Методы лазерного рассеяния и спектроскопии в пучково-плазменных экспериментах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

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

МЕТОДЫ ЛАЗЕРНОГО РАССЕЯНИЯ И СПЕКТРОСКОПИИ В ПУЧКОВО-ПЛАЗМЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАХ

01.04.08 - физика и химия плазмы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

НОВОСИБИРСК—1997

Работа выполнена в Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН.

НАУЧНЫЕ РУКОВОДИТЕЛИ:

Кругляков — член-корреспондент РАН,

Эдуард Павлович Институт ядерной физики

им. Г.И. Будкера СО РАН, г. Новосибирск.

Вячеславов — кандидат физ.-мат. наук,

Леонид Николаевич Институт ядерной физики

им. Г.И. Будкера СО РАН, ч г. Новосибирск.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Князев — доктор физ.-мат. наук, профессор,

Борис Александрович Новосибирский Государственный

университет.

Щеглов Джолинард — доктор физ.-мат. наук, профессор,

Андреевич РНЦ "Курчатовский институт", г.Москва.

ВЕДУЩАЯ — Троицкий институт инновационных

ОРГАНИЗАЦИЯ: и термоядерных исследований,

г.Троицк, Московская область.

Защита диссертации состоится /Ч&8,_ 1997 г.

в часов на заседании диссертационного совета Д.002.24.02

при Институте ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН.

Адрес: 630090, г. Новосибирск-90,

проспект академика Лаврентьева, 11.

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

Автореферат разослан " •§ " _ 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

академик С^Л. Б.В. Чириков

Общая характеристика работы

;туальность работы. В ИЯФ СО РАН ведутся эксперименты по греву плазмы мощными релятивистскими электронными пучками ЭП), конечная цель которых - получение плазмы с термоядерными раметрами. Коллективное взаимодействие РЭП с плазмой провождается возбуждением сильной ленгмюровской >булентности, следствием чего является неравновесность функции определения плазменных электронов. Физические механизмы зедачи потока энергии в системе пучок-ленгмюровская ¡булентность-электроны плазмы до настоящего времени изучены юстаточно. Вместе с тем ими определяется уровень :ргосодержания плазмы после релаксации РЭП, в частности гпература плазменных электронов. Самостоятельный научный ~ерес представляет выяснение вопроса о механизме перекачки ¡гмюровских колебаний из длинноволновой области, где они буждаются РЭП, в коротковолновый диапазон, где возможно их лощение электронами плазмы. В частности, до сих пор не [снена роль коллапса ленгмюровских волн в магнитном поле как анизма, обеспечивающего эту трансформацию. Развитие гностик, способных измерять уровень турбулентности плазмы и шьно исследовать функцию распределения плазменных электронов гется важной составляющей диссертационной работы.

о» работы. Диссертационная работа заключалась в развитии иостик, предназначенных для исследования турбулентных рополей в плазме и функции распределения плазменных пронов. Последняя существенно зависит от уровня улентности, возбуждаемой в плазме электронным пучком, авновесность функции распределения плазменных электронов, а то наличие сверхтепловых "хвостов" является особенностью ериментов по взаимодействию РЭП с плазмой. Цель ериментов по неколлективному лазерному рассеянию состояла в рениии профиля предварительной плазмы, в которую легируется РЭП, исследовании динамики температуры электронов ремя взаимодействия пучка с плазмой, а также в определении метров сверхтепловых электронов в возможно более широком гетическом интервале. Целью экспериментов по штарковской

спектроскопии была оценка уровня турбулентности по уширени линии На. В обоих случаях требовалась адаптация методик конкретным условиям эксперимента на установке "ГОЛ-М". Научная новизна. Штарковская спектроскопия как мет« исследования микротурбулентности плазмы применяется достаточ] часто, однако практически всегда это единственная диагностика эксперименте, по результатам которой делаются выводы о физическ< природе и интенсивности турбулентных колебаний. Вместе с т( задачу восстановления характерных величин и частот электрическ микрополей плазмы по уширению или особенностям конту спектральных линий нельзя считать решенной до конца. Теор] уширения линий в условиях суперпозиции низкочастотных высокочастотных колебаний продолжает развиваться. Важн< особенностью экспериментов, описываемых в диссертационно работе, является наличие нескольких диагностик, позволивш сделать независимые оценки напряженности поля ленгмюровск волн.

