پلاسما چیست؟ آشنایی با حالت چهارم ماده

طیف نگاشت گاز گزنون کـه بـه پلاسـما تبدیل شده و با «اثر فشردگی» که در این مقاله شرح داده‌ایم به صورت ستون باریکی پر بـست گردیده. پهن شدن خطوط طیفی در مرکز از آنجا ناشی شده که چگالی و فشار در ایـن قسمت از ستون پلاسما تـحت تـاثیر بیشترین فشار افزایش یافته است.

فیزیک پلاسما-یعنی مطالعهٔ انواع پلاسما-از جالبترین وجدیدترین رشته‌های علمی است که تا به حال به اطلاعات نظری ما دربارهٔ جهان خیلی افزوده است، و ممکن اسـت نتایج عملی فراوانی هم داشته باشد. پلاسماممکن است ما را به منبع پایان ناپذیر نیروی ارزان و بی‌خطری که در سراسر زمین یافت شود، به تکنیکهای ارتباطی جدید و شگفت‌آور و به تولید نیرو برای حرکت نـاوهای کـیهانی به سوی سیارات هدایت کند.

منظور از پلاسما چیست؟ پلاسما گازهایی مرکب از ذرات دارای بار الکتریکی است. پلاسما به خاطر این حالت خواص فروان دارند که درگازهای عادی که ذراتشان از نظر الکتریکی خنثی هستند، دیـده نـمی‌شود. یکی از خواص پلاسما این است که رسانای برقی خوبی است-در بعضی موارد، حتی از بهترین رساناهای فلزی برتر است.

می‌توان با یونیده‌کردن یک گاز معمولی به وسیلهٔ تخلیهٔ الکتریکی (یـعنی بـا تبدیل آن به ذراتی که دارای بار الکتریکی هستند) پلاسما به وجود آورد. هر اتم گاز معمولی از هسته‌ای تشکیل یافته است با بار الکتریکی مثبت که ابری از الکترونها با بار منفی آن را احـاطه کـرده‌اند، بـنابراین بار الکتریکی آن صفر اسـت. اگـر چـنین گازی در یک میدان برقی قوی قرار گیرد، امکان این وجود دارد که در گوشه و کنار آن چند الکترونی از اتمهای گاز خارج شوند. هر اتـمی کـه بـه این طریق تحت تأثیر قرار گرفته باشد، دارای بـار الکـتریکی مثبت خواهد بود، یعنی به یک یون تبدیل خواهد شد. در نتبجهٔ این فرایند الکترونهای جدا شده، که دارای بـار مـنفی هـستند، اینکخ آزادانه به اطراف حرکت می‌کنند. همچنانکه این الکترونها از مـیدان برقی انرژی دریافت می‌کنند و سرعتشان افزایش می‌یابد، با اتمهای دیگر برخورد می‌کنند و آنها را پونیده می‌سازند و الکترونهای بیشتری آزاد مـی‌کنند کـه آنـها هم به نوبهٔ خود سرعت می‌گیرند و آزاد شدن الکترونهای دیگری را موجب مـی‌شوند و جـریان به همین نحو ادامه پیدا می‌کند. این را فرایند آبشار می‌نامند. از این راه یک تخلیهٔ برقی صورت مـی‌گیرد و حـالا جـریان برق می‌تواند از داخل این گاز که قبلا عایق بود، عبور کند. در صـورتی کـه تـخلیهٔ برقی خیلی قوی باشد، امکان این هست که گاز به وسیلهٔ فرایند آبشار، کـاملا پونـیده شـود و به پلاسما تبدیل گردد. پلاسما دقیقا به همین طرز توسط تشتال روشتاب ۱ ایجاد مـی‌شوند.

یـک راه دیگر تولید پلاسما، گرما دادن گاز در ظرفی است که بتوان دمای آن را خـیلی بـالا بـرد. و شدیدتر باهم برخورد می‌کنند. چنانچه بتوان گرما را تا حد کافی بالا برد، این بـرخوردها آنـ‌قدر شدید می‌شوند که تمام الکترونها از هسته‌های اتمی جدا می‌گردند و یک حالت یونش کـامل حـاصل مـی‌شود.

