Пространственная структура плазмы в многопробочной ловушке с продольным током тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

На правах рукописи

СУДНИКОВ Антон Вячеславович

ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СТРУКТУРА ПЛАЗМЫ В МНОГОПРОБОЧНОЙ ЛОВУШКЕ С ПРОДОЛЬНЫМ ТОКОМ

01.04.08 — физика плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 8 НОЯ 2013

005540814

НОВОСИБИРСК - 2013

005540814

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

ПОСТУПАЕВ - кандидат физико-математических наук,

Владимир Валерьевич Федеральное государственное бюджетное

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

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

- кандидат физико-математических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, г. Новосибирск, старший научный сотрудник.

- доктор физико-математических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и электрометрии СО РАН, г. Новосибирск, заведующий лабораторией.

_ Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, г. Санкт-Петербург.

Защита диссертации состоится « 25" » АЕ*АБР9_2013 г.

в « 1£:30 » часов на заседании диссертационного совета Д 003.016.03 Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук.

Адрес: 630090, г. Новосибирск, проспект Академика Лаврентьева, 11. *

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института ядерной физики имени Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук.

Автореферат разослан « 22. » ИОЯБР9_ 2013 г.

АХМЕТОВ Тимур Дарвинович

ШАПИРО Давид Абрамович

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физ.-мат. наук

А.А. Иванов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Концепция открытых систем для удержания плазмы представляет собой один из возможных путей термоизоляции плазмы с термоядерными параметрами, основанный на подавлении поперечных потерь энергии продольным магнитным полем.

На установке ГОЛ-3 в Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН изучается удержание плотной плазмы, нагреваемой сильноточным электронным пучком, в многопробочной открытой ловушке. На стадии нагрева пучок возбуждает в плазме мелкомасштабную ленгмюровскую турбулентность, которая, в частности, приводит к появлению аномально низких коэффициентов переноса вдоль магнитного поля. Создаваемая встречными пучковым и плазменным токами структура магнитного поля с широм является, с одной стороны, стабилизирующим фактором для некоторых перестановочных мод, а с другой стороны, она же является источником свободной энергии для развития различных неустойчивостей. Это определяет важность исследования динамики распределения токов с точки зрения её влияния на устойчивость плазменной конфигурации в многопробочной открытой ловушке.

Цель работы состоит в исследовании динамики азимутальных возмущений токов и их влияния на систему «плазма-пучок» как непосредственно во время инжекции электронного пучка, так и после её окончания.

Личный вклад автора

Личное участие автора в получении научных результатов, лежащих в основе диссертации, является определяющим. Автором была создана система диагностики возмущений азимутальной компоненты магнитного поля в установке ГОЛ-3, разработано математическое обеспечение для обработки получаемых экспериментальных данных. На основе анализа полученных данных автором описаны эффекты дифференциального вращения плазмы в скрещенных полях, уменьшения азимутального масштаба магнитных возмущений, импульсных апериодических процессов на стадии остывания плазмы, стабилизации неустойчивости, связанной с существованием в плазме поверхности с ц=1, а также спектральные характеристики колебаний, связанные с удержанием и стабилизацией плазмы в многопробочной ловушке.

Научная новизна

Впервые в многопробочной ловушке определены пространственные временные спектры возмущений азимутальной компоненты магнитного поля обнаружено дифференциальное вращение плазмы, показано существовани (в конфигурации с сильным широм магнитного поля и областью я > 1 центре плазмы) насыщенной винтовой неустойчивости с т=1, п = 1 обнаружен квазистационарный внос отрицательного потенциала в плазм электронными пучками.

Научная и практическая ценность

Экспериментально подтверждён ряд теоретических положений описывающих поведение плазмы с продольным током. Обнаружени винтовой неустойчивости с т=1, п= 1 согласуется с данными ране проводившихся экспериментов [1] и подтверждает результаты трёхмерног моделирования тиринг-неустойчивости в открытых ловушках с электронны пучком [2]. Результаты, связанные с дифференциальным вращением плазмь и инжекцией заряда электронным пучком, значимы с точки зреш концепции вихревого удержания [3]. Практически важны также данные о устойчивости системы «плазма-пучок» в различных экспериментальны конфигурациях.

Материалы диссертации в целом могут быть использованы д| дальнейшего развития физики удержания горячей плазмы в многопробочны открытых ловушках.

Результаты, значимые для концепции вихревого удержания, могут быт использованы при создании открытых ловушек следующего поколения, применяющих подобные системы подавления конвективны неустойчивостей.

Результаты по стабилизации системы «плазма-пучок» облаком тяжёлого газа могут быть применены в экспериментах по пучковому нагрев в открытых ловушках.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Наблюдение при квазистационарной инжекции электронного пучка вращения плазмы в скрещенных полях, требуемого для реализации схемы вихревого удержания, в направлении, соответствующем отрицательному потенциалу на оси.

2. Существование дифференциального по радиусу вращения плазмы во время инжекции сильноточного РЭП в открытую ловушку.