Впервые для исследования плазмы методом томсоновскс рассеяния применен неодимовый лазер с энергией в импульсе до Дж. Это позволило исследовать функцию распределения электрон плазмы в диапазоне до нескольких сот электронных температур и да возможность связать параметры сверхтепловых электронов спектром возбуждаемых РЭП ленгмюровских колебаний. Практическая ценность. В последнее время маяоградусное рассеян находит применение на установках типа "Токамак" для исследован электронов, вызывающих токи увлечения. Возникающие п реализации этой методики проблемы аналогичны тем, 1 присутствуют в наших экспериментах. Особенности диагностю описанные в диссертации (лазерная система, система сбс рассеянного излучения, методы борьбя с фоновой засветкой на дли волны лазера) могут быть использованы во многих экспериментах томсоновскому рассеянию.

Светосильные спектроскопические диагностики с хорош временным и спектральным разрешением, с помощью которых диссертационной работе исследовался контур линии Н„, могут на£ применение в широком ряде устройств.

шробация работы и публикации. Результаты работы докладывались ia Международной конференции по мощным пучкам частиц (г. {овосибирск, Россия, 1990 г., г. Вашингтон, США, 1992 г., г. Сан-(иего, США, 1994 г., г. Прага, Чехия, 1996 г.), Международной онференции по процессам в ионизованных газах, (г. Бохум, ермания, 1993 г.), Звенигородской конференции по физике плазмы \ Звенигород, Россия, 1987, 1996, 1997 г.)/^Международной онференции по диагностике высокотемпературной плазмы, г. Санкт-!етербург, 1993 г. По теме диссертации опубликовано 8 статей и 3 репринта.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из Введения, ;тырех глав и Заключения и содержит 93 страницы машинописного кета, включая 39 рисунков и список литературы из 108 шменований.

Содержание работы.

В 1-й главе приведены теоретические обоснования использования годов томсоновского рассеяния и штарковской спектроскопии в спериментах по нагреву плазмы мощными электронными пучками. :азаны преимущества малоуглового томсоновского рассеяния при следовании неравновесной функции распределения электронов азмы с надтегоювыми "хвостами". Сделаны оценки энергии лазера и которой диагностика еще остается "бесконтактной". Рассмотрены шовные механизмы уширения спектральных линий в плазме, в том :ле под действием высокочастотных турбулентных полей. Сделаны

;нки характерных величин уширения линии На, ожидавшихся в ¡периментах по взаимодействию РЭП с плазмой.

Во 2-ой главе описывается система томсоновского рассеяния основе рубинового лазера и исследования по измерению 'пературы и плотности электронов предварительной плазмы и .змы, нагретой РЭП. Приводятся оптические схемы и основные аметры рубинового лазера, а также систем регистрации сеянного излучения. Приведены результаты экспериментов по герениям профиля плотности предварительной плазмы, пературы электронов Те в двух точках по длине установки, по

исследованию спада температуры электронов после прекращена инжекции пучка.