دمای لازم برای ایجاد این نوع «یونش گرمایی»(«یونش به وسیلهٔ گرما») در مقایسه با معیارهای مـعمولی بـسیار زیاد است-دست‌کم دهها هزار درجهٔ صد بخشی. در حقیقت، فقط در موارد بـسیار ویـژه در دمـاهای پایینتر از نقطهٔ ذوب ظروفی که در مقابل گرما بیشترین مقاومت را دارند امکان تولید پلاسما وجود دارد.

پلاسماهایی را کـه تـا بـه حال در فیزیک پلاسما با آنها سروکار داشته‌ایم، می‌توان «ولرم» به شمار آورد. با ایـن حـال فیزیک‌دان پلاسما مخصوصا به کنش پلاسماهای شدیدا یونیده شده در دماهای فوق العاده بالا (میلیونها درجهٔ صـدبخشی) تـوجه دارد، البته چنین دماها بسیار بالاتر از آنست که هر نوع مادهٔ جامدی بـتواند آن را تـحمل کند.

در چنین دماهای بالایی، ماده فقط بـه حـالت پلاسـما وجود دارد، که می‌توان آن را «حالت چهارم ماده» بـه حـساب آورد و در این حالت از جامدها، مایعها و گازهای معمولی متمایز است. در توده‌های گداخته‌ای که آنها را سـتاره مـی‌نامیم پلاسماها به میزان زیادی (۱). تـشتال بـه معنی ظـرفی اسـت بـه شکل تشتک یا وان و روشتاب یعنی نـوردهند.

یـافت می‌شوند. در حقیقت، ستاره‌شناسان معتقدند که بیش از ۹۹‌ درصد از مادهٔ موجود در گیتی، به حـالت پلاسـما وجود دارد!

در اعماق ستاره‌ای اتز این نـوع دما خیلی بالاست، مـیلیونها درجـهٔ صدبخشی. در چنین دماهایی تمام مـاده یـونیده می‌شود پلاسما تشکیل می‌گردد. یونهای این پلاسما در درجهٔ اول از هیدروژن معمولی تشکیل یافته‌اند، کـه فـقط دارای یک پروتون، یا ذره‌ای بـا بـار مـثبت هستند. همان‌طور کـه ایـن ذرات باهم به شدت بـرخورد مـی‌کنند، چهار هستهٔ هیدروژن (یا چهار پروتون)، توسط یک رشته کنشی و واکنشی پیچیده، با هـم جـوش می‌خورند تا یک هستهٔ هلیوم ایـجاد کـنند و در همین حـال انـرژی آزاد مـی‌کنند.

این یکی شدن هـسته‌های سبک با یکدیگر به منظور ایجاد هسته‌های سنگین‌تر را جوشمان ۲ هسته‌ای می‌گویند.

انرژی خورشید که در فـضا پخـش می‌شود به همین طریق ایجاد مـی‌گردد. ایـن سـتاره هـیدروژن مـعمولی خود را به کـندی مـصرف می‌کند و آن را به هلیوم بی‌اثر تبدیل می‌نماید و انرژی هسته‌ای آزاد می‌کند. سپس این انرژی به صورت گرمایی کـه مـا حـس می‌کنیم و نوری که می‌بینیم از سطح ستاره بـه خـارج پخـش مـی‌شود. خـوشبختانه واکـنشهای جوشمان درخورشید خیلی کند پیش می‌رود به طوری که برای مدت زمانی بسیار طولانی نور و گرمای ما را تأمین می‌کند.

انسان برای مقاصد خود، در بمب هیدروژنی وحشتناک، از جـوشمان هسته‌ای استفاده کرده است. در این مورد، «سوخت» هیدروژن معمولی نیست، بلکه انواع سنگین‌تر (ایزوتوپهای آن) است که دوتریوم و تریتیوم نام دارند ۳. برای به دست آوردن گرمای لازم برای شروع واکنش دما هسته‌ای در بـمب هـیدروژنی ابتدا باید یک بمب شکافت هسته‌ای منفجر شود، که شکستن اتمهای اورانیوم یا پلوتونیم و در نتیجه آزاد شدن انرژی را موجب گردد. واکنش جوشمان که در بمب هیدروژنی انجام می‌گیرد فقط در لحظه‌ای بـه انـدازهٔ کسر کوچکی از یک ثانیه، ادامه دارد.

