Экспериментальное исследование нагрева и удержания плазмы в многопробочной ловушке ГОЛ-3 по нейтронной эмиссии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

094603276 На правах рукописи

СУЛЯЕВ Юлий Сергеевич

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НАГРЕВА И УДЕРЖАНИЯ ПЛАЗМЫ В МНОГОПРОБОЧНОЙ ЛОВУШКЕ ГОЛ-3 ПО НЕЙТРОННОЙ ЭМИССИИ

01.04.08 - физика плазмы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

-ЗИЮН20Ю

НОВОСИБИРСК - 2010

004603276

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Института ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

БУРДАКОВ - доктор физико-математических наук,

Александр Владимирович Учреждение Российской академии наук

Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, г. Новосибирск.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

ДАВЫДЕНКО - доктор физико-математических наук,

Владимир Иванович Учреждение Российской академии наук

Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, г. Новосибирск.

АРХИПОВ - кандидат физико-математических наук,

Николай Иванович ГНЦ РФ « Троицкий Институт

инновационных и термоядерных исследований», г. Троицк.

ВЕДУЩАЯ - Учреждение Российской академии наук

ОРГАНИЗАЦИЯ Физико-технический институт

им. А.Ф. Иоффе РАН, г. Санкт-Петербург.

Защита диссертации состоится « ^ » б^й_2010 г.

в « /?-'2>0» часов па заседании диссертационного совета Д 003.016.03 Учреждения Российской академии наук Института ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН.

Адрес: 630090, г. Новосибирск,

проспект Академика Лаврентьева, 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Института ядерной физики имени Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН, г. Новосибирск.

Автореферат разослан « 2 ^ » Л-Ир^А-^-_2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физ.-мат. наук

А.А. Иванов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Исследование нагрева и удержания горячей плазмы в линейных ловушках ведется во многих лабораториях во всем мире. В данной работе речь пойдет об одной из таких открытых систем - длинной осесимметричной многопробочной ловушке с гофрированным магнитным полем ГОЛ-3, (ИЯФ СО РАН) [1]. Особенностью многопробочной ловушки является более высокая плотность плазмы, чем в других схемах с магнитным удержанием, а улучшение продольного удержания плазмы по сравнению с классическим пробкотроном достигается за счет эффективной силы трения, возникающей при течении плотной плазмы в гофрированном магнитном поле. Установка состоит из многопробочной ловушки с плотной дейтериевой плазмой и генератора сильноточного релятивистского электронного пучка (РЭП) У-2 [2], используемого для нагрева плазмы. При инжекции пучка в плазму в результате коллективного пучково-плазменного взаимодействия происходит возбуждение ленгмюровской турбулентности [3]. В результате энергия релятивистского электронного пучка передается через ленгмюровские колебания, главным образом, к электронной компоненте плазмы.

Одним из важных открытий последних лет в физике открытых ловушек стало обнаружение подавления продольной электронной теплопроводности на торцы в процессе инжекции РЭП, который возбуждает высокий уровень турбулентности и многократно увеличивает скорость рассеяния электронов [4, 5]. Это позволяет достичь электронной температуры 2-3 кэВ к моменту окончания инжекции пучка [б]. Второе достижение состоит в том, что при переходе к многопробочной конфигурации было экспериментально обнаружено существенное увеличение энергетического времени жизни плазмы, а также рост темпа нагрева ионов на несколько порядков. Такой быстрый нагрев не может быть объяснен в рамках классической теории парных кулоновских столкновений частиц плазмы. Была предложена модель быстрого нагрева ионов, в которой учтено увеличение эффективности пучково-плазменного взаимодействия с ростом отношения концентрации электронов пучка к концентрации плазмы п]/пр. При этом, вследствие подавления электронной теплопроводности при прохождении пучка, в плазме возникают сильные градиенты электронной температуры [7], приводящие к ускорению ионных потоков, движущихся навстречу друг другу в каждой ячейке многопробочной ловушки. Далее эти потоки должны перемешаться из-за парных ион-ионных столкновений и/или из-за развития турбулентности, таким образом кинетическая энергия направленного движения ионов переходит в тепловую.

Обнаруженный эффект быстрого нагрева ионов выявил необходимость создания специализированных диагностик для ионной компоненты плазмы, ранее отсутствовавших на установке ГОЛ-3. Физическая задача этих

диагностик состоит в том, чтобы экспериментально подтвердить положения модели быстрого нагрева ионов в многопробочной ловушке, а также наблюдать за динамикой температуры ионной компоненты плазмы.

В горячей дейтериевой плазме, удерживаемой гофрированным магнитным полем, достаточно интенсивно идут реакции синтеза. Регистрация продуктов термоядерных реакций может давать информацию о наиболее горячей части плазмы, получение которой может быть затруднено для оптических и корпускулярных диагностик из-за высокой плотности плазмы. Основной задачей создаваемого комплекса нейтронных детекторов является изучение механизма быстрого нагрева ионов в многопробочной ловушке на стадии нагрева электронным пучком.

Перспективы многопробочного термоядерного реактора, рассмотренные в [8], на сегодняшний момент с учетом экспериментально обнаруженных новых явлений должны быть пересмотрены в сторону большего оптимизма. С другой стороны, открытые эффекты требуют более тщательного изучения с точки зрения оптимизации параметров установки для эффективного нагрева и длительного удержания плазмы.

Цель диссертации

Целью диссертации является исследование процессов быстрого нагрева и длительного удержания ионной компоненты горячей дейтериевой плазмы в длинной многопробочной ловушке ГОЛ-3 с помощью изучения параметров нейтронной эмиссии. Для этого на установке был создан и эксплуатируется комплекс нейтронных диагностик, включающий в себя сцинтилляционные детекторы на основе кристалла стильбена, оборудованные системой цифровой дискриминации гамма-квантов по форме импульса, активационный серебряный детектор, миниатюрные пузырьковые камеры, набор помехозащищенных сцинтилляционных локальных детекторов. Благодаря высокой чувствительности нейтронного выхода к изменениям ионной температуры появляется возможность исследования и оптимизации эффективности нагрева и времени удержания от параметров плазмы в установке ГОЛ-3.

Научная новизна

Впервые в классе открытых ловушек обнаружен эффект быстрого нагрева ионов в течение инжекции РЭП, с помощью нейтронных диагностик найдены экспериментальные подтверждения передачи энергии от электронов к ионам с помощью коллективного механизма ускорения.

Обнаружен эффект длительного удержания плазмы с горячими ионами при меньшей, чем предсказывалось теорией, её плотности. Высокая ионная температура (1-2 кэВ) в течение 0,5 - 1 мс подтверждена несколькими независимыми диагностиками.

Разработан метод цифровой дискриминации гамма-квантов по форме импульса для сцинтилляционного спектрометра нейтронов на основе

кристалла стильбена, проведено исследование параметров нейтронного излучения, доказана его термоядерная природа.

Впервые наблюдалась баунс-неустойчивость пролетных частиц, возбуждаемая потоком горячей плазмы, текущим вдоль многопробочной ловушки от области максимального энерговыделения. Неустойчивость проявляет себя в виде периодических вспышек нейтронной эмиссии, локализованных в отдельных ячейках многопробочной ловушки. Результаты экспериментов с сильной гофрировкой магнитного поля соответствуют теоретическим представлениям о баунс-неустойчивости горячих пролетных ионов.

Вклад автора

Представленные в диссертации экспериментальные результаты, касающиеся измерений с помощью комплекса нейтронных диагностик, получены непосредственно автором. Им были сделаны теоретические оценки нейтронного потока, разработан и создан комплекс нейтронных детекторов на установке ГОЛ-3, ведется его текущая эксплуатация.

Научная и практическая значимость диссертационной работы

Обнаружен эффект быстрого нагрева ионов плазмы в процессе инжекции мощного релятивистского электронного пучка в многопробочную ловушку. Найдены экспериментальные факты, свидетельствующие в пользу коллективного механизма ускорения ионов амбиполярным потенциалом, возникающем из-за неравномерного нагрева электронов пучком в центре и на краях отдельной ячейки многопробочной ловушки.

