УСТРОЙСТВО И СПОСОБ МОДЕЛИРОВАНИЯ МАГНИТОГИДРОДИНАМИКИ
APPARATUS AND METHOD FOR SIMULATING MAGNETOHYDRODYNAMICS

Область техники, к которой относится изобретение
[0001] Настоящее изобретение, в целом, имеет отношение к устройствам и способам, применимым при воспроизведении магнитогидродинамики, возникающей во множестве астрофизических объектов. Более конкретно, настоящее изобретение имеет отношение к устройствам и способам, применимым при выполнении такого воспроизведения в низкоэнергетической, лабораторной среде с регулируемыми условиями.
Уровень техники
[0002] Приблизительно девяносто шесть процентов обозримой вселенной состоит из материи, находящейся в состоянии плазмы. В силу этого, для лучшего понимания вселенной, научное сообщество посвятило существенное количество времени, усилий и ресурсов для генерирования и исследования плазм. Результаты некоторых этих усилий обсуждаются ниже.
[0003] Научные исследования указали на то, что в плазме совершенно разных геометрических масштабов возникают сходные явления. Например, схожие типы плазменных процессов наблюдаются в галактических звездных скоплениях, галактических образованиях, галактических кольцах вокруг планет, энергетических сферах черных дыр, других звездных объектах и планетарных атмосферах. Для использования в своих интересах этой очевидной независимости плазм от геометрических масштабов, были изготовлены научно-исследовательские устройства, которые пытаются воспроизвести движение ионов в крупномасштабных плазмах (например, плазмах галактических образований) в геометрических масштабах, которые могут быть реализованы в земной лаборатории.
[0004] До настоящего времени, в этих устройствах применялись жидкости (т.е. жидкий натрий), или заряжались жидкостями (т.е. заряженный жидкий натрий) для моделирования больших астрофизических плазм. Эти устройства также полагались на использование сильных магнитных полей для направления ионов в жидкостях или заряженных жидкостях по направлениям, по которым бы следовали ионы в плазме.
[0005] Несмотря на вышеупомянутое, по определению, реальные плазмы являются газообразными. Другими словами, реальные плазмы не содержат материю в жидком или заряженном жидком состоянии, и, использование ионов в жидкостях, или в заряженных жидкостях для воспроизведения поведения ионов в плазме, может иметь недостатки. Соответственно, было бы желательно предоставить новые устройства, способные к моделированию магнитогидродинамики крупномасштабной плазмы в нежидкостной среде.
Сущность изобретения
[0006] Упомянутые выше потребности удовлетворяются, в значительной степени, некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения. Например, в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения, предоставляется магнитогидродинамическое моделирующее устройство. Магнитогидродинамическое моделирующее устройство включает в себя плазменный контейнер. Магнитогидродинамическое моделирующее устройство также включает в себя первый ионизируемый газ по существу содержащийся в пределах плазменного контейнера. Кроме того, магнитогидродинамическое моделирующее устройство также включает в себя первый контур, расположенный рядом с плазменным контейнером, причем контур включает в себя разрядник, первый электрический контакт на первой стороне разрядника, второй электрический контакт на второй стороне разрядника, и первое вещество, обладающее, по меньшей мере, одной из следующих характеристик: низкую магнитную восприимчивость и высокую проводимость. Кроме того, магнитогидродинамическое моделирующее устройство включает в себя первую электропроводную катушку, намотанную вокруг плазменного контейнера и сквозь первый электрический контур.
[0007] Таким образом, обрисовывается, довольно широко, вариант осуществления изобретения с тем, чтобы подробное его описание в этом документе могло быть более понятным, и с тем, чтобы настоящий вклад в область техники был бы лучше учтен. Существуют, конечно, дополнительные варианты осуществления изобретения, которые будут описаны ниже, и которые образуют объект изобретения.
[0008] В связи с этим, перед разъяснением, по меньшей мере, одного варианта осуществления изобретения более подробно, нужно понять, что изобретение не ограничено в своем употреблении подробностями конструкции и компоновкой компонентов, изложенных в последующем описании или изображенных на чертежах. Допускаются варианты осуществления изобретения в дополнение к описанным в данном документе, а также их применение на практике и осуществление различными способами. Кроме того, должно быть понятным то, что фразеология и терминология, используемая как в данном документе, так и в реферате, служит для целей описания, и не должна быть расценена в качестве ограничения.
