научный журнал по физике Физика плазмы ISSN: 0367-2921

ВИНОГРАДОВ В.П., ВИНОГРАДОВА Ю.В., ГРАБОВСКИЙ Е.В., ДАНЬКО С.А., ЗЕЛЕНИН А.А., КРАУЗ В.И., МЕДОВЩИКОВ С.Ф., МИТРОФАНОВ К.Н., МОКЕЕВ А.Н., МЯЛТОН В.В. — 2014 г.

Представлены результаты экспериментов по сжатию вольфрамовых многопроволочных сборок токово-плазменной оболочкой установки ПФ-3 при уровне тока до 2 МА. Проведено исследование эффективности транспортировки тока в область проволочной сборки и переключение на нее разрядного тока. Информация о проникновении магнитного поля внутрь проволочной сборки, полученная при помощи микрозондов, позволила провести сравнение с результатами измерений магнитных полей, выполненных в последние годы на других мощных электрофизических установках. Сделана оценка интенсивности производства плазмы с вольфрамовых проволок при воздействии оболочки плазменного фокуса. Проведено сравнение результатов экспериментов с существующими моделями имплозии проволочных сборок с затянутым плазмообразованием.

АНДРЕЕВ В.В., ПИЧУГИН Ю.П. — 2014 г.

Экспериментально исследованы электрофизические и пространственно-временные характеристики барьерного электрического разряда, возникающего в воздухе при атмосферном давлении в разрядной ячейке, в которой диэлектрик (барьер) в виде диска вращается. В разрядной ячейке один из электродов неподвижно расположен на некотором удалении от поверхности диэлектрика, а второй электрод исполнен в двух конфигурациях: 1) электрод в виде диска прикреплен к поверхности вращающегося диэлектрика, а с противоположной поверхностью электрод в форме прямоугольной полосы, находящийся под тем же потенциалом, имеет скользящий контакт; 2) металлический электрод в виде диска отключен от высоковольтного источника питания, а подключен только электрод со скользящим контактом. Вследствие того, что барьер в установке вращается, разряды имеют импульсный характер, хотя разрядная ячейка питается от высоковольтного источника постоянного напряжения. В работе получены и проанализированы вольт-амперные характеристики диэлектрического барьерного разряда. Исследованы зависимости количества каналов микроразряда вдоль неподвижного электрода и геометрических характеристик канала микроразряда, а также разрядного тока от величины питающего напряжения и величины газоразрядного промежутка между неподвижным электродом и поверхностью диэлектрика. Исследовано влияние скорости вращения диска-барьера на количество каналов микроразряда вдоль неподвижного электрода и на величину разрядного тока.

ЗЕЛИНСКА Е., КРАУЗ В.И., КУБЕШ П., МИТРОФАНОВ К.Н., ПАДУХ М., ШОЛЬЦ М. — 2014 г.

Представлены результаты измерений магнитных полей в области пинчевания плазмы при сжатии токово-плазменной оболочки из дейтерия на установке плазменный фокус PF-1000. Исследована “тонкая” структура токово-плазменной оболочки (ударная волна–магнитный поршень) и ее изменение по мере сжатия плазмы к оси установки при помощи магнитозондовой методики и лазерной интерферометрии. Проведено сравнение радиальных распределений плотности плазмы и тока внутри токово-плазменной оболочки. Показано, что в области ударной волны электронная концентрация сжатого вещества порядка 1018 см-3, в то время как почти весь ток в токово-плазменной оболочке скинирован в области магнитного поршня – плазменного слоя с электронной концентрацией не более 1015 см-3. Зарегистрирована эффективная транспортировка тока плазменной оболочкой в приосевую область установки в разрядах с высоким нейтронным выходом (Yn > 1011 нейтрон/имп.). Показано, что полный выход нейтронов хорошо описывается зависимостью Yn (1.5–3) ? 1010I , где Ip – ток пинча внутри области r 13 мм.

АЛЕКСАНДРОВ В.В., ГРАБОВСКИЙ Е.В., ГРИЦУК А.Н., ЛАУХИН Я.Н., МИТРОФАНОВ К.Н., ПТИЧКИНА Е.А., ФРОЛОВ И.Н. — 2014 г.