اگر می‌توانستیم، واکنشهای دما هسته‌ای را براساس پلاسماهادر روی زمین به صورت مطمئنی برای مدت زیادی عملی و کنترل کنیم، چـه مـوفقیت بزرگی به دست می‌آوردیم! سـوختی کـه به کار می‌بردیم بایستی دوتریوم باشد، که در همهٔ جهان یافت می‌شود و فراوان و ارزان است، و آن می‌توان از هیدروژن آب به دست آورد.

(از هر ۶۰۰۰ اتم هیدروژن یک اتم دوتریوم اسـت). واکـنشهای هسته‌ای کنترل شده بـا چـنین سوختی قادرند که نیازهای روزافزون بشر برای انرژی را تا بیلیونها سال تامین کنند. و جای شگفتی نیست که در آمریکا و شوروی و کشورهای دیگر در این زمینه پژوهشهای وسیعی صورت گرفته است.

(۲). Fusion‌ برای ایـن واژ جـوش هسته و همجوشی هم به کار رفته است. سیپ یا سیف کلمه‌ای اوستایی است که می‌توان در این مورد استفاده نمود.

(۳). هستهٔ دوتریوم شامل یک پروتون و یک نوترون و هستهٔ تریتیوم شامل یـک پروتـون و دو نوترون اسـت.

تاکنون هیچ واکنش جوشمان خود به خودی در روی زمین انجام نگرفته است.

دو مشکل بزرگ موجود عبارتند از ایجاد یـک پلاسما در دماهای خیلی بالا، و سپس نگهداری آن به مدت طولانی تـا واکـنش کـند. دانستن اینکه درخورشید این واکنش خیلی خوب انجام می‌گیرد دلگرمی چندانی به ما نمی‌دهد، روشن است کـه ‌ کـلید این موفقیت خورشید به خاطر حجم و جرم بزرگ آن است. هنگام به وجود آمـدن خـورشید، مـیدان گرانشی شدید آن، موادش را فشرده و تا نقطهٔ اشتعال دما هسته‌ای گرم کرد همین میدان گرانش از فـرار گازها به فضای خارج جلوگیری می‌کند. در روی زمین، تا به حال ما فقط در دیـل ۴ داغ بمب اتمی («فتیلهٔ» بـمب هـیدروژنی) توانسته‌ایم برای در حدود یک میلیونم ثانیه، به چگالیها و دماهایی نظیر آنچه درخورشید است دست بیابیم. ولی ما نمی‌توانیم از هیچکدام این «راه‌حلها» یعنی خورشید یا بمب اتمی برای رسیدن به واکنشهای جـوشمان کنترل شده و مداوم مفید در روی زمین استفاده کنیم.

امید می‌رود که مطالعهٔ پلاسماها جواب ما را بدهد.

مسئلهٔ پربست ۵
یکی از گیج‌کننده‌ترین مسایل در پژوهش پلاسما پربست آنست. فقط وقتی که پلاسما پربست یا «زنـدانی» شـود، می‌توان آن را مطالعه و کنترل کرد و پس از آن مورد بهره‌برداری قرار داد. مسلما غیر ممکن است که آن را در دمای میلیونها درجهٔ سانتیگراد توسط دیوارهایی که از مادهٔ معمولی درست شده‌اند نگهداری نمود و این از آن جهت نیست کـه دیـوارها در اثر حرارت نابود خواهند شد. چگالی پلاسماهایی که ما با آنها کار می‌کنیم خیلی کم است به طوریکه گرمای موجود در آن حتی در پلاسمای خیلی داغ، کاملا ناچیز است. می‌توان گفت دلیـل ایـن امر آنست که وقتی ذرات خود را بین دیوارها دفن کنند انرژیشان را از دست می‌دهند، پلاسما بلافاصله سرد و نابود می‌شود. در شرایط معمولی این جریان به مدتی خیلی کوتاه حدود کسری از یک مـیلیونم ثـانیه، طـول می‌کشد، از مطالعه و یا به کـار بـردن پلاسـما هم که بگذریم چنین زمانی خیلی کوتاهتر از آن است که امکان تولید و گرم کردن پلاسمای مناسبی را به ما بدهد. بنابراین باید نـوعی عـایق غـیر مادی پیدا کرد، که با آن بتوان دیواره‌های مـحفظه را طـوری آستر داد، تا پلاسما با آنهات برخورد نکند.