В 3-ен главе описывается система томсоновского рассеяния н: основе неодимового лазера и результаты экспериментов по изучении функции распределения электронов плазмы. Рассматриваете) устройство системы регистрации излучения, рассеянного под углом 8° Для подавления излучения на несмещенной частоте быш использованы высококонтрастные интерференционные фильтры. Эт< позволило понизить уровень паразитной засветки на четыре порядка Применение неодимового лазера с преобразованием излучения в< вторую гармонику дало возможность определить изменени температуры электронов во время инжекции РЭП и оценить уровен возбуждаемой РЭП ленгмюровской турбулентности. С помощьв малоградусного рассеяния были определены параметры сверхтепловы "хвостов" функции распределения электронов плазмы с характерным) энергиями несколько кэВ, при этом использование первой гармонию неодимового лазера и применение лавинных фотодиодов да регистрации рассеянного света позволило расширить диапазо] энергий, в котором исследовалась функция распределения, до 12 кэ] (около 300 Те). Была определена степенная зависимость плотносг; сверхтепловых электронов от энергии, спектр "хвостов" сопоставлен экспериментально измеренным спектром ленгмюровских волн.

В 4-ой главе описываются спектроскопические диагностик на основе интерферометра Фабри-Перо (ИФП) и метод внутрирезонаторной лазерной спектроскопии (ВРЛС) и результат]

исследования контура линии На в ходе инжекции РЭП. Обсуждаютс основные особенности метода ВРЛС. Приводятся" обоснования пользу выбора ИФП для экспериментов по штарковско: спектроскопии, описывается конструкция сканируемог интерферометра Фабри-Перо и модельный эксперимент, проведенны для отработки диагностики. С помощью штарковской эмиссионно

спектроскопии измерена динамики профиля На в ходе инжекции РЭ] и определена зависимость дополнительного уширения, возникающег во время инжекции пучка, от величины внешнего магнитного поля.

Исследование контура линии На методом ВРЛС подтвердил данные эмиссионной спектроскопии, по величине уширения Н

делана оценка уровня ленгмюровской турбулентности, находящаяся в эазумном согласии с значением, определенном из измерений Те методом томсоновского рассеяния.

Основные результаты.

I. Созданы системы лазерного рассеяния на основе рубинового и мощного неодимового лазера с возможностью одновременной регистрации спектров рассеяния под углами 90° и 8°. В случае системы с неодимовым лазером использовались первая и вторая гармоники лазерного излучения. Система регистрации излучения, рассеянного плазмой под малым углом имеет высокий (104) коэффициент подавления фонового излучения на длине волны лазера.

Созданы светосильные спектроскопические диагностики для исследования профиля спектральных линий, имеющие высокое временное и спектральное разрешение.

. Системы лазерного рассеяния позволили провести детальное исследование локальной функции распределения электронов плазмы при инжекции релятивистского электронного пучка. Измерения плотности и температуры основной доли плазменных электронов дали возможность независимо оценить уровень турбулентности плазмы, это значение находится в разумном согласии с величиной, получаемой непосредственными измерениями уровня турбулентности методом коллективного СОг рассеяния.

С помощью системы малоградусного рассеяния определены параметры сверхтепловых электронов с характерной энергией несколько кэВ и плотностью в несколько процентов от плотности плазмы, существование которых является одним из свидетельств коллапса ленгмюровских волн.

Исследование профиля линии На позволили дать независимую оценку уровня ленгмюровской турбулентности, при этом впервые проведено сопоставление теоретических представлений о величине

уширения На в высокочастотных турбулентных полях с данными нескольких независимых методик.

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

1. Л.Н. Вячеславов, Э.П. Кругляков, О.И. Мешков, А.Д. Хильченко, Ю.А. Цидулко. Система регистрации лазерного рассеяния на установке "ГОЛ-Г, препринт ИЯФ СО АН СССР 84-148

2. Л.Н.Вячеславов, Э.П.Кругляков, О.И.Мешков, А.Л.Санин, Многоканальный прибор для исследования динамики уширения спектральных линий, Тезисы докладов 4 всесоюзного совещания по диагностике высокотемпературной плазмы, Алушта, 1986, стр.3.

