Эксперименты по нагреву плазмы мощным пучком релятивистских электронов в пробкотроне тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ им. Г.И. Будкера СО РАН

На правах рукописи

ПОСТУПАЕВ Владимир Валерьевич

ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО НАГРЕВУ ПЛАЗМЫ МОЩНЫМ ПУЧКОМ РЕЛЯТИВИСТСКИХ ЭЛЕКТРОНОВ В ПРОБКОТРОНЕ

01.04.08 - физика и химия плазмы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

НОВОСИБИРСК—1995

Работа выполнена в ГНЦ РФ "Институт ядерной физики им. Г.И. Бу..кера СО РАН".

НАУЧНЫЕ РУКОВОДИТЕЛИ:

БУРЛАКОВ Александр Владимирович

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, ГНЦ РФ "Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН", г. Новосибирск.

КОИДАН

Василий Семенович

— доктор физико-математических наук, ГНЦ РФ "Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН", г. Новосибирск.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

ДУДНИКОВ Вадим Георгиевич

НЕДОСЕЕВ Сергей Леонидович

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:

— доктор физико-математических наук, профессор, ГНЦ РФ "Институт ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН", г.Новосибирск.

— кандидат физико-математических наук, ГНЦ РФ "Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований", г.Тронцк.

— Институт сильноточной электроники СО РАН, г.Томск.

« Л 5"»

199 5~г. в

Защита диссертации состоится

" О " часов на заседании специализированного совета Д.002.24.02 при ГНЦ РФ "Институт ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН".

Адрес: 630090, г. Новосибирск-90,

проспект академика Лаврентьева, 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНЦ РФ "ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН".

Автореферат разослан " У"_1995 г.

Ученый секретарь специализированного совета академик Б.В. Чириков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Изучение взаимодействия пучков заряженных частиц с плазмой, начатое с обнаруженного в конце 20-х годов Ленг-мюром аномально быстрого торможения электронного пучка в газоразрядной плазме, привело к возникновению области знаний, связанной с понятиями плазменных колебаний и коллективного взаимодействия. Развитие в большом числе российских (Москва, Санкт-Петербург, Томск, Новосибирск, Челябинск и др.) и зарубежных центров техники генерации сильноточных пучков заряженных частиц и достигнутое в теории и в эксперименте понимание физики взаимодействия таких пучков с плазмой позволило начать в ИЯФ работы по созданию пучкового источника нагрева для получения высокотемпературной плотной плазмы в открытой ловушке. В рамках этой деятельности была получена высокая (~30%) эффективность релаксации наносекундного пучка с энергосодержанием ~ 1 кДж в плазме с плотностью до см 3 (установки ИНАР, ГОЛ-1).

На установке У-1 в начале 80-х годов была развита техника генерации пучков микросекундной длительности с энергозапасом ~ 100 кДж.

Для экспериментов по изучению многопробочного удержания требуется получение горячей плазмы, имеющей плотность до 1017 см-3. Как известно, инкремент пучковой неустойчивости в кинетическом режиме ;ущественно зависит от параметров эксперимента:

Г- J_

р пр у Д02 >

где Up - плазменная частота, пр и щ - плотности плазмы и пучка, АО - среднеквадратичный угловой разброс электронов пучка, 7 - релятивистский фактор. Эффективность передачи энергии от пучка к плазме с плотностью ~ 1017 см-3 мала, поэтому предполагается использовать так называемую схему "двухступенчатого" нагрева, подразумевающую, что нагрев плотной плазмы происходит при парных столкновениях с горячими электронами, вылетающими из специально созданного отрезка плазмы низкой плотности (в котором пучок эффективно теряет свою энергию). В такой схеме весьма существенным оказывается характер электронной функции распределения, в частности, параметры ее высоко-энергетичной части. Эксперименты по определению электронной функции распределения были ранее проведены на установке ИНАР.

До начала экспериментов по получению на установке ГОЛ-3 горячей плазмы с плотностью ~ 1017см-3 необходимо было решить ряд физических и технических задач, в том числе и на установках меньшего масштаба. Часть этих работ представлена в диссертации.

Цель работы. Для получения самосогласованной картины, связывающей воедино данные разных диагностик по характеру функции распределения "горячих" электронов, на установке ИНАР была проведена серия экспериментов с помещенной в плазму макроскопической мишенью. Эти эксперименты показали существование выделенной области вблизи от точки инжекции пучка в плазму, в которой происходит эффективная генерация надтепловых электронов.

