Un cañón de riel de plasma es un acelerador lineal que, al igual que un cañón de riel de proyectiles , utiliza dos electrodos paralelos largos para acelerar una armadura "corta deslizante". Sin embargo, en un cañón de riel de plasma, la armadura y el proyectil expulsado consisten en plasma , o partículas calientes, ionizadas, similares a gases, en lugar de una masa sólida de material. Los cañones de riel de plasma científicos generalmente se operan en vacío y no a presión de aire. Son valiosos porque producen velocidades iniciales de hasta varios cientos de kilómetros por segundo. Debido a esto, estos dispositivos tienen aplicaciones en la fusión por confinamiento magnético (MCF), la fusión magnetoinercial (MIF), la investigación en física de alta densidad de energía (HEDP), la astrofísica de laboratorio y como motor de propulsión de plasma para naves espaciales.
Los cañones de riel de plasma se presentan en dos topologías principales: lineal y coaxial. Los cañones de riel lineales constan de dos electrodos de placa plana separados por espaciadores aislantes y aceleran armaduras de láminas. Los cañones de riel coaxiales aceleran armaduras de plasma toroidales utilizando un conductor exterior hueco y un conductor interior concéntrico central.
Los cañones de plasma lineales exigen mucho de sus aisladores, ya que deben ser un componente de vacío con aislamiento eléctrico y orientado al plasma que pueda soportar choques térmicos y acústicos . Además, puede existir un sello de triple junta complejo en la recámara del ánima, lo que a menudo puede suponer un desafío de ingeniería extremo. Los aceleradores coaxiales requieren aisladores solo en la recámara, pero la armadura de plasma en ese caso está sujeta a la inestabilidad de "escape". Se trata de una inestabilidad en la que el frente de presión magnética puede superar o "escape" a la armadura de plasma debido a la dependencia radial de la densidad de corriente de aceleración, lo que reduce drásticamente la eficiencia del dispositivo. Los aceleradores coaxiales utilizan varias técnicas para mitigar esta inestabilidad. En ambos diseños, se forma una armadura de plasma en la recámara. Como los cañones de plasma son un área abierta de investigación, el método de formación de la armadura varía. Sin embargo, se han empleado técnicas que incluyen láminas explosivas, inyección de disco de explosión de celda de gas, inyección de gas neutro a través de una válvula de gas rápida e inyección capilar de plasma.
Después de la formación de la armadura, el plasmoide se acelera a lo largo del cañón de riel mediante un pulso de corriente que pasa por un electrodo, atraviesa la armadura y sale por el otro electrodo, lo que crea un gran campo magnético detrás de la armadura. Dado que la corriente de excitación a través de la armadura también se mueve a través de un campo magnético autogenerado y es normal a él, las partículas de la armadura experimentan una fuerza de Lorentz que las acelera a lo largo del cañón. La geometría y los materiales de los electrodos aceleradores también son áreas de investigación abiertas.
Los chorros controlados de los cañones de plasma sobre riel pueden tener densidades máximas en el rango de 10 13 a 10 16 partículas/m 3 y velocidades de 5 a 200 km/s , dependiendo de la configuración del diseño del dispositivo y los parámetros operativos, y los límites superiores pueden ser más altos. [ cita requerida ] Los cañones de plasma sobre riel se están evaluando para aplicaciones en fusión por confinamiento magnético para mitigación de disrupciones y reabastecimiento de combustible de tokamak. [1]
La fusión magneto-inercial busca hacer implosionar un objetivo de fusión DT magnetizado utilizando un revestimiento conductor colapsable, simétrico y esférico. Los cañones de riel de plasma se están evaluando como un posible método de formación lineal de implosión para la fusión. [ cita requerida ]
Se podrían utilizar conjuntos de cañones de riel de plasma para crear implosiones pulsadas con una presión máxima de aproximadamente 1 megabar, lo que permitiría un mayor acceso para trazar un mapa de esta área de apertura de la física del plasma. [ cita requerida ]
Los chorros de alta velocidad de densidad y temperatura controlables permiten simular parcialmente en el laboratorio y medir directamente fenómenos astrofísicos como el viento solar, los chorros galácticos, los eventos solares y el plasma astrofísico, además de realizar observaciones astronómicas y satelitales. [ cita requerida ]