ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2012, том 38, № 6, с. 496-505
ДИАГНОСТИКА ^^^^^^^^^^^^^^^^ ПЛАЗМЫ
УДК 533.9.082.74
ДИАГНОСТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ГЕНЕРАЦИИ СУБТЕРАГЕРЦОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИ ПУЧКОВО-ПЛАЗМЕННОМ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ НА УСТАНОВКЕ ГОЛ-3
© 2012 г. А. В. Аржанников*,**, А. В. Бурдаков****, Л. Н. Вячеславов***, И. А.Иванов***, М. В. Иванцивский****, А. А. Касатов**, С. А. Кузнецов***, М. А. Макаров*, К. И. Меклер*, С. В. Полосаткин***, В. В. Поступаев***, С. С. Попов***, С. Л. Синицкий***, В. Ф. Скляров****, М. К. А. Тумм******
* Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, Новосибирск, Россия ** Новосибирский государственный университет, Россия ***Новосибирский государственный технический университет, Россия **** Karlsruhe Institute of Technology, 76344 Eggenstein-Leopoldshafen, Germany Поступила в редакцию 14.07.2011 г. Окончательный вариант получен 07.12.2011 г.
Описаны принципы построения и конструкция радиометрических спектральных систем субтера-герцового диапазона, разработанных для установки ГОЛ-3. Спектральные системы построены по квазиоптической схеме с использованием многослойных фильтров на основе частотно-избирательных поверхностей. Обсуждается устройство и технология производства таких элементов. Приведены результаты измерений субтерагерцового излучения плазмы в окрестности двойной плазменной частоты.
1. ВВЕДЕНИЕ
Процессы нелинейного взаимодействия волн в турбулентной плазме, которые приводят к излучению электромагнитных волн в диапазоне, соответствующем первой и второй гармоникам плазменной частоты, известны в теории достаточно давно (см., например, [1—3]). Такие процессы становятся важными в случаях, когда в плазме поддерживается высокий уровень ленгмюровской турбулентности. В случае плазмы с электронной плотностью пе ~ 1020—1022 м-3 частота излучения попадает в субтерагерцовый диапазон. С одной стороны, электромагнитное излучение указанного диапазона, выходящее из плазменного столба при прохождении в нем сильноточного релятивистского электронного пучка (РЭП), является важным индикатором при исследованиях пучко-во-плазменного взаимодействия [4]. В этом случае оно несет дополнительную информацию о ленг-мюровских колебаниях, ответственных за передачу энергии от пучка к частицам плазмы. С другой стороны, можно использовать плазменную турбулентность, накачиваемую при пучково-плазмен-ном взаимодействии, для генерации мощного электромагнитного излучения в терагерцовой области частот. Кроме того, результаты исследования спектральных свойств выходящего из плазмы излучения могут быть полезны при анализе механизма генерации излучения в ходе солнечных
вспышек и других астрофизических процессов (см., например, [5, 6]).
Приведенная мотивировка стимулировала развитие исследований выходящего из плазмы субмиллиметрового излучения в экспериментах на установке ГОЛ-3, что вызвало необходимость создания соответствующей системы радиометрических измерений. В настоящей статье дано описание диагностического комплекса установки ГОЛ-3, который предназначен для проведения комплексных исследований генерации субтера-герцового электромагнитного излучения во время пучково-плазменного взаимодействия. В качестве примера приводятся результаты измерений, демонстрирующие частотный интервал и временную динамику эмиссии из плазмы такого излучения.
2. УСТАНОВКА ГОЛ-3 И ЛАЗЕРНЫЕ ДИАГНОСТИКИ ПЛАЗМЫ
Основной программой исследований на установке ГОЛ-3 является изучение физики коллективного нагрева плазмы сильноточным релятивистским электронным пучком 10-микросекунд-ного диапазона длительности и изучение физики удержания горячей плазмы в многопробочной магнитной ловушке. Особенностью процессов, определяющих поведение плазмы в ловушке, является ведущая роль коллективных и нелинейных эффектов [7].
В установке ГОЛ-3 плазма создается и удерживается в многопробочном (периодически изменяющемся по длине) магнитном поле. Соленоид имеет 52 периода гофрировки (ячеек многопробочной системы) с полем в максимуме 4.8 Тл, в минимуме 3.2 Тл и шагом 22 см. Пробочное отношение гофрированной ловушки составляет 1.5, то есть установка работает в режиме "слабой гофрировки". Выходной узел установки состоит из источника предварительной плазмы и расширителя с торцевым приемником пучка. В установке предварительно создается низкотемпературная дейте-риевая плазма с плотностью в диапазоне от 2 х 1020 до 5 х 1021 м-3. Затем в эту плазму инжектируется релятивистский электронный пучок со следующими параметрами: энергия электронов до 0.8 МэВ, ток ~25 кА, длительность по основанию ~12 мкс, энергосодержание ~120 кДж. Такой пучок формируется в ленточном релятивистском диоде ускорителя У-2, а затем сжимается и преобразуется в пучок круглого сечения диаметром 4.1см магнитной системой ускорителя (цифра приведена для магнитного поля 3.2 Тл, соответствующего минимумам гофрированного поля). В результате коллективного нагрева в установке создается электронно-горячая плазма с немакс-велловской функцией распределения электронов, в которой из-за быстрого коллективного механизма передачи энергии от электронов к ионам плазмы последние приобретают температуру масштаба 2-3 кэВ в наиболее горячей части плазменного столба [8]. Использование многопробочной схемы удержания (гофрированного магнитного поля) позволяет удерживать горячую плазму гораздо дольше, чем в простой соленои-дальной ловушке.