В дальнейшем была проведена плановая модернизация установки ИНАР с целью увеличения ее основных технических параметров: энергосодержания пучка в 2ч-2,5 раза и напряженности магнитного поля соленоида до 7 Т. Соответствующие эксперименты также представлены в работе. Параллельно с завершающими экспериментами на установках ИНАР и ИНАР-2 начались работы по сооружению установки ГОЛ-3. На первом этапе основной задачей экспериментов являлось получение высокой эффективности релаксации в плазме микросекундного релятивистского электронного пучка (РЭП). В рамках работ по подготовке экспериментов на I очереди ГОЛ-3 необходимо было решить задачу создания длинного замагниченного плазменного столба в металлической камере установки. Для этого была предложена схема с использованием прямого разряда между специальным электродом, находящимся в спадающем магнитном поле после выходной пробки, и входной фольгой, отделяющей плазму от генератора электронного пучка. Первые модельные эксперименты были проведены на установке ИНАР. В дальнейшем

эта схема была выбрана основной, и на установке ГОЛ-3 было проведено изучение механизма образования плазмы в разряде такой конфигурации и определены основные параметры получаемой предварительной плазмы.

При подготовке установки ГОЛ-3 к экспериментам были разработаны основные диагностики "стартового" комплекта и ряд систем установки (вакуумная, плазменная, часть систем управления и сбора данных, относящаяся к плазменному диагностическому комплексу).

Эксперименты по нагреву однородной плазмы на первой очереди установки ГОЛ-3 показали достаточно хорошую эффективность релаксации пучка (локальные мгновенные потерн энергии до 30% при оптимальных условиях). Измерения параметров электронной компоненты плазмы, результаты которых приведены в диссертации, показали характерный для экспериментов по пучковому нагреву вид функции распределения электронов с максвелловской и надтепловой компонентами.

Характер эволюции во времени профиля давления плазмы пТ (измеряемого датчиками диамагнетизма плазмы), в особенности его сильная неоднородность по длине установки во время инжскции пучка и быстрая релаксация к примерно однородному после прекращения Нагрева, стимулировал модельные расчеты переноса тепла в такой плазме. Обнаружены два существенно разных режима: классическая теплопроводность на стадии остывания плазмы и значительное уменьшение теплопроводности по сравнению с классической во время инжекции пучка.

Научная новизна работы. Показано, что в условиях экспериментов на установке ИИАР область, в которой эффективно генерируются надтепловые электроны, находится вблизи от то ¡кн инжекции пучка в плазму. При этом нагрев в дальних частях плазменного столба определяется переносом энергии (быстрых электронов и, возможно, колебаний) из области максимального энерговыделения. В эксперимента:: с модернизированным генератором пучка обнаружен рост давления плазмы при увеличении исходного энергозапаса пучка. Обнаружена лмпейная зависимость давления плазмы от напряженности магнитного поля л диапазоне 1 — 7 Т при примерно постоянной эффективности релаксации пучка, проведены измерения параметров плазмы на малых расстояниях от входной фольги (т.е. в области максимального эперговыделення).

Исследованы особенности работы длинного замагниченного прямого разряда как в металлической (установка ГОЛ-3), так и в диэлектрической камере (установка ИНАР). Измерены основные параметры плазмы, получаемой в таком разряде.

В экспериментах по нагреву плазмы микросекундным релятивист-

ским электронным пучком на установке ГОЛ-3 достигнута температура максвелловской компоненты плазмы до 0,6 кэВ при плотности 1,0 • 1015 см-3 в месте расположения системы томсоновского рассеяния, показано соответствие "томсоновской" и "диамагнитной" температур в этой точке. В точке максимума нагрева "диамагнитная" температура достигает 1,0 кэВ при указанной плотности. Измерены параметры над-тепловых электронов в этих экспериментах. Показано, что при плотности плазмы ~ 1015 см-3 они содержат большую часть энергии, теряемой пучком в плазме.

Показано, что остывание плазмы после окончания инжекцни пучка соответствует классической электронной теплопроводности на торцы установки. В то же время на стадии нагрева плазмы пучком электронная теплопроводность на торцы на 2 — 3 порядка меньше классической.

Практическая значимость. Отработана схема получения длинного замагннченного плазменного столба в металлической камере. Эта схема является в настоящее время основной в экспериментах на установке ГОЛ-3. Подготовлен к работе ряд систем и диагностик установки. Разработанные для установки ГОЛ-3 внутрнкамерные диагностики (диамагнитные датчики, пояса Роговского) уже использовались в проведенных на установке У-1-СПИН экспериментах по инжекцни микросекундного электронного пучка в метровый соленоид.

Полученные данные о параметрах электронной компоненты плазмы были использованы, кроме планировавшихся исходно работ по двухступенчатому нагреву плотного плазменного сгустка, в экспериментах по изучению воздействия мощного потока электронно-горячей плазмы на вещество (в связи с проблемой поведения диверторных пластин токама-ков класса ИТЭР при большом срыве).

На защиту данной работы вынесены следующие основные положения.

1. Область эффективной генерации надтепловых электронов находится вблизи от точки инжекции пучка.

2. Давление плазмы растет при увеличении энергосодержания инжектируемого наносекундного пучка с 0,6 до 1,8 кДж.

