετρήθηκε στα πειράματα της Sandia αφορά σε ένα φάσμα διέγερσης-αποδιέγερσης των ηλεκτρονίων που παρέμειναν γύρω από τους πυρήνες.

Η διεύρυνση των γραμμών σχετίζεται με το φαινόμενο Doppler-Fizeau.

Φάσμα του ίδιου υλικού, θερμανθέν σε δισεκατομμύρια βαθμούς. Το φαινόμενο Doppler προκάλεσε τη διεύρυνση των γραμμών

Η συχνότητα που αντιστοιχεί σε μία συγκεκριμένη μετάβαση (σε μία γραμμή) θα είναι υψηλότερη αν το άτομο πλησιάζει τον παρατηρητή και χαμηλότερη αν απομακρύνεται (τότε είναι "redshift"). Έτσι, η θερμική διακύμανση

διευρύνει τις γραμμές

. Οι μετρήσεις, αξιόπιστες, έγιναν και επιβεβαίωσαν αυτές τις υψηλές τιμές της θερμοκρασίας των ιόντων, που μετρώνται σε δισεκατομμύρια βαθμούς (

μεταξύ 2,66 και 3,7 δισεκατομμυρίων βαθμών

Αποτελέσματα Μαΐου 2005 στη Z-machine της Sandia.

Σε μαύρο, η αύξηση της θερμοκρασίας των ιόντων. Σε μπλε, ο διάμετρος του πλάσματος.

Στον άξονα x: ο χρόνος σε νανοδευτερόλεπτα

(ένα νανοδευτερόλεπτο είναι μια δισεκατομμυριοστή του δευτερολέπτου)

Η αύξηση της θερμοκρασίας δεν είναι ένα γεγονός μεταξύ άλλων. Είναι μία μεγάλη επιστημονική ανακάλυψη και πολύ πιθανό να έχει σημαντικές συνέπειες για τη διεθνή κοινωνία.

Έτσι, τα ιόντα φτάνουν να είναι εκατό φορές ζεστότερα από τα ηλεκτρόνια

. Μέχρι τώρα αυτή ήταν η μόνη εξήγηση που ήταν δυνατή, αλλά τώρα αυτό μπορεί να μετρηθεί, σε πειράματα πλήρως επαναλήψιμα. Επιπλέον, αυτή η θερμοκρασία των ιόντων

αυξάνει με την πάροδο του χρόνου.

Τέλος, η ενέργεια που εκπέμπεται από το αέριο των ηλεκτρονίων, υπό μορφή ακτίνων Χ, αποδείχθηκε να είναι 3 έως 4 φορές μεγαλύτερη από την κινητική ενέργεια που είχαν τα σωλήνες ανοξείδωτου χάλυβα του "σωλήνα με σύρματα" όταν βρέθηκαν συγκεντρωμένα στον άξονα

Ο Χέινς και οι συνεργάτες του προσπάθησαν στο επόμενο άρθρο να διευκρινίσουν αυτό το μυστήριο. Από πού μπορούσε να προέλθει αυτή η ενέργεια;

Όταν εκκινείται η Z-machine, η ενέργεια διανέμεται σε διάφορες μορφές. Υπάρχει η θερμική ενέργεια του πλάσματος, που αντιστοιχεί στο άθροισμα των κινητικών ενεργειών των συστατικών του (κυρίως η κινητική ενέργεια των ιόντων σιδήρου). Αλλά υπάρχει και μία άλλη ενέργεια, δυσκολότερη να κατανοηθεί:

η μαγνητική ενέργεια

που διανέμεται σε όλο το χώρο γύρω από το λεπτό σύρμα πλάσματος που σχηματίζεται στον άξονα. Έτσι, ο Χέινς υπέθεσε ότι "αστάθειες MHD" μπορεί να προκύψουν που θα επέτρεπαν στο πλάσμα να ανακτήσει μέρος αυτής της ενέρ

μας λέει ότι ο ρυθμός μεταφοράς κινητικής ενέργειας σε μία σύγκρουση θα είναι ανάλογος του λόγου

Εάν οι μάζες είναι πολύ διαφορετικές, παρατηρούμε ενδεχομένως ότι σε μία δεδομένη θερμοκρασία (αρκετά υψηλή ώστε το μέσο να είναι ιονισμένο, να υπάρχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια) η διαφορά των μαζών κάνει τις ταχύτητες της θερμικής δραστηριότητας των ηλεκτρονίων και των ιόντων πολύ διαφορετικές. Πάρτε την περίπτωση ενός πλάσματος υδρογόνου δευτερίου-τριτίου, με μέση ατομική μάζα 2,5 (2 για το δευτέριο, 3 για το τρίτιο). Φανταστείτε ότι το αέριο ιόντων είναι στους 100.000.000 βαθμούς (σε ένα τοκαμάκ). Η ταχύτητα της θερμικής δραστηριότητας θα είναι:

της τάξης των ( 3 k T

Ένα πρωτόνιο ζυγίζει 1,6 10

κιλό

Η μέση μάζα των ιόντων υδρογόνου είναι λοιπόν 1,6 10

2,5, δηλαδή 4 10

κιλό

Η μέση ταχύτητα θερμικής δραστηριότητας των ιόντων υδρογόνου σε ένα τοκαμάκ είναι λοιπόν, σε 10

m/s, δηλαδή

χίλια χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο

. Ένας αριθμός που είναι ενδιαφέρον να θυμηθεί κανείς. Σε ένα τοκαμάκ ισχύει η κατάσταση θερμοδυναμικής ισορροπίας. Η θερμοκρασία του αερίου ηλεκτρονίων είναι η ίδια με εκείνη των ιόντων. Αλλά η ταχύτητα δραστηριότητας των ηλεκτρονίων είναι μεγαλύτερη από εκείνη των ιόντων, στο αντίστροφο της τετραγωνικής ρίζας του λόγου των μαζών.

Η μάζα ενός ηλεκτρονίου είναι

= 0,91 10

κιλό

Σε ένα πλάσμα βαρέος υδρογόνου ο λόγος των μαζών είναι 4400, και ο λόγος των ταχυτήτων θερμικής δραστηριότητας είναι η τετραγωνική ρίζα αυτού του αριθμού, δηλαδή 66. Η ταχύτητα θερμικής δραστηριότητας των ηλεκτρονίων σε ένα τοκαμάκ είναι λοιπόν 66 φορές μεγαλύτερη από εκείνη των ιόντων και είναι λοιπόν 66.000 km/s, δηλαδή 20% της ταχύτητας του φωτός. Μία απλή παρατήρηση.

Στο πλάσμα σιδήρου των μηχανών Z ο λόγος των μαζών φτάνει τα 100.000. Σε ένα πλάσμα σιδήρου σε ισορροπία, ο λόγος των θερμικών ταχυτήτων μεταξύ ηλεκτρονίων και ιόντων σιδήρου θα ήταν 316. Αλλά, όπως θα δούμε παρακάτω, το πλάσμα σιδήρου των μηχανών Z είναι πολύ εκτός ισορροπίας. Η διαφορά με τα φθοριστικά σωλήνες είναι ότι αυτή τη φορά η θερμοκρασία των ηλεκτρονίων είναι 100 φορές μικρότερη από εκείνη των ιόντων. Επομένως πρόκειται για ένα νέο είδος πλάσματος

σε κατάσταση αντίστροφης μη-ισορροπίας

Είναι ένα νέο μέσο, πολύ λίγο γνωστό, που χρειάζεται εξερεύνηση. Στην πραγματικότητα ένας αληθινός «δυτικός» για πειραματιστές και θεωρητικούς. Μία μηχάνη Z είναι πρώτα απ’ όλα ένας ισχυρός ηλεκτρικός γεννήτριας:

Η μηχάνη Z της Sandia, πριν το 2007

(έχει αλλάξει από τότε και μετατραπεί σε ZR, Z "ανακαινισμένη")

Παρέχει παλμούς 18 εκατομμυρίων αμπέρ, σε 100 νανοδευτερόλεπτα. Ένα νανοδευτερόλεπτο είναι ένα δισεκατομμύριο του δευτερολέπτου. Η ηλεκτρική ένταση αυξάνεται γραμμικά: Γραφική παράσταση της αύξησης της ηλεκτρικής έντασης στη μηχάνη Z (όμοια και στη ZR)

Η μηχάνη ZR, λειτουργική από το 2007, ικανή να φτάσει τα 26 εκατομμύρια αμπέρ, πάλι σε 100 νανοδευτερόλεπτα

Η μηχάνη Z στέλνει αυτό το ρεύμα σε ένα «σωλήνα από σύρματα», ένα είδος καλύβας με 5 cm ύψος και 8 cm διάμετρο, αποτελούμενη από 240 σύρματα από ανοξείδωτο χάλυβα, λεπτότερα από ένα τρίχα:

Δομή του «σωλήνα από σύρμα»

Σε κάθε σύρμα περνά λοιπόν:

75.000 αμπέρ

Κάθε σύρμα δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο, το οποίο αλληλεπιδρά με τα γειτονικά σύρματα σύμφωνα με τη δύναμη Laplace I B. Αυτές οι δυνάμεις είναι κεντρομόλες και προσπαθούν να συγκεντρώσουν όλα αυτά τα σύρματα κατά μήκος του άξονα του συστήματος.

Οι δυνάμεις Laplace προσπαθούν να συγκεντρώσουν τα σύρματα κατά μήκος του άξονα του συστήματος

Το σχέδιο που είχε πολύ περισσότερη αγάπη από τον Gerold Yonas, εφευρέτη της μηχανής

Καθώς συγκεντρώνονται, τα μεταλλικά σύρματα υποβαθμίζονται σταδιακά:

Δημιουργία της περιβάλλουσας φλοιού πλάσματος

(διδακτορική διατριβή του Mathias Bavay)

Η δομή από σύρματα διατηρεί την άξονα συμμετρίας και εμποδίζει την εμφάνιση ασταθειών MHD. Οι απόψεις είναι διχοτομημένες όσον αφορά τη συμπεριφορά αυτού του σωλήνα σύρματος κατά τη διάρκεια της εκροής. Το σύρμα περιβάλλεται από μία φλοιό πλάσματος σιδήρου. Τα πειράματα δείχνουν ότι τα σύρματα αφήνουν πίσω τους μία είδους «ουρά κομήτη» που αντιπροσωπεύει το 30% της μάζας τους.

Το σχήμα αυτής της εκροής μπορεί να υπολογιστεί (βλέπε παρακάτω). Το ακτινικό μέγεθος της καλύβας είναι 4 cm και ο χρόνος είναι 100 νανοδευτερόλεπτα, άρα η μέση ταχύτητα συγκέντρωσης είναι 400 km/s. Υπάρχει στην πραγματικότητα επιτάχυνση λίγο πριν την επαφή. Η ταχύτητα των ιόντων πριν από την πρόσκρουση είναι μεταξύ 550 και 650 km/s. Η διατήρηση της άξονα συμμετρίας κάνει ώστε αυτό το πλάσμα σιδήρου να αποτελέσει στο τέλος της εκροής ένα σύρμα διαμέτρου μισού χιλιοστού.

Ιόντα και ηλεκτρόνια συγκεντρώνονται στον ίδιο ρυθμό προς τον άξονα. Δεν είναι δυνατό να διαχωρίσουμε τις δύο πληθυσμούς λόγω των ισχυρών ηλεκτροστατικών δυνάμεων που τους συνδέουν. Όταν αυτά τα σωματίδια, ιόντα σιδήρου και ηλεκτρόνια, συγκρούονται γύρω από τον άξονα, πραγματοποιείται θερμικοποίηση, δηλαδή, κατά την αρχή, η κινητική ενέργεια που σχετίζεται με την ακτινική ταχύτητα διανέμεται σε όλες τις κατευθύνσεις. Αυτό ισχύει για τα ιόντα όπως και για τα ηλεκτρόνια.

Ας αγνοήσουμε πρώτα τα ηλεκτρόνια και φανταστείτε μία πληθυσμό αντικειμένων με μάζα ίδια με εκείνη των ιόντων σιδήρου που βρίσκονται γύρω από τον άξονα με ταχύτητα 650 km/s.

Η μάζα των ιόντων σιδήρου είναι 9 10

κιλό

Θα γράψουμε:

V = 600 km/s

Προκύπτει μία θερμοκρασία ιόντων 925 εκατομμύρια βαθμών. Απλή μετατροπή αυτής της ακτινικής ταχύτητας σε θερμική ταχύτητα δραστηριότητας των ιόντων.

Να κάνουμε το ίδιο υπολογισμό για τα ηλεκτρόνια, προκύπτει μία θερμοκρασία 100 φορές μικρότερη, στα 9250 βαθμούς. Ένας ισχυρός κατάσταση αντίστροφης μη-ισορροπίας. Τώρα ενεργοποιούνται οι συγκρούσεις. Για τα ιόντα, Malcom Haines υπολόγισε ότι ο χρόνος αποκατάστασης (ο χρόνος θερμικοποίησης του αερίου ιόντων, η δημιουργία μίας κατανομής ταχυτήτων) ήταν 37 πικοδευτερόλεπτα, δηλαδή 3,7 10

δευτερόλεπτα. Αυτός ο χρόνος είναι μικρότερος από το «χρόνο στασιμότητας» του πλάσματος, σε μορφή εξαιρετικά πυκνού και εξαιρετικά ζεστού σύρματος, με διάμετρο όσο η μύτη μίας μολυβιού.