Создан сцинтилляционный нейтронный детектор с цифровой дискриминацией по форме импульса на основе кристалла стильбена, преимуществом которого является высокая скорость счета импульсов. Использование этого метода позволило исследовать эволюцию нейтронной эмиссии во времени, измерить энергетический спектр протонов отдачи в сцинтилляторе и доказать термоядерное происхождение нейтронной эмиссии.

Разработан комплекс локальных нейтронных детекторов для измерения параметров нейтронной эмиссии во время инжекции электронного пучка. Наблюдаемые особенности нейтронной эмиссии существенно улучшили понимание физических процессов, происходящих в многопробочной ловушке. Также была обнаружена баунс-неустойчивость горячих пролетных ионов при макроскопическом течении плазмы вдоль ловушки. Неустойчивость приводит к дополнительному рассеянию пролетных ионов, термализации их энергии направленного движения, и препятствует быстрому вытеканию плазмы вдоль ловушки. Предполагается, что в будущих термоядерных реакторах на основе многопробочной ловушки она будет играть значительную роль в продольном удержании плазмы.

Положения, выносимые на защиту

• Обнаружен факт быстрого нагрева ионов плазмы в течение инжекции РЭП, найдены экспериментальные подтверждения передачи энергии от электронов к ионам с помощью коллективного механизма ускорения.

• Проведено исследование параметров нейтронного излучения, доказана его термоядерная природа, зарегистрирован поток термоядерных нейтронов из многопробочной ловушки в течение ~1 мс, определена температура дейтериевой плазмы ~ 1 — 2 кэВ.

• На установке ГОЛ-3 создан комплекс детекторов нейтронного излучения для диагностики параметров ионной компоненты плазмы, включающий в себя сцинтилляционный детектор на основе кристалла стильбена, активационный серебряный детектор, миниатюрные пузырьковые камеры, набор помехозащищенных сцинтшшяционных локальных детекторов.

• Разработан метод цифровой дискриминации гамма-квантов по форме импульса, и применен для однокристального сцинтилляционного спектрометра нейтронов на основе кристалла стильбена.

• С помощью набора локальных нейтронных детекторов был изучен процесс нагрева ионной компоненты плазмы в отдельных ячейках многопробочной ловушки в процессе инжекции РЭП, обнаружена сильная неравномерность энерговыделения пучка вдоль установки.

• Обнаружены периодические осцилляции нейтронного потока, которые могут возбуждаться в отдельных ячейках многопробочной ловушки. Показано, что эти колебания обусловлены сильными градиентами температуры и давления плазмы вдоль гофрированной ловушки, при этом возбуждается неустойчивость баунс-колебаний независимо в отдельных ячейках гофрированного поля.

Апробация результатов работы

Основные результаты работы неоднократно докладывались на семинарах и конкурсах молодых ученых в ИЯФ СО РАН, Всероссийских и международных конференциях по физике плазмы и УТС: Звенигородская конференция по физике плазмы и УТС 2004-2006, Диагностика высокотемпературной плазмы 2003-2005, Open Magnetic Systems for Plasma Confinement 2004-2006, EPS Conference on Controlled Fusion and Plasma Physicis 2003-2006, были опубликованы в ведущих российских и зарубежных научных журналах, список которых приведен в перечне опубликованных автором работ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Текст диссертации содержит 112 страниц, 46 рисунков и 3 таблицы. Список литературы состоит из 73 работ.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении ириведеи краткий обзор прогресса в физике многопробочного удержания и технологиях нагрева плазмы с помощью РЭП.

В первой главе рассматривается принцип работы и сценарий эксперимента на установке ГОЛ-3, изображенной на рис. 1.

Быстрый нагрев плазмы осуществляется релятивистским пучком электронов с энергией до 1 МэВ, током до 30 кА, длительностью до 8 мкс и энергосодержанием 120 - 150 кДж [1]. Столб дейтериевой плазмы с плотностью от 4-1014 - 5-Ю15 см 3, длиной 12 м и диаметром 6 см формируется в гофрированном магнитном поле, состоящим из 55 ячеек длиной 22 см каждая с пробочным отношением Втах/В^в = 5.2/3.2 Т. В настоящее время плазма с плотностью ~1015 см-3 и ионной температурой 1-2 кэВ удерживается в ловушке более 1 мс.

С помощью различных диагностик для ионной компоненты плазмы было подтверждено, что ионная температура возрастает до величины 1-2 кэВ сразу после окончания инжекции пучка и удерживается в течение 0,5 мс. Экспериментальное исследование такой плазмы с субтермоядерными параметрами представляет особый интерес с точки зрения эмиссии нейтронов, как продуктов D - D-реакций. Цель настоящей диссертации состоит в том, чтобы экспериментально исследовать характеристики нейтронного потока из плазмы установки ГОЛ-3, найти явления, приводящие к аномально быстрому росту ионной температуры.

Далее обсуждается постановка задачи и методы исследований. Основной задачей является выяснение физической природы эффекта быстрого нагрева ионов. Необходимая информация о динамике ионной компоненты в процессе нагрева может быть получена с помощью исседований параметров нейтронной эмиссии с высоким временным разрешением. Приводится описание предварительной работы, необходимой для создания комплекса нейтронных детекторов на установке ГОЛ-3: теоретическая оценка параметров нейтронной эмиссии, обоснование выбора типа детекторов применительно к экспериментальным условиям. В результате на установке

ГОЛ-3 был создан комплекс нейтронных детекторов, включающий в себя:

1) сцинтилляционный детектор на основе кристалла стильбена, оборудованный системой цифровой дискриминации гамма-квантов по форме импульса, позволяющий регистрировать динамику нейтронной эмиссии по форме импульса;

2) активационный серебряный детектор и миниатюрные пузырьковые камеры для подсчета полного количества нейтронов за выстрел;

3) набор локальных помехозащищенных сцинтилляционных детекторов нейтронов для исследования динамики нейтронной эмиссии в отдельных ячейках многопробочной ловушки с хорошим пространственным и временным разрешением.

В процессе выстрела генерация нейтронов сопровождается интенсивным потоком гамма-излучения, рождающегося в процессе торможения электронов пучка в диафрагмах и плазмоприемнике, а также при поглощении нейтронов в конструкционных элементах установки. Для надежного выделения нейтронной компоненты сигнала сцинтилляционный детектор на основе кристалла стильбена был оборудован цифровой системой дискриминации гамма-квантов по форме импульса. Преимущество цифрового метода дискриминации перед аналоговыми заключается в высоком быстродействии за счет отсутствия мертвого времени, а также в возможности обработки наложенных импульсов. С помощью детектора, обрудованного системой цировой дискриминации гамма-квантов впервые в открытой ловушке была зарегистрирована длительная нейтронная эмиссия в

время, мс

Рис. 2. Сцинтилляционные импульсы детектора КЕ1ГПЮМ_1. Вверху: необработанный сигнал, содержит нейтроны и гамма-кванты. Внизу: сигнал, обработанный системой цифровой дискриминации по форме импульса, содержит только нейтроны.

Для доказательства термоядерной природы нейтронного излучения проводилось исследование энергетического спектра протонов отдачи в кристалле стильбена. Амплитудный спектр импульсов от протонов отдачи, зарегистрированных в эксперименте, имеет ступенчатый вид, а максимальная энергия составляет 2,5 МэВ. Оценка ионной температуры с помощью комплекса нейтронных диагностик, на достаточных для максвеллизации ионной компоненты плазмы временах, находится в сог-ласии с измерениями диамагнетизма плазмы, допплеровского уширения линии Оа, и спектром нейтралов перезарядки, покидающих плазму.

Во второй главе приводится описание и результаты экспериментов с участками пониженного магнитного поля, целью которых является демонстрация подавления продольной электронной теплопроводности и экспериментальное подтверждение основных положений модели быстрого нагрева ионов. Основная идея эксперимента состоит в том, что в области пониженного магнитного поля плотность электронов релятивистского пучка падает и, тем самым, ухудшается отношение пъ/пр до такой степени, что прямой нагрев плазмы пучком в этой области не происходит. Диамагнитные измерения показывают, что на стадии нагрева в области магнитной ямы давление плазмы в несколько раз меньше, чем в прилегающих областях однородной плазмы. Затем, после прекращения инжекции пучка и восстановления классической электронной теплопроводности, давление плазмы в области магнитной ямы быстро растёт за счёт выравнивания температур. Таким образом, продемонстрировано существование сильных (до 2,5 кэВ/м) продольных градиентов температуры на стадии нагрева.

