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.