در حوالی سال ۱۹۴۵ پیشنهاد شده بود عایق غیر مادی لازم بین پلاسمای داغ و دیـواره‌های مـادی مـحفظهٔ خلاء را که پلاسما در آن ایجاد شده ممکن است بتوان به وسـیلهٔ (۴). Core‌ (قسمت مرکزی که محتوی سوخت هسته‌ای است).

(۵). پربست (به فتح پ و ب) Confinement منظور محدود کردن ذرات در یک فضا و جلوگیری از خروج آن از هـمان فـضای مـعین است.

(۶). فشار کل یک گاز معمولی یا یک پلاسما با چـگالی و دمـای آن هر دو متناسب است، هرچه چگالی بیشتر باشد یا هرچه دما بالاتر باشد، فشار بیشتر خواهد بـود. بـرای نـگهداشتن فشار در یک حد قابل قبول، چگالی پلاسمای خیلی داغ باید فوق العاده کـم یـا کـمتر از ده میلیونم چگالی مادهٔ جامد معمولی باشد.

ایجاد یک میدان مغناطیسی تامین کرد. می‌دانیم کـه اثـر یـک میدان مغناطیسی قوی روی حرکت یک ذرهٔ باردار پرانرژی خیلی محسوس است و سبب مـی‌شود کـه ذرهٔ مذکور در مدار گردی (یا در حقیقت مارپیچی یا حلقوی) حرکت کند ۷. از آنجا کـه پلاسـمای داغ تـماما از ذرات باردار تشکیل یافته، نامعقول نیست اگر فکر کنیم که می‌توان توسط یک میدان مـغناطیسی آنـ را پربست. ساختمان نظری چنین دستگاهی را که بطری مغناطیسی نامیده می‌شود در شکل این صـفحه نـشان مـی‌دهیم. میدان مغناطیسی به صورت عایق، آستر تحمل‌کنندهٔ فشار داخل محفظه عمل می‌کند. یعنی فشاری را کـه پلاسـما وارد می‌کند می‌گیرد، و در عین حال انرژی ذراتی را که برمی‌گرداند نمی‌گیرد.

این اساس فـکر پربـست مـغناطیسی است. اگر بتوانیم یک بطری مغناطیسی درست کنیم، که به طرز مؤثری پلاسمایی را پربندد راهـ زیـادی بـه سوی هدف واکنشهای جوشمان هسته‌ای کنترل شده، طی کرده‌ایم.

ساختمان نظری یک بطری مغناطیسی ساده که در حقیقت به صورت لوله است.

جریان برق از راه سـیم‌پیچی کـه میدان مغناطیسی را به وجود می‌آورد فرستاده می‌شود. همان‌طور که در شکل می‌بینیم، چـنین فـرض می‌شود که میدان مغناطیسی درون بطری نقش پربـست‌کنندهٔ پلاسـما را دارد. مـتاسفانه، ذرات تشکیل‌دهندهٔ پلاسما به دو انتهای لوله می‌رسند و این امـر بـاعث از بین رفتن پلاسما می‌شود.

جستجو یک بطری مغناطیسی مؤثر

بیهوده است که وقـت خـود را روی نوع استوانه‌ای بطری مغناطیسی کـه در شـکل این صـفحه آمـده تـلف کنیم. به دلیل اینکه میدان مـغناطیسی یـکنواخت، در حالیکه می‌تواند (۷). از این اثر در سیکلوترون لاورنس E.O.Lawrence‌ استفاده شده است.

از عبور ذرات باردار از روی خـطوط نـیرو جلوگیری کند، هیچ اثری روی حرکت آنـها در طول خطوط نیرو نـدارد. ذراتـ به سادگی از دو انتهای استوانه خـارج مـی‌شوند و پلاسما نابود می‌گردد. مسلما مسئلهٔ دو انتها باید در نظر گرفته شود.

