Un foco de plasma denso (DPF) (también pistola de plasma) es una máquina de plasma que produce, mediante aceleración y compresión electromagnética, plasma de corta duración que es tan caliente y denso que se convierte en una copiosa fuente de radiación múltiple. Fue inventado a principios de la década de 1960 por JW Mather, y también de forma independiente por NV Filippov. También se le llama dispositivo de pistola de plasma de alta intensidad (HIPGD), o simplemente pistola de plasma. La compresión electromagnética de un plasma se denomina pellizco.
Contenido
- 1 Aplicaciones
- 2 características positivas
- 3 Cómo funciona
- 4 parámetros de diseño
- 5 Investigación actual
- 5.1 DPF para energía de fusión nuclear
- 6 Historia
- 7 Véase también
- 8 notas al pie
- 9 Referencias
- 9.1 Mecanismo de pistola de plasma en Io
- 10 Enlaces externos
Aplicaciones
Mirando hacia abajo el dispositivo de enfoque de plasma. A medida que se forma la vaina que lleva la corriente que se mueve hacia adentro, se generan pares de filamentos de vórtice.
Se emiten intensos estallidos de rayos X y partículas cargadas, al igual que los neutrones de fusión nuclear, cuando se opera en deuterio. Hay investigaciones en curso que demuestran aplicaciones potenciales como fuente de rayos X blandos para litografía microelectrónica de próxima generación, micromecanizado de superficies, rayos X pulsados ??y fuente de neutrones para aplicaciones de inspección médica y de seguridad y modificación de materiales, entre otras.
Otras aplicaciones incluyen la simulación de explosiones nucleares (para probar el equipo electrónico) y una fuente de neutrones corta e intensa útil para el descubrimiento o inspección sin contacto de materiales nucleares (uranio, plutonio).
Características positivas
Una característica importante del foco de plasma denso es que la densidad de energía del plasma enfocado es prácticamente una constante en toda la gama de máquinas, desde máquinas de subkilojulios hasta máquinas de megajulios, cuando estas máquinas están ajustadas para un funcionamiento óptimo. Esto significa que una pequeña máquina de foco de plasma del tamaño de una mesa produce esencialmente las mismas características de plasma (temperatura y densidad) que el foco de plasma más grande. Por supuesto, la máquina más grande producirá el mayor volumen de plasma enfocado con una vida útil más prolongada y un mayor rendimiento de radiación.
Incluso el foco de plasma más pequeño tiene esencialmente las mismas características dinámicas que las máquinas más grandes, produciendo las mismas características de plasma y los mismos productos de radiación y características de radiación. Esto se debe a la escalabilidad de los fenómenos de plasma.
Véase también plasmoide, la bola de plasma magnética autónoma que puede ser producida por un foco de plasma denso.
Cómo funciona
El banco cargado de condensadores eléctricos (también llamado banco de Marx o generador de Marx) se conecta al ánodo. El gas se descompone. Una corriente eléctrica que aumenta rápidamente fluye a través del aislador eléctrico de la pared trasera, de manera aximétrica, como se muestra en la ruta (etiquetada como 1) como se muestra en la Fig. 1. La cubierta simétrica de la corriente de plasma se levanta del aislador debido a la interacción de la corriente con su propia corriente. campo magnético (fuerza J × B). La vaina de plasma se acelera axialmente, a la posición 2 y luego a la posición 3, finalizando la fase axial del dispositivo.
Todo el proceso procede a muchas veces la velocidad del sonido en el gas ambiental. A medida que la vaina de corriente continúa moviéndose axialmente, la porción en contacto con el ánodo se desliza a lo largo de la cara del ánodo, de forma axisimétrica. Cuando el frente de implosión de la onda de choque se fusiona con el eje, un frente de choque reflejado emana del eje hasta que se encuentra con la vaina de corriente impulsora que luego forma el límite asimétrico de la columna de plasma caliente "pellizcada" o enfocada.
La columna de plasma denso (similar al Z-pinch) rápidamente se pellizca y sufre inestabilidades y se rompe. Los intensos estallidos electromagnéticos y de partículas, denominados colectivamente "radiación múltiple", se producen durante las fases de ruptura y plasma denso. Estas fases críticas suelen durar desde decenas de nanosegundos para un foco pequeño (kJ, 100 kA) hasta alrededor de un microsegundo para un foco grande (MJ, varios MA).
Todo el proceso, incluidas las fases axial y radial, puede durar, para el Mather DPF, desde unos pocos microsegundos (para un foco pequeño) hasta 10 microsegundos (para un foco grande). Un foco de Filippov tiene una fase axial muy corta en comparación con un foco de Mather.
Parámetros de diseño
El hecho de que la densidad de energía del plasma sea constante en toda la gama de dispositivos de foco de plasma, de grande a pequeño, está relacionado con el valor de un parámetro de diseño que debe mantenerse en un valor determinado para que el foco de plasma funcione de manera eficiente. El parámetro crítico de diseño de 'velocidad' es \({{I \over a} \over \sqrt{p}}\) , o la densidad lineal actual dividida por la raíz cuadrada de la densidad de masa del gas de relleno.
Por ejemplo, para la operación optimizada de neutrones en deuterio, el valor de este parámetro crítico, observado experimentalmente en un rango de máquinas desde kilojulios hasta cientos de kilojulios, es: 90 (kA/cm)/(Torr) 1/2 (780 kA/( m·Pa 1/2 )) con una desviación notablemente pequeña del 10 % en una gama tan amplia de tamaños de máquinas.
