научная статья по теме СИСТЕМА ТОМСОНОВСКОГО РАССЕЯНИЯ ДЛЯ ПРЯМОГО НАБЛЮДЕНИЯ ЛЕНГМЮРОВСКИХ КАВЕРН Физика

Текст научной статьи на тему «СИСТЕМА ТОМСОНОВСКОГО РАССЕЯНИЯ ДЛЯ ПРЯМОГО НАБЛЮДЕНИЯ ЛЕНГМЮРОВСКИХ КАВЕРН»

ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2004, том 30, № 2, с. 190-194

ДИАГНОСТИКА ПЛАЗМЫ

УДК 533.9.08

СИСТЕМА ТОМСОНОВСКОГО РАССЕЯНИЯ ДЛЯ ПРЯМОГО НАБЛЮДЕНИЯ ЛЕНГМЮРОВСКИХ КАВЕРН

© 2004 г. В. С. Бурмасов, Л. Н. Вячеславов, И. В. Кандауров, Э. П. Кругляков,

О. И. Мешков, С. С. Попов

Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН Поступила в редакцию 24.07.2003 г.

Описана система некогерентного томсоновского рассеяния для наблюдения и исследования локальных динамических провалов плотности, образованных в турбулентной плазме в результате ленгмю-ровского коллапса. С помощью настоящей методики впервые проведено прямое наблюдение каверн плотности в лабораторной плазме с развитой сильной ленгмюровской турбулентностью. Определены их пространственные и временные характеристики.

1. ВВЕДЕНИЕ

Одним из наиболее важных эффектов в плазме с высоким уровнем ленгмюровской турбулентности (^¡пТе > (кгв)2) является волновой коллапс, предсказанный В.Е. Захаровым в 1972 г. [1]. С тех пор этому явлению было посвящено большое количество подтверждающих теоретических работ и работ по численному моделированию (см. обзоры [2-5]). Однако надежных экспериментальных подтверждений существования ленгмю-ровского коллапса существует недостаточно. В связи с этим высказывалось даже предположение [6], что ленгмюровский коллапс наблюдается лишь при определенных специфических условиях таких, например, как в известной работе [7], где параметры эксперимента позволяли получать, как правило, единственный ленгмюровский коллапс, строго детерминированный в пространстве и времени, что не соответствует картине развитой сильной турбулентности (СЛТ). В существующих экспериментах по исследованию развитой СЛТ [6, 8-10], в отсутствие характерного для [7] детерминизма, как правило, изучались интегральные следствия турбулентности (генерация коротковолнового ионного звука, отрастание немаксвелловских хвостов электронной функции распределения, генерация мощного излучения на частоте близкой к плазменной и ее гармоникам). Применительно к коллапсу в таких исследованиях обнаруживаются лишь весьма косвенные свидетельства его проявления. Для более определенных выводов необходимо проводить прямые наблюдения отдельных случайных актов ленгмюровского коллапса в плазме, что требует разработки соответствующих диагностик. Впервые, о такой многоканальной системе томсоновского 90° лазерного рассеяния с высоким пространственным и временным разрешением сообщалось в [11].

В настоящем сообщении представлена существенно измененная система рассеяния, обладающая большей чувствительностью и помехоустойчивостью. С ее помощью на установке ГОЛ-М в плазме с высоким уровнем СЛТ были обнаружены и исследованы малые по объему динамические провалы (каверны) плотности [12]. Эксперименты проводились с плотной (пе ~ 1015 см 3) плазмой в магнитном поле (В = 2.5 Тл). Уровень ленгмюровской турбулентности, возбуждаемой мощным РЭП (Е - 300-500 кэВ, I - 10 кА, £йь - 100 нс) составлял величину Цг/пТе > 0.2 [10].

2. СИСТЕМА ТОМСОНОВСОГО РАССЕЯНИЯ ДЛЯ НАБЛЮДЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОВАЛОВ ПЛОТНОСТИ

Источником излучения в настоящей диагностике служил работающий на основной гармонике неодимовый лазер. Схема его представлена на рис. 1. Излучение формируется задающим гене-

призмы

Рис. 1. Схема неодимого лазера. Я.П.-ячейка Пок-кельса. Излучение: X = 1.06 мкм, Е ~ 20 Дж, т ~ 60 нс.

электромагнитный , экран

лавинные фотодиоды г

монитор лазерного импульса, задержка 200 не

№-лазер

дублирующий канал, задержка 40 не

интерференционный фильтр

-^

—^ 1

сечение плазмы

оптические ловушки

Рис. 2. Схема томсоновского рассеяния для наблюдения ленгмюровских каверн с оптическим дублированием регистрации. Лазер: X = 1.06 мкм, Е ~ 20 Дж, т ~ 60 нс.

ратором, оснащенным оптическим затвором на основе ячейки Поккельса с кристаллом КДП. Длительность импульса задающего генератора от 10 до 60 нс регулировалась путем подбора длины резонатора. После прохода предусилителя излучение через отверстие связи 03 мм в зеркале направлялось в пятипроходный телескопический усилитель, активный элемент которого выполнен из фосфатного стекла. Для подавления самовозбуждения в этом усилителе использовался фо-тотропный затвор. После пятипроходного усилителя с помощью стеклянных призм излучение проводилось в следующий однопроходный усилитель с активным элементом из силикатного стекла, где осуществлялось окончательное усиление. Накачка активных элементов усилителей производилась импульсными лампами ИФП 20000. Размер активных элементов усилителей равен 045 х 640 мм2. Полученное на выходе из лазерной системы излучение имело следующие параметры: X = 1.06 мкм, Е ~ 20 Дж, Д£1а8ег ~ 60 нс, 0 = 40 мм.