فرض کنید لولهـء پربـست را روی خودش خم کنیم تا یـک دسـتگاه حـلقوی شکل (مانند شـکل صـفحهٔ بعد) به دست آیـد، و بـعد دور آن را با سیم پیچ مغناطیسی بپیچیم چون دستگاه دارای هیچ انتهایی نخواهد بود، ذرات پلاسما ظاهرا راهـی بـرای رسیدن به دیواره‌های محفظه نخواهند داشـت. امـا متأسفانه ایـن نـظر مـثل بسیاری از نظریات ساده و «بـدیهی»، خوب نیست، و دلیلش اینست که اگر ما دور لولهٔ حلقوی را سیم پیچ مغناطیسی بپیچیم سیمهای روی حـلقه، در قـسمت داخلی سوراخ از قسمت خارجی آن به هـم نـزدیکتر هـستند و تـراکم جـریان برق در سطح داخـلی بـیشتر خواهد بود. بنابراین میدان مغناطیسی داخل لوله به ناچار در نزدیکی جدار داخلی بزرگتر از جدار خارجی خواهد بـود و ذرات بـه طـرف جدار خارجی که میدان مغناطیسی آن ضعیف‌تر اسـت، فـرار خـواهند کـرد. نـتیجهٔ آن یـک حرکت دورانی نامنظم خواهد بود که سبب خواهد شد ذرات از میدان مغناطیسی عبور کنند. بطری مغناطیسی ما «نشد» خواهد کرد.

لیمن اسپیتزر ۸ از دانشگاه پرینستون در سال ۱۹۵۱ حلقهٔ جدیدی را پیـشنهاد کرد: حلقه‌ای که به شکل یک ۸ خوابیده بود. به‌طور نظری ثابت شد که این پیچ ساده، خواص پربست حلقه را کاملا تغییر می‌دهد. ابداع اسپیتزر، نوار موبیوس ۹ را به خاطر می‌آورد، روبـانی بـی‌انتها که هرکسی با یکبار پیچاندن نوار کاغذی به دور خود و شکل حلقوی برای بطری مغناطیسی.

اگر لولهٔ پربست شکل قبلی را خم کنیم تا به صورت حلقه‌ای درآید، دستگاهی بدون دهـانه یـا انتها پدید می‌آید. به این ترتیب از لحاظ نظری، ذرات تشکیل‌دهندهٔ پلاسما دربند می‌افتند. باید توجه داشت که سیم‌پیچها در قسمت داخلی حلقه متراکمتر از دیـوارهٔ خـارجی آنست به این ترتیب تـراکم جـریان برق روی سطح درونی بیشتر خواهد بود و در نتیجه میدان مغناطیسی درون لوله در سمت داخلی حلقه بیش از سمت خارجی آن می‌شود.

چنین شرایطی باعث رانده شدن ذرات به سـوی دیـوارهٔ خارجی می‌شود که مـیدان مـغناطیسی آن ضعیفتر است، و در نتیجه این ذرات از میدان می‌گذرند. در این صورت است که می‌گویند بطری مغناطیسی نشد می‌کند.

(۸)- Lyman Spitzer

(۹)- Moebius

چسباندن دو انتهای آن به هم می‌تواند آن را درست کند. فـرض کـنید فکر نوار موبیوس را در داخل یک حلقه‌ای که به شکل ۸ درآمده به کار ببریم. اگر با مداد در طول سطح داخلی لوله‌ای به شکل ۸ خطی رسم کنیم که از قسمت داخلی یک انـتهای شـکل ۸ شروع شـود، خواهیم دید که همین خط به دور قسمت خارجی خمیدگی در انتهای دیگر شکل ۸ هم خواهد رفت. به عـبارت دیگر، جدار داخلی یک انحنا، تبدیل به جدار خارجی در انحنای دیـگر خـواند شـد. بنابراین عبور ذرات در دو انحنا یکدیگر را جبران خواهند کرد. این نوع بطری مغناطیسی (ستارخش)۱۰ نامیده می‌شود.

(به تصویر صـفحه ‌ مـراجعه شود) اصول اساسی ستارخش. شکل حلقوی قبلیرا تاب می‌دهیم تا به شکل روبـان یـا عـدد ۸ خوابیده درآید.

دیوارهٔ درونی یک پیچ به صورت دیوارهٔ خارجی پیچ دیگر درمی‌آید. رانده شـدن ذرات در هریک از دو پیچ دستگاه اثر یکدیگر را خنثی می‌کنند.