Οι μετρήσεις (εκπομπή ακτίνων Χ από «εκπομπή επιβράδυνσης», αλληλεπίδραση ηλεκτρονίων-ιόντων) δίνουν μία θερμοκρασία 30 εκατομμύρια βαθμών. Άρα το αέριο ηλεκτρονίων έχει θερμανθεί. Θα αναλύσουμε αυτό παρακάτω. Συνηθίζουμε να εκφράζουμε τις υψηλές θερμοκρασίες σε ηλεκτρονιοβόλτ, σύμφωνα με τη σχέση

e V = k T

με e (μοναδιαίο φορτίο) = 1,6 10-19 κουλόμπ

Εάν έχουμε ένα μέσο που αντιπροσωπεύει μία θερμοκρασία, υπολογισμένη σε «ηλεκτρονιοβόλτ», που είναι 1 «eV», αυτό αντιστοιχεί σε θερμοκρασία

T = e / k = 11.600° K

Εφόσον λογίζουμε με τάξεις μεγέθους, συνηθίζουμε να μετατρέπουμε τα ηλεκτρονιοβόλτ σε βαθμούς Κελσίου απλώς κάνοντας

T = 10.000 V

Έτσι, ένα «keV», ένα χιλιοηλεκτρονιοβόλτ, αντιστοιχεί σε 10.000°

Οι μετρήσεις της εκπομπής ακτίνων Χ (στην περιοχή των ακτίνων Χ) δίνουν μία θερμοκρασία 30 keV, που στρογγυλοποιείται σε 30 εκατομμύρια βαθμών.

Άλλο πρόβλημα: βρίσκουμε ότι το αέριο ιόντων είναι 3 έως 4 φορές ζεστότερο από αυτό που θα προκύπτει από την απλή θερμικοποίηση. Οι μετρήσεις της θερμοκρασίας δίνουν τιμή υψηλότερη από 2 δισεκατομμύρια βαθμών, φτάνοντας έως και τη μέγιστη τιμή 3,7 δισεκατομμύρια βαθμών. Από πού προέρχεται λοιπόν αυτή η ενέργεια; Εδώ θα συζητήσουμε γι’ αυτό παρακάτω.

Μετρήσεις θερμοκρασίας έχουν γίνει χρησιμοποιώντας τη συνηθισμένη μέθοδο εκτίμησης της διαστολής των φασματικών γραμμών λόγω αποκλίσεως Doppler. Τα πυρήνες (όπως τα άτομα, τα μόρια) εκπέμπουν ακτινοβολία σύμφωνα με ένα συγκεκριμένο φάσμα που περιλαμβάνει χαρακτηριστικές γραμμές.

Εάν το μέσο είναι σχετικά ψυχρό, αυτές οι γραμμές είναι λεπτές.

Φάσμα εκπομπής από ανοξείδωτο χάλυβα «σχετικά ψυχρό», θερμανθέν σε θερμοκρασία 100.000° K

Αναγνωρίζουμε τις γραμμές του χρωμίου (οι πρώτες, αριστερά), στη συνέχεια εκείνες του μαγγανίου, σιδήρου και νικελίου.

Σε αυτόν τον ανοξείδωτο χάλυβα το άνθρακας αντιπροσωπεύει 0,15% του μίγματος και οι γραμμές του δεν είναι ορατές.

Οι γραμμές αντιστοιχούν σε ηλεκτρονικές διεγέρσεις. Γύρω από έναν πυρήνα περιφέρονται ηλεκτρόνια σε συγκεκριμένες τροχιές, λόγω μηχανικών κανόνων που σχετίζονται με την κβαντική μηχανική (η κβάντωση των τροχιών). Ένας οποιοσδήποτε πηγή ενέργειας μπορεί να προκαλέσει «μετάβαση», δηλαδή αλλαγή τροχιάς ενός από τα ηλεκτρόνια. Αυτή η αλλαγή γίνεται πάντα με την κατεύθυνση της μετακίνησης των ηλεκτρονίων προς μία πιο απομακρυσμένη τροχιά, η οποία αντιπροσωπεύει περισσότερη ενέργεια. Δεν χρειάζεται να κάνουμε πολύπλοκους υπολογισμούς για να εξηγήσουμε αυτή την ιδέα. Ξέρετε πολύ καλά ότι για να τοποθετήσετε φορτία μάζας M σε τροχιά, όσο ψηλότερη είναι η τροχιά τόσο πιο ισχυρή πρέπει να είναι η πύραυλος. Η προσφορά ενέργειας τοποθετεί λοιπόν το ηλεκτρόνιο σε μία «πιο ψηλή» τροχιά, πιο απομακρυσμένη από τον πυρήνα. Δεν παραμένει για πολύ (υπάρχει μία διάρκεια ζωής για αυτές τις διεγερμένες καταστάσεις) και δεν αργεί να πέσει σε μία πιο κοντινή τροχιά σε μερικά νανοδευτερόλεπτα. Κατά τη διαδικασία αυτή χάνει ενέργεια που εκπέμπεται ως φωτόνιο με ενέργεια ίση με τη διαφορά ενέργειας των δύο επιπέδων τροχιάς. Έτσι προκύπτει αυτό το φάσμα σε «γραμμές».

Ένα άτομο όπως το σίδηρο έχει 26 ηλεκτρόνια.

Όλα είναι σε θέση να κάνουν αλλαγή τροχιάς, να πέσουν, όχι απαραίτητα στην αρχική τροχιά τους. Έτσι προκύπτει ένα φάσμα που αποτελείται από μία μεγάλη ποικιλία γραμμών. Κάποιες είναι ψηλότερες από άλλες. Τι αντιπροσωπεύει αυτή η «ύψος των γραμμών»; Την εκπεμπόμενη ισχύ σε αυτή τη συχνότητα. Μία γραμμή μετρά τη συνεισφορά μίας συγκεκριμένης μετάβασης. Κάποιες μεταβάσεις είναι πιο πιθανές από άλλες. Είναι αυτές οι πιο πιθανές, λοιπόν συχνές μεταβάσεις που θα δώσουν τη βασική εκπομπή. Αν ρίξουμε μία ματιά στο σχήμα παραπάνω, βλέπουμε ότι για ανοξείδωτο χάλυβα με θερμοκρασία μεταξύ 58.000 (5 ηλεκτρονιοβόλτ) και 116.000° K (10 ηλεκτρονιοβόλτ), η ισχυρότερη εκπομπή προέρχεται από μία γραμμή του χρωμίου. Η γραμμή του μαγγανίου είναι «πιο συνηθισμένη». Σε αυτές τις θερμοκρασίες τα άτομα έχουν ήδη αποκτήσει μεγάλη ελευθερία από τα ηλεκτρόνια. Αλλά υπάρχουν ακόμη. Πόσα; Δεν έχω κάποιο βιβλίο στα χέρια μου για να σας απαντήσω. Η απομάκρυνση είναι προοδευτική. Δεν ξέρω σε ποια θερμοκρασία πρέπει να φέρουμε το σίδηρο ή το χρώμιο για να επιτύχουμε πλήρη απομάκρυνση, δηλαδή να απομακρύνουμε το τελευταίο ηλεκτρόνιο. Αυτό υπολογίζεται φυσικά. Είναι η ενέργεια που πρέπει να προσφερθεί για να απομακρύνουμε το τελευταίο ηλεκτρόνιο από έναν πυρήνα με 26 θετικά φορτία.

Ό,τι μετρήθηκε στα πειράματα της Sandia αναφέρεται σε ένα φάσμα διέγερσης-αποδιέγερσης των ηλεκτρονίων που παρέμειναν γύρω από τους πυρήνες.

Η διαστολή των γραμμών σχετίζεται με το φαινόμενο Doppler-Fizeau.

Φάσμα του ίδιου υλικού, θερμανθέν σε δισεκατομμύρια βαθμών. Το φαινόμενο Doppler προκάλεσε τη διαστολή των γραμμών

Η συχνότητα που αντιστοιχεί σε μία συγκεκριμένη μετάβαση (σε μία γραμμή) θα είναι υψηλότερη αν το άτομο πλησιάζει τον παρατηρητή και χαμηλότερη αν απομακρύνεται (τότε είναι «redshift»). Έτσι η θερμική δραστηριότητα

διαστέλλει τις γραμμές

. Οι μετρήσεις, αξιόπιστες, έγιναν και επιβεβαίωσαν αυτές τις υψηλές τιμές της θερμοκρασίας των ιόντων, που ανέρχονται σε δισεκατομμύρια βαθμών (

μεταξύ 2,66 και 3,7 δισεκατομμυρίων βαθμών

Αποτελέσματα Μαΐου 2005 στη μηχάνη Z της Sandia.

Σε μαύρο, η αύξηση της θερμοκρασίας των ιόντων. Σε μπλε, ο διάμετρος του πλάσματος.

Σε άξονα x: ο χρόνος σε νανοδευτερόλεπτα

(ένα νανοδευτερόλεπτο είναι ένα δισεκατομμύριο του δευτερολέπτου)

Η απότομη αύξηση της θερμοκρασίας δεν είναι ένα συμβάν μεταξύ άλλων. Είναι μία μεγάλη επιστημονική ανακάλυψη και είναι πολύ πιθανό να έχει σημαντικές συνέπειες για τη διεθνή κοινωνία.

Έτσι, τα ιόντα φτάνουν να είναι εκατό φορές ζεστότερα από τα ηλεκτρόνια

. Μέχρι τώρα ήταν η μόνη δυνατή εξήγηση, αλλά τώρα μπορεί να μετρηθεί, σε πειράματα που είναι επαναλήψιμα. Επιπλέον, αυτή η θερμοκρασία των ιόντων

αυξάνει με το χρόνο.

Τέλος, η ενέργεια που εκπέμπεται από το αέριο ηλεκτρονίων, υπό μορφή ακτίνων Χ, αποδείχθηκε 3 έως 4 φορές μεγαλύτερη από την κινητική ενέργεια που είχαν οι ράβδοι ανοξείδωτου χάλυβα του «σωλήνα από σύρματα» όταν βρέθηκαν συγκεντρωμένες στον άξονα

Haines και συνεργάτες του προσπάθησαν στο επόμενο άρθρο να διευκρινίσουν αυτό το μυστήριο. Από πού μπορεί να προέρχεται αυτή η ενέργεια;

Όταν εκκινείται η μηχάνη Z, η ενέργεια διανέμεται σε διάφορες μορφές. Υπάρχει η θερμική ενέργεια του πλάσματος, που αντιστοιχεί στο άθροισμα των κινητικών ενεργειών των συστατικών του (κυρίως η κινητική ενέργεια των ιόντων σιδήρου). Αλλά υπάρχει και μία άλλη ενέργεια, δυσκολότερη να κατανοηθεί:

η μαγνητική ενέργεια

που διανέμεται σε όλο το χώρο γύρω από το λεπτό σύρμα πλάσματος που δημιουργήθηκε στον άξονα. Έτσι, Haines υπέθεσε ότι μπορεί να προκύψουν «αστάθειες MHD» που θα επέτρεπαν στο πλάσμα να αποκτήσει μέρος αυτής της ενέργειας. Όπως αναγνωρίζει στο άρθρο, αυτή η θεωρία είναι πολύ αρχαϊκή και δεν έχει οδηγήσει σε καμία «προσομοίωση». Η συμπέρασμα είναι απλώς «ότι δεν είναι αδύνατο να οφείλεται αυτή η θέρμανση σε αυτό το φαινόμενο». Επισημαίνει επίσης το αδύναμο κρατούμενο συγκρούσεων μεταξύ ηλεκτρονίων και ιόντων, που εξηγεί την καθυστέρηση της εκπομπής ακτίνων Χ στο χρόνο. Το φαινόμενο θερμαίνει πρώτα τα ιόντα, τα οποία μεταδίδουν μέρος αυτής της ενέργειας στο αέριο ηλεκτρονίων, το οποίο γίνεται τότε εκπομπός (μέσω εκπομπής επιβράδυνσης). Παρ' όλα αυτά, οι μετρήσεις (τέσσερα σημεία)

δείχνουν ότι το αέριο ιόντων σιδήρου συνεχίζει να θερμαίνεται

Το μέγιστο της θερμοκρασίας δεν φαίνεται να έχει επιτευχθεί. Παρόλο που η μετρημένη θερμοκρασία των ιόντων σιδήρου φτάνει σε 3,7 δισεκατομμύρια βαθμών! Τριάντα επτά φορές η θερμοκρασία που το Iter δεν θα μπορέσει ποτέ να υπερβεί: 100 εκατομμύρια βαθμών.

Deeney είπε ότι αντιμετώπισε αυτό το αποτέλεσμα και ξανακάνει το πείραμα και τις μετρήσεις, για να είναι σίγουρος. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι στον τίτλο του άρθρου γράφεται: «περισσότερα από δύο δισεκατομμύρια βαθμών». Λογικά, οι ερευνητές θα έπρεπε να αναφέρουν τη μέγιστη τιμή, τα 3,7 δισεκατομμύρια βαθμών. Ας το ονομάσουμε κίνηση... φόβου, απέναντι στην τεράστια αξία του αποτελέσματος.

Πρέπει να θυμηθούμε ότι με 500 εκατομμύρια βαθμών μπορούμε να συγκρούσουμε λίθιο και υδρογόνο, παράγοντας ήλιο και όχι νετρόνια. Με ένα δισεκατομμύριο βαθμών έχουμε μία «καθαρή σύγκρουση» για μία δευτερόλεπτο, πάντα χωρίς ραδιενέργεια ή απόβλητα (μόνο ήλιο): εκείνη του βορίου και του υδρογόνου. Τι μπορούμε να κάνουμε με 3,7 δισεκατομμύρια βαθμών, ή ακόμη περισσότερο; Εάν η θερμοκρασία των ιόντων συνεχίσει να αυξάνεται, είναι λογικό να σκεφτούμε ότι μπορούν να επιτευχθούν ακόμη υψηλότερες θερμοκρασίες ιόντων.

Μία παρατήρηση. Σε αυτά τα πειράματα, η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος που δίνει η μηχάνη Z (18 έως 20 εκατομμύρια αμπέρ) δεν μπορεί να διατηρηθεί απεριόριστα. Είναι μία απόφορτιση: αυτή η ένταση αυξάνεται με το χρόνο, περνά από ένα μέγιστο, και μετά μειώνεται. Στη μηχάνη Z, ο παλμός διαρκεί 100 δισεκατομμύρια του δευτερολέπτου. Άλλο σημείο: εάν Haines έχει δίκιο, το μαγνητικό πεδίο γύρω από το σύρμα πλάσματος περιέχει μεγάλη ενέργεια. Έτσι, αν διατηρήσουμε το ρεύμα, αυτό το μαγνητικό πεδίο θα συνεχίσει να «τροφοδοτεί» το πλάσμα, αυξάνοντας τη θερμοκρασία των ιόντων. Έτσι, αυτά τα 3,7 δισεκατομμύρια βαθμών δεν αποτελούν ένα όριο και κανείς δεν μπορεί να πει ποια θερμοκρασία μπορεί να επιτευχθεί με αυτή τη συσκευή.

