Magnetic field dynamics in plasma opening switch

Abstract

Computer simulations for magnetic field penetration into plasma of plasma opening switch (POS), and current loop formation in it are presented for various initial plasma densities, currents, and POS geometries. It is shown that the current loop dynamics in the POS is determined by the fast magnetic field penetration in plasma due to the Hall effect. The strong dependence of the current loop longitudinal velocity on the transverse coordinate, together with the influence of the boundary conditions at the POS cathode and anode, lead to the formation of the narrow S-shaped current loop even in a homogeneous plasma. It is shown that the control parameters influencing the dynamics of the magnetic field and the motion of the current loop in the POS are the initial plasma density, driving current and cathode radius. The POS resistance is calculated for wide range of initial plasma densities, currents, and cathode radiuses. It is shown, that POS resistance is proportional to the total current, inversely proportional to plasma density, and is in the range 10⁻³…1 Ω for plasma densities 10¹²…10¹⁵ cm⁻³.

Комп'ютерні моделювання проникнення магнітного поля у плазму плазмового комутатора струму (ПКС) і формування у ній струмової петлі представлені для різних початкових густин плазми, повних струмів і геометрій ПКC. Показано, що динаміка струмової петлі у ПКС визначається швидким проникненням магнітного поля у плазму за рахунок ефекту Холла. Сильна залежність поздовжньої швидкості струмової петлі від поперечної координати, а також вплив граничних умов на катоді і аноді ПКC призводять до утворення вузької S-образної струмової петлі в однорідній плазмі. Показано, що керуючими параметрами, що впливають на динаміку магнітного поля і рух струмової петлі у ПКC, є початкова густина плазми, повний струм і радіус катода. Опір ПКC розраховано для широкого діапазону початкових густин плазми, повних струмів і радіусів катода. Показано, що опір ПКC пропорційний повному струму, обернено пропорційний густині плазми і знаходиться у діапазоні 10⁻³…1 Ом для густин плазми 10¹²…10¹⁵ см⁻³.

Компьютерные моделирования проникновения магнитного поля в плазму плазменного коммутатора тока (ПКТ) и формирования в ней токовой петли представлены для различных начальных плотностей плазмы, полных токов и геометрий ПКТ. Показано, что динамика токовой петли в ПКТ определяется быстрым проникновением в плазму магнитного поля за счет эффекта Холла. Сильная зависимость продольной скорости токовой петли от поперечной координаты, а также влияние граничных условий на катоде и аноде ПКТ приводят к образованию узкой S-образной токовой петли в однородной плазме. Показано, что управляющими параметрами, влияющими на динамику магнитного поля и движение токовой петли в ПКТ, являются начальная плотность плазмы, полный ток и радиус катода.Сопротивление ПКТ рассчитано для широкого диапазона начальных плотностей плазмы, полных токов и радиусов катода. Показано, что сопротивление ПКТ пропорционально полному току, обратно пропорционально плотности плазмы и находится в диапазоне 10⁻³…1 Ом для плотностей плазмы 10¹²…10¹⁵ cm⁻³.