3. Возникновение насыщенной моды с волновыми числами т = 1, п = 1 во время инжекции РЭП в плазменных условиях ГОЛ-3, отвечающих существованию критической по Крускалу-Шафранову поверхности с 4=1.

4. Передача энергии азимутальных возмущений токовой границы к высоким волновым числам (т.е., уменьшение их пространственного масштаба).

5. Гибель протяжённых токов с малым азимутальным масштабом как причина импульсных апериодических процессов, возникающих в плазме ГОЛ-3 на стадии остывания.

6. Улучшение устойчивости РЭП в плазме с помощью создания облака тяжёлого газа в области пробок.

Апробация диссертации

Материалы, на которых, основана диссертация, докладывались на Международных конференциях по физике плазмы и УТС (2009-2013, г. Звенигород), XIV конференции по диагностике высокотемпературной плазмы (2011, г.Звенигород), Международных конференциях по открытым системам для удержания плазмы (2010, г. Новосибирск; 2012, г. Цукуба, Япония), Европейских конференциях по физике плазмы (2010-2013), конференциях МАГАТЭ (2010, г. Тэджон; 2012, г. Сан-Диего), опубликованы в ведущих российских и зарубежных научных журналах.

Структура работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, изложена на 132 страницах, включая 64 иллюстрации, и содержит 107 наименований библиографии.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обсуждается актуальность поставленной научной задачи, определяемая необходимостью перехода от импульсного нагрева и удержания плазмы в открытой ловушке к квазистационарному режиму. На основе имеющихся научных данных по улучшенному удержанию плазмы в открытых ловушках ставятся цель и задачи диссертации.

В первой главе изложено описание технических и физических режимов эксперимента. Установка ГОЛ-3, на которой проводились эксперименты, представляет собой длинную соленоидальную многопробочную открытую ловушку, нагрев плазмы в которой производится при помощи электронного пучка (рис. 1).

Генерация пучка осуществляется одним из двух существующих источников. Генератор У—2 обеспечивает пучок электронов током до 30 кА с энергией до 1 МэВ длительностью ~10 мкс. Генератор длинноимпульсного электронного пучка обеспечивает следующие параметры: энергия электронов ~ 100 кэВ, ток пучка до 300 А, длительность инжекции — 100 мкс - 1 мс. В вакуумной камере диаметром 10 см системой импульсных клапанов

создается исходное распределение рабочего газа (водорода или дейтерия)

20 22 —3

максимальной плотностью 10 -10 м .

Рис. 1. Схема установки ГОЛ-3.

Регистрация сигналов диагностических и технологических измерений осуществляется многоканальной цифровой системой сбора данных. Основой системы регистрации диагностических сигналов являются 4-канальные 12-разрядные АЦП А-1220 с частотой дискретизации 50 Мвыб./с.

Вторая глава содержит обзор существующих на других установках диагностик магнитных явлений в плазме. В этой главе также приведены параметры магнитных диагностик комплекса ГОЛ-3 и описание использованных в работе алгоритмов обработки экспериментальных данных.

Система магнитных зондов, применённых в работе, в разных конфигурациях включала в себя до 16 каналов измерения азимутальной компоненты магнитного поля в одном сечении установки и до 7 точек измерения по длине установки. В качестве элементов, чувствительных к азимутальной компоненте магнитного поля, использовались компактные электростатически экранированные катушки с индуктивностью Ь ~ 0,4 мкГн. Высокие требования по компактности и защищённости от электростатических наводок вызваны малым (1 см) зазором между плазменным шнуром и стенкой вакуумной камеры в ГОЛ-3. Применялись три типа сборок измерительных каналов: компактный одиночный зонд (устанавливается в стандартный круглый диагностический порт установки ГОЛ-3); компактный зонд с двумя катушками, разнесенными по азимутальной координате на 45° (устанавливается в стандартный овальный диагностический порт установки ГОЛ-3); кольцевая сборка из 16 катушек с шагом 22,5° (встраивается непосредственно внутрь вакуумной камеры).

Для диагностики высоких азимутальных мод возмущений требовалось обеспечение однородности токов, протекающих по корпусу установки. Применялся токоведущий лайнер с максимальным масштабом пространственной неоднородности проводимости не более 3 мм, что на порядок меньше характерного расстояния между измерительными каналами.

Все каналы были абсолютно калиброваны на стенде, представляющем собой секцию вакуумной камеры ГОЛ-3 с геометрически подобным плазме источником импульсного тока силой до ~ 2 кА. Точность относительной калибровки составляет О,КО,5 %. Для текущей проверки работоспособности датчика проверяется соответствие суммы сигналов всех каналов и производной полного тока. Чувствительность системы оценивается как

При восстановлении азимутальных мод возмущения по данным многоканальной измерительной системы применялась процедура, основанная на разложении сигналов по набору ортогональных гармонических функций. Использовалась модель однородного по сечению тока, обеспечивающая в условиях ГОЛ-3 достаточно малую ошибку. Частотные характеристики экспериментальных сигналов определялись с помощью преобразования Фурье в окне Хеннинга. Для продольных возмущений, не локализованных в пределах одного элементарного пробкотрона, находились корреляции отдельных мод в различных сечениях установки.