نوع دیگر براساس به اصـطلاح «اثر فشردگی»۱۱ است. مـنظور ایـنست که کوشش شود تا پلاسما در یک میدان مغناطیسی قرار گیرد که قسمت عمدهٔ آن (و یا در بعضی موارد، تمام آن) با عبور جریان برق در خود پلاسما ایجاد شده است. ساده‌ترین شکل بطری مغناطیسی فـشردگی، که عبارت است از یک ستون مستقیم پلاسما حامل جریان برق قوی، در شکل نشان داده شده. پلاسما با پونیدن گاز به وسیلهٔ جریانی نسبتا ضعیف تولید شده است. به تدریج که جریان قـویتر مـی‌شود، ستون محکمتر و محکمتر فشرده می‌شود تا اینکه تا حد استوانه‌ای باریک و خیلی دور از دیواره‌ها فشرده شود. جریانی که در پلاسما عبور می‌کند خطوط نیروی مغناطیسی به صورت حلقه‌های گرد که پلاسما را احـاطه مـی‌کنند، به وجود می‌آورد. برای جلوگیری از فرار ذرات، معمولا در داخل حلقه اثر فشردگی را به وجود می‌آورند.

نوع دیگری از بطری مغناطیسی «ماشین آینه» است که مشکل «دوانتها» را کاملا حل می‌کند. دیدیم کـه اگـر پلاسما در لولهٔ درازی موجود باشد که میدان مغناطیسی لازم توسط سیم‌پیچی که در روی آن تعبیه شده است تأمین گردد، پلاسمایی که داخل لولهٔ پربست ایجاد می‌شود، نمی‌تواند به راحتی و سرعت از راه دو انـتهای لوله فـرار کـند.

با این حال در ماشین آیـنه، سـیم‌پیچهای مـغناطیسی اضافی قوی در دو انتهای لوله تعبیه شده‌اند، به طوریکه میدان مغناطیسی در این محلها قویتر می‌شود، و هریک از آنها یک «آینه» می‌سازد. اگر فرض کـنیم کـه پلاسـمایی در ناحیهٔ مرکزی ایجاد شده باشد، خواهیم (۱۰)- Stellarator

(۱۱)- Pinch Effect

دید کـه قـسمت زیادی از آن در بین آینه‌ها پربسته باقی خواهد ماند. یک ذره در حرکت خود به طرف جلو، ممکنست متوقف شود یا بـرگردد و یـا تـوسط آینه‌ها «منعکس» شود.

اگر هربار که ذره‌ای نزدیک آینه‌ها مـی‌رسد، این امر تکرار شود، ذره به طرز مؤثری بین آنها حبس خواهد شد. اگر تعداد ذرات زیاد باشد تحت چـنین شـرایطی پربـست پلاسما خواهیم داشت.

اکنون می‌دانیم که طبیعت یک ماشین آینه اخـتراع کـرده است. کمربند تشکیل یافته از ذرات پرانرژی، که زمین را احاطه می‌کند، یک پلاسما است ۱۲ که در ماشین آیـنهٔ بـزرگی کـه از میدان مغناطیسی زمین تشکیل یافته، حبس شده است. این میدان درست مـثل مـاشین آیـنه نزدیک میدانهای مغناطیسی شمال و جنوب قوی، و در بین آن دو ضعیفتر است. اینکه پلاسما با موفقیت در بـطری مـغناطیسی زمـین پربست شده ما را به این فکر می‌اندازد که پربستن پلاسمای داغ در یک ماشین آینهٔ سـاخت بـشر هم امکان‌پذیر است. بطری مغناطیسی ستارخش، اثر فشردگی، و ماشین آینه، معرف کوششهای عـمده‌ای اسـت کـه تا حال، در آمریکا و کشورهای دیگر، دربارهٔ مسئلهٔ پربستن پلاسما به عمل آمده است. بـراساس ایـن چند طریقهٔ اصلی طریقه‌های فرعی مختلفی مورد مطالعه قرار گرفته است. چند طـریقهٔ اصـلی دیـگر هم پیشنهاد شده است که برای جلوگیری از طولانی شدن مطلب از بحث آنها در اینجا خودداری مـی‌شود.

مـسئلهٔ تزریق-ایجاد یک پلاسمای مافوق داغ
دربارهٔ ایجاد پلاسما با گذراندن یک تـخلیهٔ الکـتریکی در یـک گاز معمولی و یا از راه گرما دادن گاز، قبلا صحبت کرده‌ایم. همچنانکه گفتیم، با این روش یک پلاسـمای ولرم ایـجاد مـی‌شود. برای به وجود آوردن پلاسمای واقعا داغ، می‌توانیم یک جریان برق قوی را از داخل پلاسـمای مـوجود بگذرانیم، پلاسمای ولرم در مقابل عبور جریان مقاومت می‌کند و در نتیجه گرم خواهد شد. متأسفانه در دماهای بیش از یک مـیلیون درجـهٔ صد بخشی-که تازه از نظر فیزیک دانان پلاسما دمای خیلی زیادی مـحسوب نـمی‌شود-این روش اصلا مؤثر نیست.

