Plasma-Railgun - Plasma railgun

Eine Plasma-Railgun ist ein Linearbeschleuniger, der wie eine Projektil- Railgun zwei lange parallele Elektroden verwendet, um einen "gleitenden kurzen" Anker zu beschleunigen. Bei einer Plasma-Railgun jedoch bestehen der Anker und das ausgestoßene Projektil aus Plasma oder heißen, ionisierten, gasähnlichen Partikeln anstelle eines festen Materialstücks. Wissenschaftliche Plasma-Railguns werden typischerweise im Vakuum und nicht unter Luftdruck betrieben. Sie sind wertvoll, weil sie Mündungsgeschwindigkeiten von bis zu mehreren hundert Kilometern pro Sekunde erzeugen. Aus diesem Grund werden diese Vorrichtungen haben Anwendungen in Fusion mittels magnetischen Einschlusses (MCF), magneto-Inertialfusion (MIF), hohe Energiedichte Physik Forschung (HEDP), Labor astrophysik und als Plasmatriebwerk für Raumfahrzeuge.

Theorie

Plasma-Railguns gibt es in zwei Haupttopologien, linear und koaxial. Lineare Railguns bestehen aus zwei flachen Plattenelektroden, die durch isolierende Abstandshalter voneinander getrennt sind, und beschleunigen Blechanker. Koaxiale Railguns beschleunigen ringförmige Plasmaanker unter Verwendung eines hohlen Außenleiters und eines zentralen, konzentrischen Innenleiters.

Lineare Plasma-Railguns stellen extreme Anforderungen an ihre Isolatoren, da es sich um ein elektrisch isolierendes, dem Plasma zugewandtes Vakuumbauteil handeln muss, das sowohl thermischen als auch akustischen Schocks standhält . Darüber hinaus kann am Ende der Bohrung eine komplexe Dreifachfugendichtung vorhanden sein, die oft eine extreme technische Herausforderung darstellen kann. Koaxialbeschleuniger benötigen Isolatoren nur am Verschluss, aber der Plasmaanker unterliegt in diesem Fall der "Blow-by"-Instabilität. Dies ist eine Instabilität, bei der die magnetische Druckfront den Plasmaanker aufgrund der radialen Abhängigkeit der Beschleunigungsstromdichte überholen oder "durchblasen" kann, wodurch die Effizienz der Vorrichtung drastisch reduziert wird. Koaxialbeschleuniger verwenden verschiedene Techniken, um diese Instabilität zu mildern. In beiden Ausführungen wird am Verschluss ein Plasmaanker gebildet. Da Plasma-Railguns ein offenes Forschungsgebiet sind, variiert die Methode der Ankerbildung. Es wurden jedoch Techniken einschließlich explodierender Folien, Gaszellen-Berstscheibeninjektion, Neutralgasinjektion über ein schnelles Gasventil und Plasmakapillarinjektion verwendet.

Nach der Ankerbildung wird das Plasmoid dann entlang der Länge der Railgun durch einen Stromimpuls beschleunigt, der durch eine Elektrode, durch den Anker und aus der anderen Elektrode getrieben wird, wodurch ein großes Magnetfeld hinter dem Anker erzeugt wird. Da sich der Treiberstrom durch den Anker ebenfalls durch und senkrecht zu einem selbsterzeugten Magnetfeld bewegt, erfahren die Ankerpartikel eine Lorentzkraft , die sie entlang der Länge der Kanone beschleunigt. Beschleunigerelektrodengeometrie und -materialien sind ebenfalls offene Forschungsgebiete.

Anwendungen

Plasma-Rail-Pistolen sind in der Lage, kontrollierte Strahlen mit gegebenen Dichten und Geschwindigkeiten im Bereich von mindestens Spitzendichten 1e13 bis 1e16 Partikel/m^3 mit Geschwindigkeiten von 5 bis 200 km/s zu erzeugen, abhängig von der Gerätekonfiguration und den Betriebsparametern. Plasma-Rail-Pistolen werden für Anwendungen in der magnetischen Einschlussfusion zur Eindämmung von Störungen und zum Betanken von Tokamaks evaluiert.

Die Magneto-Inertial-Fusion versucht, ein magnetisiertes DT-Fusionsziel unter Verwendung eines kugelsymmetrischen, kollabierenden, leitenden Liners zu implodieren. Plasma-Railguns werden als eine mögliche Methode der Implosions-Linearbildung für die Fusion evaluiert.

Arrays von Plasma-Railguns könnten verwendet werden, um gepulste Implosionen mit einem Spitzendruck von ~ 1 Megabar zu erzeugen, was einen besseren Zugang zur Kartierung dieses Eröffnungsbereichs der Plasmaphysik ermöglicht.

Hochgeschwindigkeits-Jets mit steuerbarer Dichte und Temperatur ermöglichen es, neben astronomischen und Satellitenbeobachtungen auch astrophysikalische Phänomene wie Sonnenwind, galaktische Jets, Sonnenereignisse und astrophysikalisches Plasma teilweise im Labor zu simulieren und direkt zu messen.

Siehe auch

Verweise