научный журнал по физике Физика плазмы ISSN: 0367-2921

БАЗЫЛЕВ Б., БЕЛОВА Н.Е., БУДАЕВ В.П., ЖИТЛУХИН А.М., КАРПОВ А.В., КЛИМОВ Н.С., КОВАЛЕНКО Д.В., ЛИНКЕ И., МАРТЫНЕНКО Ю.В., ПИТТС Р.А., ПОДКОВЫРОВ В.Л., ХИМЧЕНКО Л.Н., ЯРОШЕВСКАЯ А.Д. — 2013 г.

В установке КСПУ-Т проведены испытания образцов стали 316L(N)-IG, а также близкой по составу российской стали 12Х18Н10Т, импульсами излучения из плазмы, моделирующими условия нагрузки при гашении срыва в ИТЭР. После большого числа импульсов наблюдались изменения поверхности сталей, такие как формирование волнообразной структуры поверхности и нерегулярной шероховатости, образование трещин на поверхности образцов. Результаты рентгеноструктурного и микроскопического анализа образцов показали изменения ориентации и размеров кристаллитов (зерен) сталей на глубине до 20 мкм для стали 316L(N)-IG после 200 импульсов и до 40 мкм для стали 12Х18Н10Т (50 импульсов), что значительно глубже, чем слой плавления ( 10 мкм) в одном импульсе. В серии 200 испытаний образца стали ИТЭР 316L(N)-IG обнаружен линейный рост высоты неоднородностей (шероховатости) с ростом числа импульсов со скоростью 1 мкм за один импульс. Изменений химического (элементного) состава сталей на поверхности после испытаний не обнаружено. Развита модель формирования волнообразных неоднородностей на расплавленной поверхности металла, рассматривающая нелинейную стадию неустойчивости расплавленного слоя, над которым имеется поток пара/плазмы. Определяющим фактором является вязкое течение расплавленного слоя из впадин на гребни волновой структуры. Предсказано прекращение роста волновой структуры при высоте гребней равной длине волны. Рассмотрены подходы к описанию наблюдаемого статистически неоднородного рельефа и шероховатости материала после испытаний. В эксперименте цикличность процесса плавление-отвердение, когда соревнуются механизмы роста вершин и релаксационные механизмы растекания материала с вершин рельефа, может приводить к формированию стохастического рельефа.

2013

ЧУМАК О.В. — 2013 г.

Обсуждается самоорганизация и эволюция магнитоплазменных структур в верхних слоях конвективной зоны Солнца как процесс диффузной агрегации магнитопотоковых трубок. В явном виде записаны уравнения движения трубок под действием сил магнитного взаимодействия, гидродинамических сил и случайной силы. Проведено компьютерное моделирование процессов агрегации магнитопотоковых трубок в магнитопотоковые кластеры разных форм и размеров и сравнение полученных структур с реально наблюдаемыми морфологическими типами групп солнечных пятен. Количественное сравнение с данными наблюдений осуществлялось путем сопоставления фрактальных размерностей фотосферных магнитных структур, наблюдаемых в солнечных активных областях, с размерностями структур, получаемыми в эксперименте. Модель имеет несколько свободных параметров: Nn и Ns – числа магнитопотоковых трубок противоположных полярностей на рассматриваемой площадке, a – средний радиус поперечного сечения магнитопотоковой трубки, l – ее эффективная длина, k – фактор кручения поля трубки и d – модуль средней скорости их хаотических перемещений. Варьирование этих параметров в физически допустимых пределах приводит к образованию структур – кластеров трубок разных морфологических типов – и, соответственно, к разным значениям их фрактальных размерностей. На примере активной области NOAA 10488, возникшей и развившейся в сложную конфигурацию вблизи центрального меридиана, показано, что хорошее количественное соответствие фрактальных размерностей наблюдается при следующих параметрах модели Nn = Ns = 250 ± 50; a = 150 ± 50 км; l 5000 км, d = 80 ± 10 м/с. Эти результаты не противоречат данным наблюдений и известным теоретическим оценкам, полученным в рамках модели “спагетти” Паркера, но дают новую интерпретацию физических процессов возникновения и эволюции локальных магнитоплазменных структур в прифотосферных слоях солнечной конвективной зоны.

КОРОВИН В.Б., ЛЫСОЙВАН А.И., МОИСЕЕНКО В.Е., СТАДНИК Ю.С. — 2013 г.

Описана самосогласованная модель высокочастотного создания плазмы в ионно-циклотронном диапазоне частот, позволяющая моделировать создание плазмы в установках типа стелларатор. Модель включает в себя систему уравнений баланса частиц и энергии и краевую задачу для уравнений Максвелла. Баланс заряженных частиц включает в себя приток частиц за счет ионизации и потери в результате диффузии и конвекции. В балансе энергии электронов учтены приток мощности в результате ВЧ-нагрева, потери энергии на возбуждение и ионизацию атомов электронным ударом, обмен энергии с ионами из-за кулоновских столкновений, а также потери энергии за счет теплопроводности плазмы. ВЧ-мощность вычисляется путем решения краевой задачи для уравнений Максвелла. В качестве механизма диссипации энергии ВЧ-поля учтены столкновительное поглощение и затухание Ландау. Уравнения Максвелла решаются в каждый момент времени для текущего профиля плотности плазмы и температуры. Расчеты производятся для плазменного цилиндра. Плазма считается азимутально-симметричной и однородной вдоль плазменного шнура. Для решения системы уравнений баланса используется метод Кранка-Никольсона. Уравнения Максвелла решаются в одномерном приближении c помощью разложения в ряд Фурье по азимутальной и продольной координатам. Представлены результаты расчетов по ВЧ-созданию плазмы в стеллараторе Ураган-2М при создании плазмы на частотах ниже ионной циклотронной с помощью рамочной антенны. Расчеты показали, что медленная волна, возбуждаемая антенной, сильно поглощается на периферии плазменного шнура, и доля мощности, идущая в объем удержания, оказывается малой. В результате, температура плазмы в центре плазменного шнура остается низкой, в то время как на периферии плазмы она значительно выше. В связи с этим на периферии имеет место сильное поглощение энергии ВЧ-поля по механизму Ландау.