پاره‌ای اوقات، بـرای ایـجاد پلاسـماهایی از این هم داغتر، تلمبه‌زنی مغناطیسی به کـار مـی‌رود. در این روش، یک پلاسمای موجود از راه فشردن و منبسط کردن متناوب آن با سرعتی کـه بـا برخی تشدیدهای ۱۳ طبیعی پلاسما هـمزمان شـده است، گـرم مـی‌شود.۱۴

روش دیـگر عبارتست از پرکردن یا تزریق یک بـطری مـغناطیسی، مثلا یک ماشین آینه، با پلاسما یا ذرات باردار پرانرژی. یک اشکال واقـعی آنـست که اگر توانسته باشیم یک (۱۲). آن را کـمربند وان آلن (Van Allen) یا سپهر مغناطیسی مـی‌نامند. در گـذشته اعتقاد بر این بود کـه دو کـمربند متحد المرکز وجود دارد که از ذرات به دام افتاده تشکیل شده است.

(۱۳)- Resonance

(۱۴)-درست شبیه اینکه کـسی روی تـاب نشسته باشد و مرتبا هربار کـه جـلو مـی‌آید او را به عقب بـرانیم و ایـن عمل راندن را درست هـماهنگ بـا نوسان تاب ادامه دهیم.

بطری مغناطیسی بسازیم تا پلاسمای درون آن به خارج نفوذ نکند، امـکان دارد بـه ذرات بارداری هم که از خارج مـی‌خواهند وارد شـوند امکان دخـول نـدهد. بـرای رفع این اشکال، انـواع کوششهای هوشمندانه با درجات مختلف موفقیت صورت گرفته است.

اثـر فـشردگی: گازی به وسیلهٔ جریان برق نـسبتا ضـعیفی یـونیده مـی‌شود. جـریانی که از پلاسما مـی‌گذرد خـطوط نیروی مغناطیسی به وجود می‌آورد، که مانند حلقه‌هایی پلاسما را دربرمی‌گیرند. با افزایش شدت جریان، ستون پلاسـما مـرتبا بـه نسبت بیشتری «فشردگی» می‌یابد و در پایان به صـورت یـک اسـتوانهٔ بـاریک درمـی‌آید کـه از دیوارهٔ لولهٔ پربست دور است.

تشخیص پلاسما-آنچه درون پلاسما می‌گذرد.
پلاسما هم مانند افراد بشر خوش ندارد پذبسته شود، و راههای زیر کانه‌ای برای فرار از «زندانهای» ساخت بشر پیـدا می‌کند. برای درک اینکه پلاسما چه می‌کند، باید راههایی برای مشاهدهٔ آن بیابیم. باید دما، چگالی و فشار آن را اندازه، بگیریم، و باید محاسبه کنیم که با چه سرعتی از پربست مغناطیسی خود فرار می‌کند. چـنین انـدازه- گیریهایی فقط به طرق غیر مستقیم ممکن است. فیزیک‌دان پلاسما باید از پدیده‌ها و وسایلی از قبیل میکرو ویوها ۱۵، پرتوهای مجهول، تابه‌های ذره ۱۶، برچینهای مغناطیسی ۱۷، شمارنده‌های ذرات و طیف نگارها استفاده کند.

در پژوهش پلاسـما چـه پیشرفتهایی شده است؟

دربارهٔ «پلاسماهای ولرم» اطلاعات زیاد و سودمندی به دست آمده است. این (۱۵)- Microwave

(۱۶). Particle beams اخیرا برای beam به جای تابه کلمهٔ بامه به کار رفته اسـت.

(۱۷)- Magnetic Pickup

اطـلاعات در حد خود با ارزش است و پارهـ‌ای از آنـها در کمک به درک چگونگی پلاسمای داغ مفیدند. در مورد پلاسماهای خیلی داغ هنوز اطلاعات زیادی در دست نداریم.