3. Л.Н.Вячеславов, Э.П.Кругляков, О.И.Мешков, АЛ.Санин, Многоканальный спектральный прибор для исследования микрополей в плазме по уширению спектральных линий, препринт ИЯФ СО РАН 86-16, Новосибирск, 1986 г.

4. В.С.Бурмасов, И.В.Кандауров, ВАКапигонов и др., Первые эксперименты на установке ГОЛ-М, Вопросы атомной науки и техники. Сер. Термоядерный синтез, вып.2, сгр.31-34, 1987.

5. В. С. Бурмасов, Л. Н. Вячеславов, И. В. Кандауров, Э. П. Кругляков, О. И. Мешков, А. Л. Санин, А. Д. Хильченко. Эффекты взаимодействия РЭП с плазмой в сильном магнитном поле. Всесоюзная конференция по физике плазмы и УТС, Звенигород, 1987.

6. Л.Н.Вячеславов, И.В.Кандауров, Э.П.Кругляков, М.ВЛосев, О.И.Мешков, АЛ.Санин, Прямое наблюдение ленгмюровской турбулентности методом лазерного рассеяния, Письма в ЖЭТФ, т.50, вып.9, стр.379-381, 1989.

7. И.В.Кандауров, Э.П.Кругляков, М.В.Лосев, О.И.Мешков, АЛ.Санин, Метод лазерного рассеяния в исследовании турбулентности, возбуждаемой РЭП в плазме.. Тезисы докладов V

Всесоюзного совещания по диагностике высокотемпературной плазмы, стр. 112-113, Минск, 1990.

Л.Н.Вячеславов, И.В.Кандауров, Э. П. Кругляков, М.В.Лосев, О.И.Мешков, А.Л.Санин, Изучение ВЧ плазменной турбулентности, возбуждаемой РЭП, Труды VIII Международной конференции по мощным пучкам, Новосибирск, т.1, стр.233-240, 1990.

Л.Н.Вячеславов, И.В.Кандауров, Э.П.Кругляков, М.ВЛосев, О.И.Мешков, А.Л.Санин, Метод лазерного рассеяния в исследовании турбулентности, возбуждаемой РЭП в плазме, Физика плазмы, т. 1В, в.2, стр.225-227, 1992.

I. I.V. Kandaurov, Eh.P. Kruglyakov, O.I. Meshkov. Foilless injection of REB into a dense plasma. - Proceedings of 9th Int. Conf. on HighPower Particle Beams, p. 1027-1032, Washington, DC, May 25-29, 1992.

. В. С. Бурмасов, И. В. Кандауров, Э. П. Кругляков, О. И. Мешков. Бесфольговая инжекция РЭП из плазмонаполненного диода в плотную плазму. XXI Международная конф. по явлениям в ионизованных газах, Бохум, Германия, т.1, с. 153, 1993.

. В. С. Бурмасов, И. В. Кандауров, Э. П. Кругляков, О. И. Мешков. Генерация релятивистского электронного пучка в плазмонаполненном диоде и бесфольговая инжекция в плотную плазму. Труды XVI Межд. Симпозиума по разрядам и изоляции в вакууме, 23-30 мая 1994 г., Москва-Санкт-Петербург, Россия.

Proceedings series SPIE, v.2259, pp. 396-398. у'

^ ^

Л.Н.Вячеславов, Л.М.Горбач, И.В.Кандауров, Э.П. Кругляков, О.И.Мешков, АЛ.Санин, Спектроскопическая диагностика ленгмюровской турбулентности, Физика плазмы, 1994, том 20, №1, стр.51-53.

V.S.Burmasov, I.V.Kandaurov, Eh.P.Krurlyakov, O.I.Meshkov, AL.Sanin, I.V.Tislenko, and L.N.VyachesIavov, Observation . of nonlinear energy flow in REB-plasma system in a magnetic field, in

Proceedings of 10th International Conference on High Power Particl Beams, 1994, San Diego, Book of abstracts, page P2-42.