отн.ед. отн.ед.

Рис. 3. Задержка появлеши нейтронного сигнала в системе с неоднородным магнитным полем. Слева - измерения с центральной магнитной ямой (приведены два последовательных импульса), справа - измерения в регулярной многопробочной системе. Буквами обозначены: А и Б -мощность тормозного излучения пучка, В и Е - сигналы нейтронных детекторов, С и Б - сигналы диамагнитных датчиков в центре ямы.

Формирование высоких градиентов температуры на краях магнитной ямы должно приводить к ускорению встречных потоков плазмы от её краев к центру, где происходит перемешивание и термализация направленной энергии ионов. Сцинтилляционные детекторы нейтронов с хорошим временным разрешением были установлены вблизи магнитной ямы и зафиксировали интенсивный всплеск нейтронной эмиссии в тот момент, когда встречные потоки плазмы сталкивались в её центре (рис.3).

Полученные результаты качественно соответствуют теоретическим предсказаниям модели быстрого нагрева ионов. Похожие явления показывают другие диагностики, например измерения плотности плазмы с помощью томсоновского рассеяния в режиме с одинаковыми начальными параметрами плазмы фиксируют значительные (до 40%) флуктуации плотности от выстрела к выстрелу в момент времени, совпадающий с началом нейтронных вспышек.

В третьей главе проводится детальное исследование динамики ионной компоненты плазмы в процессе инжекции электронного пучка, а также эффектов, связанных с неоднородностью энерговыделения пучка вдоль соленоида. Для визуализации этих эффектов была разработана отдельная помехозащищенная нейтронная диагностика, обеспечивающая хорошее временное и достаточное пространственное разрешение - локальные детекторы. Каждый локальный детектор представлял собой небольшой пластмассовый сцинтиллятор, соединенный с помощью световода с фотоумножителем, расположенным за пределами биологической защиты в удаленной пультовой. Благодаря своим малым размерам локальные детекторы могут быть размещены вплотную к стенке вакуумной камеры между катушками соленоида, которые работают как коллиматор для жестких излучений. В непосредственной близости от плазмы поток жесткого излучения достаточно велик, и детекторы работают в токовом режиме. Таким образом, локальные детекторы регистрируют излучение только в пределах одной ячейки многопробочной ловушки.

Изучение зависимости нейтронного выхода вдоль соленоида показало, что существует область с максимальной нейтронной эмиссией, и она имеет малую протяженность. Эти измерения коррелируют с распределением диамагнетизма плазмы вдоль соленоида на стадии Те < 7}. Обнаруженные с помощью локальных детекторов физические явления вызваны неоднородным нагревом, который приводит к макроскопическому движению плазмы вдоль соленоида. Структура флуктуаций нейтронного сигнала, изображенная на рис.4, указывает на два разных процесса, обусловленных неравномерным нагревом плазмы. Нейтронная эмиссия на всех локальных детекторах начинается в определенное время, которое совпадает с временем встречи двух расширяющихся сгустков плазмы в центре отдельной ячейки многопробочной ловушки. Нерегулярные вспышки нейтронного потока

указывают на хаотическое перемешивание столкнувшихся сгустков плазмы и термализацию энергии направленного движения частиц плазмы. Наблюдаемые после нерегулярных флуктуаций периодические колебания нейтронной эмиссии, локализованные в пределах одной ячейки многопробочной ловушки, вызваны глобальным градиентом температуры вдоль соленоида, стремящимся выровнять давление плазмы по всей установке. Такой поток является сгустком «пролетных» частиц для каждого отдельного пробкотрона многопробочной ловушки. Часть этого потока может стать запертыми частицами в результате их рассеяния из конуса потерь на ионах плазмы. Запертый в пробкотроне сгусток плазмы совершает колебания в пределах одной ячейки со скоростями порядка тепловой. Поток «пролетных» частиц распространяется из области максимума нагрева плазмы вдоль всей ловушки, и в каждой отдельной ячейке гофрированного соленоида одновременно может возбуждать вышеописанные колебания. Как только поток горячей плазмы прекращается, колебания немедленно затухают.

■2 0 2 4 6 В 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32

Рис. 4. Форма сигналов локальных детекторов в различных ячейках многопробочной ловушки.

Параметры плазмы, влияющие на частоту модуляции нейтронной эмиссии, и условия, необходимые для поддержания колебаний могут сильно отличаться в соседних ячейках. Например, период модуляции в более «горячей» ячейке (сигнал ЫеЩгол_5) существенно меньше, чем в соседней (сигнал Ьоса1_#3). Модуляция в некоторых ячейках может наблюдаться достаточно продолжительное время (до 100 мкс), в то время как в других ячейках она уже прекратилась.

Для объяснения наблюдаемых эффектов была развита теория [14], объясняющая механизм периодической модуляции нейтронной эмиссии с

помощью колебаний электростатического потенциала, возбуждаемого пролетными частицами в каждой отдельной ячейке многопробочной ловушки. Баунс-неустойчивость, развивающаяся в процессе взаимодействия данного потенциала с пролетными и запертыми частицами, препятствует движению плазмы как целого вдоль гофрированной ловушки, способствует более эффективному обмену энергиями между ионами, набравшими значительную продольную скорость в процессе коллективного ускорения, с остальными частицами плазмы. Видно, что данная баунс-неустойчивость и связанные с ней процессы имеют очень важное значение как для повышения параметров существующей гофрированной ловушки ГОЛ-3, так и для будущих термоядерных реакторов на ее основе.

Локальные детекторы также позволяют наблюдать за эволюцией плазмы на больших временах. На рис. 5 приведена осциллограмма с локального детектора, установленного на расстоянии 1 м от входной пробки. По характеру нейтронной эмиссии можно судить о процессах, вызывающих изменения ионной температуры плазмы. Условно можно разделить эволюцию плазмы на 3 стадии: На стадии флуктуаций часть ионной компоненты плазмы набирает энергию, в основном продольную, за счет эффекта быстрого нагрева ионов в многопробочной ловушке. За ней идет стадия установления: происходит интенсивный обмен энергией между горячими и холодными ионами, температура разравнивается по длине установки, ионная температура подрастает за счет термализации продольной энергии быстрых ионов. Третья стадия это удержание остывающей плазмы в многопробочной ловушке.

нейтрон/см!мкс

время, мкс

Рис. 5. Стадии эволюции нейтронной эмиссии. Для того, чтобы с помощью комплекса локальных детекторов можно было делать оценки локальной ионной температуры по интенсивности нейтронного излучения, с помощью импульсного источника нейтронов ИНГ-101Т была проведена абсолютная калибровка локальных детекторов в

условиях реальной геометрии установки ГОЛ-3. Источник находился внутри вакуумной камеры на оси соленоида. Локальные детекторы располагались в тех же местах, в которых они находятся в реальном эксперименте. В результате проведенных измерений было определено соотношение между количеством нейтронов, проходящих через телесный угол детектора, и амплитудой сигнала для каждого детектора с учетом влияния конструкционных материалов соленоида установки. Оценка ионной температуры на временах, больших времени затухания колебаний нейтронной эмиссии, согласуется с остальными диагностиками.

Теория многопробочного удержания утверждает, что пробочное отношение является наиболее важным параметром, влияющим на физические процессы, происходящие как при быстром коллективном нагреве ионов, так и при возбуждении баунс-неустойчивости пролетных ионов в отдельной ячейке многопробочной ловушки. Для проверки указанных положений теории были проведены эксперименты с пробочным отношением, отличным от стандартного.

Изменение периода нейтронной модуляции происходит в соответствии с предположением о том, что запертые в ячейке горячие ионы совершают баунс-осцилляции, и каждая нейтронная вспышка вызвана быстрым увеличением концентрации ионов в области их остановки.

В Заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

Основные результаты

На установке ГОЛ-3 в режиме с многопробочным удержанием плазмы обнаружен и объяснен эффект быстрого коллективного нагрева ионов плазмы. Суть эффекта состоит в том, что ионная компонента плазмы во время инжекции мощного электронного пучка в гофрированное магнитное поле нагревается значительно быстрее, чем это возможно при классической (кулоновской) передаче энергии от электронов к ионам.