Схема ввода-вывода излучения в плазменную камеру и системы регистрации рассеянного излучения приводится на рис. 2. Лазерный луч, пересекавший плазму перпендикулярно магнитному полю, фокусировался линзой (Р = 50 см) на ось плазменной камеры до диаметра 0.2 мм и выводился через окно, установленное под углом Брюстера. Изображение небольшой части (0.2 х 0.2 х 1 мм3) сфокусированного лазерного пучка проецировалось под 90° телескопическим объективом (Р = 13 см, 0 = 5.5 см) на торцы световодов для последующей его передачи на лавинные фотодиоды С30955Е, чувствительность и временное разре-

шение которых соответственно равны 35 А/Вт и 2 нс.

Для определения характерной динамики плотности плазмы контур сигнала рассеянного излучения сравнивался с формой лазерного импульса, регистрируемого на том же луче осциллографа. Для этого часть лазерного импульса (блик от поворотной призмы) направлялась в систему регистрации с задержкой 200 нс относительно сигнала рассеяния. Сравнение формы регистрируемых таким образом импульсов позволяло определять динамику плотности плазмы в течение импульса генерации лазера Д^е1: с точностью 5-10%. Для проверки того, что изменения формы импульса рассеянного излучения не связаны с электромагнитными помехами, которые могли возникать в системе регистрации при генерации РЭП, использовалось оптическое дублирование регистрируемого сигнала. С этой целью часть рассеянного излучения, отделенная 50%-зеркалом, направлялась через оптическую линию задержки в 40 нс на независимый канал регистрации (см. рис. 2). Сравнение осциллограмм основного и дублирующего каналов позволяло с уверенностью отделять особенности, связанные с динамикой плотности плазмы от электромагнитных помех, которые совпадали бы по времени в обоих каналах регистрации.

Юстировка системы томсоновского рассеяния осуществлялась в несколько этапов. Сначала с помощью гелий-неонового лазера грубо выставлялись все оптические элементы. Далее, используя прибор ночного видения для визуализации ИК лазерного излучения, производилась точная настройка фокусирующей линзы и объектива. Окончательная юстировка оптической системы и

и, отн. ед.

1.0^ (а) 0.8 0.6 0.4 0.2 0

сигнал рассеяния

лазерный импульс

пе, отн. ед. (б)

—I_I_I_I_I_I_I

г?

\

\

_|_I_I_I_I_I_I

0 100 200 300

нс 0 20 40

нс

лазерный пучок

(а) каверна

N1

1

направление РЭП и магнитного поля

(б)

Рис. 3. Регистрация провалов плотности (отмечены стрелками) методом оптического дублирования сигналов рассеяния с задержкой 40 нс. а), в) - сигналы рассеяния. б), г) - динамика плотности пе, рассчитанная в отмеченных прямоугольниками интервалах. Точечные кривые - среднее между полученными в разных каналах величинами плотности.

калибровка системы регистрации производились по релеевскому рассеянию на элегазе (8Б6) при давлении 0.05 атм.

Паразитное излучение на несмещенной лазерной частоте подавлялось интерференционным фильтром с полосой пропускания, равной 40 нм. Отметим, что система регистрации с таким фильтром чувствительна не только к динамике плотности плазмы, но и к эволюции электронной температуры. Однако расчет показывает, что интенсивность прошедшего через фильтр рассеянного излучения меняется лишь на 10% при изменении температуры от 50 до 250 эВ, что полностью перекрывает диапазон возможных температур электронов в наших экспериментах.

Проведенные по вышеописанной схеме эксперименты по томсоновскому рассеянию на плазме с СЛТ показали наличие в ней динамических провалов плотности, что продемонстрировано на рис. 3. На рисунке показаны сигналы рассеяния (а, в), полученные в двух различных выстрелах, и соответствующая им динамика относительной плотности (б, г). Видно, что зарегистрированные в разных каналах провалы на сдвинуты, как и сигналы рассеяния, на 40 нс, что исключает их связь с импульсными помехами. По величине наблюдаемые провалы могут достигать величины около 30% при характерной длительности тсау = 10-30 нс. Быстрому и значительному по величине локальному нагреву и особенно остыванию, что могло бы вызвать подобные сигналы рассеяния, трудно найти разумное обоснование. Поэтому наиболее вероятным объяснением таким сигналам представляется изменение плотности плазмы, а не динамика температуры.

лазерный пучок

линза

каверна 0.2 мм 2 канал 1/................................................

1 мм ] Ь

1 канал

L

вырезанная

часть линзы направление РЭП и магнитного поля

Рис. 4. Схемы измерения размеров каверн: а) - для определения размера каверн поперечному к магнитному полю (1, 2, 3, 4 - каналы регистрации); б) - продольного размера, Ь - расстояние между объемами рассеяния: 3 мм, 8 мм.

3. ИЗМЕРЕНИЕ РАЗМЕРОВ КАВЕРН ПЛОТНОСТИ

На рис. 4а представлена схема эксперимента для измерения поперечного к магнитному полю размера каверн ¡±. Рассеянное излучение из четырех областей (каждая по 0.2 х 1 мм2), расположенных вдоль сфокусированного лазерного пучка областей (0.2 х 1 мм2) направлялось с помощью объектива в четыре независимых канала регистрации. Эксперименты с такой схемой регистрации позволили определить динамику профиля плотности на отрезке 4 мм с пространственным разрешением 1 мм. Типичные сигналы рассеяния показаны на рис. 5. Кривые в, г демонстрируют наиболее вероятную ситуацию, когда провал плотности регистрировался только в одном канале. На рис. 5а и 56 показаны разделенные во времени провалы плотности в двух соседних объемах

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.

Показать целиком