В третьей главе последовательно рассмотрены спектральные и пространственные характеристики магнитных возмущений в экспериментах по инжекции сильноточного релятивистского электронного пучка ограниченной длительности в плазму, удерживаемую в установке ГОЛ-3; приведён анализ данных.

При инжекции релятивистского электронного пучка в плазму высокой плотности (выше ~3><1020) наблюдается преимущественное вращение плазмы в скрещенных полях, проявляющееся в набеге фазы магнитных возмущений, в направлении, соответствующем «естественному» положительному потенциалу плазмы. При инжекции пучка в плазму низкой плотности (~2хЮ20 и ниже) начальное направление вращения магнитных возмущений изменяется, оно соответствует отрицательному потенциалу плазменного столба. Через некоторое время после окончания инжекции пучка направление вращения в этом случае меняется на противоположное. Во всех случаях доминирует мода хп = 1, сравнение с данными оптических диагностик показывает факт наличия дифференциального по радиусу вращения неоднородностей.

Наличие сдвигового вращения характерно для любого неравномерного радиального распределения электрического заряда. Указанный эффект в случае, если магнитные силовые линии имеют компоненту, сонаправленную градиенту угловой скорости, приводит к их удлинению и, соответственно, перекачке механической энергии в магнитную.

В эксперименте был обнаружен переход к более высоким волновым числам азимутальных возмущений. Характерное время уменьшения пространственного масштаба азимутальных возмущений составляет I -5 мкс (рис. 2).

Ри 0647: 9 мкс

•**-погт,т р.

0.6 0.4 0.2 0

Рис. 2. Слева: нормированные амплитуды первых азимутальных мод в моменты времени 3 и 9 мкс после начала инжекции электронного пучка для выстрела РЫ0647. Нормировка проводилась на сумму амплитуд первых шести азимутальных мод. Справа: форма сечения условной токовой границы в момент времени 9 мкс. Радиальная координата отложена в сантиметрах, азимутальная - в градусах. Окружностью с радиусом г = 4 см показан ограничивающий плазму лимитер.

Обнаружен факт развития изгибной неустойчивости с т=1, п=1 (рис. 3). В режимах с глобально устойчивой транспортировкой амплитуда возмущения составляла ~ 0.5 см. Возмущение скоррелировано в различных точках по длине установки. Продольные граничные условия определяются вмороженностью магнитных силовых линий в областях, обеспечивающих замыкание тока поперёк магнитного поля (металлический плазмоприёмник либо массивное облако плазмы тяжёлых элементов) и приводят к винтовому смещению исходной аксиально-симметричной структуры тока.

^ 90 л

5 180

с;

Р

5 270

П <

360 Г--ТГи-!-¡^ШЯШ-■

0 5 10 15 20 25 Время от начала пучка, мкс

■». 90 л

5 180

с £

i 270

т <

360

0 5 10 15 20 25 Время от начала пучка, мкс

Рис. 3. Динамика крупномасштабных возмущений в выстрелах с одинаковыми газовыми условиями без создания предварительной плазмы (слева) и с инжекцией в предварительную плазму (справа). В последнем случае наблюдается стабилизация моды га = 1 на уровне ~ 0.5 см.

Введение аналогичного граничного условия в экспериментах по стабилизации релятивистского электронного пучка с пограничным по устойчивости профилем ц непосредственно привело к подавлению возмущений на нецелых гармониках, повышению симметрии отпечатка пучка (рис. 4) и снижению уровня поперечных потерь энергии.

В экспериментах по инжекции РЭП в момент времени ~ 100 600 мкс от конца инжекции пучка, при малом токе по плазменному шнуру, возникали обособленные короткоживущие возмущения азимутального магнитного поля, отвечающие импульсному протеканию обособленных встречных токов с малым азимутальным масштабом. Множественность импульсных магнитных событий в течение эксперимента и отсутствие магнитных сигналов как до, так и после импульса магнитной активности, позволяет предположить существование после окончания пучка мелкомасштабного распределения встречных токов, сформированного за счёт перехода азимутальных возмущений в сторону высоких волновых чисел.

Рис. 4. Отпечатки пучка в режимах с инжекцией криптона (слева, РЬ9607) и без инжекции криптона (слева, РЬ9629). Рамкой отмечена видимая область. По осям отложены координаты в миллиметрах.

Четвёртая глава посвящена экспериментам по инжекции квазистационарного электронного пучка с мощностью 2-10 МВт.

Наиболее интенсивным магнитным возмущением при инжекции квазистационарного электронного пучка является вращение, интерпретируемое как ЕхВ дрейф, при этом плазма может совершить до -200 оборотов вокруг оси (рис. 5). Угловая скорость вращения с течением времени при неизменных параметрах пучка изменяется слабо. По скорости вращения определено электрическое поле Е ~ 100 В/см, что соответствует отрицательному заряду на оси плотностью до 5><10~10 Кл/см (~5-И0% заряда пучка).