1. Обнаружен факт быстрого нагрева ионов плазмы в течение инжекции РЭП, найдены экспериментальные подтверждения передачи энергии от электронов к ионам с помощью коллективного механизма ускорения.

2. Проведено исследование параметров нейтронного излучения, доказана его термоядерная природа, зарегистрирован поток термоядерных нейтронов из многопробочной ловушки в течение ~1 мс, определена температура дейтериевой плазмы -1-2 кэВ.

4. Разработана новый, ранее нигде не применявшийся метод цифровой дискриминации гамма-квантов по форме импульса, и применен для однокристального сцинтилляционного спектрометра нейтронов на основе кристалла стильбена.

5. С помощью набора локальных нейтронных детекторов был изучен

процесс нагрева ионной компоненты плазмы в отдельных ячейках многопробочной ловушки в процессе инжекции РЭП, обнаружена сильная неравномерность энерговыделения пучка вдоль установки.

6. Обнаружены периодические осцилляции нейтронного потока, которые могут возбуждаться в отдельных ячейках многопробочной ловушки. Показано, что эти колебания обусловлены сильными градиентами температуры и давления плазмы вдоль гофрированной ловушки, при этом возбуждается неустойчивость баунс-колебаний независимо в отдельных ячейках гофрированного поля.

Основные результаты опубликованы в следующих работах:

1. B.C. Койдан и группа ГОЛ-3. Нагрев и удержание плотной плазмы в многопробочной ловушке ГОЛ-3. // Тез. докл. XXIX Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС, Звенигород, 2002, стр.7.

2. А.В. Бурдаков, В.В. Поступаев, А.Ф. Ровенских, Ю.С. Суляев. Диагностика нейтронного и гамма-излучения на многопробочной ловушке ГОЛ-3. // X Всероссийская конференция "Диагностика высокотемпературной плазмы", Тез. докл., Троицк, 2003 г., с. 42.

3. A.V. Arzhannikov, V.T. Astrelin, A.V. Burdakov, Yu.S. Sulyaev, et. al. Heating of Ions at the Multiple Mirror Trap GOL-3. // 30th European Physical Society Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics, St.Petersburg, Russia, July 2003; Contributed Papers, Published by EPS, Vol.27A, 2003, P-2.193.

4. Alan England, Aleksandr Burdakov, ChangShnk Kim, Vasili Koidan , Myeun Kwon, Vladimir Postupaev, Andrei Rovenskikh, Yidi Sulyaev. Detection of DD Neutrons on the Multi-mirror trap GOL-3.// 45th Annual Meeting of the Division of Plasma Physics.October 27-31, 2003 Albuquerque, New Mexico Meeting ID: DPP03

5. A.V. Arzhannikov, V.T. Astrelin, A.V. Burdakov ,Yu.S. Sulyaev, et.al. Multimirror Open Trap GOL-3: recent results // Transactions of Fusion Technology Vol.43, No IT, 2003, p.30-36.

6. V.S. Koidan, A.V. Arzhannikov, A.V. Burdakov, Yu.S. Sulyaev, et.al. Progress in multimirror trap GOL-3. // Transactions of fusion science and technology, Vol.47, No.IT, 2005, p.35-42.

7. A.V. Burdakov, A. England, C.S. Kim, V.S.Koidan, M. Kwon, V.V. Postupaev, A.F. Rovenskikh, and Yu.S. Sulyaev. Detection of fusion neutrons on the multimirror trap GOL-3. // Transactions of fusion science and technology, Vol.47, No.1T, 2005, p.333-335.

8. A.B. Аржанников, В.Т. Астрелин, А.В. Бурдаков, И.А. Иванов, B.C. Койдан, С.А. Кузнег^в, К.И. Меклер, С.В. Полосаткии, В.В. Поступаев, А.Ф. Ровенских, C.J1. Синицкий, Ю.С. Суляев, А.А. Шошин. Исследование механизма быстрого нагрева ионов в многопробочной ловушке ГОЛ-3. // Физика плазмы, том 31, № 6,2005, с.506-520.

9. А.В. Аржанников, A.M. Батраков, А.В. Бурдаков, И.А. Иванов, К.И. Меклер, В. В. Посту паев, А.Ф. Ровенских, С.В. Полосаткин, В.Я. Сазанский, С.Л. Синицкий, Ю.С. Суляев. Экспериментальное исследование динамики нейтронной эмиссии в многопробочной ловушке ГОЛ-3. // Физика плазмы, том 32, №2,2006, с. 113-121.

10. A.Azhannikov, A.Burdakov, V.Postupaev, Yu.Sulyaev, et.al. Studies of plasma confinement in GOL-3 multimirror trap. // Problems of Atomic Science and Technology, 2006, No. 6. Series: Plasma Physics (12), p.47-49.

11. A.Burdakov, A.Azhannikov, A.Beklemishev, I.Kotelnikov, Yu.Sulyaev, et.al. Plasma heating and confinement in GOL-3 multimirror trap. // Fusion Science and Technology, Vol.51, No.2T, 2007, p. 106-111.

12. A.V. Burdakov, A.V. Arzhannikov, V.T. Astrelin, Yu.S. Sidyaev, et. al. Anomalous fast heating of ions in GOL-3 facility. // Fusion Science and Technology, Vol.51, No.2T, 2007, p.352-354.

13. A.V.Burdakov, V.T.Astrelin, l.A.Ivanov, V.G.Kapralov, K.N.Kuklin, K.I.Mekler, S.V.Polosatkin, V.V.Postupaev, A.F.Rovenskikh, S.V.Sergeev, A.A.Shoshin, Yu.S.Sulyaev, E. R. Zubairov. Use of pellet injection technology at GOL-3 for plasma fueling and plasma-surface interaction research. // Fusion Science and Technology, Vol.51, No.2T, 2007, p.355-357.

14. С.В. Полосаткин, А.В. Аржанников, B.T. Астрелин, А.В. Бурдаков, Ю.С. Суляев, и др. Спектроскопические исследования на установке ГОЛ-3 взаимодействия мощного плазменного потока с твердым телом. // Приборы и техника эксперимента, 2008, № 2, с. 100-107.

15. A. Burdakov, A. Arzhannikov, К. Lotov, I. Timofeev, Yu.Sulyaev, et.al Status and Prospects of GOL-3 Multiple Mirror Trap // Fusion Science and Technology, 2008, Vol.55, No.2T, p. 63-70.

16. A.V. Arzhannikov, V.T.Astrelin, V.V. Belykh, A.V. Burdakov, V.S. Burmasov, LA. Ivanov, M. V. Ivantsivskiy, M. V. Kolosov, A.S. Krygina, K.N. Kuklin, K.I. Mekler, S. V. Polosatkin, S.S. Popov, V. V. Postupaev, A.F. Rovenskikh, A.A. Shoshin, N. V. Sorokina, S.L. Sinitsky, Yu.S. Sulyaev, Yu.A. Trunyov, Ed.R. Zubairov L.N. Vyacheslavov, Dynamics of Electron Distribution Function in Multiple Mirror Trap GOL-3 // Fusion Science and Technology, 2008, Vol.55, No.2T, p. 144-146.

17. A.V. Arzhannikov, V.T.Astrelin, A.D. Beklemishev, A.V.Burdakov, V.S. Burmasov, I.A. Ivanov, M. V. Ivantsivskiy, K.N. Kuklin, K.I. Mekler, S. V. Polosatkin, S.S. Popov, V. V. Postupaev, A.F. Rovenskikh, A.A. Shoshin, S.L. Sinitsky, Yu.S. Sulyaev, L.N. Vyacheslavov, Ed.R. Zubairov Experiment with Large-Mirror-Ratio Corrugation at Multiple Mirror Trap GOL-3 // Fusion Science and Technology, 2008, Vol.55, No.2T, p. 147-152.

18. A. V. Arzhannikov, V.T.Astrelin, A.D. Beklemishev, A.V.Burdakov, Yu.S. Sulyaev, et. al. First Experiments on Neutral Injection in Multimirror Trap GOL-3 // Fusion Science and Technology, 2008, Vol.55, No.2T, p. 153-156.

