プラズマレールガン

プラズマレールガンは線形加速器で、発射体レールガンと同様に、2 つの長い平行電極を使用して「スライドする短い」アーマチュアを加速します。ただし、プラズマレールガンでは、アーマチュアと発射された発射体は、固体の塊ではなく、プラズマ、つまり高温のイオン化されたガス状粒子で構成されます。科学的なプラズマレールガンは、通常、空気圧ではなく真空中で動作します。最大で毎秒数百キロメートルの銃口速度を生み出すため、価値があります。このため、これらのデバイスは、磁気閉じ込め核融合(MCF)、磁気慣性核融合(MIF)、高エネルギー密度物理学研究 (HEDP)、実験室天体物理学、および宇宙船のプラズマ推進エンジンとして応用されています。

理論

プラズマレールガンには、線形と同軸の 2 つの主要なトポロジがあります。線形レールガンは、絶縁スペーサーで分離された 2 つの平板電極で構成され、シートアーマチュアを加速します。同軸レールガンは、中空の外部導体と中央の同心内部導体を使用して、トロイダルプラズマアーマチュアを加速します。

リニアプラズマレールガンは、絶縁体に対して非常に厳しい要求を課します。絶縁体は、熱衝撃と音響衝撃の両方に耐えられる、電気的に絶縁されたプラズマに面した真空部品でなければならないからです。さらに、複雑な三重ジョイントシールがボアの尾部に存在する場合があり、これはしばしば非常に難しいエンジニアリング上の課題となります。同軸加速器は尾部にのみ絶縁体が必要ですが、その場合のプラズマアーマチュアは「ブローバイ」不安定性の影響を受けます。これは、加速電流密度の半径方向依存性により、磁気圧力フロントがプラズマアーマチュアを追い越すか「ブローバイ」する不安定性であり、デバイスの効率が大幅に低下します。同軸加速器は、この不安定性を軽減するためにさまざまな技術を使用します。どちらの設計でも、プラズマアーマチュアは尾部に形成されます。プラズマレールガンは未開拓の研究分野であるため、アーマチュアの形成方法はさまざまです。しかし、爆発箔、ガスセルバーストディスク注入、高速ガスバルブによる中性ガス注入、プラズマキャピラリー注入などの技術が採用されてきました。

アーマチュア形成後、プラズモイドは、一方の電極からアーマチュアを通り、もう一方の電極から流れる電流パルスによってレールガンの長さに沿って加速され、アーマチュアの背後に大きな磁場が生成されます。アーマチュアを流れる駆動電流も自己生成磁場を通過し、その磁場と垂直に移動することから、アーマチュア粒子はローレンツ力を受け、ガンの長さに沿って加速されます。加速電極の形状と材料も研究の余地があります。

アプリケーション

プラズマレールガンから出る制御されたジェットは、デバイスの設計構成と動作パラメータに応じて、10 ¹³～ 10 ¹⁶粒子/m ^{3 の}範囲のピーク密度と 5 ～200 km/sの速度を持つことができ、上限はさらに高くなる可能性があります。^[要出典]プラズマレールガンは、磁気閉じ込め核融合における破壊緩和とトカマク燃料補給への応用が評価されています。^[1]

磁気慣性核融合は、球対称で収縮する導電性ライナーを使用して、磁化された DT 核融合ターゲットを爆縮することを目指しています。プラズマレールガンは、核融合のための爆縮線形形成の可能な方法として評価されています。^{[引用が必要]}

プラズマレールガンのアレイを使用すると、最大圧力が約 1 メガバールのパルス爆縮を発生させることができ、プラズマ物理学のこの未開拓領域をさらに詳しく調べることができます。^[要出典]

密度と温度を制御できる高速ジェットにより、天文観測や衛星観測に加えて、太陽風、銀河ジェット、太陽現象、天体プラズマなどの天体物理現象を実験室で部分的にシミュレートし、直接測定することが可能になります。^[要出典]