3. Обнаружена линейная зависимость давления плазмы от напряженности магнитного поля в диапазоне 1 ч- 7 Т при примерно постоянной эффективности релаксации пучка.

4. Полные потери энергии РЭП в плазме могут достигать 40% на длине менее 1м.

5. При помощи сильноточного замагниченного прямого разряда можно получить длинный однородный плазменный столб с плотностью 1014 -т-1016 см-3 как в металлической, так и в диэлектрической камере.

6. На установке ГОЛ-3 достигнута температура максвелловской компоненты плазмы до 0,6 кэВ при плотности 1,0 • 1015 см-3 в месте расположения системы томсоновского рассеяния. В точке максимума нагрева 'диамагнитная" температура достигает 1,0 кэВ при указанной плотности.

7. При плотности плазмы ~ 1015 см-3 группе надтепловых электронов передается большая часть энергии, теряемой микросекундным пучком в плазме.

8. Остывание плазмы после окончания инжекции пучка соответствует классической электронной теплопроводности на торцы установки.

9. На стадии нагрева плазмы пучком электронная теплопроводность на торцы на 2-3 порядка меньше по сравнению с классической.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на, Всесоюзных конференциях по физике плазмы и УТС (г.Звенигород, 1987-1991, 1993); на Конференциях МАГАТЭ по физике плазмы и УТС (г.Киото, 1986; г.Вашингтон, 1990; г.Вюрцбург, 1992); на Европейских конференциях по физике плазмы и УТС (г.Дубровиик, 1988; Г.Амстердам, 1990); на Международных конференциях по мощным пучкам частиц (г.Новосибирск, 1990; г.Вашингтон, 1992); на Международных конференциях по явлениям в ионизированных газах (г.Белград, 1989; г.Бохум, 1993); на Международной конференции по физике плазмы (г.Дели, 1989); на Всесоюзных совещаниях по диагностике высокотемпературной плазмы (г.Минск, 1990; г.Санкт-Петербург, 1993); на Всесоюзном семинаре по коллективному взаимодействию электронных пучков с плазмой (г.Новосибирск, 1988).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Текст диссертации изложен на 137 страницах, включая 66 рисунков и список литературы из 120 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сначала проводится краткий обзор предшествующих экспериментов по изучению коллективного взаимодействия мощных релятивистских электронных пучков с плазмой, направленных, в том числе, и на создание мощного источника нагрева плазмы в открытых ловушках : многопробочной схемой удержания. Приводятся основные результаты

этих работ. Показывается актуальность рассматриваемых в диссертации вопросов. Далее во Введении кратко изложено содержание диссертации и перечисляются основные научные положения, выносимые на защиту.

В главе 1 описываются результаты экспериментов по нагреву плазмы наносекундным релятивистским электронным пучком, проведенные на установках ИНАР и ИНАР-2. Установка ИНАР (§1.1), эксперименты на которой были начаты в 1972 г., состоит из генератора пучка РИУС-1 (1 МэВ, 50 не, 25 кА, ~ 600 Дж) и магнитоплазменной системы длиной 240 см. Эксперименты проводились в магнитном поле 2,5 Т. Основные плазменные диагностики установки: диамагнитные зонды, интерферометрия на 3,39 мкм, системы 90° и 8° томсоновского рассеяния, детекторы мягкого рентгеновского и вакуумного ультрафиолетового излучения. В §1.2 описываются эксперименты с так называемой "внутренней мишенью", суть которых заключается в следующем. На пути электронного пучка в центральном сечении установки в плазму помещалась тонкая (прозрачная для электронов пучка) алюминиевая фольга, полностью перегораживающая плазменный столб. В то же время эта фольга является толстой для плазменных электронов, поэтому переноса частиц и энергии из одной части плазменного столба в другую нет, а нагрев плазмы идет независимо. В экспериментах показано, что давление плазмы во второй половине установки сильно уменьшается при наличии внутренней фольги. Этот эффект нельзя объяснить просто ухудшением взаимодействия пучка с плазмой вследствии дополнительного углового разброса, приобретаемого пучком в материале фольги. Измерения мягкого рентгеновского и вакуумного ультрафиолетового излучения с двух сторон "внутренней" мишени показывают анизотропию потока горячих плазменных электронов на эту мишень. Проведенные эксперименты дают основания утверждать, что основное энерговыделение в режиме сильного взаимодействия на установке ИНАР идет на коротком отрезке плазменного столба, а процессы перераспределения электронов вдоль магнитного поля существенно влияют на профиль энергосодержания плазмы по длине установки даже на наносекундных временах. Далее описана проведенная в несколько этапов модернизация установки. В §1.3 приводятся результаты экспериментов с усовершенствованым генератором пучка РИУС-1М. При модернизации генератора была примерно втрое увеличена высоковольтная накопительная емкость, в результате при автономных испытаниях достигнутое энергосодержание пучка возросло с ~ 0,6 кДж до ~ 1,8 кДж (главным образом, за счет увеличения длительности пучка и больших средних значений тока пучка и напряжения