Список литературы

[1] A. Burdakov, A. Azhannikov, V. Astrelin, et.al.. Plasma heating and confinement in GOL-3 multimirror trap // Fusion Science and Technology. 2007, vol. 51, №2T, p.106-111.

[2] A. V. Arzhannikov, V.T. Astrelin, A.V. Burdakov, et.al., E-beam Transportation Features in GOL-3 Facility. // Abstracts of 15th Intern. Conf. on High-Power Particle BEAMS, Saint Petersburg, Russia, 2004, p.40.

[3] Брейзман Б. H. Коллективное взаимодействие релятивистских электронных пучков с плазмой // Вопросы теории плазмы, вып. 15,- М, Энергоатомиздат, 1987 - с.55-145.

[4] А. V. Burdakov, V.I. Erofeev, and I.A. Kotelnikov. Explanation of turbulent suppression of electron conductivity in the GOL-3 facility at the stage of relativistic electron beam injection. // Fusion science and technology, vol.47, №1T, 2005, p.74-77.

[5] А.В.Аржанников, В.Т. Астрелин, А.В. Бурдаков, И.А. Иванов, B.C. Койдан, К.И. Меклер, В.В. Поступаев, А.Ф. Ровенских, С.В.Полосаткин, C.JI. Синицкий Прямое наблюдение аномально низкой продольной электронной теплопроводности во время коллективной релаксации сильноточного релятивистского электронного пучка в плазме //препринт ИЯФ 2002-66.

[6] Бурдаков А.В., Поступаев В.В., Семенов Е.П. Система измерения температуры плазмы по 90° томсоновскому рассеянию на установке ГОЛ-3. - Новосибирск, 1991. - 21 с. - (Препринт Ин-т ядерной физики СО АН СССР; ИЯФ 91-33).

[7] А.В. Аржанников, В.Т. Астрелин, А.В. Бурдаков, И.А. Иванов, B.C. Койдан, С.А. Кузнецов, К.И. Меклер, С.В. Полосаткин, В.В. Поступаев, А.Ф. Ровенских, С.Л. Синицкий, Ю.С. Суляев, А. А. Шошин. Исследование механизма быстрого нагрева ионов в многопробочной ловушке ГОЛ-3 // Физика плазмы, 2005, том 31, №6.

[8] Lichtenberg A. J., Mirnov V. V. Multiple Mirror Plasma Confinement // Reviews of Plasma Physics, 1996, v.19, ed. B.B. Kadomtsev, New York: Consultant Bureau/Plenum Press.

[9] A.D. Beklemishev, "Bounce Instability in a Multi-Mirror Trap", Fusion Science and Technology. Vol.51, (2007).

СУЛЯЕВ Юлий Сергеевич

Экспериментальное исследование нагрева и удержания плазмы в многопробочной ловушке ГОЛ-3 по нейтронной эмиссии

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Сдано в набор 3.03. 2010 г. Подписано в печать 4.03. 2010 г. Формат 60x90 1/16 Объем 1.2 печ.л.,1.0 уч.-изд.л.

_Тираж 100 зкз. Бесплатно. Заказ № 3_

Обработано на РС и отпечатано на ротапршгте «ИЯФ им. Г.И. Будкера» СО РАН, Новосибирск, 630090, пр. Академика Лаврентьева, 11

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 Обнаружение эффекта быстрого нагрева ионов и длительного удержания горячей плазмы по нейтронному излучению.

1.1. Многопробочная ловушка ГОЛ-3.

1.2. Постановка задачи.

1.2.1. Основные положения модели быстрого нагрева ионов.

1.2.2. Термоядерные реакции для диагностики плазмы.

1.2.3. Цели и задачи нейтронной диагностики.

1.3. Оценка параметров нейтронной эмиссии на установке ГОЛ-3.

1.4. Разработка метода цифровой дискриминации гамма-квантов для изучения эволюции нейтронной эмиссии.

1.4.1. Физические основы техники дискриминации по форме импульса.

1.4.2. Разработка метода цифровой дискриминации гамма-квантов для изучения эволюции нейтронной эмиссии.

1.4.3. Описание сцинтилляционного детектора нейтронов с цифровой дискриминацией гамма-квантов по форме импульса.

1.4.4. Калибровка детектора.

1.5. Серебряный активационный детектор нейтронов.

1.6.2. Эксперименты по определению чувствительности пузырьковых детекторов к гамма-излучению.

1.6.3. Определение нейтронного выхода с помощью пузырьковых детекторов.

1.7. Результаты экспериментов по регистрации нейтронного излучения в многопробочной ловушке.

1.7.1. Регистрация нейтронного излучения с помощью сцинтилляционного детектора, оборудованного системой цифровой дискриминации гамма-квантов.

1.7.2. Спектрометрия нейтронного излучения.

1.7.3. Поиск оптимального режима нагрева и удержания по зависимости полного выхода нейтронов от начального давления.

ГЛАВА 2. Изучение эволюции нейтронной эмиссии на стадии нагрева электронным пучком

2.1. Регистрация нейтронного излучения в специальном эксперименте с локальной магнитной ямой. Прямая демонстрация механизма быстрого нагрева ионов.

2.1.1. Постановка эксперимента.

2.1.2. Регистрация вспышки нейтронного и гамма-излучения.

2.2. Сравнение с другими диагностиками.

2.3. Численное моделирование эффекта быстрого нагрева ионов.

ГЛАВА 3. Обнаружение осцилляций нейтронной эмиссии.

3.1. Разработка локальных детекторов нейтронов.

3.2. Особенности нейтронной эмиссии в многопробочной ловушке во время инжекции электронного пучка.

3.3. Изучение распределения нейтронного излучения вдоль оси соленоида.

3.4. Изучение параметров плазмы в отдельных ячейках многопробочной ловушки. Обнаружение осцилляций нейтронной эмиссии в отдельных ячейках.

3.5. Абсолютная калибровка локальных детекторов с помощью импульсного генератора нейтронов ИНГ-101Т.

3.6. Переход к сильной гофрировке магнитного поля.

В экспериментальной физике плазмы уже длительное время существует и развивается направление открытых систем для удержания высокотемпературной плазмы. Силовые линии магнитного поля в них являются незамкнутыми, а продольное удержание обеспечивается разного рода барьерами статического либо динамического характера для всех частиц, составляющих плазму. Исследование нагрева и удержания горячей плазмы в линейных, амбиполярных и многопробочных ловушек ведется во многих лабораториях во всем мире [1-6]. В данной работе речь пойдет об одной из таких открытых систем — длинной осесимметричной многопробочной ловушке с гофрированным магнитным полем ГОЛ-3, которая находится в ИЯФ СО РАН.

Концепция многопробочного удержания была предложена в 1971 году Г.И. Будкером, В.В. Мирновым и Д.Д. Рютовым [7] а также независимо Логаном и Лихтенбергом [8], и почти сразу же были проведены первые эксперименты по проверке принципов много пробочного удержания [9,10]. Основная идея многопробочного удержания заключается в уменьшении продольных потерь энергии путем создания продольной периодической модуляции магнитного поля. При этом соленоид представляет собой длинную последовательность соединенных торцами пробкотронов, в которых плазма состоит из захваченных и пролетных частиц. В таких системах плазма имеет большую плотность по сравнению с другими схемами с магнитным удержанием. Теоретические расчеты показывают, что в условиях, когда период модуляции магнитного поля много меньше длины пробега заряженной частицы, трение между пролетными и запертыми частицами уменьшает скорость макроскопического расширения плазмы до диффузионной, и поток энергии на торцы существенно уменьшается. Теоретически скорость разлета плазмы уменьшается пропорционально отношению полной длины системы к длине пробега частицы даже при слабой гофрировке [11]. При сильной гофрировке также становится возможным подавление и электронной теплопроводности на торцы установки [12]. Экспериментальные исследования различных систем с гофрированным магнитным полем подтверждают этот вывод [9,10]. Авторами [7] и [8] были предложены различные концепции термоядерных реакторов на основе много пробочной ловушки [ 11-14].

