научная статья по теме ФОРМИРОВАНИЕ ДЛИННОГО СТОЛБА ЗАМАГНИЧЕННОЙ ПЛАЗМЫ В МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ КАМЕРЕ Физика

Текст научной статьи на тему «ФОРМИРОВАНИЕ ДЛИННОГО СТОЛБА ЗАМАГНИЧЕННОЙ ПЛАЗМЫ В МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ КАМЕРЕ»

ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2014, том 40, № 3, с. 223-240

МАГНИТНЫЕ ЛОВУШКИ

УДК 533.9.03.07

формирование длинного столба замагниченнои плазмы

в металлической камере

© 2014 г. А. В. Бурдаков*, **, В. С. Койдан***, К. И. Меклер*,

С. В. Полосаткин* ****, В. В. Поступаев* **** * Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, Новосибирск, Россия ** Новосибирский государственный технический университет, Россия *** Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт", Москва, Россия **** Новосибирский государственный университет, Россия e-mail: V.V.Postupaev@inp.nsk.su Поступила в редакцию 27.08.2013 г.

Рассматривается способ создания длинного замагниченного столба плотной водородной плазмы в металлической камере при помощи сильноточного прямого разряда. Данный способ используется как основной метод создания предварительной плазмы в многопробочной ловушке ГОЛ-3, где с его помощью получен плазменный столб длиной до 12 м, диаметром 8 см, пригодный для проведения экспериментов по инжекции релятивистского электронного пучка. Найдены условия устойчивой работы разряда в диапазоне плотностей 3 х 1019—1022 м-3, в том числе с неоднородным по длине профилем плотности и с неполной ионизацией исходного водорода. Продемонстрирована работоспособность системы в магнитном поле изменяемой конфигурации напряженностью до 6 Тл в со-леноидальной части и до 12 Тл в концевых пробках. Показано, что важную роль в развитии разряда играют быстрые электроны с энергией порядка начального приложенного напряжения (около 25 кВ), которые производят первичную ионизацию газа. Обсуждаются также свойства низкотемпературной плазмы в этом разряде.

БО1: 10.7868/80367292114030032

1. ВВЕДЕНИЕ

В практике плазменного эксперимента типич-

ной является ситуация, когда в установке предва-

рительно создается низкотемпературная плазма,

которая затем используется либо непосредствен-

но, либо доводится до более высоких температур

методами дополнительного нагрева. В этой рабо-

те представлено описание системы для создания

предварительной плазмы в многопробочной ло-

вушке ГОЛ-3, обсуждаются механизм формиро-

вания плазмы и ее параметры. Систематическое

изучение предварительной плазмы проводилось

на начальном этапе экспериментов на ГОЛ-3, а

затем при крупных модернизациях установки. Данные о свойствах низкотемпературной плазмы

были получены также в тестовых разрядах, которые на регулярной основе производились перед

началом экспериментов с инжекцией электрон-

ного пучка.

Основной целью научной программы установ-

ки ГОЛ-3 является изучение физики удержания

плазмы в гофрированном (многопробочном) маг-

нитном поле [1]. Сначала в установке формирует-

ся предварительная плазма, которая затем быстро

нагревается до киловольтных температур сильноточным релятивистским электронным пучком

(РЭП). Оптимальными для многопробочного

удержания являются такие параметры плазмы, при которых длина свободного пробега по порядку величины сравнивается с периодом гофрировки магнитного поля или ее превышает, но остается при этом много меньше полной длины системы удержания. Данное требование приводит к тому, что плотность плазмы в многопробочной системе должна быть высокой для систем с магнитным удержанием плазмы в случае, если рассеяние электронов определяется в основном парными столкновениями. При создании установки ГОЛ-3 в качестве технического задания был выбран диапазон плотностей п = 1020-1022 м-3 (в среднем по длине установки), при этом в плазме с указанной плотностью локально могут быть сформированы более плотные области с п < < 1024м-3 (предполагалось использование данной технологии для так называемой схемы двухступенчатого нагрева плотной плазмы, см. [2, 3]). Полная длина плазменного столба составляет величину масштаба 10 м при отношении длины к диаметру плазмы порядка 100. Для экспериментов с инжекцией РЭП полная ионизация газа не требуется. Однако процессы пучково-плазменно-го взаимодействия зависят от однородности плазмы по длине и радиусу плазменного столба.

На выбор способа создания предварительной плазмы в установке повлияли и другие параметры эксперимента. В отличие от тороидальных систем удержания плазмы, в которых нежелательным является движение частиц поперек магнитного поля, в линейных плазменных системах потери частиц и энергии происходят в основном на торцы. Поэтому предварительная плазма в ловушке должна быть сформирована за достаточно короткое время: меньшее, чем время столкновительно-го вытекания холодной плазмы. Система должна позволять проведение инжекции РЭП с током в 20—30 кА и полным энергосодержанием масштаба 100—200 кДж через один из торцов, при этом во втором торце плазменной камеры должен располагаться приемник РЭП. Система должна работать в магнитном поле соленоида до 6 Тл (в концевых магнитных пробках до 12 Тл).

