المصائد الكظومة

يكتسب انحفاظ العزم المغنطيسي اهمية كبيرة في نظرية الخصر المغناطيسي للبلازما فهو يشير الى الامكانية المبدئية لحصر الجسيمة من الانفلات عن اتجاه الحقل المغنطيسي .والجهاز المقترح لهذه الغاية هو المصيدة المغنطيسية الكظومة . ويبين الشكل (1) مخططا مبدئيا لهذه المصيدة.

​المصيدة عبارة عن اسطوانة تولد وشيعتها الخارجية حقلا مغنطيسيا طوليا H₀ وعند استخدام عدد لفات اكبر في طرفي الاسطوانة ( او تمرير تيار اكبر) تتكون في الاطراف مناطق ذات حقل اقوى تدعى بالسدادات او المريا المغنطيسي . وفي هذه الاطراف تكون شدة الحقل اكبر مساوية لـ RH₀ حيث R يمثل المعامل المرآتي او معامل اللف(R>1).

a - مخطط سلك الملف , b – مخطط خطوط القوة للحقل المغنطيسي.

       اذا دارت الجسيمة المشحونة في منطقة الحقل المغنطيسي الاساسي H₀  وفق مدار سيكلتروني بسرعة عرضانية _┴Ʋ واذا وقع مركز هذا المدار عند حركته على طول خط القوة في منطقة الحقل المقوى RH₀ فانه حسب قانون انحفاظ العزم المغنطيسي، يجب ان تزداد سرعة الدوران بقدر  .

ولكن بالاضافة الى قانون انحفاظ العزم فان قانون انحفاظ الطاقة هو الاخر يتحقق ايضا:

+ Ʋ_II²) = const _┴Ʋ M(  

Ʋ_IIحيث السرعة الطولية لحركة المركز الدال guiding center على طول خط القوة . فحسب قانون انحفاظ الطاقة يؤدي تزايد السرعة العرضانية الى تناقص السرعة الطولانية⁽¹⁾.

فاذا ما اشرنا الى السرعة في مجال الحقل المقوى باشارة Ʋ فانه يمكن ان نكتب:

ومنه:

من اجل جسيمات ذات سرعة عرضية كبيرة الى حد كاف تؤول السرعة الطولية في مجال الحقل المقوي الى الصفر. باعدام العلاقة السابقة اي   نحصل على الشرط التالي :

فالجسيمات التي سرعتها العرضية تزيد على هذه القيمة الحدية سوف تنعكس عن منطقة الحقل المقوى (من هنا جاءت تسمية المرآة) وبكلام اخر فان مثل هذه المنطقة لا تسمح للجسيمات بالخروج من المصيدة (من هنا جاءت تسمية السدادة).

يمكن التعبير عن نفس النتيجة بلغة الهندسة كما يلي : عند حركة الجسيمة وفق خط لولبي يدور شعاع السرعة (يترنح) حول اتجاه خط القوى للحقل المغنطيسي بزاوية قدرها θ التي تعرف بالشرط :

Ʋ_II / _┴Ʋ =  tgθ

كما هو مبين تحصر المصيدة الكظومة كل الجسيمات التي تتحقق بالنسبة لها العلاقة:

لكن المصيدة لا تستطيع حصر الجسيمات التي تقع اتجاهات سرعها داخل المخروط المعرف بالعلاقة:

وهو ما يدعى المخروط الخطر . الذي كلما ضاق كبرت قيمة المقدارR المعامل المرآتي او معامل اللف . ولو لم تتصادم الجسيمات داخل المصيدة لخرجت منها كل الجسيمات ذات السرع باتجاهات واقعة داخل المخروط الخطر لكن الجسيمات ذات الاتجاهات الاخرى تبقى فيها . في الواقع تعمل التصادمات بين الجسيمات على تغير اتجاهات سرعها مؤدية بالجسيمات الجديدة الى داخل المخروط الخطر . وكنيجة لذلك يحدث تسرب جزئي للجسيمات من المصيدة وتتحدد سرعة التسرب بتواتر الصدم.

كما هو واضح مما سبق تحصر المصيدة المغنطيسية فقط تلك الجسيمات ذات السرعات العرضانية الكبيرة كافية، اي انها تصلح فقط من اجل البلازما الحارة. ومن غير المستحسن تسخين البلازما داخل المصيدة لانه بعملية التسخين يظهر تسرب قوي. لذلك فان لملء المصيدة بالبلازما تستخدم طريقة الحقن من مصدر خارجي (انظر لاحقا) تنفث ايونات سريعة الى داخل المصيدة عندئذ تظهر سلسلة مت المصاعب التي تواجه عملية الحصر.

• من اجل ايجاد بلازما شبه معتدلة لابد من تعويض الشحنة الفراغية للايونات بالالكترونات الواردة من الخارج . القوة المحركة من الالكترونات تنجم عن الحقل الكهربائي المتولد بالشحنة الفراغية. لكن عند ابعاد كبيرة للمصيدة يتطلب الامر تيارات الكترونية عالية التي ليست هنا سهلة المنال.
• اذا لم بسمح الحقل المغنطيسي بخروج جسيمات من المصيدة فهو لن يسمح لها بالدخول ايضا. من اجل الحقن تم اللجوء الى احداث قناة مغنطيسية خالية من الحقول بواسطة ملفات تعويضية خاصة والتي يجري عبرها الحقن.
• حسب قوانين الميكانيك يجب على الجسيمة اثناء حركتها الكظومة ذات المسار المغلق ان تعود الى نقطة البدء والاصطدام بالمحقن، مما يقود الى خروجها من المصيدة، لتلافي هذا، من الضروري اثناء عملية الحقن جعل حركة الجسيمات لا كظومة الى حد ما. فمن الممكن اثناء عملية الحقن مثلا زيادة شدة الحقل المغنطيسي للمصيدة بسرعة، لكن هذا الرفع يجب ان يتم بسرعة بحيث يتغير الرفع بقدر ملموس خلال زمن دورة سكلترونية واحدة. وهذا مستصعب فنيا. واسهل الطرق المتبعة تكمن في حقن ايونات جزئية D₂⁺ التي تتحلل جراء الصدم داخل المصيدة الى ايونات ذرية وذرات معتدلة. فعملية الصدم تعتبر غير كظومة الى حد ملموس، فللايون الذري نصف قطر سيكلتروني اصغر بمرتين من الايون الجزيئي . لذلك فانه بعد التفكك لا تعود الجسيمة الى قناة الحقن. وطريقة الحقن هذه هي المتبعة عمليا في حقن ايونات جزئية في محطات عاملة في روسيا او في الولايات المتحدة.

________________________________________________________

(1) اذا ما اثرت على العزم المغنطيسي للمدار u قوة F= - μΔH فان تناقص السرعة الطولانية سيحصل لا محاله.