Важным экспериментальным фактом является также то, что существует инверсия вращения при превышении порогового тока пучка. Тем самым,

■ш -ю -ло -х » а ю 50 ^ о..........я.........дв во

сравнительно маломощный электронный пучок может быть использован для контролируемого вноса потенциала в плазму. В то же время, экспериментально не обнаружено значительной инерционности в задании скорости и направления вращения плазмы (рис. 6).

рш762

Рис. 5. Динамика фазы первой азимутальной моды возмущений (сплошная линия), для сравнения приведён сигнал напряжения на ускоряющем промежутке (пунктирная линия).

90

>5 л

5 180

ц

Р

§• 270

360 180

-0.05

Время от начала пучка, мкс

Рис. 6. Магнитные возмущения в эксперименте с модулированным пучком. Стрелкой указан промежуток времени с током выше порогового.

По корреляции сигналов в различных сечениях установки определена скорость распространения продольных возмущений у~107 см/с, соответствующая ионно-звуковой скорости для Те ~ 100 эВ.

При анализе спектрального состава сигналов заметной активности в области ионно-циклотронной частоты не обнаружено.

В заключении изложены основные результаты, полученные в диссертации:

1. Создана система диагностики азимутальной компоненты магнитного поля плазмы.

2. Разработан специализированный программный комплекс, позволяющий определять частотный и пространственные спектры азимутальных магнитных возмущений.

3. Продемонстрировано, что при инжекции электронного пучка в плазму, в том числе и предварительно наработанную, можно создать условия, при которых существует вращение плазмы в скрещенных полях в направлении, соответствующем отрицательный потенциалу на оси, требуемому для реализации схемы вихревого удержания. При этом в случае инжекции длинноимпульсного электронного пучка плазма совершает ~102 оборотов. Показано существование дифференциального по радиусу вращения плазмы во время инжекции сильноточного РЭП.

4. Показано, что во время инжекции РЭП в ГОЛ-3 в плазменных условиях, отвечающих существованию критической по Крускалу-Шафранову поверхности с q = 1, возникает насыщенная мода с волновыми числами m= 1, n = 1; определена амплитуда насыщения данной неустойчивости а = 0.5 см при её стабилизации широм магнитного поля.

5. Показано, что при инжекции РЭП в плазму происходит передача энергии к магнитным возмущениям с высокими номерами азимутальных мод числам (т.е., уменьшение их пространственного масштаба).

6. Выяснена природа импульсных апериодических процессов, возникающих в плазме ГОЛ-3 на стадии остывания. Показано, что такие события вызываются гибелью протяжённых токов с малым азимутальным масштабом, длительное время существующих в плазме ГОЛ-3.

7. Идентифицирована причина потери устойчивости тонкого РЭП в плазме, продемонстрировано улучшение устойчивости при напуске тяжёлого газа.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Поступаев В. В., Судников А. В., Магнитная диагностика плазменных колебаний в многопробочной ловушке ГОЛ-3. // Вестник НГУ. Серия: Физика. 2007. Том 2, выпуск 3.

2. A.V. Sudnikov, A.V. Burdakov, I.A. Ivanov, M.A. Makarov, K.I. Mekler, S.V. Polosatkin, V.V. Postupaev, A.F. Rovenskikh, S.L. Sinitsky. MHD Activity in GOL-3 at the Stage of Plasma Cooling. // Fusion Science and Technology, V.59, No IT, 2011, p. 187-189.

3. V.V. Postupaev, A.V. Arzhannikov, V.T. Astrelin, V.l. Batkin, A.V. Burdakov, V.S. Burmasov, I.A. Ivanov, M.V. Ivantsivsky, K.N. Kuklin, S.A. Kuznetsov, M.A. Makarov, K.I. Mekler, S.V. Polosatkin, S.S. Popov, A.F. Rovenskikh, A.A. Shoshin, S.L. Sinitsky, V.F. Sklyarov, N.V. Sorokina, A.V. Sudnikov, Yu.S. Sulyaev, L.N. Vyacheslavov. Experiments with "Thin"

Electron Beam at GOL-3. // Fusion Science and Technology, V.59, No IT, 2011,p.l44-149.

4. I.A. Ivanov, A.V. Burdakov, V.G. Ivanenko, M.A. Makarov, K.I. Mekier, S.V. Polosatkin, V.V. Postupaev, A.F. Rovenskikh, A.V. Sudnikov, S.L. Sinitsky, AA. Shoshin, I.M. Shchudlo. Stabilization of Relativistic Electron Beam by Dense Plasma Cloud in GOL-3 Expander. // Fusion Science and Technology, V.59, No IT, 2011, p.196-198.