Единственная в мире крупная многопробочная ловушка находится в России, ИЯФ СО РАН. Научно-технологической базой для создания такого рода крупномасштабной установки послужили эксперименты на предыдущих поколениях многопробочных ловушек. Дело в том, что ключевой проблемой для длинных осесимметричных систем является проблема быстрого и эффективного нагрева плотной плазмы до термоядерных температур (—10 кэВ). Идея использовать мощные релятивистские электронные пучки (РЭП) для нагрева длинного столба относительно плотной плазмы оказалась наиболее удачной для решения этой задачи. В основе метода нагрева плазмы с помощью электронных пучков лежит коллективное взаимодействие релятивистского пучка с плазмой. Термин коллективное взаимодействие означает, что электроны пучка передают свою энергию не отдельным частицам, составляющим плазму, а ансамблям таких частиц (например ленгмюровским волнам). К настоящему времени существует множество теоретических и экспериментальных работ, посвященных исследованию физики взаимодействия пучков с плазмой (см., напр., [15-23], работы [24-29] и литературу к ним). Первые экспериментальные исследования по коллективному взаимодействию мощных РЭП с плазмой, подтвердившие возможность релаксации пучка в плазме, проводились с использованием пучков наносекундной длительности, энергосодержание которых не превышало нескольких килоджоулей, а

12 3 плотность плазмы составляла -10 см" [24]. В дальнейшем эксперименты были направлены на поиск условий эффективной бесстолкновительной релаксации пучка в существенно более плотной плазме на установке ИНАР [25]. В экспериментах было показано, что при увеличении плотности пучка и уменьшении его углового разброса возможен эффективный нагрев плазмы с плотностью до и«1015см"3 [26-29]. Потери энергии пучка достигали 40% на длине всего 75 сантиметров, что в миллион раз эффективнее, чем при классическом торможении пучка в плазме [29-31]. Эти экспериментальные результаты свидетельствовали о том, что механизмом торможения пучка является пучковая неустойчивость, приводящая к развитию интенсивных плазменных колебаний. Прямое наблюдение ленгмюровской турбулентности, а также других видов колебаний, было проведено на установке ГОЛ-М [3233]. К началу 80-х годов было экспериментально продемонстрировано, что за счет коллективных эффектов наносекундные РЭП эффективно тормозятся в плазме с плотностью вплоть до (1-3)-1015см"3, и эфективно передают свою энергию плазменным электронам [34].

Параллельно с этими исследованиями развивалась технология получения энергоемких электронных пучков. Начиная с первых экспериментов по взаимодействию релятивистских электронных пучков с плазмой с помощью ускорителей с трансформатором ТЕСЛА, обладавших энергозапасом до 1кДж [35-36], и линий с водяной изоляцией, позволивших существенно увеличить энергозапас в пучке [37], в результате развития технологии были созданы энергоемкие релятивистские пучки микросекундной длительности с воздушной изоляцией [38-42]. На ускорителе У-1 была продемонстрирована возможность получения электронного пучка с энергозапасом более 100 кДж, его сжатия и транспортировки в магнитном поле [43-45]. Ускоритель У-3 с аналогичными параметрами использовался в экспериментах по нагреву плазмы на установке ГОЛ-3-1. На генераторе микросекундного электронного пучка У-2 был использован новый подход к генерации энергоемкого пучка электронов: был использован ленточный диодный узел для генерации электронного пучка в магнито-изолированном диоде [46]. Ленточный электронный пучок, генерируемый такой системой, удовлетворяет. очень жестким требованиям к угловому разбросу скоростей электронов, от которого зависит интенсивность передачи энергии от греющего пучка к электронам плазмы.

Таким образом, в начале 80-х годов имелась база для сооружения крупномасштабной установки, на которой предстояло исследовать возможность нагрева, а в последующем и удержания плотной плазмы в длинном соленоиде. Такой установкой явилась ГОЛ-3. Причем сооружение этой установки проводилось в насколько этапов. В октябре 1988 года был сделан первый успешный выстрел на первой очереди установки ГОЛ-3 (инжекционный эксперимент ГОЛ-3-1) [47]. За более чем шесть лет работы на ней были получены основополагающие результаты по нагреву плазмы с помощью микросекундных электронных пучков. Затем на ее базе построена установка следующего поколения ГОЛ-З-П [48], на которой изучалась физика нагрева и удержания горячей плазмы. Наконец, в 2002 году конфигурация магнитной системы была изменена на гофрированную и установка получила свое законное название ГОЛ-3 (ГОфрированная Ловушка).

В настоящее время установка ГОЛ-3 представляет собой осесимметричную открытую

1С 1 ловушку с гофрированным магнитным полем. Дейтериевая плазма с плотностью ~10 см" и ионной температурой 1-2 кэВ удерживается в ловушке более 1 мс [1, 49]. Быстрый нагрев плазмы в установке ГОЛ-3 осуществляется с помощью релятивистского электронного пучка с энергией до 1 МэВ, длительностью до 8 мкс и энергосодержанием 120 - 150 кДж.

Одним из важных достижений в физике открытых ловушек стало подавление продольной электронной теплопроводности на торцы, что позволяет поддерживать относительно высокую электронную температуру в ловушке [46, 50]. В частности, на установке ГОЛ-3 электронная теплопроводность подавляется за счет возникновения аномально высокой частоты столкновений электронов во время коллективной релаксации релятивистского электронного пучка в плазме [51, 52]. Это явление приводит к возможности существования в плазме высоких продольных градиентов электронной температуры [53].

Другим важным достижением является экспериментальное обнаружение быстрого некулоновского нагрева ионов до субтермоядерных температур при переходе к многопробочной конфигурации магнитного поля. Этот эффект характерен именно для многопробочных ловушек, нагреваемых электронным пучком. Высокие градиенты электронной температуры, формирующиеся в каждой отдельной ячейке многопробочной ловушки в области максимума магнитного поля в процессе инжекции пучка, создают встречные потоки плазмы, ускоряемые амбиполярным потенциалом от краев ячейки к её центру. Термализация энергии направленного движения встречных потоков плазмы при их перемешивании приводит к быстрому росту ионной температуры [54-57].

Существенный прогресс в параметрах плазмы, а также обнаруженные экспериментально явления подавления продольной электронной теплопроводности на торцы и механизм быстрого некулоновского нагрева ионов плазмы позволяют серьезно обсуждать концепцию и перспективы термоядерного реактора на основе многопробочной ловушки.

Обнаруженный эффект быстрого нагрева ионов выявил необходимость создания специализированных диагностик для ионной компоненты плазмы, ранее отсутствовавших на установке ГОЛ-3. Такие диагностики должны были быть способны найти явления, приводящие к быстрому нагреву ионов в многопробочной ловушке, а также наблюдать за динамикой температуры ионной компоненты плазмы. В данной работе пойдет речь об одной из таких диагностик - измерении параметров эмиссии термоядерных нейтронов.

Даже простые оценки показывают, что в такой довольно горячей плазме должны достаточно интенсивно идти реакции ядерного синтеза. Экспериментальное исследование эмиссии продуктов реакций синтеза могло бы дать исчерпывающую информацию об ионной компоненте плазмы в наиболее горячей части вблизи оси пучка, там где непосредственно и происходит процесс быстрого нагрева ионов.

Конструктивные особенности, высокая плотность периферийной плазмы установки ГОЛ-3 ограничивает возможность исследования центральной части плазменного столба традиционными спектроскопическими и корпускулярными диагностиками, тогда как быстрые нейтроны свободно выходят за пределы установки и легко доступны для регистрации. Эти обстоятельства определили выбор нейтронной диагностики в качестве инструмента для наблюдения за динамикой ионной температуры. Целью настоящей диссертации является исследование процессов быстрого нагрева и длительного удержания ионной компоненты горячей дейтериевой плазмы в длинной многопробочной ловушке ГОЛ-3 с помощью изучения параметров нейтронной эмиссии. В проведенных с помощью нейтронной диагностики физических исследованиях основное внимание акцентировалось на процессах и явлениях, приводящих к аномально быстрому росту ионной температуры. Основные усилия были направлены на повышение временного разрешения нейтронных диагностик, а также их защите от сильных электромагнитных помех и жесткого тормозного излучения, возникающих при инжекции релятивистского электронного пучка в плазму. Определение ионной температуры по интенсивности нейтронного излучения на данном этапе исследований представляется не совсем корректно поставленной задачей, так как неизвестен вид радиального профиля ионной температуры в установке ГОЛ-3, а предположения о ее виде, обсуждаемые в разделе 1.2, не были экспериментально подтверждены либо опровергнуты. Поэтому оценочные данные об ионной температуре, определенные по интенсивности нейтронной эмиссии, всегда приводятся в сравнении с другими диагностиками, например с анализом спектра быстрых нейтралов, покидающих плазму, либо диамагнитными измерениями.