на диоде при сохранении их максимальных величин). В экспериментах по нагреву плазмы среднее энергосодержание пучка составляло ~ 1,5 кДж, при этом температура и энергосодержание плазмы увеличиваются с ростом инжектируемой энергии. Далее в работе описана новая магни-гоплазменная система получившая название ИНАР-2 (§1.4). Соленоид позволял проводить эксперименты в магнитном поле до 7 Т (8 Т в пробках). Увеличение поля при тех же источниках питания достигнуто за :чет уменьшения как длины соленоида до 75 см, так и его апертуры. Для диагностики параметров плазмы применялись диамагнитные зонды, штерферометр Майкельсона с Л = 3,39 мкм, система 90° томсонов-:кого рассеяния. Первая серия экспериментов на новой установке имела :воей целью изучение макроскопических характеристик пучкового на-'рева плазмы в максимально достижимых магнитных полях. Показано, 1то наблюдается близкий к линейному рост результирующего энерго-одсржания плазмы с ростом магнитного поля. При этом измеренные ютери энергии пучка достигают ~ 40% и от магнитного поля практически не зависят. Зависимость относительных потерь энергии пучка >т плотности плазмы в экспериментах с магнитным полем 7 Т совпа-[ала с опубликованной ранее зависимостью, полученной в более слабом юле. Сравнение данных диамагнитных и калориметрических измерений казывает на то, что при изменении магнитного поля существенно из-1еняется функция распределения нагретых плазменных электронов (в словиях обсуждаемых экспериментов именно в эти электроны переда-тся большая часть энергии, теряемой пучком в плазме). Далее на уста-овке проводилось изучение параметров плазмы на малом расстоянии от нодной фольги генератора пучка. Отмечено, что неоднородность энер-эвыделения по длине установки сохраняется вплоть до масштабов ~ 10 м, при этом при плотности плазмы 3 • 1015 см-3 измеренная "диамаг-итная" энергия пары электрон-ион доходила до 0,8 кэВ на расстоянии 2 см от точки инжекции пучка. Сразнение результатов измерения си-гемой томсоновского рассеяния с результатами, полученными в близком гжнме на установке ИНАР, показывает, что не только диамагнитный 1гнал, но и температура основной компоненты плазмы примерно удва-зается в случае переноса точки наблюдения с расстояния от анодной ольги 70 см (ИНАР) на 7 см (ИНАР-2).

В главе 2 описаны предварительные эксперименты по получению 1магниченного столба водородной плазмы при помощи прямого раз-ща, проведенные на установке ИНАР с целью выбора способа полу-:ния предварительной плазмы в длинной металлической камере уста-

новки ГОЛ-3. В экспериментах напряжение отрицательной полярности подавалось на специальный высоковольтный электрод, расположенный в спадающем магнитном поле за выходной пробкой соленоида. Использовались основные диагностики установки ИНАР. Показано, что после пробоя образуется разряд, протекающий на всю длину установки. Получена плазма с плотностью ~ 1015 см-3 и приемлемой однородностью. Перспективность применения выбранной схемы на установке ГОЛ-З связана как с ее лучшими эксплуатационными характеристиками, так и с лучшей (по сравнению с разрядом Пеншшга) энергетической эффективностью. В конце главы приведена сравнительная таблица параметров предварительной плазмы, достигнутых в описываемых экспериментах и планируемых для первой очереди установки ГОЛ-3.

Далее в диссертации рассматриваются эксперименты на установке ГОЛ-3. В глве 3 сначала приведено общее описание первой очереди установки (§3.1), которая состоит из генератора электронного пучка мн-кросекундной длительности У-3 с энергозапасом в импульсе до 100 кДж, соленоида длиной 7 м с магнитным полем 6 Т в однородной части и до 12 Т в пробках, конденсаторной батареи 10 МДж для питания соленоида, вакуумно-плазменной системы, систем контроля, управления и диагностики. В §3.2 более подробно описана вакуумно-плазменная система установки, которая состоит из вакуумной камеры с внутрикамернымн диагностиками, системы вакуумной откачки и системы создания предварительной плазмы. В §3.3 подробно описаны плазменные диагностики первой очереди, в число которых входят пояса Роговского и диамагнитные зонды, расположенные в нескольких точках по длине установки, интерферометры Майкельсона, детекторы вакуумного ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучения, система 90° томсоновского рассеяния. В этом же параграфе обсуждаются организация измерений в составе мощного плазменно-физического комплекса, система управления плазменными диагностиками и сбора данных. В §3.4 описаны эксперименты по изучению параметров предварительной плазмы, получаемой при помощи длинного замагниченного прямого разряда в металлической камере установки. Высоковольтный электрод разряда располагался в магнитном поле 0,8 Т и состоял из двух поверхностен: пленки из алюминированного лавсана со стороны вакуумного объема выходного приемника пучка и графитовой ткани со стороны плазменной камеры. Показано, что разряд развивается устойчиво вдоль силовых линий магнитного поля на всю длину установки, перед пробоем с поверхности высоковольтного электрода эмиттируются высокоэнергичные электроны, обеспечивающие на-