Традиционно в экспериментах по нагреву плазмы релятивистскими пучками для создания предварительной (мишенной) плазмы использовались сильноточный разряд типа Пеннинга с кольцевым анодом (установки ИНАР [4], ГОЛ-1 [5]) или кольцевые плазменные пушки (установка ЯБВБХ [6]). Эти методы позволяли получить плазму с достаточной для экспериментов однородностью плотности по радиусу в относительно слабых магнитных полях (2.5 Тл для ИНАР, 1.35 Тл для ГОЛ-1 и 0.5 Тл для ЯБВБХ). При увеличении магнитного поля и увеличении диаметра плазмы происходит относительное уменьшение плотности в приосевой области плазменного столба. Плазма в поперечном сечении становится трубчатой. Для коррекции уменьшения плотности плазмы на оси необходимо вкладывать в разряд дополнительную энергию. Так, в экспериментах на установке ИНАР-2 с магнитным полем 7 Тл и диаметром плазмы 3 см (см. [7]) затраты энергии на образование плазмы плотностью порядка 1021 м-3 составляли 0.25 Дж/см3 (т.е. 1.5 кэВ на атом водорода). Переход к установке масштаба ГОЛ-3, имеющей такое же магнитное поле, привел бы к значительному усложнению системы создания предварительной плазмы и увеличению мощности разряда из-за возрастания длины плазменного столба на порядок, а его диаметра - более, чем в 2.5 раза. Другим фактором, отличающим ГОЛ-3 от установок предыдущего поколения, является материал вакуумной камеры, которая должна быть изготовлена из нержавеющей стали, а не из диэлектрических материалов. Рассматривались и другие способы создания плазмы в ловушке, в частности, при помощи дуговых источников плазмы или высокочастотных источников, однако такие методы не могли обеспечить требуемых параметров плазмы.

В качестве источника предварительной плазмы для установки ГОЛ-3 было предложено использовать прямой разряд вдоль магнитного поля

между высоковольтным катодом, расположенным в одном торце плазменного столба, и заземленной фольгой, расположенной в противоположном торце. Система с прямым разрядом подобной геометрии ранее была использована на установке ИНАР в экспериментах с "внутренней мишенью" (см. [7]). В упомянутых экспериментах при одинаковом режиме разряда однородность плазмы, получаемой в геометрии прямого разряда, была лучше однородности, получаемой в разряде типа Пеннинга. Тогда же на установке ИНАР была отработана и схема получения плазмы с высоковольтным электродом, расположенным за выходной магнитной пробкой.

При сооружении установки ГОЛ-3 был сделан крупный шаг по параметрам эксперимента по сравнению с предыдущими установками, на которых изучался нагрев плазмы релятивистским электронным пучком: длительность и энергосодержание электронного пучка были увеличены приблизительно на два порядка с 50-100 нс до 510 мкс и с 0.5-1 кДж до 100-200 кДж при сохранении мощности пучка и плотности тока в плазме. Научные и технологические задачи решались поэтапно, поэтому конфигурация установки ГОЛ-3 несколько раз существенно изменялась. Эксперименты проводились сначала в однородном магнитном поле, создаваемом соленоидом длиной 7 м [8], при этом в плазму инжектировался электронный пучок, генерируемый ускорителем У-3. Затем длина соленоида была увеличена до 12 м [9], а в качестве источника электронного пучка стал использоваться более мощный ускоритель У-2 [10]. Затем магнитное поле было поэтапно переведено в многопробочную конфигурацию [11]. В ходе этих работ система создания предварительной плазмы также претерпевала изменения.

В данной работе будут рассмотрены две существенно разные конфигурации, одна из которых использовалась на начальном этапе работы установки, а вторая используется в настоящее время. Первая из них описана в разд. 2, приведены электротехнические характеристики разряда и обсуждается механизм его работы. В этом же разделе обсуждаются свойства плазмы, получаемой в разряде. В разд. 3 представлена система с кольцевыми электродами и импульсным напуском газа, которая используется в настоящее время, а также приводятся дополнительные сведения о параметрах плазмы в такой системе. В разд. 4 авторы обсуждают преимущества и недостатки использованной схемы формирования предварительной плазмы в ловушке.

2. СИСТЕМА СОЗДАНИЯ ПЛАЗМЫ С ТОРЦЕВЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ

2.1. Конструкция системы создания плазмы

Установка ГОЛ-3 состоит из генератора электронного пучка, плазменной камеры внутри соленоида, конденсаторной батареи для питания соленоида, систем управления, контроля и диагностики. Соленоид в этой конфигурации создавал однородное магнитное поле до 6 Тл на длине 7 м и имел одиночные концевые магнитные пробки с полем до 12 Тл. Вакуумная камера изготовлена из немагнитной нержавеющей стали 12Х18Н10Т, она имеет внутренний диаметр 100 мм. Внутри камеры расположены диагностические модули, содержащие пояс Роговского, диамагнитный зонд и защитные диафрагмы с апертурой 80 мм из ситалла

СО-115М. Водород1 в камеру напускался через палладиевый термодиффузионный натекатель, что обеспечивало достаточную чистоту плазмы. Типичный сценарий эксперимента следующий: после достижения необходимого уровня вакуума в установку напускался водород. Затем включалось питание катушек соленоида. После этого в вакуумной камере при помощи сильноточного прямого разряда создается предварительная плазма. Затем в эту плазму инже

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