5. V.V. Postupaev, A.V. Arzhannikov, V.I. Batkin, A.V. Burdakov, V.S. Burmasov, I.A. Ivanov, M.V. Ivantsivsky, K.N. Kuklin, S.A. Kuznetsov, M.A. Makarov, K.I. Mekier, S.V. Polosatkin, S.S. Popov, A.F. Rovenskikh, S.L. Sinitsky, V.F. Sklyarov, N.V. Sorokina, A.V. Sudnikov, Yu.S. Sulyaev, and L.N. Vyacheslavov. Experiments with Gradual-Energy-Growth Electron Beam at GOL-3. // Fusion Science and Technology, V.59, No IT, 2011, p.307-309.

6. A.B. Судников, A.B. Бурдаков, И.А. Иванов, M.A. Макаров, К.И. Меклер, А.Ф. Ровенских, С.В. Полосаткин, В.В. Поступаев, C.JI. Синицкий, Н.В. Сорокина, Ю.С. Суляев. Исследование вращения плазмы в установке ГОЛ-3. // Физика плазмы, 2012, т. 38, №. 9, с. 779-791.

7. A.V. Burdakov, А. P. Avrorov, A.V. Arzhannikov, V.T. Astrelin, V.I. Batkin, A.D.Beklemishev, V.S. Burmasov, P.V. Bykov, G.E. Derevyankin, V.G. Ivanenko, I.A. Ivanov, M.V. Ivantsivsky, I.V. Kandaurov, A.A.Kasatov, S.A. Kuznetsov, V.V.Kurkuchekov, K.N. Kuklin, K.I. Mekier, S.V. Polosatkin, S.S. Popov, V.V. Postupaev, A.F. Rovenskikh, S.L. Sinitsky, V.D. Stepanov, A.V. Sudnikov, Yu.S. Sulyaev, I.V. Timofeev, Yu. A.Trunev, V.F. Sklyarov, N.V. Sorokina, A.A. Shoshin, and L.N. Vyacheslavov. Development of Extended Heating Pulse Operation Mode at GOL-3. // Fusion Science and Technology, Vol.63, No.1T, 2013, pp.29-34.

8. A.V. Sudnikov, A.V. Burdakov, D.E.Gavrilenko, I.V. Kandaurov, V.V. Kurkuchekov, K.I.Mekler, A.F. Rovenskikh, S.V. Polosatkin, V.V. Postupaev, and Yu.A. Trunev. MHD Activity in GOL-3 During Injection of Long-Pulse Electron Beam. // Fusion Science and Technology, Vol.63, No.1T, 2013, pp.250-252.

9. V.V. Postupaev, A.V. Burdakov, I.A. Ivanov, V.F. Sklyarov, A.V. Arzhannikov, D.Ye. Gavrilenko, I.V. Kandaurov, A.A. Kasatov, V.V. Kurkuchekov, K.I. Mekier, S.V. Polosatkin, S.S. Popov, A.F. Rovenskikh, A.V. Sudnikov, Yu.S. Sulyaev, Yu.A. Trunev, and L.N. Vyacheslavov. Temporal structure of double plasma frequency emission of thin beam-heated plasma // Phys. Plasmas 20, 092304, 2013, http://dx.doi.org/! 0.1063/1.4821608

Список литературы

[1] Postupaev V.V., Arzhannikov A.V., Astrelin V.T., et al. Role of q-profile for plasma confinement in the multimirror trap GOL-3. // Transactions of Fusion Science and Technology. 2005. Vol.47, No.IT. P.84-91.

[2] A.B. Бурдаков, В.П. Жуков. Трехмерная модель тиринг неустойчивости в открытых ловушках с электронным пучком. // Вычислительные технологии, 2007, т. 12. № 2

[3] A. Beklemishev, et al. Vortex Confinement of Plasmas in Symmetric Mirror Traps. // Fusion Science and Technology. 2010. Vol. 57, p. 351-360.

СУДНИКОВ Антон Вячеславович

Пространственная структура плазмы в многопробочной ловушке с продольным током

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Сдано в набор 24.10.2013 г. Подписано в печать 25.10.2013 г. Формат 60x90 1/16 Объем 0.8 усл. печ.л., 0.7 уч.-изд.л.

_Тираж 100 экз. Бесплатно. Заказ № 26_

Обработано на РС и отпечатано на ротапринте ИЯФ СО РАН, Новосибирск, 630090, пр. Академика Лаврентьева, 11

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ ИМ. Г. И. БУДКЕРА СИБИРСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи

СУДНИКОВ АНТОН ВЯЧЕСЛАВОВИЧ

ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СТРУКТУРА ПЛАЗМЫ В МНОГОПРОБОЧНОЙ ЛОВУШКЕ С ПРОДОЛЬНЫМ ТОКОМ

01.04.08 — физика плазмы

Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель Поступаев Владимир Валерьевич кандидат физико-математических наук

Новосибирск — 2013

Введение..................................................................................................................4

Глава 1. Экспериментальные условия установки ГОЛ-3..........................11

§1.1. Описание экспериментальной установки.........................................11

§ 1.2. Диагностический комплекс установки ГОЛ-3.................................14

§ 1.3. Режимы работы ГОЛ-3 и физические процессы в плазме..............19

1.3.1. Газовые условия экспериментов.............................................19