Η πρώτη συνέπεια αυτών των πειραμάτων θα μπορούσε να είναι η «καθαρή μη ρυπογόνος σύγκρουση», με μία αναμίξη λιθίου και υδρογόνου (το λίθιο, που βρίσκεται στο θαλασσινό νερό και στα αλμυρά νερά, βρίσκεται σε όλες τις περιοχές του κόσμου. Τώρα η τιμή του είναι 59 δολάρια το κιλό, με φόρους). Αυτό είναι το «Χρυσό Αιώνα» από την άποψη της ενέργειας (με την προσθήκη της βόμβας H με καθαρή σύγκρουση, φτηνή, για όλους). Εάν όλα αυτά επιβεβαιωθούν, κανένας πολιτισμός στον κόσμο δεν θα μπορούσε να ισχυριστεί «ότι κατέχει τις αποθήκες λιθίου της γης». Εφόσον το λίθιο βρίσκεται στο θαλασσινό νερό, αυτές οι παγκόσμιες αποθήκες είναι κατά την αρχή απεριόριστες.

Εφόσον η θερμοκρασία σε μία υπερκαινούργια είναι δέκα δισεκατομμύρια βαθμών και αυτή, μέσω αντιδράσεων σύγκρουσης, καταφέρνει να δημιουργήσει όλα τα άτομα του περιοδικού πίνακα του Mendeliev (και τα ραδιενεργά ισότοπά τους με διάρκεια ζωής πιο ή λιγότερο μεγάλη), εάν μία μηχάνη Z «φουσκωμένη» κάποτε καταφέρει να επιτύχει 10 δισεκατομμύρια βαθμών, θα έχουμε επιτύχει στο εργαστήριο τις υψηλότερες θερμοκρασίες που η φύση μπορεί να επιτύχει στο σύμπαν. Αυτή η πρόοδος αποτελεί λοιπόν μία δραματική αλλαγή στην πυρηνική φυσική και στη φυσική γενικά.

Μέχρι τώρα είχαμε ικανοποιηθεί με «σπίθες». Αυτός ο βήμα αποτελεί πραγματικά την εφεύρεση του πυρός.

Παρακάτω η αρχή του άρθρου του Haines, Deeney και άλλων:

**Μεταφράστε τον τίτλο **:

**Θέρμανση των ιόντων λόγω ιξώδους σε μία ασταθή μαγνητοϋδροδυναμική σύγκρουση, θερμοκρασία πάνω από 2 x 109 **K

Και το περίληψη :

Συστήματα από μεταλλικά σύρματα, ισχυρά συγκεντρωμένα κατά μήκος του άξονα συμμετρίας του συστήματος, αποτελούν τις πιο δυναμικές πηγές ακτίνων Χ στο εργαστήριο μέχρι σήμερα. Αλλά επίσης, κάτω από ορισμένες συνθήκες, μπορεί να παρατηρηθεί ενέργεια υπό μορφή «μαλακών» ακτίνων Χ, εκπεμπόμενη σε έναν παλμό διάρκειας 5 νανοδευτερολέπτων, όταν επιτυγχάνεται η μέγιστη σύγκρουση (στασιμότητα)

που αντιστοιχεί σε ενέργεια που υπερβαίνει την αρχική κινητική ενέργεια, με παράγοντα 3 έως 4

. Αναπτύσσεται ένα θεωρητικό μοντέλο για να εξηγήσει αυτό το φαινόμενο, προτείνοντας ότι οφείλεται σε ταχεία μετατροπή μαγνητικής ενέργειας, η οποία φέρνει τα ιόντα σε πολύ υψηλή θερμοκρασία, μέσω φαινομένων αστάθειας MHD τύπου m = 0, με γρήγορη αύξηση. Έπειτα υπάρχει μη-γραμμική κορεσμός και θέρμανση λόγω ιξώδους του αερίου ιόντων. Αυτή η ενέργεια πρώτα μεταφέρεται στα ιόντα και στη συνέχεια μεταδίδεται στα ηλεκτρόνια μέσω απλής ισοκατανομής, συγκρούσεις ιόντων-ηλεκτρονίων, και τα τελευταία εκπέμπουν τότε μαλακές ακτίνες Χ. Πρόσφατα στη Sandia έχουν ληφθεί φάσματα, αυτές οι μετρήσεις διαρκούν στο χρόνο, που επιβεβαιώνουν μία θερμοκρασία ιόντων 200 keV (2

βαθμοί), σύμφωνα με αυτή τη θεωρία. Έτσι, προκύπτει ένας ρεκόρ θερμοκρασίας για πλάσμα που είναι μαγνητικά φυλαγμένο.

Haines και συνεργάτες του αρχίζουν με την υπενθύμιση της βάσης του προβλήματος. Δεν έχουμε καταφέρει να εξηγήσουμε πώς η ενέργεια που απελευθερώνεται από το πλάσμα μπορεί να φτάσει 3 έως 4 φορές την κινητική ενέργεια «εισροής», δηλαδή το άθροισμα των 1/2 mV² των ατόμων μετάλλου που συγκρούονται το ένα με το άλλο, προς τον άξονα, όπου τελικά τελειώνουν, αυτή η κινητική ενέργεια μετατρέπεται σε θερμική ενέργεια. Όταν αναλύουμε τα δεδομένα, το λογισμός δεν βγαίνει. Εξέρχεται περισσότερη ενέργεια από αυτή που μπαίνει σε αυτό το σύστημα και πρέπει να προέρχεται από κάπου. Haines σκέφτεται τότε τη μαγνητική ενέργεια. Τι γίνεται;

Εάν λάβουμε υπόψη έναν σωλήνα από σύρματα (240) και διαβιβάσουμε μέσα του ρεύμα, μπορούμε να υπολογίσουμε την ένταση του αζιμουθιακού μαγνητικού πεδίου που δημιουργούν τα άλλα σύρματα. Αυτό το σύρμα υφίσταται μία δύναμη Laplace J x B. Είναι εύκολο να αποδειχθεί ότι αυτή η δύναμη είναι ίδια με εκείνη που θα προκαλούνταν από το πεδίο που δημιουργείται από έναν γραμμικό αγωγό στον άξονα, όπου θα διέρχεται όλο το ρεύμα (στη δοκιμή της Sandia: 20 εκατομμύρια αμπέρ).

Αυτός είναι και ο τρόπος για να υπολογίσουμε την τιμή του εξωτερικού πεδίου, με την υπόθεση: ότι μπορούμε να θεωρήσουμε αυτό το πεδίο δημιουργημένο από σύρματα άπειρου μήκους, που δεν είναι καθόλου πραγματικό. Έτσι λαμβάνουμε απλώς τάξεις μεγέθους. Σε αυτό το μαγνητικό πεδίο σχετίζεται μία μαγνητική πίεση, η οποία, ε

Συνεπώς, φαίνεται ότι οι μηχανικές αστάθειες MHD με μικρό μήκος κύματος m = 0 στην κατάσταση στάσης σε ελαφρά μαζικά συμπίεση προκαλούν γρήγορη ιξώδη θέρμανση των ιόντων μέχρι επίπεδα θερμοκρασίας που ανέρχονται σε υψηλότερα από 200 keV. Τέτοιες θερμοκρασίες έχουν μετρηθεί, η ενέργεια προέρχεται από τη μετατροπή μαγνητικής ενέργειας σε χρονική κλίμακα της τάξης των 5 ns. Τα ιόντα θερμαίνουν τα ηλεκτρόνια, τα οποία ακαριαία ακτινοβολούν την ενέργεια. Επιπλέον, η ευρύτητα των φασματικών γραμμών που προκύπτει από την υψηλή θερμοκρασία των ιόντων θα επιτρέψει μεγαλύτερη ακτινοβολική ισχύ λόγω της μείωσης της διαπερατότητας. Το προτεινόμενο μηχανισμός παρέχει μια πιθανή εξήγηση για πολλά φαινόμενα βασικής σημασίας για τη δυναμική των Z-πιντς, συμπεριλαμβανομένης της ισορροπίας των πιέσεων κατά τη στάση, της απουσίας της ακτινοβολικής κατάρρευσης και του σημαντικού υπερβολικού ακτινοβολικού αποτελέσματος ακτίνων Χ.

Η εξίσωση (1) του άρθρου αναφέρεται ως "σχέση Bennet", που ορίστηκε το 1934 (αναφέρεται ως παρουσιασμένη στην αναφορά (1)). Μπορεί να αποκατασταθεί χωρίς μεγάλη δυσκολία. Εκφράζει απλώς ότι η μαγνητική πίεση είναι ίση με την πίεση στο πλάσμα. Η μαγνητική πίεση δίνεται παραπάνω. Η συνολική πίεση στο πλάσμα δίνεται ως το άθροισμα των μερικών πιέσεων που συμβάλλουν:

του αερίου ηλεκτρονίων: ne k Te
και του αερίου ιόντων: ni k Ti

όπου k είναι η σταθερά Boltzmann.

Αν Z είναι το βαθμό ιονισμού, τότε ne = Z ni.

Επιπλέον, αν αυτές οι απόλυτες θερμοκρασίες εκφράζονται σε ηλεκτρονικά βολτ (eV), όχι σε βαθμούς Κέλβιν, με τη σχέση k T = e V, τότε η πίεση στο πλάσμα γράφεται:

ni e ( Ti + Z Te )

Βλέπουμε να εμφανίζεται το δεύτερο μέρος της "σχέσης Bennet". Αν προηγουμένως είχαμε αποδείξει ότι:

τότε r είναι ο ελάχιστος ακτινικός διάμετρος του πλασματικού συρματόσχοινου κατά μήκος του άξονα. Ο Bennet εισάγει τότε έναν αριθμό ιόντων ανά μέτρο του συρματόσχοινου Ni.

Που δίνει (Bennet, 1934):

Αυτή η έκφραση είναι εντυπωσιακή διότι ο ελάχιστος ακτινικός διάμετρος του πλασματικού συρματόσχοινου δεν εμφανίζεται. Γιατί;

Όταν το πλασματικό συρματόσχοινο στενεύει, η μαγνητική πίεση που ασκείται πάνω του αυξάνεται αντίστροφα ανάλογα με το τετράγωνο της ακτίνας. Αλλά και η πυκνότητα των ιόντων αυξάνεται με τον ίδιο τρόπο. Αυτό εξισορροπεί το ένα το άλλο. Το περίεργο είναι ότι η μεγάλη διαφορά μεταξύ των θερμοκρασιών των ιόντων και των ηλεκτρονίων δεν εξαρτάται από το τελικό μέγεθος της ακτίνας του πλασματικού συρματόσχοινου, η οποία μπορεί να είναι όσο μικρή θέλουμε. Έχουμε μια διαφορική εξίσωση που δίνει την εξέλιξη της ακτίνας r του πλάσματος σε σχέση με το χρόνο:

Μπορούμε να υπολογίσουμε τη μορφή των καμπύλων (υπό την προϋπόθεση ότι διαθέτουμε τον νόμο ανόδου του ρεύματος I(t), ο οποίος είναι μια "είσοδος" του προβλήματος. Στην πράξη, στις Z-μηχανές αυτός ο ανοδικός νόμος είναι πρακτικά γραμμικός, εκτός αν κάνω λάθος). Η μείωση του r επιδεινώνεται. Εννοώ ότι η ταχύτητα συμπίεσης αυξάνεται καθώς το r μειώνεται. Αν το r γίνει μηδέν, η ταχύτητα συμπίεσης θα γίνει άπειρη. Αλλά όταν εγγράφουμε αυτή την εξίσωση, ξεχάσαμε κάτι: τη δύναμη πίεσης που αντιστέκεται στη συμπίεση. Πρέπει να τη λάβουμε υπόψη. Με αυτή την επισήμανση, το πρόβλημα δεν είναι τόσο απλό όσο φαίνεται. Αυτή η πίεση που αντιστέκεται στη συμπίεση εξαρτάται από τη θερμοκρασία των ιόντων. Αλλά δεν μπορούμε να τη μοντελοποιήσουμε, εφόσον σύμφωνα με τον Haines, η αύξησή της εξαρτάται από ένα φαινόμενο που δεν καταφέρνουμε να λάβουμε υπόψη: τη θέρμανση του πλάσματος από μικρο-αστάθειες MHD.

Συμπέρασμα: πρέπει να γνωρίζουμε όταν να σταματήσουμε και να μην προσπαθήσουμε να λάβουμε υπόψη όλα τα παραμέτρους. Έχουμε την εξίσωση:

αλλά δεν γνωρίζουμε την ταχύτητα V των ιόντων στο τέλος της συμπίεσης. Η εισαγωγή μιας μέσης ταχύτητας (ακτίνας του συρματόσχοινου διαιρούμενη με το χρόνο συμπίεσης) δεν έχει πολύ νόημα, εφόσον η ταχύτητα αυξάνεται στο τέλος της συμπίεσης.

Ο Haines αναφέρεται τότε σε μια συγκεκριμένη δοκιμή της Z-μηχανής, τη Z1141, όπου η μάζα του συρματόσχοινου ανά μέτρο ήταν 450 mg συρμάτων από ανοξείδωτο χάλυβα (4,5 × 10⁻⁵ kg/m), τοποθετημένα σε δύο συγκεντρικές κορυφές, η πρώτη με διάμετρο 55 mm και διπλή μάζα από τη δεύτερη, με διάμετρο 27,5 mm.

Λίγο πιο κάτω, ο Haines χρησιμοποιεί μια τιμή για το Ni (αριθμός ιόντων ανά μέτρο) 3,41 × 10²⁰. Αν η μάζα ενός ατόμου σιδήρου είναι 9 × 10⁻²⁶ kg, τότε διαιρώντας το 4,5 × 10⁻⁵ kg/m με αυτή τη μάζα παίρνω 5 × 10²⁰. Αλλά αναφέρει ότι κατά τη συμπίεση χάνονται 30% της μάζας. Έτσι προκύπτει περίπου η τιμή που δίνει.