[0009] В силу этого, специалисты в данной области техники оценят то, что концепция, на которой основано данное раскрытие, может быть легко использована в качестве базиса для проектирования других структур, способов и систем для выполнения нескольких целей настоящего изобретения. Вследствие этого, важно, чтобы формула изобретения рассматривалась как включающая в себя такие эквивалентные конструкции, поскольку они не выходят за пределы объема настоящего изобретения.
Краткое описание чертежей
[0010] Фиг.1 изображает в перспективе внешний вид множества ребер, включенных в магнитогидродинамическое (MHD) моделирующее устройство, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
[0011] Фиг.2 изображает поперечное сечение ребер и других компонентов, включенных в моделирующее устройство MHD, в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения.
[0012] Фиг.3 изображает боковую проекцию ребер, изображенных на Фиг.1, вместе с другими компонентами, включенными в моделирующее устройство MHD, которое включает в себя данные ребра.
[0013] Фиг.4 изображает боковую проекцию ребра в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание изобретения
[0014] Теперь изобретение будет описано со ссылкой на чертежи, в которых одинаковые номера позиций везде обозначают одинаковые компоненты. Фиг.1 изображает в перспективе внешний вид множества ребер 10 включенных в магнитогидродинамическое (MHD) моделирующее устройство 12 в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Фиг.2 изображает поперечное сечение ребер 10 и других компонентов, включенных в моделирующее устройство 12 MHD в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения. Фиг.3 изображает боковую проекцию ребер 10 изображенных на Фиг.1, вместе с другими компонентами, включенными в моделирующее устройство 12 MHD, которое включает в себя ребра 10.
[0015] Как изображено на Фиг.1-3, моделирующее устройство 12 MHD включает в себя плазменный контейнер 14, расположенный по существу в центре устройства. Плазменный контейнер 14 может быть любой конфигурации. Однако на Фиг.1-3 по существу изображен сферический плазменный контейнер 14. Кроме того, хотя плазменный контейнер 14 может быть закреплен в пределах моделирующего устройства 12 MHD любым способом, который будет очевиден любому специалисту в данной области техники, после применения на практике одного или более вариантов осуществления настоящего изобретения, плазменный контейнер 14 изображенный на Фиг.1-3 соединен с некоторыми из ребер 10 посредством множества креплений 16.
[0016] Плазменный контейнер 14, изображенный на Фиг.1-3 имеет полую внутреннюю часть и монолитную внешнюю часть, изготовленную из закаленного кварца. Однако также могут использоваться и другие материалы для формирования внешней части, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения.
[0017] В пределах плазменного контейнера 14 содержится один или более ионизируемых газов. Например, аргон, азот, гелий, ксенон, неон, углекислый газ, угарный газ, и/или криптон, могут содержаться в пределах плазменного контейнера 14, так же как и множество других газов. Как правило, прежде чем один или более газов включены в состав плазменного контейнера 14, во внутренней части плазменного контейнера 14 создается вакуум.
[0018] Как изображено на Фиг.2, устройство 12 MHD включает в себя источник 18 ионизации, который сфокусирован на плазменном контейнере 14. Более конкретно, источник 18 ионизации по существу сфокусирован на центральной части плазменного контейнера 14. Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, источник 18 ионизации расположен таким образом, что пучок энергии, излучаемый посредством его (например, лазерный луч, изображенный пунктирной линией на Фиг.2), попадает в плазменный контейнер 14, не приходя в соприкосновение ни с одним из ребер 10, включенных в моделирующее устройство 12 MHD.
[0019] Хотя источник ионизации 18 изображенный на Фиг.2 является лазером, могут быть использованы и другие источники энергии ионизации для ионизации одного или более газов в плазменном контейнере 14. Например, может быть использован радиочастотный (RF) источник ионизации. Кроме того, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения, могут быть использованы один или более лазеров, а также одно или более зеркал для направления лазерного(ых) луча(ей) в плазменный контейнер 14, как правило через один из полюсов (северный или южный) моделирующего устройства 12 MHD, изображенного на Фиг.1. Лазеры, которые могут использоваться, включают в себя фазово-сопряженный лазер, непрерывные лазеры, и лазеры, работающие в импульсном режиме.