альную ионизацию, достаточную для развития разряда. Были измерены сновные характеристики как разряда, так и плазмы. Для расширения оступного диапазона плотностей плазмы использовалось несколько кон-;енсаторных батарей с разными емкостями и рабочими напряжениями. 1ля стартовых экспериментов по пучковому нагреву плазмы отработаны >ежимы получения плазмы с плотностью в диапазоне (0,5-т-2) • 1015см-3, ¡азличной степенью ионизации вплоть до 100% и достаточной однородно-тью. Температура предварительной плазмы к моменту инжекции пучка оставляет ~ 3 эВ в режиме с полной ионизацией. Проведены экспери-!еиты по получению плазмы с плотностью в диапазоне 1014-т-2-1016см-3.

В главе 4 описаны эксперименты по нагреву плазмы микросекунд-[ым электронным пучком с энергозапасом до 100 кДж, проведенные на очереди установки ГОЛ-3 (главным образом, приводятся результаты [змерений, характеризующие параметры нагреваемой пучком плазмы). ) §4.1 определяются те из задач первого этапа экспериментов, которые удут далее рассматриваться в рамках представленной работы, а именно:

— поиск условий для эффективной релаксации РЭП в плазме;

— измерение параметров электронной функции распределения нагретой плазмы (основная компонента и надтепловые электроны).

В этом же параграфе кратко перечисляются другие диагностики, которые входят в диагностический комплекс установки. В §4.2 рассматри-(аются макроскопические характеристики нагрева плазмы. Типичный ценарий эксперимента следующий: после включения магнитного поля I его максимуме при помощи прямого разряда создается предваритель-[ая плазма. По окончании тока разряда с некоторой задержкой в эту [лазму инжектируется пучок. Инжекция может также вестись и в неио-[изированный газ. Показано, что во время инжекции пучка происходит юнотонный рост давления плазмы, причем существует заметная неодно-юдность энерговыделения по длине установки. После окончания нагрева (авление плазмы по длине установки быстро выравнивается. При плот-гости плазмы ~ 1015 см-3 диамагнитная энергия плазмы линейно зави-ит от инжектируемой энергии пучка и к концу импульса составляет ветчину ~ 3 кДж при энергозапасе пучка ~ 80 кДж. Измерения электрон-[ой температуры плазмы при помощи системы томсоновского рассеяния [оказали (п.4.3.1), что, начиная с момента максимального нагрева, "диамагнитная" и "томсоновская" температуры плазмы совпадают в точке [змерений с точностью до экспериментальной ошибки. Это означает, [то в обсуждаемых экспериментах относительный вклад надтепловых

электронов в диамагнитный сигнал невелик (поскольку длительност нагрева превышает время пролета через установку надтеплового элек трона, то, с большой вероятностью, это утверждение справедливо и дл всей плазмы). Максимальная измеренная температура по томсоновском; рассеянию составляет 0,6 ± 0,2 кэВ на расстоянии 270 см от входно] фольги. Считая, что диамагнитный сигнал определяется максвеллов скими электронами, получаем максимальную температуру электроно: плазмы ~ 1 кэВ на расстоянии ~ 0,54-1 м от точки инжекции пучка. Эт; температура более чем на порядок превышает оценку (подтвержденнук контрольными экспериментами) величины нагрева плазмы обратным то ком пучка и сопутствующими токовыми неустойчивостями. Энергосо держание плазмы к концу нагрева в несколько раз меньше, чем потер! энергии пучка (~ 44-5% и ~ 254-30%, соответственно). Эта разница объ ясняется существованием группы надтепловых электронов, время жизш в плазме которых много меньше длительности нагрева. В п.4.3.2 прове дено определение характерных параметров этих электронов по мягкому рентгеновскому излучению плазмы. К концу нагрева при плотности пред верительной плазмы 1015 см-3 средняя энергия электронов этой группь составляет 10 — 20 кэВ, а их плотность доходит до ~ 5% от плотно сти плазмы. В сочетании с малым временем жизни это означает, чтс надтепловые электроны могут уносить на торцы установки большук часть энергии, теряемой пучком. К концу импульса нагрева в экспериментах с лучшими параметрами плазмы зарегистрировано также тако< превышение мощности мягкого рентгеновского излучения над излучением надтепловых электронов, которое соответствует ожидаемой мощности излучения основной компоненты плазмы. Мощность линейчатого излучения плазмы в диапазоне энергий 0,5 4-0,8 кэВ позволяет грубс оценить концентрацию легких примесей в 2 4- 3% от плотности плазмы. В п.4.3.3 приведен спектр радиационных потерь плазмы, полученный на основании измерений мягкого рентгеновского и вакуумного ультрафиолетового излучения. Основная мощность излучения плазмы сосредоточена в интервалах 10 — 25 и 25 — 100 эВ (2 • 103 и 103 Вт/см3 в максимуме нагрева, соответственно). Хордовыми измерения мощности ВУФ излучения показано, что существенный нагрев плазмы происходит только в сечении, занятом электронным пучком. В §4.4 перечислены основные результаты экспериментов, описанных в Главе 4. В целом, проведенные эксперименты позволили определить параметры плазмы, необходимые для начала работ по изучению так называемого "двухступенчатой" схемы нагрева плотной плазмы, которые являются последующей задачей научной программы установки.

