ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2014, том 40, № 1, с. 24-37
УДК 533.95
ДИНАМИКА ПЛАЗМЫ
эволюция пространственной структуры плазмы
в процессе формирования токовых слоев в аргоне по данным голографической интерферометрии
© 2014 г. Г. В. Островская*, А. Г. Франк**
* Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербург, Россия ** Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Москва, Россия e-mail: galya_ostr@mail.ru, annfrank@fpl.gpi.ru Поступила в редакцию 12.06.2013 г.
На основе голографической интерферометрии проведено детальное исследование пространственной структуры и временной динамики плазменных слоев, формирующихся в аргоновой плазме в 2D и 3D магнитных конфигурациях с особой линией X-типа. Обнаружена аналогия между особенностями эволюции плазменных слоев и изменениями структуры токовых слоев, которые были впервые выявлены на основе магнитных измерений. На поздней стадии эволюции обнаружено изменение направления поворота плазменных слоев, сформированных в 3D магнитных конфигурациях, что, по-видимому, обусловлено, изменением направления токов Холла у боковых краев токового слоя.
DOI: 10.7868/S0367292114010090
1. ВВЕДЕНИЕ
Исследования формирования и эволюции токовых слоев в высокопроводящей замагниченной плазме представляют значительный интерес для многих разделов астрофизики, физики плазмы и проблемы УТС [1—4]. Одно из очевидных преимуществ экспериментального изучения токовых слоев в хорошо контролируемых и воспроизводимых экспериментальных условиях состоит в возможности применения разнообразных методов диагностики плазмы [5, 6]. Так, чрезвычайно плодотворным оказалось сочетание магнитных измерений, на основании которых рассчитывалась структура магнитных полей, токов и электродинамических сил, с определением структуры плазмы методом голографической интерферометрии [7, 8].
В работах последнего времени на основе спектральных и магнитных измерений был обнаружен ряд новых эффектов, свидетельствующих о динамических свойствах токовых слоев [9—13]. Установлено, что в токовых слоях возможна генерация направленных потоков плазмы, энергия которых значительно превышает тепловую энергию ионов, сконцентрированных в пределах токового слоя [9, 12, 13]. Генерация плазменных потоков, направленных из центральной области слоя к его обоим боковым краям, сопровождается существенным увеличением концентрации электронов у боковых краев слоя [12, 13]. Отметим, что возможность значительного роста плотности плазмы на краях слоя была наглядно продемон-
стрирована в одной из наших первых работ по применению голографической интерферометрии для исследования токовых слоев [14]. В той же работе было показано, что характерные размеры плазменных слоев в плоскости, перпендикулярной направлению тока (ширина 2Дх и толщина 2Ду), отличались более чем на порядок величины (2Дх > 2Ду).
Исследования структуры магнитного поля токового слоя показали, что ширина и толщина токовых слоев, в зависимости от условий эксперимента, различаются в 6—15 раз [6, 10]. При этом толщина токового слоя в центральной области заметно меньше его толщины на периферии, а плотность тока в центре примерно в 1.5 раза превышает периферийную плотность тока.
Как правило, в токовых слоях присутствует нормальная к поверхности компонента магнитного поля, что приводит к появлению сил Ампера, направленных от середины слоя к его обоим боковым краям [10, 11], ускорению плазмы и генерации сверхтепловых потоков [9, 12, 13], а также к возбуждению токов Холла. Ранее в наших экспериментах токи Холла были обнаружены методом голографической интерферометрии на основе регистрации наклонных, асимметричных слоев плазмы [15, 16], возникающих в 3Э магнитных конфигурациях, т.е. в присутствии продольной компоненты магнитного поля, направленной вдоль тока. Появление таких наклонных слоев было объяснено как результат взаимодействия токов Холла с продольной компонентой магнитного поля.
На основе магнитных измерений токи Холла были обнаружены и в токовых слоях, развивающихся в 2Э магнитных конфигурациях; определены величины токов Холла, их структура и эволюция во времени [17]. Отметим, что значительное внимание уделяется изучению токов Холла в токовых слоях в целом ряде экспериментов, см. [18] и цитированную там литературу.
Еще одним эффектом, который наблюдался при формировании токовых слоев в ЗЭ магнитных конфигурациях, является увеличение толщины плазменных и токовых слоев по сравнению с их толщиной в 2Э конфигурациях, что было обнаружено как на основе голографической интерферометрии [19—21], так и в результате магнитных измерений [22, 23].
В большинстве экспериментальных работ основное внимание уделялось начальной стадии формирования слоев, в течение которой происходит рост плотности тока и плотности плазмы в средней плоскости слоя, а также уменьшение его толщины. Подробно исследовалась также стабильная стадия эволюции, в течение которой плотность тока и концентрация электронов в центральной плоскости слоя достигают максимальных значений и затем медленно убывают при практически неизменной толщине слоя. Однако в недавно опубликованных работах [10, 11] были обнаружены значительные изменения структуры токовых слоев на поздних стадиях эволюции, на периферии слоя, у его боковых концов. Во-первых, наблюдалась генерация токов обратного направления по отношению к основному току в центральной области слоя и, во-вторых, происходило существенное увеличение толщины токового слоя [10, 11].