[0020] Фиг.4 изображает боковую проекцию ребра 10 в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения. Как изображено на Фиг.4, ребро 10 является контуром, которое, как изображено на Фиг.2, расположено рядом с плазменным контейнером 14. Однако, вместо того, чтобы быть замкнутым, контур включает в себя разрядник 20. С каждой стороны разрядника 20 имеются электрические подключения 22 (то есть электрические контактные поверхности), с которыми могут быть соединены электрические провода (не изображены).
[0021] Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, ребра 10 сконструированы для включения в себя контуров из электропроводного материала, обернутого вокруг монолитного ребра 10. Кроме того, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения, ребра 10 сформированы из электрических цепей проводящего материала для формирования структур катушки со множеством слоев. Некоторые из этих слоев, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения, используются для контроля взаимодействий полей катушки посредством индуктивных процессов.
[0022] Кроме того, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения, добавлена другая отдельная обмотка на катушку внутри ребер 10. В соответствии с такими вариантами осуществления, катушка, как правило, является тороидальной, и отдельная обмотка используется в целях контроля результата посредством индуктивных процессов. Например, при использовании таких индуктивных процессов, могут быть проконтролированы частота повторения импульсов, сила тока, уровни напряжения и т.д.
[0023] Как правило, вышеупомянутые ребра 10 изготовлены из материалов, имеющих низкую магнитную восприимчивость и/или высокую проводимость. Например, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения, ребра 10 включают в себя алюминий. Кроме того, поперечное сечение ребра 10, изображенное на Фиг.4, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения, является по существу квадратным. Однако другие геометрические размеры также вписываются в объем настоящего изобретения.
[0024] Как изображено на Фиг.4, ребро 10 включает в себя ближайшую дугообразную часть 24 и наружную дугообразную часть 26 (относительно плазменного контейнера 14, если моделирующее устройство 12 MHD находится в действии). Ребро 10 изображенное на Фиг.4 также включает в себя пару по существу линейных частей 28, 30, каждая из которых связанна и с ближайшей дугообразной частью 24 и с наружными дугообразными частями 26.
[0025] Как изображено на Фиг.4, ближайшая дугообразная часть 24 и наружная дугообразная часть 26 расположены по существу параллельно частям окружностей по существу двух концентрических кругов различных размеров (не изображено). В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения, каждая ближайшая дугообразная часть 24 и наружная дугообразная часть 26 перекрывают приблизительно 70,52 угловых градусов. Однако, в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения, дугообразные части 24, 26 могут перекрывать дополнительное или меньшее количество угловых градусов. Например, как изображено на Фиг.2, ребра 10, изображенные наверху и внизу моделирующего устройства 12 MHD, перекрывают приблизительно 51,26 угловых градусов, в то время как ребра 10, изображенные в середине моделирующего устройства 12 MHD перекрывают приблизительно 19,47 угловых градусов.
[0026] Как изображено на Фиг.1, имеется двенадцать двоек 32 состоящих из ребер 10, которые находятся, главным образом, друг над другом. Каждое ребро 10, включенное в двойку 32, является по существу компланарным другому ребру 10 двойки 32. Также как изображено на Фиг.1, если плазменный контейнер 14 был включен в состав части изображенного на ней моделирующего устройства 12 MHD, каждая двойка 32 состоящая из ребер 10 будет расположена рядом с плазменным контейнером 14. Кроме того, эти двенадцать двоек 32 будут расположены по существу на равных интервалах вокруг плазменного контейнера 14. Следует отметить, что в соответствии с альтернативным вариантом осуществления настоящего изобретения, оно включает в себя более или менее двенадцати двоек 32. Эти двойки 32, как правило, также помещаются по существу на равных интервалах вокруг плазменного контейнера 14.