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения, в котором перечислены основные результаты работы. В первой главе подробно описана постановка задачи, приведены оценки возможных параметров нейтронной эмиссии, проделан анализ

Основные результаты диссертационной работы следующие:

На установке ГОЛ-3 в режиме с многопробочным удержанием плазмы обнаружен и объяснен эффект быстрого коллективного нагрева ионов плазмы. Суть эффекта состоит в том, что ионная компонента плазмы во время инжекции мощного электронного пучка в гофрированное магнитное поле нагревается значительно быстрее, чем это возможно при классической (кулоновской) передаче энергии от электронов к ионам.

Достигнут существенный прогресс в параметрах нагрева и удержания горячей дейтериевой плазмы. В настоящее время плазма с плотностью ~1015 см"3 и ионной температурой 1-2 кэВ удерживается в ловушке более 1 мс [1, 56].

На установке ГОЛ-3 создан комплекс детекторов нейтронного излучения для диагностики параметров ионной компоненты плазмы, включающий в себя сцинтилляционный детектор на основе кристалла стильбена, активационный серебряный детектор, миниатюрные пузырьковые камеры, набор помехозащищенных сцинтилляционных локальных детекторов. Разработан метод цифровой дискриминации гамма-квантов по форме импульса, и применен для однокристального сцинтилляционного спектрометра нейтронов на основе кристалла стильбена. С помощью комплекса нейтронных детекторов были получены следующие физические результаты:

1. Обнаружен факт быстрого нагрева ионов плазмы в течение инжекции РЭП, найдены экспериментальные подтверждения передачи энергии от электронов к ионам с помощью коллективного механизма ускорения.

2. Проведено исследование параметров нейтронного излучения, доказана его термоядерная природа, зарегистрирован поток термоядерных нейтронов из многопробочной ловушки в течение ~1 мс, определена температура дейтериевой плазмы -1-2 кэВ.

3. С помощью набора локальных нейтронных детекторов был изучен процесс нагрева ионной компоненты плазмы в отдельных ячейках многопробочной ловушки в процессе инжекции РЭП, обнаружена сильная неравномерность энерговыделения пучка вдоль установки.

4. Обнаружены периодические осцилляции нейтронного потока, которые могут возбуждаться в отдельных ячейках многопробочной ловушки. Показано, что эти колебания обусловлены сильными градиентами температуры и давления плазмы вдоль гофрированной ловушки, при этом возбуждается неустойчивость баунс-колебаний независимо в отдельных ячейках гофрированного поля.

В заключение автор выражает глубокую благодарность научному руководителю работы А.В. Бурдакову за помощь в выборе направления данной работы, постоянную поддержку и внимание.

Отдельная благодарность выражается А.Ф. Ровенских, автору программы Neutron и нескольких других вспомогательных программ, которые сделали возможной быструю и наглядную обработку экспериментальных результатов.

Автор благодарен А.В. Аржанникову, C.JI. Синицкому, В.Г. Иваненко за участие в проведении экспериментов на установке ГОЛ-3. Автор благодарит своих коллег по экспериментам на ГОЛ-3 - В.Т. Астрелина, К.И. Меклера, В.В. Поступаева, С.В. Полосаткина, А.Ф. Ровенских, И.А. Иванова, А.А. Шошина, Э.Р. Зубаирова за плодотворное сотрудничество и помощь. Автор признателен А.Д. Беклемишеву, С.С. Гарифову, В.В. Конюхову, А.Г. Макарову, за сотрудничество, Е.В. Мостипанову, А.П. Муллину, В.А. Расторопову, А.В. Кутовенко за их работу на установке.

Заключение

1. JT. H. Вячеславов, В. С. Бурмасов, И. В. Кандауров, Э. П. Кругляков, О. И. Мешков, А. Л. Санин. Диссипация сильной ленгшоровской турбулентности в неизотермической немаксвелловской плазме. // Письма в ЖЭТФ, 2002, т.75, с.44.

2. Будкер Г. И, Мирное В. В., Рютов Д. Д. Влияние гофрировки магнитного поля на расширение и остывание плотной плазмы // Письма в ЖЭТФ, 1971, т. 14, с. 320.

3. Logan B.G., Lieberman М.А., Lichtenberg A.J., Makhijani A. Multiple-Mirror Confinement of Plasmas // Phys. Rev. Lett., 1972, v.28, p.144-147.

4. Будкер Г.И., Данилов В.В., Кругляков Э.П., Рютов Д.Д., Шунъко Е.В., Эксперименты по удержанию плазмы в многопробочной магнитной ловушке // Письма ЖЭТФ, 1973, т.17, с.117; ЖЭТФ, 1973, т.65, №2, с.562.

5. Logan B.G., Brown I.G., Lichtenberg A.J., Lieberman M.A. Experimental Evidence of Multiple-Mirror Plasma Confinement // Phys. Rev. Lett., 1972, v.29, p.1435; Phys. Fluids, 1974, v.17, p.1302.

6. Lichtenberg A. J., Mirnov V. V. Multiple Mirror Plasma Confinement // Reviews of Plasma Physics, 1996, v.19, ed. B.B. Kadomtsev, New York: Consultant Bureau/Plenum Press.

7. Мирное В. В., Рютов Д. Д. Газодинамическое описание плазмы в гофрированном магнитном поле. Новосибирск, 1971. — (Препринт/Институт ядерной физики СО РАН; 60-71).

8. Budker G.I. Thermonuclear Fusion in Installations with a Dense Plasma // Proc. 6th Europ. Conf. on Contr. Fusion and Plasma Physics, Moscow, 1973, Vol.2, p. 146-158.

9. Knyazev B.A., Chebotaev P.Z. A pulsed multi-mirror fusion reactor: longitudinal confinement // Nuclear Fusion, 1984, Vol.24, p.555-563.

10. Файнберг Я.Б. Взаимодействие пучков заряженных частиц с плазмой // Атомная энергия, 1961, т.11, с.313.

11. Валлис Г., Зауэр К, Зюндер Д., Росинский С.Е., Рухадзе А.А., Рухлии В.Г. Инжекция сильноточных релятивистских электронных пучков в плазму и газ // УФН, 1974, т. 113, с.435-462.

12. Файнберг Я.Б., Шапиро В.Д., Шевченко В.И. К нелинейной теории взаимодействия с плазмой "моноэнергетического" пучка релятивистских электронов //ЖЭТФ, 1969, т.57, с.966-977.

13. Breizman В. N., Ryutov D. D. Powerful relativistic electron beams in a plasma and in a vacuum (theory) // Nuclear Fusion, 1974, No.6, p.873-908.

14. Галеев А.А., Сагдеев Р.З. Токовые неустойчивости и аномальное сопротивление плазмы// Основы физики плазмы. Дополнение к второму тому М, Энергоатомиздат, 1984 - с.5-37.

15. Судан Р.Н. Коллективное взаимодействие пучка с плазмой // Основы физики плазмы. Дополнение к второму тому М, Энергоатомиздат, 1984 - с. с.38-82.

16. Брейзман Б. Н. Коллективное взаимодействие релятивистских электронных пучков с плазмой // Вопросы теории плазмы, вып.15.- М, Энергоатомиздат, 1987 с.55-145.

17. Рухадзе А. А., Богданкевич Л. С., Рухлин В.Г., Росинский С.Е. Физика сильноточных релятивистских пучков. М:Атомиздат,1980.

18. Незлин М.В. Динамика пучков в плазме. М.: Энергоиздат, 1982.

19. Абрашитов Ю.К, Койдан B.C., Конюхов В.В., Лагунов В.М., Лукьянов В. Н., Меклер К.И. Нагрев плазмы релятивистским электронным пучком // Письма в ЖЭТФ, 1973, т. 18, с.675-679.

20. Аржанников А.В., Бурдаков А.В., Койдан B.C., Конюхов В.В., Меклер К.К, Рогозин А.И. Увеличение эффективности взаимодействия сильноточного релятивистского электронного пучка с плазмой // Письма в ЖЭТФ, 1978, т.27, с. 173-176.