В связи с результатами изучения токовых слоев, полученными на основе магнитных и спектральных измерений, значительный интерес представляет сопоставление этих результатов с данными по эволюции распределений концентрации электронов, которые регистрируются методом голографической интерферометрии. Один из существенных вопросов заключается в том, имеется ли корреляция между изменениями со временем структуры токового слоя, с одной стороны, и изменениями структуры слоя плазмы, с другой стороны.
В настоящей работе представлены результаты исследования пространственной структуры и временной динамики плазмы токовых слоев на основе данных голографической интерферометрии. Формирование токовых слоев осуществлялось с помощью экспериментальной установки ТС-ЗЭ, плазма создавалась в аргоне, в двумерных или трехмерных магнитных полях.
(а)
12 3 4
и ! И и /
V; : ■ г
■ : *
~а ввв
м | ; "v/
Ь вх
(б)
В'
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: а) — вид сверху на плазменную установку ТС-ЗЭ и голографи-ческий интерферометр; б) — поперечное сечение плазменной камеры. 1 — проводники с токами для возбуждения 2Э (поперечного) магнитного поля (1), силовые линии которого показаны на рис. 1б штриховыми линиями со стрелками; 2 — катушки с токами
для возбуждения продольного поля В^; 3 — вакуумная камера; 4 — токовый слой; 5 — система витков ©-разряда для создания начальной плазмы, 6 — линии (АА', ВВ', СС'), вдоль которых перемещались магнитные зонды. Элементы голографической установки (рис. 1а): ВЬ — рубиновый лазер, Ь — линзы, М — зеркала, Б — диафрагма, Ж — стеклянный клин, Ж — плоскость регистрации голограмм.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ
Исследования структуры плазменных слоев методом голографической интерферометрии были выполнены на установке ТС-ЗЭ (рис. 1), на которой в цитированных выше работах [9—13] с помощью спектральных и магнитных измерений был обнаружен ряд интересных особенностей структуры и динамики токовых слоев. Установка ТС-ЗЭ (см. также [24, 25]) позволяет создавать как двумерное (2Э) магнитное поле с нулевой линией вида:
В = (Вх, Ву, В,) = (Ну, Их, 0), (1)
так и трехмерное (ЗЭ) поле
В = (Вх, Ву, В,) = (Ну, Их, В)
(2)
с однородным продольным магнитным полем В .
Ь
У
В
с
А
А
На рис. 1а приведен вид сверху на плазменную камеру и голографическую установку, а на рис. 1б — поперечное сечение плазменной камеры. Кварцевая вакуумная камера 3 диаметром 18 см заполняется исследуемыми газами (в данной работе — аргоном при давлении 28 мТорр). Плазма в камере с концентрацией N ~ 1014—1015 см-3 создается с помощью 9-разряда 5; при предварительной ионизации искровыми инжекторами. Поперечное квазистационарное магнитное поле (1) предварительно создается с помощью токов, протекающих через стержни 1. Структура магнитных силовых линий этого поля показана на рис. 1б штриховыми линиями со стрелками. Ток Jz в камере возбуждается при подаче импульсного напряжения на сетчатые электроды, расположенные вблизи торцов плазменной камеры на расстоянии 60 см друг от друга. Взаимодействие тока Jz с магнитным полем (1) или (2) приводит к формированию токового слоя 4.
В работах [10, 11, 17, 22, 23] магнитные поля токовых слоев исследовались с помощью системы магнитных зондов, позволяющих одновременно измерять изменения во времени всех трех составляющих магнитного поля в точке, где расположен зонд. Пространственная структура магнитного поля исследовалась путем передвижения магнитных зондов либо вдоль поверхности слоя (прямая АА'), либо поперек слоя (прямые ВВ' и СС'), рис. 1б. Таким образом, структура магнитных полей и токов, которая получается в результате магнитных измерений, является усредненной по многим импульсам работы экспериментальной установки.
Альтернативным методом, использованным для исследования структуры и динамики плазмы токовых слоев на установке ТС-3Э, является го-лографическая интерферометрия [7, 8, 14-16, 19-21, 26-27]. Схема голографического интерферометра приведена на рис. 1а. Двухэкспозицион-ные голограммы регистрировались по схеме сфокусированных изображений в свете многомодо-вого рубинового лазера (к = 694.3 нм, т = 25 нс, Ж = 20 МВт). Предметный пучок просвечивал плазму строго вдоль оси z плазменной камеры. Лазерное излучение, рассеянное на сетчатых электродах, отфильтровывалось с помощью диафрагмы Э, установленной в фокусе линзы L, расположенной за выходным окном плазменной камеры. Подробное описание голографической установки, методики получения и обработки го-лографических интерферограмм дано в работе [19].
Благодаря малой длительности лазерного импульса по сравнению с плазменными процес
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.