В опытах по имплозии многопроволочной сборки на установке Ангара-5-1 экспериментально исследованы характеристики явления прорыва магнитного потока внутрь сборки. Показано, что прорыв развивается на финальной стадии плазмообразования из вещества проволок и происходит в области их начального расположения. При помощи магнитных зондов измерены пространственные распределения азимутального магнитного поля внутри проволочных сборок из вольфрама, молибдена, меди и алюминия. Зарегистрировано распределение азимутального магнитного поля вдоль высоты сборки B (z, t) на различных стадиях имплозии. Определены характерные размеры областей неоднородного магнитного поля, которые возникают при развитии прорыва магнитного потока на внешней границе плазмы проволочной сборки. Проведено сравнение размеров этих областей с пространственными размерами областей пониженной эмиссии плазмы, зарегистрированных на кадровых и интегральных по времени рентгеновских изображениях. Динамика изменения пространственного распределения B (z, t) в области неоднородного поля как следствие прорыва азимутального магнитного потока сопоставлена с динамикой изменения пространственного распределения светимости пинча в различные моменты процесса имплозии на рентгеновских кадровых изображениях пинча. Экспериментальные данные о характеристиках пространственно-неоднородного прорыва магнитного потока внутрь проволочной сборки анализируются в рамках модели плазменный ливень, представленной в работе [Александров В.В., Грабовский Е.В., Зукакишвили Г.Г., Зурин М.В., Комаров Н.Н., Красовский И.В., Митрофанов К.Н., Недосеев С.Л., Олейник Г.М., Порофеев И.Ю., Самохин А.А., Сасоров П.В., Смирнов В.П., Федулов М.В., Фролов И.Н., Чернов А.А. // ЖЭТФ. 2003. Т. 124. № 4. С. 829.]. Приведены оценки величины плотности плазмы в области прорыва магнитного потока.

АРХИПОВ А.С., БИШАЕВ А.М., КИМ В.П., МЕРКУРЬЕВ Д.В., СИДОРЕНКО Е.К. — 2014 г.

Проведены измерения направленных ионных потоков на плоскость, в которой располагается выходное сечение ускорительного канала одной из моделей стационарного плазменного двигателя. Использовались размещенные в этой плоскости электростатические зонды, приемную поверхность которых можно было ориентировать “к струе” или от струи. По полученным данным осуществлена оценка так называемых “обратных” потоков ионов на названную плоскость, сформированных ионами перезарядки, и показано, что величина обратных потоков ионов максимальна в ближайшей окрестности двигателя, но не превышает в ней 0.6% от полного тока ионов, истекающих из двигателя. Проделаны также расчеты формирования ионных потоков вблизи выхода из ускорительного канала стационарного плазменного двигателя с использованием кинетической модели для описания динамики ионов и нейтральных атомов, истекающих из ускорительного канала и рождающихся в струе двигателя, в стационарной трехмерной постановке. Учитывалась резонансная перезарядка ионов на нейтральных атомах. Получено распределение плотности “обратных” токов ионов на упомянутой выходной плоскости. Показано влияние расхода рабочего газа из катода на формирование концентрации нейтральных атомов и потоков ионов перезарядки. Полученные данные представляют интерес при анализе воздействия струи плазмы, истекающей из работающего двигателя, на зарядовое состояние поверхностей, расположенных в окрестности двигателя.

ДРЕВЛАК М., МИХАЙЛОВ М.И., НЮРЕНБЕРГ К., НЮРЕНБЕРГ Ю., ЩЕПЕТОВ С.В. — 2014 г.