В главе 5 обсуждаются процессы переноса тепла в плазме уста-ювки ГОЛ-3 как на стадии ее остывания, так и во время нагрева в гсловиях существования высокого уровня ленгмюровской турбулентно-ти. Целью этого рассмотрения является сравнение наблюдаемого в экс-[ерименте распределения температуры по длине плазменного столба и то эволюции во времени с модельными расчетами процессов выделе-шя и переноса тепла в плазме. В §5.1 обсуждаются выбранная физи-[еская модель и методика расчетов, в том числе ограничения, которые [ужно учитывать при сравнении расчетов с экспериментом. В §5.2 пока-ано, что классическая электронная теплопроводность вдоль магнитного юля хорошо описывает процесс остывания плазмы, в частности, тем-юратура плазмы вблизи центрального сечения плазменного шнура спадет по классическому закону Т = Т,тах/( 1 + а1)ъ!2, где а - константа, - время. Получаемая из расчетов динамики остывания плазмы вели-шна = 1.2 ч-1.6 согласуется с оценкой количества легких примесей, деланной по данным рентгеновских измерений. В то же время показано §5.3), что на стадии нагрева плазмы во время наличия развитой ленгмю-ювской турбулентности электронная теплопроводность на 2-3 порядка леньше классической, по крайней мере в области максимального энер-•овыделения, за счет увеличения эффективной частоты столкновений. 3 §5.4 кратко перечисляются некоторые другие физические эффекты, к соторым может привести аномальная частота столкновений электронов )сновной плазмы. В параграфе 5.5 суммируются основные результаты .юдельных расчетов, обсуждаемых в этой главе.

В заключении кратко перечислены основные результаты, предста-шеиные в диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. В экспериментах с "внутренней мишенью" на установке И НАР об-тружена пространственная анизотропия функции распределения надте-1Ловых электронов.

2. Проведена модернизация генератора пучка РИУС-1, увеличившая шергозапас в пучке в 2,5 — 3 раза. Проведены эксперименты по нагреву 1лазмы пучком повышенного энергосодержания. В результате соответ-;твенно возросли параметры плазмы в конце нагрева.

3. На установке ИНАР-2 проведены эксперименты в магнитном поле 1о 7 Т. Обнаружена линейная зависимость диамагнетизма плазмы от натяженности магнитного поля при примерно постоянной эффективности эелаксации пучка, достигающей 40% на длине 0,75 м.

4. Отработана схема получения предварительной плазмы при помощк длинного замагниченного прямого разряда в водороде. Измерены основные параметры предварительной плазмы установок ИНАР и ГОЛ-3.

5. В экспериментах по нагреву плазмы микросекундным релятивистским электронным пучком на установке ГОЛ-3 достигнута температуре максвелловской компоненты плазмы до 0,6 кэВ при плотности 1.0 • 101Е см-3 в месте расположения системы томсоновского рассеяния, показано соответствие "томсоновской" и "диамагнитной" температур в этой точке В точке максимума нагрева "диамагнитная" температура достигает 1,0 кэВ при указанной плотности.

6. Измерены параметры надтепловых электронов в экспериментах на установке ГОЛ-3. Показано, что при плотности плазмы ~ 1015 см-3 они содержат большую часть энергии, теряемой пучком в плазме.

7. Показано, что остывание плазмы после окончания инжекцин пучка соответствует классической электронной теплопроводности на торцы установки. С помощью численного моделирования процессов теплопере-носа было обнаружено, что на стадии нагрева плазмы пучком происходит подавление электронной теплопроводности на торцы на 2-3 порядка пс сравнению с классической.