Por lo tanto, si tenemos una corriente máxima de 180 kA, necesitamos un radio de ánodo de 1 cm con una presión de llenado de deuterio de 4 torrs. Entonces, la longitud del ánodo debe coincidir con el tiempo de subida de la corriente del capacitor para permitir una velocidad de tránsito axial promedio de la cubierta de corriente de poco más de 5 cm/microsegundo. Por lo tanto, un tiempo de subida del condensador de 3 microsegundos requiere una longitud de ánodo coincidente de 16 cm.
El ejemplo anterior de corriente máxima de 180 kA aumentando en 3 µs, radio de ánodo y longitud de 1 y 16 cm respectivamente están cerca de los parámetros de diseño de la UNU/ICTP PFF (Universidad de las Naciones Unidas/Centro Internacional de Física Teórica Instalación de Fusión de Plasma) . Este pequeño dispositivo de mesa fue diseñado como un sistema experimental integrado de bajo costo para capacitación y transferencia para iniciar/fortalecer la investigación de plasma experimental en países en desarrollo .
La investigación actual
Ahora existe una red (coordinada por la Asociación Africana Asiática para la Capacitación en Plasma, AAAPT) de 10 máquinas DPF idénticas de este tipo, que operan en unos 8 países y producen estudiantes de posgrado y trabajos de investigación en optimización y diagnóstico de máquinas (rayos X suaves, neutrones, electrones). y haces de iones), aplicaciones (microlitografía, micromaquinado, modificación y fabricación de materiales, imágenes y simulación médica y astrofísica) y modelado y computación.
Esta red DPF fue organizada por S. Lee a partir de 1986, aprovechando el hecho de que incluso un DPF pequeño puede usarse para estudiar todos los fenómenos de plasma a los que tiene acceso un DPF grande.
El Centro Internacional de Plasmas Magnetizados Densos (ICDMP) en Varsovia. Polonia, opera varias máquinas de enfoque de plasma para un programa internacional de investigación y capacitación. Entre estas máquinas se encuentra una con una capacidad de energía de 1 MJ, lo que la convierte en uno de los dispositivos de enfoque de plasma más grandes del mundo.
DPF para energía de fusión nuclear
Varios grupos han afirmado que el DPF podría resultar viable para la energía de fusión, incluso produciendo temperaturas lo suficientemente altas para la fusión p+B11, y que el poderoso campo magnético puede reducir las colisiones de iones de electrones y, por lo tanto, reducir las pérdidas por bremsstrahlung. Por otro lado, es probable que el alto campo magnético agrave las pérdidas por radiación del ciclotrón. Otra ventaja reivindicada es la capacidad de conversión directa de la energía de los productos de fusión en electricidad, con una eficiencia potencialmente superior al 70%. Hasta ahora, solo se han realizado experimentos menores y simulaciones por computadora para investigar la capacidad del DPF para la energía de fusión.
Historia
- 1958: Hannes Alfvén: Actas de la Segunda Conferencia Internacional sobre Usos Pacíficos de la Energía Atómica (Naciones Unidas), 31, 3
- 1960: H Alfven, L Lindberg y P Mitlid, Experimentos con anillos de plasma (1961) Journal of Nuclear Energy. Parte C, Física del plasma, Aceleradores, Investigación termonuclear, Volumen 1, Número 3, págs. 116-120
- 1960: Lindberg, L., E. Witalis y CT Jacobsen, "Experimentos con anillos de plasma" (1960) Nature 185:452.
- 1961: Hannes Alfvén: Experimento de anillo de plasma en "Sobre el origen de los campos magnéticos cósmicos" (1961) Revista astrofísica, vol. 133, p.1049
- 1961: Lindberg, L. & Jacobsen, C., "Sobre la amplificación del flujo magnético poloidal en un plasma" (1961) Astrophysical Journal, vol. 133, p.1043
- 1962: Filipov. NV, et al, "Plasma denso de alta temperatura en una compresión de pellizco en Z no cilíndrica" ??(1962) 'Suplemento de fusión nuclear'. pinta 2, 577
- 1969: Buckwald, Robert Allen, "Formación de focos de plasma denso por simetría de disco" (1969) Tesis, Universidad Estatal de Ohio.
Ver también
- Arma marshall,
notas al pie
- ? JW Mather, Formación de un foco de plasma de deuterio de alta densidad, Física de fluidos, febrero de 1965, volumen 8, número 2, págs. 366-377
- ? Filipov. NV, et al , Plasma denso de alta temperatura en una compresión no cilíndrica de pellizco en Z (1962) 'Suplemento de fusión nuclear'. pinta 2, 577
- ? PK Browning, en " Astrofísica de plasma observacional: cinco años de Yohkoh y más allá " (1998)
Referencias
Mecanismo de pistola de plasma en Io
- Peratt, Anthony L.; Dessler, AJ, Filamentación de penachos volcánicos en el satélite joviano Io, Astrofísica y ciencia espacial (ISSN 0004-640X), vol. 144, núm. 1-2, mayo de 1988, pág. 451-461. (Resumen y texto completo)
enlaces externos
- Laboratorio de fuente de radiación de plasma en el Instituto Nacional de Educación de Singapur
- Laboratorio de Foco de Plasma, Centro Internacional de Plasmas Magnetizados Densos, Varsovia, Polonia
- Artículo de Leopoldo Soto (Comisión de Energía Nuclear de Chile, Departamento de Plasma Termonuclear): Nuevas tendencias y perspectivas de futuro en la investigación de focos de plasma
- Sociedad Focus Fusion
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