Δηλώνει ότι οι μετρήσεις της θερμοκρασίας των ηλεκτρονίων δίνουν 3 keV κατά τη στάση, δηλαδή 35 εκατομμύρια βαθμούς. Αναφέρει ότι το ρεύμα ανεβαίνει σε 18 μεγααμπέρ σε 100 νανοδευτερόλεπτα. Εκτιμά ότι το 30% της ύλης "χάθηκε κατά τη διαδρομή", αλλά το 70% φτάνει στο προορισμό. Πράγματι, αυτό προκύπτει από όλες τις μελέτες με συρματόσχοινα (διδακτορική διατριβή του Bavay). Κατά τη διάρκεια της κατάρρευσης αυτά τα σύρματα "εξατμίζονται" όπως οι κομήτες που εκπέμπουν. Αφήνουν "πίσω τους" μια στοιβάδα πλάσματος, η μάζα της οποίας μπορεί να ανέρχεται σε 30-50% της μάζας των συρμάτων.

Με Ni = 3,41 × 10²⁰ ιόντων ανά μέτρο και Z = 26 (σίδηρος), εφαρμόζουμε τη σχέση Bennet με τη μοναδική ηλεκτρική φορτίο e = 1,6 × 10⁻¹⁹ C (Coulomb)

μ₀ = 4π × 10⁻⁷ MKSA

Υπολογίζουμε (Ti + Z Te):

που αντιστοιχεί σε 3,44 δισεκατομμύρια βαθμούς. Όταν ο διάμετρος του πλασματικού συρματόσχοινου περνά από το ελάχιστο, η μέτρηση της θερμοκρασίας των ιόντων είναι 270 keV, δηλαδή 3,12 δισεκατομμύρια βαθμούς. Λαμβάνοντας υπόψη την περιοχή σφάλματος, αυτή η συμφωνία είναι απλώς εκπληκτική.

26 Ιουνίου 2006

Πώς να εκτιμήσει κανείς τη θερμοκρασία των ιόντων σε μια διάταξη (J.P. Petit, 27 Ιουνίου 2006)

Επαναλαμβάνουμε τη λεπτομέρεια της απόδειξης της διαφορικής εξίσωσης που δίνει τη δυναμική ενός στοιχείου του συρματόσχοινου υπό την επίδραση της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης. Επαναλαμβάνουμε όλα αυτά. Εύκολα αποδεικνύεται ότι το μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από ένα στρώμα συρμάτων που είναι τοποθετημένα κατά μήκος ενός κυλίνδρου είναι ισοδύναμο με αυτό που θα δημιουργούσε ένα μοναδικό σύρμα στον άξονα, το οποίο θα διέρχεται όλο το ρεύμα. Δηλαδή:

Υπάρχουν n σύρματα. Σε κάθε σύρμα διέρχεται το ρεύμα I/n. Αυτό είναι υπό την επίδραση της δύναμης Laplace, ανά μονάδα μήκους:

Ονομάζουμε M τη μάζα ανά μονάδα μήκους του συρματόσχοινου. Όσο το σύρμα δεν εξατμίζεται, η διαφορική εξίσωση προκύπτει από τη σχέση:

όπου I εξαρτάται από το χρόνο, φυσικά. Αλλά αυτή είναι μια δεδομένη της διαφορικής εξίσωσης.

Τώρα αντικαθιστούμε το σύρμα με μια μεταλλική ατμό. Πιο συγκεκριμένα, αντικαθιστούμε το σύνολο των συρμάτων με ένα κύλινδρο πλάσματος, ένα "pinch". Αυτός διέρχεται ακόμη από το ρεύμα I. Στην επιφάνεια μπορούμε να υπολογίσουμε το πεδίο B, ακόμη και με τον ίδιο τύπο. Αλλά μπορούμε επίσης να εισαγάγουμε μια δύναμη πίεσης, που προσπαθεί να σταματήσει αυτή τη συμπίεση. Αυτή η πίεση είναι η πίεση των ιόντων

pi = ni k Ti

Δεν την έχουμε υπό έλεγχο, εφόσον εξαρτάται από την ενέργεια που μεταδίδεται στα ιόντα με μια ακόμη μη κατανοητή διαδικασία, χάρη στις MHD αστάθειες, σύμφωνα με τον Haines. Έχουμε τη δύναμη Laplace που επιδρά σε κάθε "σύρμα" ή σε κάθε τμήμα του πλάσματος που αντιστοιχούσε στο τμήμα 2π/n που κατέλαμβαν. Η δύναμη πίεσης που επιδρά σε αυτό το τμήμα ανά μονάδα μήκους είναι:

Μπορώ να πάρω τη διαφορική εξίσωση κίνησης γράφοντας:

Έχουμε:

εισαγάγοντας στην εξίσωση:

Εφόσον δεν μπορούμε να προσδιορίσουμε την εξέλιξη της θερμοκρασίας των ιόντων με το χρόνο, εφόσον εξαρτάται από αυτή την εξωτερική παροχή ενέργειας, δεν μπορούμε να πάμε πιο πέρα, εκτός αν προσπαθήσουμε να εκτιμήσουμε την τιμή της θερμοκρασίας των ιόντων όταν η επιτάχυνση είναι μηδέν, σε "συνθήκη στάσης", όταν η επιτάχυνση είναι μηδέν, δηλαδή r" = 0. Προκύπτει τότε:

Βλέπουμε ότι αυτή η θερμοκρασία των ιόντων (πρόκειται για μια τάξη μεγέθους σε μια προσεγγιστική υπολογισμό), που αντιστοιχεί σε "συνθήκη στάσης", εξαρτάται από το τετράγωνο του συνολικού ηλεκτρικού ρεύματος I και αυξάνεται όσο μικρότερος είναι ο αριθμός των ιόντων ανά μέτρο. Έτσι, για την ίδια μάζα και την ίδια γεωμετρία συρματόσχοινου, θα ήταν προτιμότερο να χρησιμοποιήσουμε βαρύτερα άτομα, όπως προτείνει ένας πρώην της DAM (Διεύθυνσης Στρατιωτικών Εφαρμογών), για παράδειγμα χρυσό, ελαστικό, εύκολο στην επεξεργασία, τέσσερις φορές βαρύτερο από το ανοξείδωτο χάλυβα. Με τη διάταξη της Z-μηχανής Sandia θα μπορούσαμε να ελπίζουμε να φτάσουμε, με σύρμα χρυσού, θερμοκρασία δέκα δισεκατομμυρίων βαθμών.

Αλλά θα πρέπει να γνωρίζουμε όλα τα παραμέτρους, δηλαδή να ξέρουμε "γιατί έλαβε χώρα". Η ταχύτητα εξάτμισης του υλικού μπορεί να παίξει καθοριστικό ρόλο. Όσο χαμηλότερη είναι, τόσο περισσότερος χρόνος θα μείνει το συρματόσχοινο σε μορφή απομονωμένων συρμάτων, διατηρώντας την άξονα συμμετρίας. Αν η ταχύτητα εξάτμισης του χρυσού είναι πολύ υψηλή, η αντικατάσταση του ανοξείδωτου χάλυβα με αυτό το υλικό θα μπορούσε να δώσει αντίθετα χειρότερα αποτελέσματα. Αλλά σε κάθε περίπτωση, πρέπει να δοκιμάσουμε. Και φυσικά, να δοκιμάσουμε με αυξημένες ισχύεις. Τι θα επιτύχουν οι Αμερικανοί με τη ZR, που θα αναπτύξει 28 εκατομμύρια αμπέρ αντί για 20; Λογικά, η θερμοκρασία των ιόντων θα φτάσει σε υψηλότερες τιμές. Ίσως πέντε δισεκατομμύρια βαθμούς.

Αν εμπιστευτούμε αυτή την έκφραση, που μας δίνει την τάση της διάταξης, τον τρόπο με τον οποίο οι παράμετροι θα επηρεάζουν τη θερμοκρασία των ιόντων στο τέλος της συμπίεσης, αυτό θα υποδεικνύει ότι με μια διάταξη όμοια με τη Z-μηχανή Sandia, ο γεννήτριας του Gramat δεν θα επέτρεπε να ξεπεραστεί τα 50 εκατομμύρια βαθμούς. Αλλά μπορούν να εξεταστούν και άλλες διατάξεις. Δείτε παρακάτω.

26 Ιουνίου 2006

Πώς να εκτιμήσει κανείς τη θερμοκρασία των ιόντων σε μια διάταξη (J.P. Petit, 27 Ιουνίου 2006)

όπου I εξαρτάται από το χρόνο, φυσικά. Αλλά αυτή είναι μια δεδομένη της διαφορικής εξίσωσης.

pi = ni k Ti

Δεν την έχουμε υπό έλεγχο, εφόσον εξαρτάται από την ενέργεια που μεταδίδεται στα ιόντα με μια ακόμη μη κατανοητή διαδικασία, χάρη στις MHD αστάθειες, σύμφωνα με τον Haines. Έχουμε τη δύναμη Laplace που επιδρά σε κάθε "σύρμα" ή σε κάθε τμήμα του πλάσματος που αντιστοιχούσε στο τμήμα 2π/n που κατέλαβαν. Η δύναμη πίεσης που επιδρά σε αυτό το τμήμα ανά μονάδα μήκους είναι:

Μπορώ να πάρω τη διαφορική εξίσωση κίνησης γράφοντας:

Έχουμε:

εισαγάγοντας στην εξίσωση:

Επιστρέφουμε στη σχέση Bennet. Στη δοκιμή της Sandia η μετρημένη θερμοκρασία των ηλεκτρονίων Te (σύμφωνα με την εκπομπή ακτίνων Χ) είναι 3 keV. Με Z = 26 έχουμε:

Z Te = 78

Άρα η πίεση δεν οφείλεται στο αέριο των ηλεκτρονίων! Πρέπει να υπάρχει η πίεση των ιόντων για να ισορροπήσει τη μαγνητική πίεση (σχέση Bennet). Αλλά αυτά θα πρέπει να είναι σε θερμοκρασία 219 keV, δηλαδή ... 2,54 δισεκατομμύρια βαθμούς! Πράγματι, πρέπει να ισχύει:

Ti + 78 (μετρημένο) = 296

Αλλά αυτό δεν είναι όλο. Πριν από αυτές τις δοκιμές, η Sandia είχε πραγματοποιήσει δοκιμές με "gas puff", δηλαδή "πνεύματα αερίου" που εστάλησαν στο κέντρο του συστήματος και συμπιέστηκαν με το συρματόσχοινο.

Ωστόσο, το ίδιο πρόβλημα ισορροπίας πιέσεων εμφανίζεται και σε συμπίεση Z-pinch με "gas puff" [9], όπου τα προφίλ πυκνότητας και θερμοκρασίας έχουν πραγματικά μετρηθεί στη στάση, αλλά επίσης με μια μέχρι τώρα ανεξήγητη υψηλή μετρημένη θερμοκρασία ιόντων 36 keV.

Όπως και να έχει, το ίδιο πρόβλημα ισορροπίας πιέσεων επανακαλύφθηκε σε πειράματα Z-pinch με "gas puff" [9], όπου τα προφίλ πυκνότητας και θερμοκρασίας είχαν πραγματικά μετρηθεί στη στάση, αλλά επίσης με μια μέχρι τώρα ανεξήγητη υψηλή μετρημένη θερμοκρασία ιόντων 36 keV (3 εκατομμύρια βαθμούς).

[9] K. L. Wong και συν., Phys. Rev. Lett. 80, 2334 (1998).

Εδώ, αν κάποιος αναγνώστης μπορούσε να μου στείλει το pdf της αναφοράς (9), θα το εξέταζα πιο προσεκτικά.

Ο Haines αποκλείει τη θέρμανση λόγω αντίστασης, το απλό φαινόμενο Joule που είχε εξετάσει ο Yonas. Για παράδειγμα, αναφέρει ότι για να θερμάνει κάποιος ένα pinched σύρμα διαμέτρου 2 mm σε 3 keV (μόνο 3 εκατομμύρια βαθμούς) χρειάζεται 8 μικροδευτερόλεπτα!

Δεν βλέπει καμία άλλη πηγή ενέργειας εκτός από το περιβάλλον μαγνητικό πεδίο. Προτείνει τότε να επικαλεστεί θέρμανση των ιόντων μέσω MHD αστάθειας με πολύ μικρό μήκος κύματος, ακολουθούμενη από εξισορρόπηση, θέρμανση του αερίου των ηλεκτρονίων μέσω συγκρούσεων ιόντων-ηλεκτρονίων, και τελικά αυτό να εκφραστεί ως εκπομπή ενέργειας από αυτά τα ηλεκτρόνια (μέσω του κλασικού Bremmstrahlung, δηλαδή ακτινοβολίας επιβράδυνσης, δηλαδή μέσω αλληλεπίδρασης με το μαγνητικό πεδίο).

Το επόμενο αναφέρεται στη φύση των MHD αστάθειας που αναφέρονται. Φτάνουμε σε μια εξίσωση ενέργειας που γράφεται:

k είναι η σταθερά Boltzmann και neq η συχνότητα συγκρούσεων. CA είναι η ταχύτητα Halfven, Cs η ταχύτητα του ήχου, a είναι ο ελάχιστος διάμετρος του πλάσματος. Αλλά ο Haines γράφει αυτή την εξίσωση διαφορετικά, τοποθετώντας τις θερμοκρασίες σε ηλεκτρονικά βολτ και αντικαθιστώντας τη συχνότητα συγκρούσεων με το αντίστροφό της, το μέσο χρόνο ελεύθερης διαδρομής teq.

Σε σύγκριση με τα πλάσματα εκτός ισορροπίας, όπως για παράδειγμα αυτό του λαμπτήρα νέου στην κουζίνα σας, θα πρέπει να παρατηρήσετε ότι τώρα είναι η θερμοκρασία των ιόντων που είναι υψηλότερη από αυτή των ηλεκτρονίων (ενώ στον λαμπτήρα είναι το αντίθετο: ηλεκτρόνια ζεστά, νέον ψυχρό). Παρακάτω η εξίσωση για ένα μέσο εκτός ισορροπίας, όπως ένα απλό λαμπτήρα νέου.