Основные результаты, изложенные в диссертации, опубликованы в следующих работах:

1. Arzhannikov A.V., Asirelin A.V., Avrorov А.P., Breizman B.N., Burdakov A. V., Burmasov V.S., Chikunov V.V., Kandaurov I.V., Kapitonov V.A., Khil'chenko A.D., Knyasev B.A., Koidan V.S., Konyukhov V.V., Krugiyakov Eh.P., Lebedev S.V., Mekler K.I., Meshkov O.I., Postupaev V.V., Ryutov D.D., Sanin A.D., Shcheglot M.A., Siniisky S.L., Voropaev S.G., Vyacheslavov L.N. Progress in plasma heating with powerful electron beams in open systems// Proc. 11th Intern. Conf. on Plasma Physics and Contr. Nucl. Fusion Res., 1986, Kyoto. IAEA, Vienna, v.2, p.323-336 (1987).

2. Arzhannikov A.V., Burdakov A.V., Kapitonov V.A., Koidan V.S., Konyukhov V.V., Lebedev S.V., Mekler K.I., Nikolaev V.S., Postupaev V.V., Ryutov D.D., Shcheglov M.A., Sinitskij S.L., Voropaev S.G., Vyacheslavov L.N. New experimental results on beam-plasma interactio in solenoids // Plasma Physics and Contr. Fusion (Proc. 15th Europ. Conf., Dubrovnik, 1988), v.30, No.ll, p.1571-1588.

3. Burdakov A. v., Deulin Yu.I., Kapiionov V.A., Koidan V.S., Kondratyev A.A., Konyukhov V.V., Lebedev S.V., Makarov A.G., Mekler K.I., Nikolaev V.S., Perin S.S., Postupaev V.V., Semenov E.P., Tauber M.V., Voropaev S.G. Production of 7 m-Iong plasma column in a metallic chamber in a strong magnetic field// Proc. 19th Intern. Conf. on Phenomena in Ionized Gases, Belgrade, v.l, p.252-253 (1989).

4. Burdakov A. V., Koidan V.S., Pifft V., Postupaev V.V., Raus J., Sunka P. Soft X-ray diagnostics in REB-plasma interaction experiments // Proc. 19th Intern. Conf. on Phenomena in Ionized Gases, Belgrade, v.2, p.318-319 (1989).

5. Burdakov A.V., Kapiionov V.A., Koidan V.S., Konyukhov V.V., Lebedev S. V, Mekler К. I., Nikolaev V.S., Postupaev V.V., Semenov E.P., Shcheglov M.A., Voropaev S.G. Injection of 100 kJ microsecond electron beam into plasma // Proc. 1989 Int. Conf. on Plasma Physics. New Delhi, 1989, v.3, p.973-975.

6. Burdakov A.V., Kapiionov V.A., Koidan V.S., Konyukhov V.V., Lebedev S.V., Mekler K.I., Nikolaev V.S., Piffl V, Postupaev V.V., Semenov E.P., Shcheglov M.A., Voropaev S.G. Plasma heating in a solenoid by 100 kJ microsecond electron beam // Proc. 1989 Intern. Conf. on Plasma Physics. New Delhi, 1989, v.3, p.969-972.

7. Бурдаков A.B., Овчар В.К., Поступаев B.B. Аналоговые оптические линии связи для диагностики плазмы на установке ГОЛ-3.//С6. "V Всес. Совещ. по диагностике высокотемпературной плазмы. Тезисы докладов". Минск, 1990, с.320-321.

3. Burdakov A.V., Karyukin A.V., Koidan V.S., Konyukhov V.V., Lebedev S.V., Mekler К.I., Postupaev V.V., Shcheglov M.A., Voropaev S.G. Dense plasma heating in a mirror trap during injection of 100 kJ microsecond electron beam // Proc. 17th Europ. Conf. on Contr. Fusion and Plasma Heating. Amsterdam, 1990, V.14B, pt.2. p.614-617.

). Arzhannikov A.V., Burdakov A.V., Chikunov V.V., Kapiionov V.A. Knyazev B.A., Koidan V.S., Konyukhov V.V., Lebedev S.V., Mekler K.I., Melnikov P.I., Nikolaev V.S., Postupaev V.V., Ryutov D.D., Semenov E.P., Shcheglov M.A., Sinitskij S.L., Voropaev S.G., Yushkov M. V. GOL-3 programme // Proc. 8th Int. Conf. on High-Power Particle Beams. Novosibirsk, 1990, v.l, p.14-25.

10. Arzhannikov A.V., Burdakov A.V., Chikunov V.V., Kandaurov I.' Kapitonov V.A., Knyazev B.A., Koidan V.S., Konyukhov V.\ Kruglyakov Eh.P., Lebtdev S.V., Losev M.V., Mtkltr K.I., Melniki P.I., Meshkov O.I., Nikolaev V.S., Posiupaev V.V., Ryutov D.D., Sam A.L., Semenov E.P., Sinitsky S.L., Shcheglov M.A., Voropaev S.G Vyacheslavov L.N., Yushkov M.V. Studies on plasma heating by relativistic electron beams in long solenoids // Proc. 13th Intern. Con on Plasma Physics and Contr. Nucl. Fusion Res., 1990, Washingtoi IAEA, Vienna, v.2, p.547-554 (1991).

