ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2004, том 30, № 2, с. 185-189
ДИАГНОСТИКА ПЛАЗМЫ
УДК 533.9.082
ФОРМИРОВАНИЕ МИШЕНИ ДЛЯ ПЕРЕЗАРЯДКИ БЫСТРЫХ ИОНОВ В ПЛАЗМЕ БОЛЬШИХ УСТАНОВОК ПРИ НЕЙТРАЛЬНОЙ ИНЖЕКЦИИ
© 2004 г. М. И. Миронов, А. В. Худолеев, Й. Кусама
*Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН * Japan Atomic Energy Research Institute, Naka-machi, Naka-gun, Ibaraki-ken, Japan Поступила в редакцию 24.07.2003 г.
Применение корпускулярной диагностики в области высоких (E > 0.2МэВ) энергий, позволяет проводить измерение функции распределения быстрых атомов, образовавшихся, в основном, в результате нейтрализации ионов изотопов водорода на Н-подобных ионах примесей - мишени. Для восстановления из данных измерений функции распределения ионов, необходимо знать состав и пространственное распределение мишени в плазме токамака. Мишень для перезарядки образуется в результате взаимодействия ядер основных примесей с нейтральными пучками, используемыми при нагревной инжекции. Поскольку на разных установках используется разное расположение нагрев-ных пучков по отношению к местоположению диагностического прибора, появляется необходимость конкретного расчета траекторий вторичных ионов для точного учета их вклада в измеряемый сигнал. Описывается разработанная модель, сочетающая учет элементарных процессов, приводящих к установлению ионизационного равновесия различных ионов примесей, с расчетом движения ионов в конкретной геометрии токамака. В качестве примера рассматривается вариант плазмы JT-60U. Исследуется влияние различных механизмов формирования потоков атомов перезарядки в зависимости от их энергии. Результаты расчетов позволяют определить относительный вклад различных нагревных инжекторов в формирование потока перезарядки. На основании анализа расчетных данных выдвигается предложение по локальному измерению функции распределения ионов с помощью неподвижного анализатора.
ВВЕДЕНИЕ
Корпускулярная диагностика высокоэнергичных атомов (Е > 0.2МэВ) достаточно давно используется для получения информации о функции распределения быстрых частиц, которые образуются в плазме в результате реакций синтеза, либо во время экспериментов с ионно-цикло-тронным нагревом или нейтральной инжекцией. Анализатор регистрирует атомы, образовавшиеся при перезарядке быстрых ионов на мишени -донорских частицах, передающих быстрым ионам недостающие для образования быстрого атома электроны [1, 2]. Образование быстрых атомов происходит вдоль всей линии видимости анализатора, поэтому измерения носят интегральный характер, который можно выразить следующей формулой:
J(E) ~ |иГай(E, Iпй0П0Г<а„у>)Loss(E, I)dl, (1)
ь
где J(E) - поток регистрируемых атомов, I - путь интегрирования, иЙ0П0Г-плотности быстрых
ионов и мишени, {ос^> - скорость реакции перезарядки, Loss(E, I) - ослабление выходящего потока атомов. В ослабление выходящего потока
основной вклад вносят процессы ионизации заряженными частицами плазмы. Зависимость источника нейтрализации быстрых частиц от координаты вдоль линии видимости анализатора в отсутствие нейтральной инжекции обычно имеет форму широкого пика, вытянутого в сторону центра плазмы. Он захватывает порядка половины плазменного шнура и распределен более менее равномерно в полоидальном и тороидальном направлениях. Источник быстрых частиц, как правило, более локализован, и, таким образом, измеряемый анализатором спектр нейтральных частиц является усредненным по области существования быстрых частиц. При мощной нейтральной инжекции, часто применяемой на крупных установках, основная доля мишени, благодаря перезарядке атомов пучка на ионах плазмы, образуется локально в месте инжекции. После образования мишень распространяется по плазме, но в условиях крупных установок она не успевает заполнить весь ее объем. Создается сильно неоднородное распределение мишени в плазме, что затрудняет интерпретацию измеряемых потоков быстрых частиц.
Одной из задач корпускулярной диагностики является восстановление локальной функции
распределения ионов (ФРИ). Для этого в экспериментах, обычно при помощи диагностических пучков, создается пикированное распределение мишени, ширина которого много уже области существования быстрых частиц. Однако на современных больших установках применение этого метода практически невозможно. Упоминавшиеся выше нагревные пучки также создают мишень для перезарядки быстрых ионов, и их, таким образом, можно попытаться использовать для локальных измерений ФРИ. Трудность задачи состоит в том, что взаимное расположение нагрев-ных пучков и анализатора нейтральных частиц не является оптимальным. Инжектор может находиться в другом сечении, так что линии видимости анализатора и пучка не пересекаются. Поэтому для определения плотности мишени в месте установки анализатора, необходимо рассмотреть процесс ее образования нагревным пучком и перенос в плазме токамака.