15. V.S.Burmasov, L.M.Gorbatch, I.V.Kandaurov, Eh.P.Krurlyakov O.I.Meshkov, A.L.Sanin, I.V.Tislenko, and L.N.Vyacheslavov Correlation between spectroscopic and laser scattering techniques ii investigation of REB-driven turbulence, in Proceedings of 10l International Conference on High Power Particle Beams, 1994, Sai Diego, Book of abstracts, page P2-46.

16. JI.M. Горбач, О.И. Мешков, М.Г. Федотов. Внутрирезонаторньп лазерный спектрометр для диагностики плазмы Препринт ИЯ<3 СО РАН 94-86

17. V. S. Burmasov, I. V. Kandaurov, Е. P. Kruglyakov, and О. I Meshkov. Relativistic Electron Beam Generation in a Plasma-Fille< Diode with Foilless Injection into a Dense Plasma. - IEEE Transaction on Plasma Science, v. 23 (6), December 1995, p.952-954.

18. L.N.Vyacheslavov, V.S.Burmasov, I.V.Kandaurov, E.P.Krurgyakov O.I.Meshkov, and A.L.Sanin, Spectra of developed Langmnui turbulence in a nonisothermal magnetized plasma, Physics of Plasmas 2(6), 2224-2230, (1995).

19. L.N.Vyacheslavov, V.S.Burmasov, I.V.Kandaurov, Eh.P.Kruglyakov O.I.Meshkov, and A.L.Sanin, Experimental evidence for the collapsi of broad spectrum Langmuir waves in a magnetized plasma, in Bulletii of the American Physical Society, v.40(ll), p.1715 (1995).

20. L.N.Vyacheslavov, V.S.Burmasov, I.V.Kandaurov, Eh.P.Krurlyakov O.I.Meshkov, and A.L.Sanin, Investigation of Langmuir turbulenc* excited by relativistic electron beam in a magnetic field, Journal о Atmospheric and Terrestrial Physics, Vol.58, 1005-1012, (1996).

21. V.S.Burmasov, I.V.Kandaurov, E.P.Kruglyakov, O.I.Meshkov AL.Sanin, and L.N.Vyacheslavov, Macroscopic symptoms of collapst in REB-plasma interaction experiments in strong magnetic field, ii Proc. of the 11th International Conference on High Power Particl« Beams, Prague, Czech Republic June 1996, v.l, p.335-338.

2. L.N.Vyacheslavov, V.F.Gurko, I.V.Kandaurov, E.P.Kruglyakov, O.I.Meshkov, A.L.Sanin, and V.F.Zarov, Spectrum of plasma electrons observed in strong Langmuir turbulence, driven by REB, in Proc. of the 11th International Conference on High Power Particle Beams, Prague, Czech Republic June 1996, v.l, p.335-338.

3. L.N.Vyacheslavov, I.V.Kandaurov, E.P.Kruglyakov, O.I.Meshkov, A.L.Sanin, Experimental studying of strong Langmuir turbulence in a magnetized plasma, in Abstracts of 1996 International Society Conference on Plasma Physics, Nagoya, Japan, 1996, v.l, p.ll.

4. JI. H. Вячеславов, В. Ф. Гурко, В. Ф. Жаров, И. В. Кандауров, Э. П. Кругляков, О.И. Мешков., А. Л. Санин. Система некогерентного лазерного рассеяния (Х=1058 нм) для исследования нелинейных эффектов при пучково-плазменных взаимодействиях. Тезисы докладов XXIV Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС, февраль 1997, Звенигород, с. 168.

5. В. С. Бурмасов, Л. Н. Вячеславов, В. Ф. Гурко, В. Ф. Жаров, И. В. Кандауров, Э. П. Кругляков, О. И. Мешков, А. Л. Санин. Диагностика сильной ленгмюровской турбулентности. Тезисы докладов XXIV Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС, февраль 1997, Звенигород, с. 155.