Равновесия со свободной границей в магнитной конфигурации шестипериодного компактного торсатрона Л-5 (проект ИОФРАН, G. M. Batanov, S.E. Grebeshchikov, I.S. Danilkin et al. Plasma Dev. Operat. 11, 161 (2003)) исследуются на устойчивость с применением трехмерного кода CAS3D. Показано, что крупномасштабные идеальные внутренние МГД-моды могут быть надежно обнаружены при нарушении критерия устойчивости Мерсье. Во всех исследованных случаях возмущение внутренних мод имеет баллонный характер, т.е. на внутреннем обходе тора его амплитуда существенно меньше, чем на внешнем. Кроме внутренних мод, локализованных в окрестности рациональных магнитных поверхностей невысокого порядка, обнаружены внешние моды, не имеющие рациональной резонансной магнитной поверхности внутри плазменного шнура и локализованные в окрестности свободной границы плазмы (пилинг-моды). В отличие от токамака со сходным аспектным отношением, где неустойчивости вблизи границы плазмы, связанные с градиентом давления, имеют ярко выраженный баллонный характер, в изученной трехмерной бестоковой магнитной конфигурации пилинг-моды являются квазицилиндрическими (в потоковой системе координат). В работе также кратко обсуждается вопрос о разрушении границы плазмы за счет магнитных полей, создаваемых плазменными токами.

ТИМОФЕЕВ А.В. — 2014 г.

Рассмотрены колебания плазменного шнура в продольном магнитном поле. Найдено, что в шнуре, радиус которого мал по сравнению с характерной длиной волны магнитозвуковых колебаний, рассчитанной по теории однородной плазмы, могут возбуждаться собственные моды с частотой порядка ионной циклотронной. Они имеют вид волн, бегущих вокруг оси шнура в сторону вращения электронов в магнитном поле. Магнитозвуковые колебания могут возбуждаться в качестве побочного эффекта винтовыми токовыми антеннами, часто используемыми для ИЦР-нагрева. Это будет усиливать нагрев электронов, а на периферии плазменного шнура и ионов. В спектре собственных мод неоднородных плазменных шнуров присутствуют колебания различной природы. Сопоставление их свойств, производимое в статье, полезно для получения полной картины физических процессов, происходящих при ИЦР-нагреве, а также для выявления характерных особенностей исследуемых магнитозвуковых колебаний.

ПРУДСКИХ В.В. — 2014 г.

Изучена магниторотационная неустойчивость слабоионизованного с примесью заряженных пылевых частиц аккреционного диска, находящегося в магнитном поле с аксиальной и тороидальной компонентами. Получено дисперсионное уравнение для перпендикулярных плоскости диска возмущений, учитывающее как эффекты холловского тока, так и потери вследствие конечной поперечной проводимости плазмы. Показана важная роль пылевых частиц в магнитной динамике диска, их вклад в холловский ток способен изменить его направление на противоположное по сравнению со случаем электронно-ионной плазмы. Этот эффект приводит к смещению порога неустойчивости в коротковолновую область. При определенных условиях неустойчивыми являются электромагнитные флуктуации любой длины. Выяснено, что критерий неустойчивости волн любого масштаба удовлетворяется в ограниченном с двух сторон интервале изменения параметра, задающего отношение плотностей пылевого и электронного зарядов плазмы. Проанализирована зависимость ширины данного интервала и величины инкремента от параметров плазмы и конфигурации магнитного поля в диске.

ДИДЕНКО А.Н., КОЗЛОВСКИЙ К.И., ПОНОМАРЕВ Д.Д., ШАТОХИН В.Л., ШИКАНОВ А.Е. — 2014 г.

Приводятся результаты экспериментальных и теоретических исследований ускорения дейтронов в малогабаритных плазменных ионных диодах с магнитной изоляцией. Рассмотрены вопросы создания ускорительных трубок и генераторов нейтронов на их основе на базе диодов с магнитной изоляцией. Даны оценки перспектив создания малогабаритных генераторов нейтронов с нейтронным потоком в полный телесный угол 1010 1012 нейтр/с.

ЛАПТУХОВ А.И., СОРОКИН В.М. — 2014 г.

Показано, что в D-области ионосферы под действием электрического поля возможно развитие неустойчивости потенциальных низкочастотных колебаний с периодом порядка 1 мин. Это связано с тем, что частота прилипания электронов к молекулам при низких температурах возрастает в зависимости от температуры, а при высоких температурах убывает. Значение температуры, при которой частота прилипания достигает максимума, составляет примерно 1000 К. В результате развития неустойчивости могут образовываться квазистационарные слои электронной концентрации с характерной величиной пространственного периода порядка десятков метров. Эти неоднородности могут оказывать влияние на распространение радиоволн с длиной волны меньше или порядка 10 м.