ОБРАЗОВАНИЕ ИОНОВ МИШЕНИ
В области высоких энергий ионы изотопов водорода перезаряжаются в основном на водородо-подобных ионах основных примесей, таких как Ве3+, С5+, а также, в случае гелиевой плазмы, на ионах Не+. В центральной области плазмы эти ионы образуются за счет перезарядки ядер примесей на нейтральных частицах, идущих с периферии плазмы, и рекомбинации, и, при наличии мощной инжекции, за счет перезарядки ядер на быстрых атомах пучка. Причем для условий больших установок этот процесс образования во-дородоподобных ионов примесей является доминирующим. Быстрый атом пучка, проникая в плазму, может быть ионизован при взаимодействии с электроном, ионами плазмы или ионами примесей. Также атом может перезарядиться на ионах плазмы или примесей. Благодаря большой величине сечения перезарядки процессы с участием примесей идут достаточно интенсивно. Вероятность перезарядки на ионе примеси сопоставима с вероятностью перезарядки на ионе основной плазмы, хотя их концентрация существенно меньше. Таким образом, пучок, проникая в плазму, образует облако тепловых водородоподоб-ных ионов, плотность которого обычно превышает плотность самого пучка в несколько раз.
Образованные ионы начинают распространяться вдоль линий магнитного поля в обе стороны в тороидальном направлении, попадая на линию видимости анализатора. Плотность водоро-доподобных ионов вдоль направления их движения определяется следующими процессами. Они могут ионизоваться электронами и ионами плазмы. Также они могут перезаряжаться на основных ионах плазмы, создавая новый водородо-подобный ион, двигающийся с другой скоростью
и, возможно, в противоположном направлении. За счет этого часть ионов будет разворачиваться и двигаться обратно к месту рождения, увеличивая плотность ионов вблизи пучка. Подобный же эффект будет оказывать еще один процесс, связанный с особенностью движения заряженных частиц в магнитном поле токамака - отражение запертых частиц от магнитных пробок.
Учитывая многообразие перечисленных процессов и сложность конкретной геометрии эксперимента, очевидно, что для определения распределения концентрации ионов мишени в плазме токамака необходимо проводить численное моделирование.
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
Была создана программа, основанная на методе Монте-Карло, для расчета трехмерного распределения ионов мишени, которая учитывает следующие факторы:
а) реальная геометрия нагревных нейтральных пучков, включающая количество и расположение источников в инжекторах, распределение интенсивности источников по энергетическим компонентам, поперечное распределение плотности пучка в плазме;
б) реальная геометрия плазмы - полная конфигурация магнитного поля токамака, двумерное распределение плотности и температуры плазмы;
в) атомные процессы, происходящие при проникновении пучка в плазму и при образовании и распространении ионов мишени в плазме;
г) распространение ионов мишени по реальным траекториям в магнитном поле токамака. Так как для тепловых ионов мишени ларморов-ский радиус много меньше радиуса плазмы, то для расчетов использовалось дрейфовое приближение, что существенно уменьшает время счета.
ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ПРОЦЕССОВ НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ ИОНОВ МИШЕНИ
Рассмотрим применение программы для случая гелиевой плазмы со следующими параметрами: пе = 2 х 1019 м-3, Те = Т = 3 кэВ. На рис. 1 показано влияние различных процессов на распространение ионов Не+ от места рождения вдоль силовой линии магнитного поля. Кривая а соответствует случаю, когда ионы свободно разлетаются, ослабляясь только за счет ионизации электронным ударом. Кривая б - случаю, когда к ионизации электроном добавлена перезарядка ионов Не+ на ионах Не++ основной плазмы, приводящая к образованию гало Не+ [3]. И, наконец, кривая в - случаю, когда к вышеупомянутым про-
плотность Не+, 1014 м 3
расстояние, м
Рис. 1. Влияние различных процессов на распространение ионов мишени. а - только ионизация электронами, • - ионизация + перезарядка на ядрах основной плазмы, в - ионизация + перезарядка + отражение ионов от магнитных пробок.
цессам добавлено отражение заряженных частиц от магнитных пробок в токамаке. Этот процесс приводит к еще более сильному сжатию распределения ионов и росту концентрации ионов мишени в месте рождения.
РАСЧЕТ МИШЕНИ ДЛЯ 1Т-60и
Программа была применена для расчета плотности ионов мишени на установке 1Т-60И (Япония) (рис. 2а). Эта установка представляет собой крупный токамак, большой радиус плазмы которого порядка 3.5 м, малый около 1 м. На 1Т-60И проводятся эксперименты по комбинированному 1СЯН-КБ1 нагреву. Система нейтральных нагрев-ных пучков представляет собой комплекс перпендикулярной инжекции, состоящей из 10 инжекторов, объединенных в 5 пар, распределенных по тороидальному направлению. В каждой паре один инжектор направлен вверх, а один вниз. Также есть комплекс тангенциальной инжекции, где один инжектор направлен по направлению тока, другой - против. На токамаке установлен анализатор высокоэнергичных атомов вЕММЛ-2 [4] с вертикальной линией видимости (рис. 26). В том же вертикальном сечении установлена антенна для ионно-циклотронного нагрева плазмы. При описанном расположении нейтральных пучков и анализатора их линии видимости не перес
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.