Το πρώτο μέρος αντιπροσωπεύει τη θέρμανση του αερίου των ηλεκτρονίων λόγω φαινομένου Joule. J είναι το διάνυσμα πυκνότητας ρεύματος και s η ηλεκτρική αγωγιμότητα. Το δεξιό μέρος της προηγούμενης εξίσωσης διαβάζεται ως εξής. Στον παρονομαστή έχουμε το μέσο χρόνο ελεύθερης διαδρομής του ηλεκτρονίου στο νέον, του οποίου το αντίστροφο είναι μια συχνότητα συγκρούσεων. Όταν τα ηλεκτρόνια μεταφέρουν ενέργεια στα ιόντα, το κάνουν δύσκολα και ένας συντελεστής, ο λόγος των μαζών, εμφανίζεται στην εξίσωση.

Αλλά όταν ένα ιόν χτυπά ένα ηλεκτρόνιο, ο αποδοτικότητας μεταφοράς ενέργειας είναι η μονάδα. Έτσι, αυτός ο συντελεστής λόγου μαζών εξαφανίζεται, ή προφανώς είναι ... η μονάδα. Ο Haines παρουσιάζει τότε την κλασική εξίσωση για την υπολογισμό της συχνότητας συγκρούσεων ηλεκτρονίου-ιόντος. Είμαστε σε "κουλόμπια" καθεστώς. Βρίσκουμε στην έκφραση την αποτελεσματική διατομή συγκρούσεων ηλεκτρονίου-ιόντος. Αυτοί που γνωρίζουν τη θεωρία κινητικής των αερίων θα αναγνωρίσουν αυτή την κλασική έκφραση.

Η μέρος που αφορά τη γένεση MHD αστάθειας είναι αρκετά επιφανειακό, ιδίως επειδή ο παράγοντας Hall των ιόντων είναι μεγαλύτερος από τη μονάδα.

Αυτό που εμφανίζεται σε αυτόν τον παράγοντα είναι η συχνότητα συγκρούσεων ιόντων-ιόντων.

Ο Yonas μου έγραψε ότι "η θεωρία του Haines εξηγεί καλά αυτή την κατάσταση εκτός ισορροπίας", αλλά δε

Σφάλμα 35 keV ανατίθεται στις μετρήσεις θερμοκρασίας, βάσει της αβεβαιότητας στη μέτρηση των πλάτων των γραμμών.

Μια συστηματική ανακρίβεια 35 keV συσχετίζεται με τις μετρήσεις θερμοκρασίας, λόγω της αβεβαιότητας σχετικά με την εκτίμηση των ευρών των γραμμών.

Οι συγγραφείς απλά ξεχάσαν να τα συμπεριλάβουν. Δεν πρέπει να ξεχάσουμε ότι είναι έξι. Είτε ένας φροντίζει τη συγγραφή και οι άλλοι υπογράφουν, είτε κάθε ένας γράφει το δικό του κομμάτι, ο άρθρος έχει τότε έναν παραποιημένο χαρακτήρα. Στον αναγνώστη να αποφασίσει. Θα προσθέσουμε λοιπόν αυτές τις διακριτικές γραμμές.

Φαίνεται ότι τα σημεία μέτρησης των ιόντων σιδήρου βρίσκονται μέσα στη διακριτική γραμμή των ιόντων μαγγανίου, και αντίστροφα. Στο γράφημα η μέτρηση της θερμοκρασίας των ιόντων σιδήρου αυξάνεται από 200 έως 300 keV, αλλά επειδή αυτές οι μετρήσεις συγχέονται, δεν θεωρείται διαφορά θερμοκρασίας (35 keV) μεταξύ των πληθυσμών των ιόντων σιδήρου και των ιόντων μαγγανίου (πιθανώς δίκαια), οι συγγραφείς δίνουν μεταξύ τιμών που κυμαίνονται από 230 keV (2,66 δισεκατομμύρια βαθμούς Κελσίου) έως 320 keV (3,7 δισεκατομμύρια βαθμούς). Είμαστε πραγματικά "πάνω από 2 x 109 βαθμούς Κελσίου", "πάνω από δύο δισεκατομμύρια βαθμούς", και όχι λίγο, καθώς η μέγιστη τιμή φτάνει τα 3,7 δισεκατομμύρια βαθμούς. Επιπλέον, λόγω της μορφής της καμπύλης, δεν είναι απίθανο να μετρηθεί μια υψηλότερη τιμή, αν κατά την επανάληψη της δοκιμής τοποθετούσαμε τις τέσσερις διαθέσιμες εικόνες 5 ns αργότερα. Και αν αυτή η αύξηση της θερμοκρασίας, που σχετίζεται με τη θέρμανση των ιόντων που ο Haines προσπαθεί να δικαιολογήσει, διατηρηθεί, δεν θα μπορούσαμε να θεωρήσουμε μόνο 2 δισεκατομμύρια βαθμούς, αλλά... τέσσερα (θυμηθείτε ότι στις υπερνομπές η θερμοκρασία φτάνει τα 10 δισεκατομμύρια βαθμούς).

Σύμφωνα με τη λογική, καθώς οι μετρήσεις της θερμοκρασίας είναι αξιόπιστες, οι συγγραφείς θα έπρεπε να έχουν τίτλο "Η θερμοκρασία των 3,7 δισεκατομμυρίων βαθμών Κελσίου έχει επιτευχθεί", υποδεικνύοντας "την κορυφαία τιμή", αλλά ικανοποιήθηκαν με το "πάνω από δύο δισεκατομμύρια βαθμούς". Γιατί αυτή η... αποφυγή; Επίσης, παρατηρούμε ότι:

Με 500 εκατομμύρια βαθμούς, οι ισχυρισμοί για την ισχυρή σύντηξη (μη ρυπαντική) λιθίου-υδρογόνου
Με ένα δισεκατομμύριο βαθμούς, οι ισχυρισμοί για την ισχυρή σύνθεση (μη ρυπαντική) βορίου-υδρογόνου
Με τέσσερα δισεκατομμύρια, τι; (στους ειδικούς της νουκλεικής ισχύος να μου απαντήσουν)
Αν κάποια μέρα φτάσουμε σε δέκα δισεκατομμύρια, τότε όλες οι πυρηνικές συνθετικές αντιδράσεις που οδηγούν στα άτομα του πίνακα του Mendeleiv γίνονται δυνατές. Αυτό σημαίνει όλο το φάσμα της Γένεσης.

Καλέστε με Θεό...

Ο ίδιος γράφημα, με την εξέλιξη του χρόνου, σε μαύρο η μέση καμπύλη, που επιλέχθηκε στο άρθρο.

Φαίνεται ότι το διάμετρος του πλάσματος περνά από ένα ελάχιστο ακριβώς πριν το t = 110 ns. Υπάρχει εκπομπή ακτίνων Χ για διάρκεια περίπου 5 ns. Παρατηρήστε τις μέγιστες τιμές θερμοκρασίας που καταγράφηκαν. 300 keV (3,48 δισεκατομμύρια βαθμούς) για τα ιόντα σιδήρου και 340 keV (3,94 δισεκατομμύρια βαθμούς) για τα ιόντα μαγγανίου.

Σημείωση: Η τύπος του Bennet:

mo I2 = 8 p Ni ( Ti + Z Te )

δίνει (βλ. παραπάνω) 2,5 δισεκατομμύρια βαθμούς για το σίδηρο. Αυτός ο υπολογισμός αναφέρεται στο τεστ Z1141 (18 εκατομμύρια Αμπέρ. Σύρμα 450 mg). Καθώς και στην εικόνα 1. Ωστόσο, οι αναλύσεις και τα δεδομένα που παρουσιάζονται σε αυτό το άρθρο αναφέρονται σε τρία τεστ (Z1141, Z1137 και Z 1386).

**Σχόλιό μου: **

Επιστρέψτε στον τίτλο του άρθρου του Haines: " over 2 x 109 Kelvin ", που σημαίνει " πάνω από δύο δισεκατομμύρια βαθμούς ". Ωστόσο, τα προηγούμενα χρόνια αυτά τα συστήματα έφταναν σε ένα εκατομμύριο και μισό, δύο εκατομμύρια βαθμούς και περισσότερα, απότομα η μηχανή αποκτά ρυθμό. Οι αναγνώστες θα μπορούσαν να εκπλαγούν για την απουσία εκπομπής από το άνθρακα. Ωστόσο (wikipedia) το ανοξείδωτο αυστενιτικό χάλυβα περιέχει πολύ λίγο (λιγότερο από 0,15%). Δείτε το πλαίσιο.

Αυστενιτικοί ανοξείδωτοι χάλυβες αποτελούν περισσότερο από 70% της συνολικής παραγωγής ανοξείδωτων χαλύβων. Περιέχουν μέγιστο 0,15% άνθρακα, ελάχιστο 16% χρωμίου και αρκετό νικέλιο και/ή μαγγάνιο για να διατηρήσουν την αυστενιτική δομή σε όλες τις θερμοκρασίες, από τις πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, την κρυογενική περιοχή μέχρι το σημείο τήξης του κράματος.

Οι αυστενιτικοί χάλυβες (μια ιδιαίτερη κρυσταλλική δομή) αποτελούν το 70% της παραγωγής. Περιέχουν μέγιστο 0,15% άνθρακα (...), ελάχιστο 16% χρωμίου και αρκετό νικέλιο και/ή μαγγάνιο για να διατηρήσουν την αυστενιτική δομή σε όλες τις θερμοκρασίες, από τις πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, την κρυογενική περιοχή μέχρι το σημείο τήξης του κράματος.

Οι δύο καμπύλες θερμοκρασίας για το αέριο των ιόντων σιδήρου και το αέριο των ιόντων μαγγανίου φαίνονται διαφορετικές. Ωστόσο, αφενός η περιοχή σφάλματος που αναφέρεται για το μαγγάνιο επιτρέπει την θεώρηση ότι αυτές οι δύο θερμοκρασίες μπορεί να είναι στην πραγματικότητα πολύ παρόμοιες. Αφετέρου, το ιόν μαγγανίου, αν και έχει περίπου την ίδια φορτίο με το ιόν σιδήρου (25 αντί 26), είναι διπλά πιο ελαφρύ (30 αντί 58). Επομένως, δεν είναι απίθανο ότι, υποβληθεί σε μια ΜΗΔ αστάθεια, αυτά τα δύο αέρια, πολύ συνδεδεμένα, να παρουσιάζουν μεταξύ τους ένα (ελαφρύ: 12%) ανισορροπία και να έχουν διαφορετικές θερμοκρασίες.

Haines: Το διάμετρος του πλάσματος φτάνει την ελάχιστη τιμή του 1,5 mm 2 νανοδευτερόλεπτα πριν την κορυφή της εκπομπής ακτίνων Χ. Εκτιμά ότι τη στιγμή που αυτή η κορυφή επιτυγχάνεται, η πυκνότητα και "η ισοκατανομή" πρέπει να είναι μέγιστες (θα έχω την τάση να διαβάσω "η τάση προς ισοκατανομή")

Προσπαθήστε να "μιλήσετε" αυτές τις διάφορες καμπύλες. Τι συμβαίνει;

Έχουμε τέσσερα σημεία μέτρησης θερμοκρασίας. Ένα αποκλείεται, για το σίδηρο, το δεύτερο, λόγω προβλήματος μέτρησης. Αυτός ο μικρός αριθμός αντιστοιχεί σε όλα όσα μπορεί να πιάσει το σύστημα καταγραφής. Είναι ήδη εξαιρετικό, όχι μόνο να διαθέτουμε μετρήσεις θερμοκρασίας, αλλά και να έχουμε μια ιδέα για την εξέλιξή τους στο χρόνο. Ωστόσο, δεν έχουμε πρόσβαση σε τιμές πριν από t = 105 ns και μετά από t = 115 ns.

Ο κείμενος λέει ότι κατά τη στιγμή της "στάσης" (σταθεροποίησης) του πλάσματος η ηλεκτρονική θερμοκρασία έχει φτάσει τα 3 keV, δηλαδή 35 εκατομμύρια βαθμούς. Αυτό σημαίνει ότι τη στιγμή που αυτή η θερμοκρασία είναι μέγιστη, δεν θα αυξηθεί περισσότερο από το εκατοστό της τιμής που φτάνει η μέγιστη ιονική θερμοκρασία. Επειδή η εκπεμπόμενη ισχύς αυξάνεται σε ένα ισχυρό "παλμό", πρέπει να υποθέσουμε ότι πριν από t = 105 ns ήταν πολύ χαμηλότερη. Υπάρχει η εντύπωση ότι αυτή η θερμοκρασία καταρρέει, με παράγοντα 9, προς τα 115 ns. Ωστόσο, ο νόμος του Stefan υποδεικνύει ότι η εκπεμπόμενη ισχύς μεταβάλλεται ως η τέταρτη δύναμη της θερμοκρασίας. Επομένως, η μείωση είναι στο λόγο της τέταρτης ρίζας του 9, δηλαδή 1,73. Αυτό φέρνει τη Te σε 3 έως 1,68 keV. Σχεδιάζω την καμπύλη, περίπου:

Σε μαύρο η μεταβολή της ηλεκτρονικής θερμοκρασίας. Σε κόκκινο η μεταβολή της εκπεμπόμενης ισχύος (νόμος του Stefan)

Ο Haines λέει ότι αυτός ο μηχανισμός θέρμανσης του αερίου των ιόντων αρκεί για να αντισταθμίσει τη μαγνητική πίεση και ότι οι "συνθήκες στάσης" είναι πραγματικά επιτευχθείς, επειδή η χαρακτηριστική ταχύτητα με την οποία μεταβάλλεται η ακτίνα του πλάσματος είναι μόνο 15% της θερμικής ταχύτητας των ιόντων. Μπορούμε να εκτιμήσουμε τη θερμική ταχύτητα των ιόντων σιδήρου μεταξύ των ελάχιστων και μέγιστων τιμών της μετρημένης θερμοκρασίας.