КРИВЦОВ В.М., СОЛОВЬЕВ В.Р. — 2014 г.

Численное моделирование развития стримеров поверхностного барьерного разряда, возбуждаемого импульсом напряжения длительностью 30–50 нс в атмосферном воздухе, показало, что в двумерном приближении скорость распространения стримеров в основном контролируется скоростью диффузии потенциала по их каналам, а расчетная длина стримеров значительно превышает наблюдаемую в эксперименте за счет длительного сохранения проводимости этих каналов. Высказана гипотеза о трехмерном характере распада канала приповерхностного стримера. Модельный учет этого эффекта в используемом двумерном приближении действительно понизил расчетное время развития стримеров и их длину до величин, наблюдаемых в эксперименте.

ИГНАХИН В.С., СЫСУН В.И. — 2014 г.

Рассматривается ионный ток на сферический зонд с учетом объемной ионизации, столкновений с атомами и орбитального момента ионов. На основе метода молекулярной динамики предложена модель для широкого диапазона параметров плазмы: rз/ д =0.001-100; i / д = 0.001-100, vi / д = 0.01-1; Ti/Te= 0 и Ti/Te=0.01. Предложены удобная перестройка зависимостей относительной плотности ионного тока от ленгмюровского коэффициента 2 и методика определения концентрации плазмы по результатам моделирования.

ДАНИЛОВ А.В., ДНЕСТРОВСКИЙ А.Ю., ДНЕСТРОВСКИЙ Ю.Н., КОСТОМАРОВ Д.П., ЛЫСЕНКО С.Е., ЧЕРКАСОВ С.В. — 2014 г.

Недавние эксперименты на DIII-D показали, что жесткость профиля температуры ионов k возрастает по радиусу на порядок величины в области 0.4 < < 0.7. В области < 0.4 жесткость невелика и профиль температуры ионов “мягкий”. Жесткость профиля также возрастает при уменьшении скорости тороидального вращения. Аппроксимация экспериментальных профилей жесткости позволила модифицировать транспортную модель канонических профилей. Коэффициенты теплопроводности в центральной части шнура k определены с помощью минимизации RMS-отклонений расчетной температуры ионов от экспериментальной температуры. Эта процедура позволила также определить зависимость k от центральной температуры ионов.

ПОПОВ В.Ю., СИЛИН В.П. — 2014 г.

Существующая теория квазистационарной турбулентности плазмы использует положение о равенстве нулю инкремента плазменных волн. Нами предложено определять спектр таких волн на основе идеи незатухающих волн Власова. Применительно к двум моделям ионно-звуковой турбулентности приведены результаты о скорости ионного звука в рамках этой идеи. Показано, как использование спектральных свойств незатухающих ионно-звуковых волн устраняет неопределенность в оценке времени сильного турбулентного нагрева и в оценке его эффективности.

АРСЕНИН В.В., СКОВОРОДА А.А. — 2014 г.

Даны постановки задач осесимметричного равновесия в ортогональных потоковых координатах с граничными условиями, не предполагающими фиксацию формы границ, как для ловушек типа левитрона с омываемым плазмой проводником, так и для конфигураций без проводника, включая токамак. Приводятся иллюстративные примеры численного решения этих задач. В случае с проводником демонстрируется, как, используя потоковые координаты, можно найти геометрию равновесия с изодинамической магнитной поверхностью.

МОВСЕСЯНЦ Ю.Б., ТЮРЮКАНОВ П.М. — 2014 г.

Показано, что для поперечно-однородного потока холодных ионов и больцмановских электронов уравнения двухжидкостной электрогидродинамики приводятся в ионнозвуковой области к уравнению Буссинеска. На примере “двухсолитонного” решения продемонстрирован нелинейный механизм бесстолкновительной релаксации сверхзвукового потока к стационарному состоянию в виде двойного слоя пространственного заряда.