Для регистрации выходящего из плазмы субте-рагерцового излучения нами создан соответствующий приборный комплекс. Такое излучение может генерироваться при трансформации ленгмю-ровских колебаний в электромагнитную волну на градиентах плотности плазмы, а также на удвоенной плазменной частоте при слиянии двух ленг-мюровских колебаний в электромагнитную волну. Мощность и спектр субтерагерцового излучения, а также его динамика во времени должны в значительной степени зависеть от распределения плотности плазмы и температуры ее электронов. В той постановке экспериментов, которая может быть реализована на установке ГОЛ-3, существуют сильные продольные градиенты как магнитного поля (из-за многопробочной геометрии), так и основных плазменных параметров: плотности и температуры (см., например, [9]). Процессы нагрева и удержания плазмы в ловушке являются существенно динамическими. Поэтому, помимо имеющегося на установке ГОЛ-3 диагностического комплекса, в данных экспериментах были
Рис. 1. Схема проведения экспериментов по регистрации эмиссии субтерагерцового излучения из плазмы на установке ГОЛ-3. Цифрами обозначены: 1 — направление распространения релятивистского электронного пучка; 2 — плазма (более темным выделена область, по которой проходит электронный пучок); 3 — система регистрации рассеянного излучения лазера; 4 — входной порт лазерного излучения; 5, 6 — восьми- и четырехканальные радиометрические диагностики, соответственно; 7 — интерферометриче-ская диагностика.
применены лазерные диагностики для регистрации локальных параметров плазмы.
Весь субтерагерцовый регистрирующий комплекс состоит из двух модулей, обеспечивающих спектральные измерения потоков излучения из двух сечений плазменного столба (рис. 1). Первое сечение расположено на координате z = 83 см от места инжекции РЭП (отсчитываемой от середины входной магнитной пробки). Регистрирующий модуль в этом сечении состоит из четырехка-нальной радиометрической системы. В этом же сечении расположен интерферометр Майкельсо-на на основе СО2 лазера с длиной волны 10.6 мкм. Второе сечение расположено на координате z = = 187 см. В этом сечении расположена восьмика-нальная радиометрическая система регистрации излучения, а для измерения локальных параметров плазмы — диагностика по томсоновскому рассеянию лазерного излучения.
Помимо уже указанной нестационарности плазмы в ГОЛ-3, существенными особенностями эксперимента, с точки зрения системы томсонов-ской диагностики, являются интенсивное собственное свечение плазмы и существенно немакс-велловская функция распределения электронов, что приводит к необходимости регистрации спектральной плотности рассеянного излучения в широком интервале длин волн. В связи с этими особенностями система томсоновского рассеяния использует лазерное излучение с энергией ~20 Дж,
1
M1 V
I
M2 V
MN
Рис. 2. Принципиальная схема многоканальной радиометрической диагностики: 1 — входное окно спектрометра, М — делители пучка соответствующего канала регистрации, F — квазиоптические фильтры, L — фокусирующая оптика, D — детекторы с барьером Шоттки, А — аналого-цифровые преобразователи, 2 — система сбора данных. Индекс около буквы соответствует номеру канала регистрации.
что существенно выше обычно применяемой величины в подобных диагностиках. Лазерная система работает на длине волны 1054 нм. Она включает в себя двухмодульный генератор и два усилителя мощности, один из которых является пятипроходным. Лазер генерирует два зондирующих импульса одинаковой энергии, время задержки между которыми может быть выбрано в пределах от 0.1 до 200 мкс.
Система регистрации томсоновского рассеяния может перестраиваться под конкретную задачу эксперимента. Более подробно о функционировании этой системы и результатах измерений см. [10]. Система томсоновского рассеяния расположена на координате г = 415 см. В данной работе была создана вторая точка измерений томсоновского рассеяния, совмещенная с микроволновым детектором на координате г = 183 см. Для этого лазерный луч после пересечения вакуумной камеры на координате г = 415 см при помощи объектива превращался в параллельный, затем при помощи системы поворачивающих призм транспортировался вдоль установки и еще раз фокусировался в центр плазмы на нужной координате. Была создана новая система регистрации, которая позволяла проводить одновременное измерение плотности в 8 точках по диаметру плазмы. Рассеянное излучение проецируется обекти-вом на линейку световодов, по которым излучение передается в систему регистрации. Объем рассеяния, видимый каждому световоду, составляет 0.2 х 0.2 х 4 мм3. Субтерагерцовое излучение, измеряемое на этой же координате, регистрируется из объема плазмы ~10 см3.
3.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.