Για την ελάχιστη θερμοκρασία, 230 keV ή 2,66 δισεκατομμύρια βαθμούς: < Vi > = 1066 km/s - Για τη μέγιστη θερμοκρασία, 320 keV ή 3,7 δισεκατομμύρια βαθμούς: < Vi > = 1258 km/s

Ο Haines συγκρίνει αυτές τις τιμές με τη "ταχύτητα εκτόνωσης" του πλάσματος και λέει ότι αντιπροσωπεύει το 15% αυτής της τιμής. Ποια και αν είναι η τρόπος εκτίμησης παίρνοντας σημεία στην καμπύλη παραμένει χαμηλότερη από τη θερμική ταχύτητα, που φαίνεται πραγματικά να δείχνει ότι η πίεση στο πλάσμα έχει ισορροπήσει τη μαγνητική πίεση.

Μετά, το διάμετρος του πλάσματος ξεκινά να αυξάνεται ξανά. Γιατί; Επειδή η θέρμανση των ιόντων συνεχίζει. Μπορούμε να προσπαθήσουμε να υπολογίσουμε αυτή την εκτόνωση.

Υπάρχει μια πράγμα που δεν καταλαβαίνω αυτή τη στιγμή: γιατί η ηλεκτρονική θερμοκρασία επιστρέφει, ενώ το αέριο των ηλεκτρονίων θα έπρεπε να συνεχίσει να τροφοδοτείται με ενέργεια από το αέριο των ιόντων που, αυτό, συνεχίζει να θερμαίνεται, τουλάχιστον στο χρονικό διάστημα που μας είναι διαθέσιμο.

Σημείωση: Ποια είναι η θερμική ταχύτητα στο αέριο των ηλεκτρονίων που φτάνει στα 3 keV (35 εκατομμύρια βαθμούς).

Υποθέστε ότι καταφέρνουμε να περάσουμε 18 εκατομμύρια αμπέρ σε ένα σύρμα πλάσματος διαμέτρου 1,5 χιλιοστών. Ποια είναι η τιμή του μαγνητικού πεδίου στην επιφάνεια του πλάσματος και η αντίστοιχη τιμή της μαγνητικής πίεσης; (υποθέτοντας φυσικά ότι θεωρούμε τον αγωγό ως άπειρο)

27 Ιουνίου 2006: **Στη Γαλλία, μια ενδιαφέρουσα ιδέα. **

Σε ένα άλλο τμήμα που αφιερώνεται στις μηχανές μαγνητικής συμπίεσης, που είναι εμπνευσμένες από τις ρωσικές μηχανές της δεκαετίας του 1950, έχουμε δει την αρχή της μηχανής MK-1. Στη συνέχεια, άνθρωποι δοκίμασαν με συρμούς όχι κυλινδρικούς, αλλά κωνικούς. Παράγεται ένα "φαινόμενο φορτίου". Η μάζα του συρμού, συγκεντρώνοντας στον άξονα, γεννά ένα βολίδιο που εκτοξεύεται με μεγάλη ταχύτητα. Πιστεύω ότι έχουν επιτύχει ταχύτητες 80 km/s. Να επαληθευτεί. Παραμένει, όπως μου έδειξε ο Violent, ότι μπορεί να θεωρηθεί ένας τύπος Z-μηχανής με συρμούς όχι κυλινδρικούς αλλά κωνικούς. Μπορεί να ελπίζει να επιτύχει το ίδιο φαινόμενο φορτίου. Μπορούν να φανταστούν διάφορες διαμορφώσεις. Η MHD είναι η προτιμώμενη περιοχή για τις πιο φανταχτερές λύσεις. Παρακάτω ένα σύστημα που αποτελείται από δύο τμήματα κώνου με κοινή βάση. Αν τα δύο βολίδια πλάσματος σχηματιστούν και εισέλθουν σε σύγκρουση, μπορεί να επιτευχθούν υψηλότερες θερμοκρασίες, ακόμα και με μια μηχανή όπως αυτή του Gramat.

Δεν μπορεί να κάνει περισσότερα από αυτό το σχέδιο. Μπορούν να θεωρηθούν προσομοιώσεις και, φυσικά, πειράματα.

Υπάρχει μια άλλη ιδέα που εμφανίζεται: να ολισθαίνει ο συρμός πάνω σε ένα δίκονο. Η ιδέα δεν είναι νέα. Αντιστοιχεί στο σχέδιο, για ένα συρμό συνεχή:

εκρήξεις σε δίκονο

**Αρκεί να μεταφέρετε, με ένα συρμό σε σύρμα. ** ---

**16 Ιουλίου 2006. Πόσο είναι το παράγοντας Hall bi = Wi tii για τα ιόντα; **

Ο Haines, στο άρθρο του, λέει ότι είναι μεγαλύτερο από τη μονάδα. Αυτός ο παράγοντας είναι ο λόγος της γυροσυχνότητας προς τη συχνότητα σύγκρουσης. Σύμφωνα με τον Haines, αυτή η συχνότητα σύγκρουσης ιόντων είναι κυρίως μια συχνότητα σύγκρουσης ιόντων-ιόντων. Το αντίστροφο της, ο χρόνος χαλάρωσης tii, δίνεται ως 37 πικοδευτερόλεπτα. Αυτό δίνει μια συχνότητα σύγκρουσης:

nii = 3 1010

Η γυροσυχνότητα είναι:

γυροσυχνότητα των ιόντων

Αυτό δίνει την τιμή bi = 0,258 Z για τον παράγοντα Hall των ιόντων, Z είναι η ιονική φορτίο (μέγιστο 26 αν το ιόν είναι πλήρως αποδεσμευμένο). Έτσι, όπως λέει ο Haines, ο παράγοντας Hall είναι μεγαλύτερος από τη μονάδα. Πολύ δουλειά για τους θεωρητικούς που είμαστε.

laplace

Ένας πρόσθετος δεδομένος (πηγή: http://www.sandia.gov/pulsedpower/prog_cap/pub_papers/023862p.pdf)

Η χαρακτηριστική καμπύλη της εκκίνησης του ρεύματος στη μηχανή Z:

Είναι η βραχύτητα αυτής της αύξησης της έντασης (100 νανοδευτερόλεπτα) που επέτρεψε τα αποτελέσματα στη μηχανή Sandia. Πράγματι, αποδείχτηκε ότι η υπολειμματική απόθεση των συρμών ήταν πιο αργή από την αναμενόμενη. Έτσι, αυτή η δομή "συρμού συρμών" μπόρεσε να διατηρηθεί κατά την εκρήξη, διατηρώντας την αξιοσημείωτη συμμετρία, η οποία εξαφανίζεται αμέσως όταν το αντικείμενο, μετατραπεί σε πλάσμα, αρχίσει να στρεφόταν υπό την επίδραση των ΜΗΔ ασταθειών. Όταν προσπαθείς να εκρήξεις ένα συρμό που αποτελείται από ένα κύλινδρο μετάλλου, περίπου τι θα συνέβαινε αν προσπαθούσες να συμπιέσεις ένα κύλινδρο χαρτιού στο χέρι σου. Πιστεύω ότι οι Γάλλοι ( η μηχανή Sphinx, άρθρο παρουσιάστηκε τον Σεπτέμβριο του 21006 στο συνέδριο του Tomsk, Σιβηρία, ελάχιστος χρόνος ανύψωσης: 800 νανοδευτερόλεπτα) δεν κατάλαβαν καθόλου ότι αυτό το θέμα ήταν κρίσιμο, πράγμα που μου είπε αμέσως ο Yonas μέσω email το 2006.

17 Φεβρουαρίου 2008: Μια διευκρίνιση σχετικά με τις παράσιτες αντιδράσεις σχετικά με τον τύπο B11 + H1

Το Βόριο έχει 5 ηλεκτρικά φορτία, το υδρογόνο ένα. Το άνθρακας 6 και το άζωτο 7.

Η ακτινοβολητική ψύξη του πλάσματος γίνεται μέσω της ακτινοβολίας πεδήσεως. Η ισχύς που εκπέμπεται μεταβάλλεται ως το τετράγωνο του ηλεκτρικού φορτίου. Η ισχύς που εκπέμπεται σε ακτίνες Χ από ένα ηλεκτρόνιο που περιστρέφεται γύρω από ένα άτομο Βόριο είναι 25 φορές υψηλότερη από αυτή που χάνεται περιστρεφόμενο γύρω από ένα άτομο υδρογόνου (ποιο είναι το βάρος, το φορτίο είναι αυτό που υπολογίζεται)

B11 + H1 δίνει C11 + n + 2,8 Mev

Διάρκεια ζωής του άνθρακα C11: 20 λεπτά. Μπορεί να ανοίξει χωρίς κίνδυνο τη θάλαμο 10 ώρες μετά την απενεργοποίηση

B11 + He4 δίνει N11 + n + 157 keV

Προστασία: 20 εκατοστά Β10 ή 1 μέτρο νερό.

Ραδιενεργότητα που προκαλείται στο ηλεκτρόδιο από το βηρύλιο: 5 μικροκουρίες ανά έτος (δεδομένα: συμπύκνωση του Lerner)

Σύμφωνα με τον Lerner, στην αυτόματη σύντηξη αυτή χρησιμοποιείται οι ΜΗΔ αστάθειες. Η περιγραφή των μηχανισμών του είναι η εξής. Η ηλεκτρική απόδοση "σαν καταστροφή" τείνει πρώτα να δώσει συμπυκνώσεις πλάσματος παρόμοιες "με τα βράχια της ίδιας καταστροφής". Στη συνέχεια, αυτά τα ινώδη περιτυλίγονται κατά μήκος του άξονα για να δώσουν ένα σύρμα πλάσματος. Αυτό το σύρμα, με αστάθεια Κινκ, διαμορφώνεται "όπως ένα τηλεφωνικό σύρμα σπειρωμένο". Στη συνέχεια, σε αυτή την ίδια δομή σχηματίζονται "αυτοσυμπιεστικά πλασμοειδή" σημεία θερμότητας ενός μικρού όγκου, μικρότερο από το κυβικό μικρόμετρο. Σε αυτά τα πλασμοειδή το μαγνητικό πεδίο έχει την τοπολογία του τοροειδούς. Νέο σφιγμός κατά μήκος του άξονα αυτού του πλασμοειδούς-σταγόνας. Και τότε, όπως λέει ο Lerner, συμβαίνουν οι αντιδράσεις σύντηξης.

18 Μαρτίου 2008: Σχόλιο μετά τη δημοσίευση ενός άρθρου στο περιοδικό Science et Avenir.

Ο δημοσιογράφος David Larousserie δημοσίευσε ένα άρθρο με τίτλο "τα έργα της Z-machine" στον τεύχος του Μαρτίου 2008 του περιοδικού στο οποίο εργάζεται: Science et Avenirs. Με κάλεσε και μου ζήτησε πού μπόρεσα να διαβάσω ότι οι εμπειρίες της Sandia το 2005-2006 επέτρεψαν να ξεπεράσουν, όχι δύο δισεκατομμύρια βαθμούς, αλλά τρία. Τον απέστειλα στο άρθρο του Haines, της 24ης Φεβρουαρίου 2006, εικόνα 3 όπου αναφέρεται ρητά ότι η ιονική θερμοκρασία ανέβηκε από 230 έως 320 keV. Ωστόσο, εκτός αν έχω λάθος, 320 keV αντιστοιχούν σε θερμοκρασία 3,68 δισεκατομμύρια βαθμούς.

Δεν αναφέρει στο άρθρο του τη δυνατότητα σύντηξης χωρίς νετρόνια Βόριο-Υδρογόνου, περιοριζόμενος στην τεχνική του holraum. Συνήθως, αυτή η πρόοδος στη θερμοκρασία είναι πολύ κακά αποδεκτή στους κύκλους που σχετίζονται, κοντά ή μακριά, με το έργο ITER, όπου προτιμούν να παραβλέψουν αυτή τη προοπτική, περιορίζοντας τη Z-machine σε εφαρμογές κυρίως στρατιωτικές. Επειδή, αν κάποια μέρα αποδειχτεί ότι το μέλλον της σύντηξης περνάει από αυτές τις πολύ υψηλές θερμοκρασίες (ένα δισεκατομμύριο βαθμούς), η τεχνολογία Tokamak δεν θα μπορούσε να ακολουθήσει καθόλου.

Στο άρθρο του, ο Larousserie αναφέρει ότι ακούστηκε από συνομιλίες με τον Alexander Chuvatin, από το Εργαστήριο Φυσικής και Τεχνολογίας Πλασμάτων (LPTP) της Επιστημονικής Σχολής. Αναφέρει αυτές τις προτάσεις, που αναφέρουμε:

- Δεν πρέπει να επιταχύνουμε για τις θερμοκρασίες αυτές. Υπάρχουν μόνο για πολύ σύντομα διαστήματα και είναι τοπικές σε ασταθείς περιοχές. Αυτό καθιστά αδύνατη τη σύντηξη που απαιτεί ταυτόχρονα μεγάλη πυκνότητα υλικού, αρκετό χρόνο συγκράτησης και υψηλή ενέργεια. *

Σύμφωνα με τον Larousserie, ο Chuvatin είπε ότι πρότεινε μια εξήγηση της ανωμαλίας που αναφέρει ο Haines στην αρχή του άρθρου του. Αναφέρουμε τι προσδιορίζει ο Haines:

Υπήρξε κάποιο πρόβλημα στην κατανόηση της ακτινοβολούμενης ενέργειας σε μια εκρήξη πλάσματος συρμού, η οποία μπορεί να φτάσει τα 4 φορές την κινητική ενέργεια [1,4] (οι ημερομηνίες των παραπομπών: 1997 έως 2002, δείχνουν ότι αυτό το πρόβλημα δεν είναι καινούριο), * και πώς η πίεση του πλάσματος μπορεί να είναι αρκετή για να ισορροπήσει τη μαγνητική πίεση στην στάση αν οι θερμοκρασίες των ιόντων και των ιόντων είναι ίσες. Πραγματικά, θεωρητικά η περιττή μαγνητική πίεση θα έπρεπε να συνεχίσει να συμπιέζει το πλάσμα οδηγώντας σε ακτινοβολική καταστροφή. Έχουν αναπτυχθεί θεωρίες για να εξηγήσουν την πρόσθετη θέρμανση, αλλά ούτε μία από αυτές αντιμετωπίσει την ανισορροπία της πίεσης. *

Αναγνωρίζω ότι δεν καταλαβαίνω καθόλου την παρατήρηση του Chuvatin. Το σημαντικό είναι τι προκύπτει από την εξίσωση του Bennet, η οποία εκφράζει απλά ότι η πίεση του πλάσματος ισορροπεί τη μαγνητική πίεση. Είναι δεδομένη στο άρθρο του Haines και έχω διευκρινίσει τον τρόπο (πολύ σαφής) της απόδειξής της:

εξίσωση Bennet

Ο Haines το δείχνει καθαρά: για να μην είναι το πλάσμα συμπιεσμένο, η θερμοκρασία πρέπει να είναι 296 eV. Αυτό που είναι νέο, τελικά, στο άρθρο του 2006 είναι ότι αυτή η ιονική θερμοκρασία, που προηγουμένως εξαχθεί από αυτή την εξίσωση, μετρήθηκε μέσω της επέκτασης των γραμμών και επιβεβαιώθηκε. Το άρθρο του Haines είναι πολύ σαφές σε αυτό το θέμα.