ЕРОХИН Н.С., ПУЛИНЕЦ С.А., ШВАРЦБУРГ А.Б. — 2014 г.

Рассмотрен нелинейный эффект резонансного удвоения частот радиоволн в неоднородной магнитоактивной плазме применительно к ионосфере в условиях фазового синхронизма волны накачки (необыкновенная мода) и ее второй гармоники. Условия синхронизма не связаны с плазменными резонансами, а определяются величиной магнитного поля и электронной плотностью плазмы в области прозрачности волн. Для поперечного распространения волн рассчитана эффективность генерации второй гармоники в широкой полосе частот, расположенной выше частоты нижнего гибридного резонанса. Отмечена физическая аналогия указанного эффекта с генерацией второй гармоники в лазерном кристалле. Найдена эффективность генерации в неоднородной ионосферной плазме, когда условия синхронизма выполняются в ограниченной области высот. Показана возможность применения этого эффекта для дистанционной нелинейной диагностики плазмы верхней ионосферы, где характерные размеры области синхронизма гармоник могут составить несколько километров. Для проведения эксперимента предлагается использовать комбинацию спутникового и наземного ионозондов в режиме трансионосферного зондирования. Даже если излучаемая на спутнике частота ниже критической частоты ионосферы, ее вторая гармоника может превышать критическую частоту и будет принята на земле наземным ионозондом или специально сконструированным приемником. Возможен также прием отраженного сигнала на второй гармонике на самом спутнике при одновременном использовании режимов зондирования и широкополосного ВЧ-радиоспектрометра.

ПРУДСКИХ В.В. — 2014 г.

Исследуется распространение периодических ионно-звуковых волн в плазме с двухтемпературными электронами и холодными ионами. Получены уравнения для потенциала волны в первом и втором порядке теории возмущений и найдены их несекулярные решения. Определен усредненный нелинейный поток ионов и изучены его свойства в зависимости от соотношений между плотностями и температурами холодной и горячей компонент электронов. Проанализированы условия, при которых ионный поток является сонаправленным волне или движется навстречу ей. В случае, когда при заданном значении модуля волны поток в зависимости от параметров плазмы может быть как положительным, так и отрицательным, на плоскости “отношение температур–отношение плотностей” для двух сортов электронов построены диаграммы, указывающие области существования положительного и отрицательного потоков.

БРАНТОВ А.В., БЫЧЕНКОВ В.Ю. — 2014 г.

Представлена вторая часть обзора, первая часть которого опубликована ранее (Физика плазмы, 2013, т. 39, № 9, с. 786–836). Описывается широкий круг электромагнитных явлений в лазерной плазме в условиях нелокального переноса, требующих кинетического рассмотрения; среди них: нелокальный перенос в плазме в магнитном поле, поглощение и проникновение лазерного излучения в плотную плазму, нелокальные эффекты обратнотормозного нагрева и пондеромоторного взаимодействия, плазменные флуктуации спеклованного лазерного пучка, распространение лазерного пучка и параметрические неустойчивости в малоплотной плазме, ионно-звуковая неустойчивость обратного тока. Значительная часть представленных результатов применима для произвольных соотношений между характерными пространственными и временными масштабами плазмы, что существенно продвигает представления о лазерно-плазменном взаимодействии в горячей плазме по сравнению с традиционными теориями бесстолкновительной либо сильностолкновительной плазмы.

ТИМОФЕЕВ А.В. — 2014 г.

Рассмотрены физические процессы, определяющие возбуждение ВЧ электромагнитных полей в плазменном шнуре в магнитном поле. Для частот, близких к ионной циклотронной частоте, важную роль играет явление альфвеновского резонанса. Оно приводит к усилению ВЧ электрического поля и трансформации альфвеновских колебаний с преимущественно поперечной поляризацией электрического поля в нижнегибридные, в поле которых существенна продольная составляющая. Нижнегибридные колебания интенсивно взаимодействуют с электронами, вызывая их нагрев. В работе отмечены трудности реализации ИЦР-нагрева по методу “магнитного берега”. Процессы, рассматриваемые в работе, могут быть существенны для плазменного двигателя VASIMR.