[0027] На Фиг.2 изображены две четверки 34 из ребер 10, похожих на ребра 10 в двойках 32 рассмотренные выше, каждое ребро 10 в каждой четверке 34 является по существу компланарным другим ребрам 10 в составе четверки 34. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения, двенадцать четверок 34 расположены вокруг плазменного контейнера 14 по существу на равных интервалах. Однако, включение в состав дополнительных или меньшего количества, чем двенадцать четверок 34, также находится в рамках объема некоторых вариантов осуществления настоящего изобретения.
[0028] В дополнение к рассмотренным выше составляющим, моделирующее устройство 12 MHD, изображенное на Фиг.2, включает в себя верхнюю внутреннюю катушку 36, верхнюю среднюю внутреннюю катушку 38, нижнюю среднюю внутреннюю катушку 40 и нижнюю внутреннюю катушку 42. Каждая из этих катушек 36, 38, 40, 42 является обмоткой вокруг плазменного контейнера 14 и проходит, по меньшей мере, одно из ребер 10.
[0029] На Фиг.2 также изображена внешняя катушка 44, которая является обмоткой вокруг плазменного контейнера 14, которая не проходит ни через одно из ребер 10. Точнее внешняя катушка 44 также обматывается вокруг ребер 10. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения, вместо одной используемой внешней катушки 44, каждой внутренней катушке 36, 38, 40, 42 соответствует внешняя катушка (не изображено), которая является обмоткой вокруг системы ребер, через которые проходят внутренние катушки 36, 38, 40, 42, о которых идет речь.
[0030] Каждая из этих катушек 36, 38, 40, 42, 44 как правило включает в себя один или более проводящих материалов. Например, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения, используется медь.
[0031] Как отмечалось выше, каждое ребро 10 включает в себя, пару электрических контактов 22. Эти электрические контакты 22 могут быть соединены с одним или более проводами и/или электрическими устройствами. Кроме того, следует отметить, что каждая из рассмотренных выше катушек 36, 38, 40, 42, 44 может быть соединена с одним или более проводами, электрическими схемами, и/или электронными устройствами.
[0032] Некоторые схемы и/или устройства, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, используются для подключения различных электрических токов и/или уровней напряжения на каждое конкретное, или на множество ребер 10, на внутренние катушки 36, 38, 40, 42, и/или внешние катушки 44 рассмотренные выше. Данное подключение, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения, вырабатывают одно или более электромагнитных полей, некоторые из которых могут быть ортогональны к другим полям и/или могут вращаться.
[0033] В сущности, в вариантах осуществления настоящего изобретения, рассмотренных выше, каждое ребро 10 может фактически стать одноконтурным или многоконтурным электромагнитом, который последовательно генерирует импульсы для генерирования вращающегося магнитного поля, которое было бы вертикально ориентированным в варианте осуществления настоящего изобретения, изображенного на Фиг.1. Кроме того, внутренние и/или внешние катушки 36, 38, 40, 42, 44, как в одиночку, так и попарно, и т.д., могут по существу использоваться для создания одного или более горизонтальных магнитных полей на Фиг.1.
[0034] Для того, чтобы сгенерировать упомянутые выше поля, ребра 10 и катушки 36, 38, 40, 42, 44, могут быть функционально соединены, например, со стандартными ограниченными по току источниками электропитания. В зависимости от варианта осуществления настоящего изобретения, одно или несколько ребер 10 могут быть приведены в действие одним или несколькими источниками электропитания.
[0035] Компьютеры и электронные выключатели также используются в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения для управления различными комбинациями соединений электропитания, катушки, и/или ребер 10. Например, быстродействующая переключающая схема на базе МОП-транзисторов может использоваться для управления потоком электрического тока на одну или более рассмотренных выше катушек 36, 38, 40, 42, 44. Кроме того, к управляющему компьютеру может быть предоставлен цифровой интерфейс для того, чтобы дать исследователю графический интерфейс для упрощения управления моделирующим устройством 12 MHD.