1.3.2. Генерация предварительной плазмы......................................21

1.3.3. Режимы инжекции сильноточного релятивистского электронного пучка..................................................................23

1.3.4. Режимы инжекции длинноимпульсного электронного пучка...........................................................................................27

Глава 2. Методы диагностики магнитных явлений в плазме...................30

§ 2.1. Обзор методик, применяемых в различных плазменных

экспериментах.....................................................................................30

§ 2.2. Магнитные диагностики на установке ГОЛ-3.................................33

§ 2.3. Математические методы обработки экспериментальных

данных..................................................................................................38

Глава 3. Динамика магнитных возмущений во время инжекции

сильноточного релятивистского электронного пучка...................45

§ 3.1. Спектральный и модовый состав.......................................................45

§ 3.2. Вращение магнитных возмущений...................................................51

§ 3.3. Возмущение токовой границы плазмы при развитии

крупномасштабной неустойчивости.................................................58

§ 3.4. Стабилизация РЭП облаком тяжелого газа в выходной части

установки.............................................................................................66

§ 3.5. Импульсная магнитная активность плазмы на стадии

остывания.............................................................................................77

§ 3.6. Обсуждение результатов экспериментов с инжекцией

сильноточного релятивистского электронного пучка.....................87

Глава 4. Динамика магнитных возмущений при инжекции

длинноимпульсного электронного пучка.........................................97

§ 4.1. Магнитная активность плазмы при инжекции

длинноимпульсного электронного пучка в нейтральный газ.........97

§ 4.2. Магнитная активность плазмы при инжекции

длинноимпульсного электронного пучка в предварительно

наработанную плазму.......................................................................104

§ 4.3. Продольные корреляции в распространении возмущений...........108

§ 4.4. Обсуждение результатов экспериментов с инжекцией

длинноимпульсного электронного пучка.......................................110

Заключение.........................................................................................................112

Литература..........................................................................................................115

Введение

Концепция открытых систем для удержания плазмы представляет собой один из возможных путей термоизоляции плазмы с термоядерными параметрами, основанный на подавлении поперечных потерь энергии продольным магнитным полем. Использование конфигурации поля с достаточной аксиальной симметрией позволяет таюке избежать неклассического поперечного переноса.

В то же время, для успешной эксплуатации открытой плазменной ловушки необходимы минимизация продольных потерь энергии и подавление свойственных данной геометрии плазмы неустойчивостей. В действующих на сегодняшний день экспериментальных установках снижение уровня продольных потерь относительно классического пробкотрона осуществляется за счёт амбиполярного запирания частиц [1], газодинамического удержания плотной плазмы сильными магнитными пробками [2] и многопробочного удержания [3]. Указанные схемы впервые были применены в 1970-1980 годах [4-6]; в дальнейшем по ним был накоплен значительный объём экспериментальной информации, в том числе и по заранее не предсказанным эффектам.

Дальнейшее развитие концепции открытых систем для удержания термоядерной плазмы невозможно без создания экспериментальной установки нового поколения, наиболее полно использующей эффекты улучшенного удержания, обнаруженные на текущем этапе изучения физики открытых ловушек. В ИЯФ СО РАИ был последовательно предложен ряд концепций подобной ловушки. В частности, проект ГДМЛ [7] предусматривает использование накопленных за время активной эксплуатации установок ГОЛ-3 и ГДЛ научных знаний о таких физических эффектах, как подавление продольной теплопроводности при взаимодействии плазмы с электронным пучком [8, 9, 10], многопробочное удержание плазмы низкой плотности за

счёт уменьшения эффективной длины свободного пробега [11], быстрый нагрев ионов [12] и вихревое удержание плазмы [13, 14]. Причиной или средством технической реализации для большей части упомянутых явлений могут являться процессы, протекающие при взаимодействии плазмы и инжектируемого в неё электронного пучка.

В то же время, для реакторной перспективы необходим стационарный режим удержания горячей плазмы. Переход от импульсного нагрева и удержания плазмы в открытой ловушке к квазистационарному режиму требует дополнительного изучения, поскольку ряд наблюдаемых эффектов может являться существенно нестационарным. Существуют таюке и технические вопросы, связанные с генерацией квазистационарных электронных пучков требуемых для взаимодействия с плазмой параметров.

Использование сильноточного релятивистского электронного пучка (РЭП) для быстрого коллективного нагрева плазмы в ГОЛ-3 приводит к тому, что свойства плазмы резко изменяются при переходе от стадии пучкового нагрева к стадии удержания. На стадии нагрева пучок возбуждает в плазме мелкомасштабную ленгмюровскую турбулентность, которая приводит в конечном итоге к появлению аномально низких коэффициентов переноса вдоль магнитного поля (см. [8, 9, 10]). В такой турбулентной плазме образуется специфическая радиальная структура продольных токов, формирующая азимутальное магнитное поле с сильным широм (т.е., переменной по радиусу спиралыюстыо) [15]. Наблюдаемая структура магнитного поля с широм является, с одной стороны, стабилизирующим фактором для некоторых перестановочных мод, а с другой стороны, она же является источником свободной энергии. После окончания инжекции электронного пучка плазма переходит к стадии удержания, заканчивающейся в конце концов её остыванием и распадом. При этом в случае резкого

прекращения инжекции пучка наблюдаемый перенос тепла вдоль магнитного поля быстро возвращается к классическим коэффициентам [16].