11. Бурдаков А.В., Поступаев В.В., Семенов Е.П. Система нзмеренн температуры плазмы по 90° томсоновскому рассеянию на у станом ГОЛ-3. Новосибирск, 1991, 21 с. (Препринт/Институт ядерной ф] зики СО АН СССР; ИЯФ 91-33).

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

13. Бурдаков А.В., Драпичникос А.Н., Койдан B.C., Николаев В.С Поступаев В.В., Таубер М.В. Вакуумно-плазменная система уст; новки ГОЛ-3. Новосибирск, 1991, 20 с. (Препринт/Институт яде[ ной физики СО АН СССР; ИЯФ 91-105).

14. Бурдаков А.В., Воропаев С.Г., Губер А.Ф., Карюкин А.В., Koi дан B.C., Лебедев С.В., Меклер К.И., Никифоров А.А., Пиффл Б Поступаев В.В., Чикуноь В.В., Щеглов М.А. Нагрев основной ко>. поненты плазмы с помощью микросекундного РЭП на установи ГОЛ-3. Новосибирск, 1992, 25 с. (Препринт/Институт ядерной ф! зики СО РАН; ИЯФ 92-8).

15. Бурдаков А.В., Поступаев В.В. Особенности переноса тепла пр пучковом нагреве плазмы в экспериментах на установке ГОЛ-.' Новосибирск, 1992, 23 с. (Препринт/Институт ядерной физики С( РАН; ИЯФ 92-9).

16. Бурдаков А.В., Пиффл В., Поступаев В.В., Рауш Я. Измерение из лучения плазмы, нагреваемой микросекундным электронным пуч ком. Новосибирск, 1992, 29 с. (Препринт/Институт ядерной физик] им.Г.И.Будкера; ИЯФ 92-24).

17. Arzhannikov A.V., Burdakov A.V., Chikunov V.V., Huber A.F., Karyukin A.V., Kapitonov V.A., Koidan V.S., Lebedev S.V., Mekler K.I., Melnikov P.I., Nikiforov A.A., Nikolaev V.S., Postupaev V.V., Ryutov D.D., Semenov E.P., Sinitsky S.L., Shcheglov M.A., Voropaev S.G., Yushkov M.V. Recent results on the GOL-3 device// Proc. 9th Intern. Conf. on High-Power Particle Beams, Washington, 1992, v.l, p.127-135.

18. Burdakov A.V., Piffl V., Postupaev V.V. Soft X-ray measurements of /rs-£'-beam-heated plasma// Proc. 9th Intern. Conf. on High-Power Particle Beams, Washington, 1992, v.2, p.1055-1060.

19. Бурдаков A.B., Воропаев С.Г., Койдан B.C., Лебедев С.В., Ме-клер К.И., Поступаев В.В. Характеристики плазмы, создаваемой длинным замагниченным прямым разрядом в металлической камере. Новосибирск, 1993, 29 с. (Препринт/Ин-т ядерной физики им.Г.И.Будкера; ИЯФ 93-30).

ДО. Burdakov A.V., Chikunov V.V., Huber А.F., Karyukin A.V., Koidan V.S., Lebedev S.V., Mekler K.I., Melnikov P.I., Nikiforov A.A., Postupaev V.V., Ryutov D.D., Shcheglov M.A., Voropaev S.G. Two-stage dense plasma heating in the GOL-3 device // Proc. 14th Intern. Conf. on Plasma Physics and Contr. Nucl. Fusion Res., 1992, Wurzburg, IAEA, Vienna, v.2, p.659-664 (1993).

!1. Бурдаков A.B., Воропаев С.Г., Койдан B.C., Конюхов В.В., Лебедев С.В., Мельников П.И., Никифоров A.A., Поступаев В.В., Щеглов М.А. Диагностический комплекс установки ГОЛ-3 // Физика плазмы, т.20, вып.2, с.223-225 (1994).

!2. Воропаев С.Г., Поступаев В.В. Система сбора и обработки экспериментальной информации на установке ГОЛ-3 // Сб. "VI Совещ. по диагностике высокотемпературной плазмы. Тезисы докладов", СПб, с.168-169 (1993).

13. Burdakov A.V., Postupaev V.V. Anomalous heat transport in .E-beam-heated plasma // Proc. 21-st Intern. Conf. on Phenomena in Ionized Gases, Bochum, v.2, p.271-272 (1993).

4. Burdakov A.V., Koidan V.S., Lebedev S.V., Mekler K.I., Postupaev V.V., Voropaev S.G. Characterization of long magnetized linear discharge in a metallic chamber // Proc. 21-st Intern. Conf. on

Phenomena in Ionized Gases, Bochum, v.l, p.139-140 (1993).