[0036] В дополнение к вышеперечисленным компонентам, в состав моделирующего устройства 12 MHD могут быть включены датчики и/или другие устройства для того, чтобы определить, что происходит в плазменном контейнере 14 и контролировать и управлять самим моделирующим устройством 12 MHD. Например, для измерения электронной температуры и/или плазменного потенциала, в него могут быть включены ленгмюровские зонды. Кроме того, для измерения электростатических полей в него могут быть включены электрометры, электрический ток и/или напряжение могут быть проконтролированы и/или зарегистрированы посредством устройства вывода данных на источниках электропитания, а датчики на эффекте Холла и/или рассмотренные выше контрольные катушки могут быть использованы для измерения магнитных полей. Кроме того, температуры в пределах моделирующего устройства 12 MHD могут быть измерены с использованием термоэлектрического зонда и/или устройства измерения высоких температур. Кроме того, ультрафиолетовый (УФ), инфракрасный (ИК), и свет видимого диапазона может быть зарегистрирован при использовании соответствующих ПЗС камер и/или фотоэлектронных умножителей. Такие УФ, видимые, и/или ИК. датчики изображения могут быть скомпонованы с телескопами, эндоскопами и/или системой оптико-волоконных жгутов для передачи изображения на камеры или другие устройства обнаружения. Кроме того, два или более эндоскопов со стержневыми линзами могут быть устроены таким образом, чтобы изображения могли быть сняты как стереопары, позволяя таким образом осуществлять подробную фотограмметрию образцов плазмы и т.п. в пределах плазменного контейнера 14. Как правило, телескоп устроен таким образом, чтобы его линия прямой видимости находилась под прямым углом к линии прямой видимости лазера. Если необходимо произвести визуальные наблюдения, исследователь может переместить прямую призму, находящуюся в поворотном кронштейне, на линию прямой видимости лазера.
[0037] Также для проведения некоторых экспериментов, в него могут быть включены и другие датчики. Эти датчики могут являться датчиками, обнаруживающими поток рентгеновского излучения, поток гамма-излучения, поток нейтронов, поток протонов, поток альфа-частиц (например, с использованием Счетчиков Гейгера), сцинтилляционным счетчиком, и/или различными другими счетчиками частиц.
[0038] В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения, подача электрического тока на ребра 10 и/или на внутренние и внешние катушки 36, 38, 40, 42, 44 в должным образом рассчитанной последовательности и в определенных направлениях генерирует двойное тороидальное вращение структуры потока в высоко ионизированной плазме, содержащейся в плазменном контейнере 14.
[0039] Более конкретно, в процессе работы, один или более ионизируемых газов помещаются в плазменный контейнер 14. Затем плазменный контейнер 14 помещается в центр полости по существу шарообразной структуры, образованной ребрами 10, и внутренними и внешними катушками 36, 38, 40, 42, 44, рассмотренными выше. Затем источник ионизации 18 возбуждается и используется для ионизации газов в плазменном контейнере 14. Работа в импульсном режиме внутренних и внешних катушек инициируется человеком в то же самое время, как и работа ребер в импульсном режиме.
[0040] Одной из характерных причин генерирования рассмотренных выше вращающихся двойных тороидальных структур потока в высоко ионизированной плазме, содержащейся в плазменном контейнере 14, является полученное доказательство того, что данная структура встречается во вселенной в различных масштабах. Например, имеются свидетельства того, что циркуляция материи в масштабах галактик, включая эргосферы черных дыр, полностью смоделирована таким двойным тороидальным потоком, который был предсказан посредством решения Харамейна-Рочера уравнения поля Эйнштейна. Кроме того, примеры таких потоков найдены в квазарах, пульсарах, и силах Кориолиса в динамике плазмы, окружающей наше Солнце и такие планеты, как Сатурн и Юпитер. Устройства, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения, позволяют генерировать такие потоки в низкоэнергетической лабораторной среде.
[0041] Многие особенности и преимущества изобретения являются очевидными исходя из подробного описания изобретения, и, таким образом, предполагается посредством приложенной формулы изобретения охватить все такие особенности и преимущества изобретения, которые находятся в пределах объема и сущности изобретения. В последующем, поскольку многочисленные модификации и вариации будут полностью понятны специалистам в данной области техники, является нежелательным ограничивать изобретение изображенными и описанными точной конструкцией и режимами работы, и соответственно, можно прибегнуть ко всем подходящим модификациям и эквивалентам, находящимся в пределах объема и сущности изобретения.