На стадии остывания горячей плазмы за счёт её высокой проводимости в течение некоторого времени сохраняется упомянутая выше токовая структура, создающая азимутальное магнитное поле. При остывании плазмы эта структура постепенно разрушается. Исследование затухания указанной структуры даёт информацию как о процессах её формирования, так и о последующей устойчивости.

Для эффективного обеспечения аномальной проводимости плотность тока пучка должна быть достаточно высокой [17]:

(1.1)

р п тде2

У = епьУь > епс

Д02

(1.2)

где Г — инкремент нарастания неустойчивости, сор — плазменная частота, ге

— энергетическое время между электронными столкновениями, е — заряд электрона, п — плотность плазмы, уь — скорость электронов пучка, пь, у и А@

— плотность, релятивистский фактор и угловой разброс пучка.

Для параметров плазмы, закладываемых в проект открытой ловушки следующего поколения, указанная плотность тока должна достигать значений порядка нескольких сотен А/см2. При длине установки в несколько десятков метров возможно развитие винтовой неустойчивости, определяемое превышением критерия Крускала-Шафранова:

г> г, б2-я2 Ь 2/¿>2 — я2 . г б2 — а2 /1

^-^—'И^ПГ"0-1^1-— (13)

где Вг1Сги - критическое значение продольной компоненты внешнего магнитного поля (в Гс), В у - азимутальная компонента магнитного поля, Ь -длина системы (в см), а - радиус плазмы, Ь - радиус проводящей камеры, у — плотность тока (в А/см2). [18]

Для радиально неоднородных распределений тока значение запаса устойчивости, определяемое как # = ^ > таюке зависит от радиальной

координаты. В таком случае возможно локальное превышение параметра Крускала-Шафранова [15, 19]. Глобальная устойчивость системы при этом может быть обеспечена наличием коаксиальных токов противоположного направления, создающих магнитное поле с сильным широм [15]. В частности, стабилизация может быть обеспечена наличием коаксиальных токов противоположного направления, создающих магнитное поле с сильным широм. В то же время, области с неблагоприятным значением запаса устойчивости могут являться причиной развития внутренних срывов в плазме [20]. Подобные неустойчивости хорошо известны в физике токамаков [21, 22]; в то же время, их особенности в условиях аксиально-симметричной геометрии менее изучены.

Одним из новых методов подавления неустойчивостей, связанных с радиальным смещением плазмы, является режим вихревого удержания. Данный способ предполагает подавление конвективных неустойчивостей плазмы за счёт создания дифференциальной по радиусу угловой скорости вращения плазменного шнура, что приводит к замыканию траекторий конвективного движения. [13] Указанный режим требует создания в плазме контролируемых радиальных электрических полей для обеспечения сдвигового вращения плазмы в скрещенных полях.

В тороидальных магнитных системах механизм вращения является достаточно сложным [23—25]. В аксиально-симметричных открытых ловушках отсутствуют топологические причины, приводящие к фактическому запрету полоидального вращения в токамаках, поэтому возможен непосредственный внос потенциала электродами, имеющими электрический контакт с плазмой [26, 27]. Данный метод имеет ряд очевидных недостатков: в первую очередь, подобная схема экспериментов вызывает быстрое остывание

электронной компоненты плазмы; подавление же продольной теплопроводности оказывается невозможным, т.к. одновременно с ней происходит снижение электропроводности. По этой причине возможность непосредственного вноса заряда в плазму пучками частиц может являться важным инструментом для контроля плазменных неустойчивостей.

Развитие МГД-неустойчивостей может также существенно видоизменять форму области, в которой происходит эффективное взаимодействие плазмы и электронного пучка, создавая радиальную и азимутальную неоднородность в исходно аксиально-симметричной системе.

Основываясь на вышеперечисленных предпосылках, цель диссертации можно сформулировать как исследование динамики токов и их влияния на систему «плазма-пучок» как непосредственно во время инжекции электронного пучка, так и после её окончания. Исходя из этого, возникает необходимость решить следующие задачи.

В первую очередь, требуется изучение пространственного и временного спектра магнитных возмущений, возникающих в плазме многопробочной ловушки при инжекции в неё сильноточного электронного пучка в зависимости от экспериментального режима. Выполнение данной задачи позволит сделать выводы об устойчивости системы «плазма-пучок» в различных условиях, а также определить режимы, соответствующие наилучшей стабилизации пучка и плазмы. Решение данной задачи связано с работой во всех допустимых экспериментальных режимах работы установки; в то же время, наибольший интерес представляют режимы, близкие к стационарному состоянию, т.е., инжекция длинноимпульсных электронных пучков.