Αυτό που υποδηλώνει το σχόλιο του Chuvatin είναι ότι αυτές οι πολύ υψηλές θερμοκρασίες "μπορεί να ενδιαφέρουν μόνο περιοχές πολύ μικρές και πολύ ασταθείς". Σκεφτόμαστε τότε τα "σημεία θερμότητας" των πειραμάτων του Lerner, σχετικά με τα αυτοσυμπιεστικά πλασμοειδή μικρομετρικών διαστάσεων. Αν αυτή ήταν η ιδέα

Η μεταφορά ενέργειας μεταξύ δύο σωματιδίων με διαφορετική μάζα είναι ανάλογη προς το λόγο της μικρότερης μάζας προς τη μεγαλύτερη. Εντός του ίδιου είδους, αυτές οι ανταλλαγές ενέργειας είναι μέγιστες, καθώς αυτός ο λόγος είναι ίσος με τη μονάδα. Ο Haines εκτιμά τότε το χρόνο σχέσης σε 37 πικοδευτερόλεπτα. Οι καμπύλες δίνουν χρόνο συγκράτησης του πλάσματος περίπου μερικά νανοδευτερόλεπτα (περίπου πέντε). Δεν ξέρω ποιος είναι ο χρόνος μέτρησης της θερμοκρασίας με διαστολή γραμμών. Πρέπει να αναφέρεται κάπου στο άρθρο του Haines. Αν συγκρίνουμε το χρόνο αποκατάστασης εντός του ίδιου είδους (ηλεκτρόνια-ηλεκτρόνια ή ιόντα-ιόντα), αυτός ο χρόνος είναι περισσότερο από μία τάξη μεγέθους μεγαλύτερος από τον χρόνο αποκατάστασης. Αυτό αρκεί για να διαπιστώσουμε ότι τα ιοντικά είδη μπορούν να περιγραφούν με μία συνάρτηση Maxwell-Boltzmann.

Η μέτρηση με διαστολή γραμμών μέσω του φαινομένου Doppler-Fizeau κατά μήκος της "γραμμής θέασης", όπως λένε οι αστρονόμοι, δηλαδή κατά μήκος μίας ακτινικής κατανομής. Και εδώ έχουμε μία ακόμη λύση για να αποκλίνουμε από τη θερμοδυναμική ισορροπία: η ανισότροπος. Αλλά θα μου πείτε, ένα αέριο μέσο θα μπορούσε να φαίνεται διαφορετικό ως προς τη θερμική κατάσταση ανάλογα με τη γωνία που το κοιτάζουμε; Αυτό συμβαίνει πίσω από μία έντονη κυματική συγκρούση, την πραγματική "κρουστική δύναμη" που μεταφέρει στα άτομα μία αρχική ορθογώνια προς τη διάδοση του κύματος ώθηση, η οποία στη συνέχεια γρήγορα "θερμοκρατείται", με την απόκτηση ταχύτητας διάδοσης να εξαπλώνεται σε όλες τις κατευθύνσεις μέσω μίας μικρής αριθμού συγκρούσεων. Εδώ επίσης μπορούμε να θεωρήσουμε ένα χρόνο αποκατάστασης. Με την πρώτη ματιά θα έλεγα ότι αυτή η ανισότροπος θα έπρεπε να είναι αμελητέα. Αλλά και πάλι, κάθε συμπέρασμα βασίζεται σε υποθέσεις για τη φύση του μέσου που μελετάμε, σε μικροσκοπική κλίμακα. Προστίθεται επίσης το μαγνητικό πεδίο και οι τοπικές και χρονικές διακυμάνσεις του, καλώς ήρθατε!

Ποια εμπιστοσύνη μπορούμε να δώσουμε σε αυτές τις μετρήσεις θερμοκρασίας με διαστολή γραμμών; Δεν μετράμε ίσως τη θερμοκρασία ενός υποσυνόλου: αυτού... των ζεστών σημείων; Γνωρίζουμε ότι η ακτινοβολούμενη ισχύς ακολουθεί το νόμο του Stefan, που αυξάνεται με το τέταρτο δυναμικό της θερμοκρασίας της πηγής. Δίλημμα.

Εδώ πρέπει να απευθυνθούμε στην εξίσωση του Bennet, τη μη υποβάθμιση του πλάσματος. Ο ακτινικός της ακτίνας περνάει από ένα ελάχιστο. Ακριβώς εκεί, η ιονική πίεση πρέπει να ισορροπήσει τη μαγνητική πίεση, που υποστηρίζει μία θερμοκρασία 300 keV. Πάρτε ένα μανόμετρο. Μας δίνει μία τιμή πίεσης, αθροίζοντας ένα πολύ μεγάλο αριθμό συγκρούσεων σωματιδίων με την επιφάνειά του. Εδώ δεν πρόκειται πλέον για νόμο του Stefan. Η πίεση σε μία ανάμιξη είναι το άθροισμα των μερικών πιέσεων. Και η πίεση είναι επίσης πυκνότητα ενέργειας ανά μονάδα όγκου. Αν η εξίσωση του Bennet μας δώσει 300 keV, αυτό δίνει μία μέση τιμή της ενέργειας των σωματιδίων. Και αυτή αντιστοιχεί σε πάνω από τρία δισεκατομμύρια βαθμούς Κελβίν, ανεξάρτητα από το εάν υπάρχουν ζεστά σημεία ή όχι.

Γνωρίζω ότι όλα αυτά είναι αρκετά σύγχυστα. Πάρτε το παράδειγμα ενός φθορίζοντος σωλήνα. Αέριο ψυχρό, ηλεκτρόνια ζεστά. Κάνουμε μία μέτρηση θερμοκρασίας με φασματοσκοπία (σε ένα φθορίζον σωλήνα το φως εκπέμπεται όχι από το αέριο, αλλά από τη φθορίζουσα επένδυση που καλύπτει το εσωτερικό της συσκευής). Η εκπομπή του αερίου βρίσκεται στο υπεριώδες. Θα κάναμε λοιπόν συμπέρασμα ότι αυτό το αέριο είναι 10.000°; Όχι, το αέριο των ηλεκτρονίων είναι σε αυτή τη θερμοκρασία. Αν δεν υπήρχε η εξίσωση του Bennet, θα μπορούσαμε να είμαστε κληρονόμοι της ιδέας ότι η μέτρηση θερμοκρασίας με διαστολή γραμμών είναι προκατειλημμένη.

Όλα αυτά μας οδηγούν στο συμπέρασμα ότι υπάρχει πολύ να εξερευνήσουμε. Έχω συνιστήσει (vox clamat in deserto) τη δημιουργία ενός ευρωπαϊκού έργου Z-pinch. Αν το LMJ δεν δώσει τα αποτελέσματα που ελπίζαμε, θα πρέπει να στραφούμε γρήγορα σε κάτι άλλο, συγκεκριμένα λιγότερο δαπανηρό.

Μία τελευταία παρατήρηση.

Όταν ήμουν στο συνέδριο για τις Υψηλές Ενεργειακές Παλμικές Ισχύεις στη Βίλνιους, Λιθουανία, τον Σεπτέμβριο του 2008 (όπου παρουσίασα τρεις εκθέσεις, βλ. http://www.mhdprospects.com) μεταφέρθηκα αμέσως την πρώτη μέρα απέναντι στους Αμερικανούς Matzen και Mac Kee, ο πρώτος ως υπεύθυνος της εγκατάστασης ZR στο Sandia και ο δεύτερος ως βοηθός του. Ήμουν πολύ έκπληκτος που αμέσως με χαμογέλασαν, όταν τους ρώτησα για τη ZR και μου είπαν αμέσως:

- Το άρθρο του Haines, του 2006; Έκανε λάθος, οι θερμοκρασίες ήταν πολύ χαμηλότερες, τουλάχιστον μία τάξη μεγέθους! - Αλλά υπάρχουν αυτές οι ισχυρές διαστολές των φασματικών γραμμών .... - Ένας Ισραηλινός, ο Yitziak Maron, επανεξέτασε όλα αυτά και συμπέρανε ότι ο Haines ερμήνευσε λανθασμένα αυτά τα φασματογράφημα. - Έχει δημοσιευτεί; - Όχι, δεν το έκαναν, για να μην προκαλέσουμε κακό σε αυτόν τον καλό Malcom (...)

Το βράδυ, όταν πίεσα, ο Mc Kee στάθηκε μπροστά σε μία κονσόλα και μου είπε:

- Θα στείλω ένα email στο Maron, μπροστά σε σας, και αύριο θα έχουμε τις εξηγήσεις του.

Αύριο, συναντώ τον Mc Kee:

- Λοιπόν, οι εξηγήσεις του Maron; - Μμμ... προτιμούμε να μη δημοσιεύσουμε αυτά για τώρα; - Αλλά μπορείτε τουλάχιστον να μου διαβάσετε το email του ..... - Είναι ότι... μας απάντησε τηλεφωνικώς (....)

Ακολούθησαν ασαφείς και λίγο πειστικές εξηγήσεις.

Δύο μέρες αργότερα, ο Matzen παρουσίαζε στη σκηνή την πρόοδο της ZR, εστιάζοντας στα απλά πλεονεκτήματα της μεγάλης τεχνολογίας, με υπέροχες φωτογραφίες. Εκεί μάθαμε ότι οι εγκαταστάσεις για την απόκτηση παγετού VII δεν είχαν επιτευχθεί με ελαστική συμπίεση, αλλά με εκρηκτική συμπίεση, με ένα διαφορετικό πείραμα, όπου το ρεύμα κλείνει όπως ένα "καμπάνι", δηλαδή με εισαγωγή αξονικά σε μία μαζική στήλη και επιστροφή μέσω ενός γραμμικού περιβλήματος από σύρματα, στο οποίο το μέσο που θέλουμε να συμπιέσουμε το τοποθετούμε εξωτερικά. Τίποτα δεν έχει κοινό με τις προηγούμενες εγκαταστάσεις. Στο τέλος της ομιλίας μου ζήτησα το μικρόφωνο και είπα:

Έχουμε συζητήσει τις προηγούμενες μέρες, όπου αμφισβητήσατε την ανάλυση του Haines για τις μετρήσεις θερμοκρασίας στη Z-machine, με φασματοσκοπία και δημοσιευμένες το 2006 στο Physical Review D. Σύμφωνα με εσάς, η θερμοκρασία των ιόντων θα ήταν τουλάχιστον μία τάξη μεγέθους χαμηλότερη. Μου είπατε ότι ο Yitziak Maron, από το Ινστιτούτο Weisman στην Ιερουσαλήμ, έφτασε σε αυτό το συμπέρασμα. Εφόσον αυτή η υπόθεση είναι σημαντική, θα μπορούσατε να φωτίσετε τις αμφιβολίες μας;

Matzen:

- Μμμ... αυτή είναι μία καλή ερώτηση

Μετά μία λεπτό παύση, που διακόπηκε από τον πρόεδρο της συνεδρίασης.

Επιστρέφοντας στη Βρυξέλλη, έστειλα ένα email στον Ισραηλινό Maron, ο οποίος μου απάντησε με μία ασαφή απάντηση, χωρίς να απαντήσει στις ερωτήσεις μου, λέγοντας τα καλύτερα για τον Haines. Μου είπε ότι θα προσχωρούσε στο Sandia τις επόμενες μέρες.

Έστειλα ένα άλλο email στον Gerold Yonas, επιστημονικό διευθυντή του Sandia, ο οποίος μου απάντησε αμέσως με πολύ σύντομη απάντηση.

- Ναι, αυτό είναι και για μένα ένα μυστήριο. Θα ζητήσω από τον Matzen να διευκρινίσει αυτή την ιστορία.

Από το τέλος Οκτωβρίου 2008, καμία επικοινωνία.

18 Φεβρουαρίου 2008: Σχετικά με την ανευτρονική σύγκρουση

Σε μία αντίδραση σύγκρουσης, δύο πυρήνες πρέπει να πλησιάσουν σε απόσταση αρκετά μικρή ώστε να μπορέσει να πραγματοποιηθεί μία πυρηνική αντίδραση. Η πυρηνική φυσική είναι σε αυτό το σημείο παρόμοια με τον κόσμο της χημείας. Η ραδιενέργεια, φυσική ή επαγόμενη, σημαίνει απλώς ότι οι πυρήνες είναι ασταθείς. Η διάσπαση είναι μία αυθόρμητη διάσπαση που δίνει πυρήνες με μικρότερη μάζα από αυτόν από τον οποίο προέρχονται. Στις διασπάσεις του Ουρανίου 235 ή του Πλουτωνίου 239, τα προϊόντα αυτής της αυθόρμητης διάσπασης έχουν μάζες γύρω στο μισό της αρχικής μάζας του πυρήνα.