پربست مغناطیسی هنوز بیش از آنچه واقعیت باشد رؤیاست. در موفقترین آزمـایشها در مـورد پلاسماهای مافوق داغ، فقط چـند مـیلیونم ثانیه به پربستن پلاسما موفق شده‌اند.

دلیل این امر آنست که تا به حال فرایندهایی که «ناپایداریهای پلاسما» نامیده می‌شوند، در همان مراحل اولیه پربست را خراب کرده‌اند. ما هنوز از هدف نـهایی پژوهـش پلاسما خیلی دور هستیم-یعنی به وجود آوردن پلاسمای کنترل شده و پایداری که بتواند جوشمان هسته‌ای کنترل شده را تحقق بخشد. معهذا پیشرفتهایی صورت گرفته است. فیزیک‌دان پلاسما امروزه پایه‌های نظری قوی بـرای پژوهـشهای بعدی در دسـت دارد. همچنین تکنولوژی پلاسمایی مشخصی به وجود آورده است. که عبارتست از کاربرد نظریهٔ پلاسما. این فن جدیدی شـده است که باید با کمک آن در آینده سریعتر پیشرفت کرد.

(به تـصویر صـفحه مـراجعه شود) ماشین آینه. سیم‌پیچهای فوق مغناطیسی نیرومند در هریک از دو انتهای لولهٔ پربست قرار داده می‌شود به طوریکه میدان مـغناطیسی ‌ در ایـن ناحیه‌ها قویتر شود، و نوعی «آینه» پدید آورد. ذرات پلاسما با رسیدن به هریک از دو آیـنه مـتوقف مـی‌شوند و برمی‌گردند یا بازتاب (انعکاس) می‌یابند.

پژوهش پلاسما چه فایده‌ای دارد؟
هدف اصلی پژوهش دربارهٔ پلاسما، بـسط و تکامل واکنشهای جوشمان کنترل شده است که به دست آوردن نیروی ارزان و بی‌پایان را مـمکن سازد. همین هدف بـه تـنهایی می‌تواند کوششهای فوق العاده‌ای را که اینک در این زمینه می‌شود، توجیه کند، معهذا اگر هم فرض کنیم که ساختن رآکتور جوشمانی هرگز به موفقیت نینجامد، باز هم مطالعهٔ پلاسما بسیار با ارزشـ خواهد بود. هم‌اکنون با اطلاعات جدیدی که دربارهٔ پلاسما به دست آورده‌ایم به شناسایی پدیده‌های موجود در فضای بین سیارات و بین ستارگان به مراتب افزوده‌ایم. حتی برای تهیهٔ وسایل مسافرت انسان بـه فـضا ممکنست بالاخره از پلاسماها استفاده شود. امید می‌رود جتهای شتاب یافتهٔ پلاسما بتوانند نیروی پرتاب کافی و یادوام برای موشکهای بین سیاره‌ای را تأمین کنند.

در روی زمین هم کاربردهای بسیاری برای پلاسما پیش‌بینی می‌شود. در انواع جدید شتاب‌دهنده‌های ذره از پلاسماها اسـتفاده خـواهد شـد، و در تقویت‌کننده‌های پرقدرت میکروویو و در لیزرها به کار خواهند رفت. در زمینهٔ تولید نـیروی «مـعمولی» در نظر است از دما جفتهای ۱۸ پلاسمایی استفاده شود، همچنین از مولدهای پلاسمایی که بدون داشتن هیچ قسمت مـتحرکی مـستقیما از حـرارت برق ایجاد می‌کنند، اینها مثالهایی از کاربردهاست که اینک پیش‌بینی شده، و ما هـنوز در آسـتانهٔ پژوهـش پلاسما هستیم.


منبع: هدهد، مرداد ۱۳۵۸ – شماره ۳

دیدگاه خود را با ما اشتراک بگذارید:

ایمیل شما نزد ما محفوظ است و از آن تنها برای پاسخگویی احتمالی استفاده می‌شود و در سایت درج نخواهد شد.
نوشتن نام و ایمیل ضروری است. اما لازم نیست که کادر نشانی وب‌سایت پر شود.
لطفا تنها در مورد همین نوشته اظهار نظر بفرمایید و اگر درخواست و فرمایش دیگری دارید، از طریق فرم تماس مطرح کنید.