Исследование непосредственного вноса заряда и возникновения электрических потенциалов, требуемых для вихревого удержания, является побудительной причиной для исследования вращения плазмы на

многопробочной ловушке ГОЛ-3. Ранее на эту тему существовали только данные, полученные в [28] по результатам хордовых измерений яркости свечения плазмы в ВУФ-диапазоне при плотности плазмы (0,7-Ю,8)х1021 м"3. Наиболее важным представляется определение зависимости характеристик электрических полей от таких параметров эксперимента, как ведущее магнитное поле, плотность плазмы и плотность электронного пучка.

По причине того, что время затухания токов в горячей плазме ловушки ГОЛ-3 достаточно велико, их структура сохраняется длительное время после прекращения действия внешних источников. Поскольку непосредственно во время инжекции электронного пучка наиболее существенные эффекты вызваны внешним воздействием, для изучения явлений затухания перспективной представляется стадия остывания плазмы. Так как в данном режиме отсутствует полный ток по плазме, ожидаемый уровень магнитных возмущений на несколько порядков ниже, чем в режиме инжекции электронного пучка, вследствие чего проведение данных измерений представляется возможным только при работе с сильноточными электронными пучками.

Основные результаты диссертации представлены в 9 статьях [29—37] и 23 докладах на конференциях [3, 38—59].

На защиту выносятся следующие основные положения:

Наблюдение при квазистационарной инжекции электронного пучка вращения плазмы в скрещенных полях, требуемого для реализации схемы вихревого удержания, в направлении, соответствующем отрицательному потенциалу на оси;

Существование дифференциального по радиусу вращения плазмы во время инжекции сильноточного РЭП в открытую ловушку;

Возникновение насыщенной моды с волновыми числами т = 1, п = 1 во время инжекции РЭП в плазменных условиях ГОЛ-3, отвечающих существованию критической по Крускалу-Шафранову поверхности с q = 1;

Передача энергии азимутальных возмущений токовой границы к высоким волновым числам (т.е., уменьшение их пространственного масштаба);

Гибель протяжённых токов с малым азимутальным масштабом как причина импульсных апериодических процессов, возникающих в плазме ГОЛ-3 на стадии остывания;

Улучшение устойчивости РЭП в плазме с помощью создания облака тяжёлого газа в области пробок.

Глава 1

Экспериментальные условия установки ГОЛ-3

§ 1.1. Описание экспериментальной установки

Установка ГОЛ-3 [3] представляет собой длинную соленоидальную многопробочную открытую ловушку [6] (рисунок 1.1), нагрев плазмы в которой производится при помощи сильноточного релятивистского электронного пучка (РЭП). Основные полученные результаты приведены в [60,61].

Рисунок 1.1. Схема установки ГОЛ-3.

Магнитная система установки состоит из двух относительно независимых частей: основного соленоида с выходным узлом и магнитной системы генератора электронного пучка. Основной соленоид состоит из стандартных модульных катушек с независимым питанием, расположенных с интервалом 11 см, и концевых катушек магнитного поля (магнитных пробок).

Одна катушка сильного поля формирует магнитную пробку на входе соленоида (это место является условной линией раздела между магнитными и вакуумными системами генератора пучка и плазменной части), ещё две

катушки создают магнитные пробки на выходе из соленоида и в узле создания предварительной плазмы. В баке выходного расширителя магнитное поле постепенно уменьшается для того, чтобы снизить тепловую нагрузку на расположенный в торце установки выходной приёмник пучка.

Система питания катушек в настоящее время состоит из 60 секций. Типовая секция состоит из 100 конденсаторов ИК-6-150. В зависимости от схемы коммутации катушек в соленоиде можно получать либо однородное поле с магнитной индукцией до 6 Тл, либо гофрированное поле. В основном режиме работы установки соленоид установки состоит из 103 катушек и имеет общую длину около 11,5 м. Магнитное поле имеет 51 период гофрировки с шагом 22 см и индукцией в максимуме 4,8 Тл, а в минимуме 3,2 Тл; /с ~ 1,5. Магнитные пробки в основном режиме создают поле 8-9 Тл.

В дальнейшем продольная координата г отсчитывается от середины пробки, через которую в данном режиме осуществляется инжекция пучка.

Исследуемые режимы эксперимента предполагают использование электронных пучков с существенно различными параметрами. Генерация осуществляется одним из двух существующих источников.

Генератор У-2 [62] обеспечивает пучок электронов током до 30 кА с энергией до 1 МэВ. Формирование пучка происходит в магнитоизолированном диоде ленточной конфигурации. Генерация пучка длится ~ 12 мкс, при этом напряжение на диоде к концу импульса плавно спадает практически до нуля (рисунок 1.2). Инжекция пучка осуществляется в сторону увеличения продольной координаты я. В основных экспериментах диаметр пучка в поле 4 Тл (среднем по периоду гофрировки) составляет 3,35 см.

Выделяемая при взаимодействии пучка с конструкционн