Παράγονται νετρόνια, τα οποία μπορούν, όταν συγκρούονται με άλλους πυρήνες U235 ή Pu 239, να προκαλέσουν νέες διασπάσεις, διασπάσεις που είναι επαγόμενες από τις συγκρούσεις. Μπορούμε τότε να μιλήσουμε για μία αυτοκαταλυτική διάσπαση. Οι πυρήνες διαθέτουν μία αποτελεσματική τομή για σύλληψη. Γνωρίζοντας αυτήν, είναι δυνατό να υπολογίσουμε την κρίσιμη μάζα. Αυτή είναι η μάζα μίας σφαίρας της οποίας η ακτίνα είναι περίπου ίση με τη μέση ελεύθερη διαδρομή ενός νετρονίου ως προς τη σύγκρουση με έναν πυρήνα από φθαρτό υλικό.

Μπορούμε να μειώσουμε αυτή την κρίσιμη μάζα αυξάνοντας την πυκνότητα των πυρήνων, με συμπίεση, η οποία στις βόμβες εξασφαλίζεται από χημικό εκρηκτικό.

Έστω ένα αέριο σε απόλυτη θερμοκρασία T. Αν αυτό το μέσο είναι ισχυρά συγκρουόμενο (δηλαδή αν το μέσο βρίσκεται σε κατάσταση πολύ κοντά στη θερμοδυναμική ισορροπία με στατιστική Maxwell-Boltzmann), η μέση τιμή της θερμικής ταχύτητας αυτών των σωματιδίων θα δίνεται από τον παρακάτω τύπο. Τα λίγα σχήματα και τύποι επιτρέπουν να κατανοήσουμε, με σχηματικό τρόπο, την έννοια της αποτελεσματικής τομής σύγκρουσης (που οδηγεί εδώ σε μία πυρηνική αντίδραση) και της συχνότητας σύγκρουσης (της πυρηνικής αντίδρασης που εξετάζεται). Εδώ μειώνουμε την ταχύτητα των ιόντων μάζας m στη μέση τιμή . Θεωρούμε ότι ό,τι διαγράφεται κατά τη διέλευση σε ένα "δίκτυο" που αποτελείται από την αποτελεσματική τομή, οδηγεί σε πιθανότητα αντίδρασης ίση με τη μονάδα, και ότι για ό,τι βρίσκεται εκτός αυτού, η πιθανότητα είναι μηδέν.

συχνότητα σύγκρουσης

**Συχνότητα σύγκρουσης, χαρακτηριστικός χρόνος αντίδρασης **(σύγκρουσης)

Αλλά δεν αρκεί να είναι η συχνότητα σύγκρουσης αρκετή, ώστε ο χαρακτηριστικός χρόνος αντίδρασης να είναι μικρότερος από τον χρόνο συγκράτησης. Πρέπει επίσης να είναι η θερμοκρασία των ιόντων αρκετά μεγάλη ώστε αυτά, κινούμενα με ταχύτητα γύρω από τη μέση τιμή , να μπορέσουν να διαπεράσουν τη δυναμική φράγμα Coulomb, απωθητική, που εμποδίζει την πλησίαση δύο θετικά φορτισμένων ιόντων. Αυτό οδηγεί, για μία ανάμιξη δευτερίου-τριτίου D-T, σε θερμοκρασία που βρίσκεται μεταξύ 100 και 200 εκατομμυρίων βαθμών, θερμοκρασία που οι φυσικοί συνήθως αξιολογούν σε χιλιοηλεκτρονιοβόλτ (keV), σύμφωνα με τον τύπο

e V = k T

e είναι η ηλεκτρική φορτίο του ηλεκτρονίου, που είναι 1,6 × 10⁻¹⁹ κουλόμπ

k είναι η σταθερά του Boltzmann = 1,38 × 10⁻²³

Έτσι, ένα ηλεκτρονιοβόλτ αντιστοιχεί σε (e/k) βαθμούς Κελβίν, δηλαδή 11.600 °K

Εφόσον λογίζουμε με τάξεις μεγέθους, αντιστοιχούμε ένα eV, ένα ηλεκτρονιοβόλτ, σε θερμοκρασία 10.000 °K. Έτσι, αυτή η θερμοκρασία των ιόντων πρέπει να βρίσκεται μεταξύ 10 και 20 keV.

Για να μπορέσουν να ξεκινήσουν οι αντιδράσεις σύγκρουσης, πρέπει να είναι εκπληρωμένες οι συνθήκες Lawson.

υπολογισμός Lawson

Η συνάρτηση L εξαρτάται από τη θερμοκρασία του πλάσματος. Η αποτελεσματική τομή Q(V) εξαρτάται από τη σχετική ταχύτητα των πυρήνων και, συνεπώς, από τη μέση ταχύτητα , δηλαδή από τη θερμοκρασία των ιόντων.

Καμπύλη Lawson

Καμπύλη Lawson

Η αντίδραση δευτερίου-τριτίου είναι νετρονική. Γνωρίζουμε από καιρό αντιδράσεις που δεν είναι. Δείτε Ανευτρονική σύγκρουση.

Μόνο ένας μικρός αριθμός αντιδράσεων σύγκρουσης πραγματοποιούνται χωρίς εκπομπή νετρονίων. Αυτές που διαθέτουν τη μεγαλύτερη αποτελεσματική τομή είναι:

2D + 3He → 4He (3,6 MeV) + p+ (14,7 MeV)

2D + 6Li → 2 4He + 22,4 MeV

p+ + 6Li → 4He (1,7 MeV) + 3He (2,3 MeV)

3He + 6Li → 2 4He + p+ + 16,9 MeV

3He + 3He → 4He + 2 p+ + 12,86 MeV

p+ + 7Li → 2 4He + 17,2 MeV

p+ + 11B → 3 4He + 8,7 MeV

Οι δύο πρώτες χρησιμοποιούν το δευτέριο ως καύσιμο, αλλά ορισμένες δευτερεύουσες αντιδράσεις 2D-2D παράγουν λίγα νετρόνια. Αν και η ποσότητα ενέργειας που μεταφέρεται από τα νετρόνια μπορεί να περιοριστεί με την επιλογή των παραμέτρων της αντίδρασης, αυτή η ποσότητα θα παραμείνει πιθανώς υψηλότερη από το κατώφλι του 1%. Έτσι, είναι δύσκολο να θεωρήσουμε αυτές τις αντιδράσεις ως ανευτρονικές.

Τα προσπάθειες συγκεντρώνονται στην τελευταία αντίδραση. Αν η αντίδραση αυτή δεν παράγει νετρόνια, οι δευτερεύουσες αντιδράσεις είναι νετρονικές. Αν βασιστούμε στους χρόνους αποκατάστασης που υπολόγισε ο Haines, και υπάρχει διαφορά θερμοκρασίας κατά παράγοντα εκατό μεταξύ του αερίου των ηλεκτρονίων και του αερίου των ιόντων (το δεύτερο ήταν σε αυτή τη "αντίστροφη μη ισορροπία", ζεστότερο), μπορούμε ωστόσο να θεωρήσουμε ότι η πληθυσμική κατάσταση των ιόντων βρίσκεται σε κατάσταση πολύ κοντά στη θερμοδυναμική ισορροπία γύρω από τη δική τους θερμοκρασία, δηλαδή είναι ένα θερμικό πλάσμα. Έχουμε τότε τις ακόλουθες νετρονικές αντιδράσεις:

11B + α → 14N + n0 + 157 keV (εξωθερμική)

11B + p+ → 11C + n0 - 2,8 MeV (εξωθερμική)

Αυτός ο ισοτόπος του άνθρακα έχει χρόνο ημιζωής 20 λεπτών.

Κάποιοι εκτίμησαν την ενέργεια που απελευθερώνεται από αυτές τις αντιδράσεις σε 0,1% της συνολικής.

Βρίσκουμε επίσης μία αντίδραση που παράγει γάμμα:

11B + p+ → 12C + n0 + γ 16 MeV

Αυτή η αντίδραση έχει πιθανότητα μόνο 10⁻⁴ σε σύγκριση με την αντίδραση που δίνει αλφά.

Υπάρχουν επίσης νετρονικές αντιδράσεις βορίου-δευτερίου ή δευτερίου-δευτερίου:

11B + 2D → 12C + n0 + 13,7 MeV

2D + 2D → 3He + n0 + 3,27 MeV

Μπορούμε να τις αποκλείσουμε χρησιμοποιώντας καύσιμο με ισότοπη καθαρότητα.

Το κύριο συστατικό του φρουρού θα είναι το νερό για να επιβραδύνει τα γρήγορα νετρόνια, το βόριο για να τα απορροφήσει, και μέταλλο για να απορροφήσει την ακτινοβολία Χ με συνολικό πάχος της τάξης του μέτρου.

Η θερμοκρασία που απαιτείται για να ξεκινήσουν οι αντιδράσεις βορίου-υδρογόνου είναι δέκα φορές μεγαλύτερη από αυτή της αναμίξεως δευτερίου-τριτίου. Υπάρχει επίσης ένα πρόβλημα βέλτιστης αντίδρασης. Για αυτή την αναμίξη βρίσκεται γύρω στα 66 keV (730 εκατομμύρια βαθμών). Αυτή του βορίου-υδρογόνου μας οδηγεί σε 600 keV (6 δισεκατομμύρια βαθμών). Ωστόσο, είδαμε ότι η επίτευξη πολύ υψηλών θερμοκρασιών είναι δυνατή με μία Z-machine, σημειώνοντας ότι η μέγιστη θερμοκρασία που επιτεύχθηκε αυξάνεται με το τετράγωνο της έντασης του ρεύματος. Σύμφωνα με αυτή τη λογική, η θερμοκρασία που θα μπορούσε να επιτευχθεί στη ZR θα ήταν 9 δισεκατομμύρια βαθμών.

Δεν υπάρχει καμία πληροφορία για τις επιδόσεις που έχει επιτύχει αυτή η μηχανή από την εκκίνησή της

Σε αυτό το σημείο πρέπει να αποφεύγουμε να προχωρήσουμε πολύ, σε κάθε κατεύθυνση. Το ζεστό πλάσμα της Z-machine δεν είναι αυτό ενός Tokamak. Προσθέτουμε ότι αυτή η υπόθεση των "ζεστών σημείων" παραμένει ακόμη εκτός κάθε θεωρητικής περιγραφής. Η προσωπική μου γνώμη είναι ότι αντί να συζητάμε απεριόριστα, θα ήταν προτιμότερο να αφήσουμε τη φύση να μιλήσει, δηλαδή να πειραματιστούμε. Σημείωση ότι το κόστος μίας Z-machine είναι δύο τάξεις μεγέθους μικρότερο από αυτό ενός τεράστιου συστήματος σύγκρουσης όπως το ITER. Επιπλέον, το μηχάνημα διαθέτει ευελιξία που δεν διαθέτει αυτό. Τον Ιανουάριο του 2008 είχα συναντήσει στο υπουργείο Έρευνας και Βιομηχανίας τον Edouard de Pirey, νέο φοιτητή της Επιστημονικής Σχολής, επιστημονικό σύμβουλο της Valérie Pécresse. Όταν τον συνάντησα, μου αναγνώρισε αμέσως ότι δεν είχε καιρό να διαβάσει την έκθεση, παρόλο που ήταν σύντομη και σαφής, που του είχα αποστείλει. Του έδωσα μία αντίγραφη του γράμματος που ο Smirnov πρότεινε να σταλεί, υπό την προϋπόθεση να έχει το όνομα ενός αποδέκτη. Ζήτησα λοιπόν από τον de Pirey να απευθυνθεί στην προϊστάμενή του για να δει εάν θα ήθελε να φέρει το όνομά της σε αυτό το μήνυμα ως αποδέκτη.

Αυτή η προσπάθεια δεν είχε κανένα αποτέλεσμα. Το ίδιο για μία αίτηση για χρηματοδότηση της συμμετοχής μου στο διεθνές συνέδριο της Βίλνιους, Λιθουανία, για τις Υψηλές Ενεργειακές Παλμικές Ισχύεις, όπου τελικά πρέπει να πληρώσω από τα δικά μου πόρα στον Σεπτέμβριο του 2008.

Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η προσέγγιση των Z-pinches δεν αναφέρεται στον πρόσφατα δημοσιευμένο δρόμο της υπουργού. Αφήνω στον αναγνώστη να διατυπώσει τις δικές του υποθέσεις για την αποτυχία της προσπάθειάς μου.

Νομίζω ότι οι Ευρωπαίοι θα έπρεπε να σχηματίσουν το συντομότερο δυνατό μία ομάδα έρευνας, σε στενή συνεργασία με τους Ρώσους, ειδικούς στο θέμα. Θα ήταν σκόπιμο, και ακόμη και επείγον, να βάλουμε λίγα χρήματα στο τραπέζι και να κατασκευάσουμε μία μηχανή με πολιτικό σκοπό, προσβάσιμη για όλους, εγκατεστημένη σε κάποιο "ουδέτερο" κράτος (σε τεχνικό-επιστημονική έννοια, φυσικά). Η γαλλική Z-machine, το μηχάνημα Sphinx, εγκατεστημένο στο Gramat, στο Lot, δεν μπορεί να βελτιωθεί. Με χρόνους αποφόρτισης 800 νανοδευτερολέπτων αυτή η μηχανή είναι πολύ αργή. Νομίζω επίσης ότι θα ήταν μεγάλο λάθος να τοποθετήσουμε αυτό το έργο υπό την επίβλεψη της εθνικής ασφάλειας, για διάφορους λόγους. Φυσικά, μέσω αυτής της προσέγγισης, η εμφάνιση καθαρών βόμβων σύγκρουσης γίνεται "μη αδύνατη". Οι Ρώσοι είναι εξαιρετικά ικανοί στη διαχείριση των υψηλών ενεργειακών παλμών, όταν η αρχική ενέργεια είναι εκρηκτικό. Περιοδικά οι Δυτικοί ανακαλύπτουν, συχνά με �

Πάνω από 2 δισεκατομμύρια βαθμούς! Ανάλυση του έγγραφου του Μαλκόλμ Χέινς (Απρίλιος 2006)

En résumé (grâce à un LLM libre auto-hébergé)

Mots-clés