例

参照

参考文献

^ R. ラマンと K. イタミ JT-60U 用 CT 燃料供給装置の概念設計の説明 (2000)
^ Marshall, J. (1960 年 1 月). 「流体磁気プラズマ銃の性能」.流体物理学. 3 (1): 134–135. Bibcode :1960PhFl....3..134M. doi :10.1063/1.1705989. OSTI 4191479.
^ Voronin, AV; et al. (2008 年 6 月). Globus-M トカマクの燃料供給ツールとしての 2 段プラズマ銃(PDF)。第 35 回ヨーロッパ物理学会プラズマ物理学会議。
^ Seiler, S. (1993年4月). 生存性/脆弱性プログラムへの支援（レポート）. アルバカーキ: Logicon RDA. 2015年7月1日時点のオリジナルよりアーカイブ。
^ Molvik, AW; Eddleman, JL; Hammer, JH; Hartman, CW; McLean, HS (1991年1月14日). 「コンパクトトーラスの準静的圧縮」. Physical Review Letters . 66 (2): 165–168. Bibcode :1991PhRvL..66..165M. doi :10.1103/PhysRevLett.66.165. PMID 10043527.
^ Baker, KL; et al. (2002年1月). 「コンパクトトロイド入射実験におけるコンパクトトロイドのダイナミクス」.核融合. 42 (1): 94. Bibcode :2002NucFu..42...94B. doi :10.1088/0029-5515/42/1/313. S2CID 250808512.
^ Logan, BG; et al. (2005 年 4 月 1 日). コンパクトトーラス加速器駆動慣性閉じ込め核融合発電所(PDF) (レポート).ローレンスリバモア国立研究所. UCRL-TR-211025.
^ Liu, D; Xiao, C; Hirose, A. (2008 年 1 月). 「湾曲加速電極を備えたサスカチュワン大学コンパクトトーラスインジェクターの性能」. Review of Scientific Instruments . 79 (1): 013502–013502–6. Bibcode :2008RScI...79a3502L. doi :10.1063/1.2828056. PMID 18248029.
^ Fukumoto, N.; et al. (1997年11月). HITテストスタンドとJFT-2Mトカマクにおけるコンパクトトーラス入射実験。アメリカ物理学会プラズマ物理部会。Bibcode : 1997APS..DPPkWP205F。
^ 「PHD実験ホームページ」ワシントン大学。
^ Howard, Stephen; et al. (2008 年 6 月 25 日). 磁化ターゲット核融合プラズマとして使用するための統合コンパクトトロイドの開発(PDF)。革新的閉じ込めコンセプトワークショップ (ICC)。リノ、ネバダ州。
^ Witherspoon, FD; Case, A.; Messer, S.; Bomgardner II, R.; Phillips, MW; Brockington, S.; Elton, R. (2009). 「注入プラズマアーマチュアを備えた輪郭ギャップ同軸プラズマガン」. Review of Scientific Instruments . 80 (8): 083506–083506–15. Bibcode :2009RScI...80h3506W. doi :10.1063/1.3202136. PMID 19725654.
^ Witherspoon, FD; Case, A.; Messer, S.; Bomgardner II, R.; Phillips, MW; Brockington, S.; Elton, R. (2009). 「注入プラズマアーマチュアを備えた輪郭ギャップ同軸プラズマガン」. Review of Scientific Instruments . 80 (8): 083506–083506–15. Bibcode :2009RScI...80h3506W. doi :10.1063/1.3202136. PMID 19725654.

[1] R. ラマンと K. イタミ JT-60U 用 CT 燃料供給装置の概念設計の説明 (2000)

[2] Marshall, J. (1960 年 1 月). 「流体磁気プラズマ銃の性能」.流体物理学. 3 (1): 134–135. Bibcode :1960PhFl....3..134M. doi :10.1063/1.1705989. OSTI 4191479.

[3] Voronin, AV; et al. (2008 年 6 月). Globus-M トカマクの燃料供給ツールとしての 2 段プラズマ銃(PDF)。第 35 回ヨーロッパ物理学会プラズマ物理学会議。

[4] Seiler, S. (1993年4月). 生存性/脆弱性プログラムへの支援（レポート）. アルバカーキ: Logicon RDA. 2015年7月1日時点のオリジナルよりアーカイブ。

[5] Molvik, AW; Eddleman, JL; Hammer, JH; Hartman, CW; McLean, HS (1991年1月14日). 「コンパクトトーラスの準静的圧縮」. Physical Review Letters . 66 (2): 165–168. Bibcode :1991PhRvL..66..165M. doi :10.1103/PhysRevLett.66.165. PMID 10043527.

[6] Baker, KL; et al. (2002年1月). 「コンパクトトロイド入射実験におけるコンパクトトロイドのダイナミクス」.核融合. 42 (1): 94. Bibcode :2002NucFu..42...94B. doi :10.1088/0029-5515/42/1/313. S2CID 250808512.

[7] Logan, BG; et al. (2005 年 4 月 1 日). コンパクトトーラス加速器駆動慣性閉じ込め核融合発電所(PDF) (レポート).ローレンスリバモア国立研究所. UCRL-TR-211025.

[8] Liu, D; Xiao, C; Hirose, A. (2008 年 1 月). 「湾曲加速電極を備えたサスカチュワン大学コンパクトトーラスインジェクターの性能」. Review of Scientific Instruments . 79 (1): 013502–013502–6. Bibcode :2008RScI...79a3502L. doi :10.1063/1.2828056. PMID 18248029.

[9] Fukumoto, N.; et al. (1997年11月). HITテストスタンドとJFT-2Mトカマクにおけるコンパクトトーラス入射実験。アメリカ物理学会プラズマ物理部会。Bibcode : 1997APS..DPPkWP205F。

[10] 「PHD実験ホームページ」ワシントン大学。

[11] Howard, Stephen; et al. (2008 年 6 月 25 日). 磁化ターゲット核融合プラズマとして使用するための統合コンパクトトロイドの開発(PDF)。革新的閉じ込めコンセプトワークショップ (ICC)。リノ、ネバダ州。

[12] Witherspoon, FD; Case, A.; Messer, S.; Bomgardner II, R.; Phillips, MW; Brockington, S.; Elton, R. (2009). 「注入プラズマアーマチュアを備えた輪郭ギャップ同軸プラズマガン」. Review of Scientific Instruments . 80 (8): 083506–083506–15. Bibcode :2009RScI...80h3506W. doi :10.1063/1.3202136. PMID 19725654.

[13] Witherspoon, FD; Case, A.; Messer, S.; Bomgardner II, R.; Phillips, MW; Brockington, S.; Elton, R. (2009). 「注入プラズマアーマチュアを備えた輪郭ギャップ同軸プラズマガン」. Review of Scientific Instruments . 80 (8): 083506–083506–15. Bibcode :2009RScI...80h3506W. doi :10.1063/1.3202136. PMID 19725654.