21. Arzhannikov A.V., Burdakov A.V., Burmasov VS., Koidan V.S., Konyukhov V.V., Mekler K.I., Rogozin A.I., Vyacheslavov L.N.//Proc. 3rd Intern. Conf. on High Power Electron and Ion Beam Research and Technology.- Novosibirsk, 1979.- Vol.1, p.29-42.

22. Arzhannikov A. V. , Burdakov A. V. , Koidan V. S., Vyacheslavov L.N. Physics of REB-plasma interaction. Phisica Scripta. vol. T2/2, p.303,1982

23. Koidan VS., Kruglyakov Eh.P., Ryutov D.D. Plasma heating in solenoids by high-power relativistic electron beams // Proc. 4 th Intern. Conf. on High Power Electron and Ion Beams Res. and Tech., Palaiseau, 1981. Vol.2, p.531-540.

24. Вячеславов Л. К, Кандауров И. В., Кругляков Э. П., Лосев М.В., Мешков О.И., Санин

25. A.Л. Прямое наблюдение ленгмюровекой турбулентности в плазме методом лазерного рассеяния // Письма в ЖЭТФ, 1989, т.50, вып.9, с.379-381.

26. Койдан B.C. Нагрев плазмы и коллективное "газодинамическое" ускорение ионов сильноточным релятивистским электронным пучком: Дисс. на соиск. ученой степени доктора физ.-мат. наук Новосибирск, 1984. 326 с.

27. Аржанников А.В., Бурдаков А.В., Койдан B.C., Николаев B.C., Поступаев В.В., Синицкий С.Л., Смирнов А.В. Генератор электронного пучка РИУС-1М.- Новосибирск, 1991. -11 е.- (Препринт /Институт ядерной физики СО АН СССР; ИЯФ 91-61).

28. Смирнов В.П. Получение сильноточных пучков электронов. ПТЭ, 2, с.7-31, (1977).

29. Лагунов В.М., Федоров В.М. Применение водяной изоляции в импульсных генераторах тока и электронных ускорителях новосибирского Института ядерной физики. Физ. плазмы, т.4, 3, с.266-273 (1978).

30. Бабыкии М.В., Бакшаев Ю.Л., Бартов А.В., Блинов П.И., Долгачев Г.И., Мижирицкий

31. B.И., Пасечников A.M., Скорюпин В.А. Мегавольтный ускоритель микросекундного диапазона. Вопр. атом, науки и техники. Сер.: Термояд, синтез. М., вып.2(6), с.29-31 (1980).

32. Бурцев В.А., Василевский М.А., Гусев О.А., Ройфе КМ., Середенко Е.В., Энгелъко В.И. Ускоритель сильноточных электронных пучков микросекундной длительности. ПТЭ, № 5, с.32-35 (1979).

33. Бугаев С.П., Крейнделъ Ю.Е., Папин П.М. Техника получения высокоэнергетических электронных пучков с большим поперечным сечением. (Обзор). ПТЭ, № I, с.7-24 (1980).

34. Месяц Г.А. Работы до сильноточной электронике в ИСЭ СО АН СССР //В кн.: IV Всесоюз. симпоз. по силыюточ. электронике: Тез.докл. Томск, 1982. Томск, ч.1, с.3-6

35. Бастриков А.Н., Бугаев С.П., Кошелев В.И., Сухушин КН., Тимофеев М.Н. Формирование релятивистских микросекундных электронных пучков с энергией до 50 кДж. В кн.: V Всесоюз. симпоз. по сильноточ. электронике: Тез.докл. Томск, 1984. Томск, T.I, с.141-143.

36. Воропаев С.Г., Койдан В. С., Лебедев С. В., Николаев B.C., Чикунов В.В., Щеглов М.А. Мощный релятивистский электронный пучок микросекундной длительности для нагрева плазмы. ДАН СССР, т.276, с. 111-115 (1984).

37. Воропаев С. Г., Князев Б. А., Койдан В. С., Конюхов В. В., Лебедев С. В., Меклер К И., Смирнов А.В., Чикунов В.В., Щеглов М.А. Получение мощного микросекундного РЭП с высокой плотностью тока. Письма в ЖТФ, т. 13, с.431-435 (1987).

38. Князев Б.А. Магнитное сжатие и транспортировка микросекундного релятивистского электронного пучка с высокой плотностью тока для нагрева плазмы в соленоидах. Дисс. на соискание ученой степени доктора физ.-мат. наук. Новасибирск, 1991.

39. Бурдаков A.B., Поступаев B.B., Семенов Е.П. Система измерения температуры плазмы по 90 томсоновскому рассеянию на установке ГОЛ-3. Новосибирск, 1991. - 21 с. -(Препринт Ин-т ядерной физики СО АН СССР; ИЯФ 91-33).

40. Бурдаков А.В., Поступаев В.В., Особенности переноса тепла при пучковом нагреве плазмы в экспериментах на установке ГОЛ-3. Препринт ИЯФ СО РАН 92-9, Новосибирск (1992).

41. А. V. Burdakov, V.I. Erofeev, and LA. Kotelnikov. Explanation of turbulent suppression of electron conductivity in the GOL-3 facility at the stage of relativistic electron beam injection. // Fusion science and technology, Vol.47, No.IT, 2005, p.74-77.

42. А. В. Аржанников, В.Т. Астрелин, А.В. Бурдаков, И.А. Иванов, B.C. Койдан, К.И. Меклер,

43. B.В. Поступаев, А.Ф. Ровенских, С.В.Полосаткин, C.JI. Синицкий Прямое наблюдение аномально низкой продольной электронной теплопроводности во время коллективной релаксации сильноточного релятивистского электронного пучка в плазме //препринт ИЯФ 2002-66

44. V.T. Astrelin, A.V. Burdakov, and N.G. Karlykhanov. Modeling of plasma dynamics and ion heating in multimirror trap. // Transactions of fusion science and technology, Vol.47, No. IT, 2005, p.246-248.

45. A.V. Burdakov, A. England, C.S. Kim, VS. Koidan, M. Kwon, V.V. Postupaev, A.F. Rovenskikh, and Yu.S. Sulyaev. Detection of fusion neutrons on the multimirror trap GOL-3. // Transactions of fusion science and technology, Vol.47, No.IT, 2005, p.333-335.

46. А.В. Аверков, А.В. Аржанников, В.Т. Астрелин, А.В. Бурдаков, Г.Е. Деревянкин, Э.Р. Зубаиров, В.Г. Иваненко, И.А. Иванов, М.В. Иванцивский, B.C. Койдан, В.В. Конюхов,

47. С. В. Полосаткин. Формирование плазменного шнура многопробочной ловушки ГОЛ-3 Диссертация на соискание степени кандидата физико-математических наук, 2005.

48. Abstracts of 15th Intern. Conf. on High-Power Particle BEAMS, BEAMS*2004, Saint Petersburg, Russia, 2004, p.40.

49. В.Т. Астрелин, А.В. Бурдаков. Численное моделирование коллективного ускорения ионов плазмы в ячейках многопробочной ловушки ГОЛ-3. // Тезисы докладов XXXI Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС, Звенигород, 2004, стр.102.

50. В.Т. Астрелин, А.В. Бурдаков, В.М. Ковеня, Т.В. Козлинская. Численное моделирование динамики плазмы в неоднородном магнитном поле. // Тезисы докладов ХХХП Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС, Звенигород, 2005, стр.60.

51. A.D. Beklemishev, "Bounce Instability in a Multi-Mirror Лгар", Fusion Science and Technology. Vol.51, (2007).

52. M.H. Медведев, Сцинтилляционные детекторы, M., Атомиздат, 1977.

53. Экспериментальное исследование полей гамма-излучения и нейтронов //под ред. Ю.Я Егорова, М., Атомиздат, 1974.

54. Ю.И. Колеватов, В.П. Семенов, JI.A. Трыков, Спектрометрия нейтронов и гамма-излучения в радиационной физике /М., Энергоатомиздат, 1991.

55. J.Huba NRL plasma formulary, Washington, 1998

56. BTI Industries, Chalk River, Ontario, Canada, http ://www.bubbletech.ca (11.2009)