ЕРОХИН Н.С., ЗОЛЬНИКОВА Н.Н., ЛОЗНИКОВ В.М., МИХАЙЛОВСКАЯ Л.А. — 2013 г.

Рассмотрены захват и последующее сильное серфотронное ускорение слаборелятивистских протонов электромагнитной волной, распространяющейся в плазме на периферии гелиосферы поперек внешнего магнитного поля. Задача сведена к анализу нестационарного, нелинейного уравнения второго порядка для фазы волны на траектории частицы. Исследованы условия захвата протонов волной, динамика компонент импульса и скорости частиц, структура фазовой плоскости, траектории частиц и зависимость темпа ускорения от исходных параметров задачи. Приведены асимптотики характеристик ускоренных частиц для параметров гелиосферы. Обсуждаются оптимальные условия реализации ультрарелятивистского серфотронного ускорения протонов электромагнитной волной. Обоснована возможность возникновения из-за серфотронного механизма отличий в спектрах ускоренных протонов, полученных при обработке экспериментальных данных по регистрации космических лучей (КЛ), от стандартных степенных зависимостей. Показано, что в гелиосфере (в области между ударной волной солнечного ветра и гелиопаузой, на расстоянии а. е. от Солнца) возможно доускорение протонов, имевших начальную энергию порядка нескольких ГэВ, до энергий порядка тысячи ГэВ. Для объяснения спектров протонов в диапазоне энергий ГэВ предложена феноменологическая двухкомпонентная модель. Первая компонента соответствует постоянной (в этом диапазоне) галактической составляющей. Вторая переменная компонента соответствует гелиосферной составляющей, возникающей вследствие доускорения протонов мягких КЛ на периферии гелиосферы. Возможность серфотронного ускорения протонов в гелиосфере позволяет понять причину переменности их спектров, измеренных в диапазоне энергий от десятков до сотен ГэВ на разных временных шкалах в период 1992–2008 гг., а также зависимость переменности этих спектров от гелиосферной погоды.

СОРОКИН С.А. — 2013 г.

Представлены результаты экспериментов с двухкаскадными газовыми лайнерами, проведенные на сильноточном генераторе МИГ (2 MA, 80 нс). Для стабилизации процесса сжатия лайнера и повышения эффективности передачи энергии от генератора в плазму лайнера применялся обратный токопровод в виде многозаходовой спирали. Исследовалось влияние конфигурации обратного токопровода на параметры генерируемых импульсов К-излучения аргона (энергия квантов 3–5 кэВ) и неона (энергия квантов 0.9–1.5 кэВ) и выход нейтронов из дейтериевого лайнера.

ГРАБОВСКИЙ Е.В., ГРИБОВ А.Н., САМОХИН А.А., ШИШЛОВ А.О. — 2013 г.

Одним из ограничений при передаче электромагнитного импульса к нагрузке в мощных электрофизических установках являются утечки в вакуумной транспортирующей линии (ВТЛ). Рассматривается многомодульная установка “Ангара-5-1” с выходной электрической мощностью до 6 ТВт. В данной работе сравниваются экспериментальные и расчетные профили токов утечек для пусков установки 8 модулями на динамическую нагрузку (цилиндрические лайнеры с 40 вольфрамовыми проволоками) и одномодульные пуски на сплошной металлический цилиндр. Для интерпретации результатов учитывался вклад вакуумных электронов в величину токов утечки на переходе от цилиндрической к конической части ВТЛ.

ФРОЛОВ А.А. — 2013 г.

Разработана теория, позволяющая рассчитать временной профиль и спектр интенсивности терагерцового волнового пакета по энергии второй гармоники оптического излучения, генерируемой при нелинейном взаимодействии терагерцового и циркулярно-поляризованного лазерного импульсов в скин-слое сверхкритической плазмы. Показано, что спектральные и временные характеристики огибающей второй гармоники оптического излучения и терагерцового импульса совпадают только при малых длительностях детектирующего лазерного излучения. Для длинных лазерных импульсов временной профиль и спектр второй гармоники определяется в основном характеристиками оптического излучения на несущей частоте.

ГРИШКОВ А.А., ПЕГЕЛЬ И.В. — 2013 г.

Элементарная теория трубчатого сильноточного электронного пучка в однородном канале транспортировки и в коаксиальном диоде с магнитной изоляцией обобщена на случай встречных потоков электронов с разбросом по кинетической энергии. Для различных величин относительной ширины энергетического распределения получены выражения для суммы абсолютных величин прямого и обратного токов в однородном канале транспортировки и для потока продольной компоненты обобщенного импульса в коаксиальном диоде с магнитной изоляцией как функций максимальной кинетической энергии электронов. Показано, что в диоде с расширением канала транспортировки и виртуальным катодом, ограничивающим величину отбираемого тока, через определенное время после начала эмиссии электронов на отрезке между катодом и виртуальным катодом устанавливаются встречные потоки частиц. Накопление электронов в этих потоках сопровождается увеличением их относительного энергетического разброса и одновременным уменьшением максимальной кинетической энергии. Развитые модельные представления не противоречат результатам детальных нестационарных расчетов, выполненных PiC-методом с использованием кодов KARAT и OOPIC-Pro.

КАСИЛОВ С.В., КЕРНБИХЛЕР В., МИХАЙЛОВ М.И., НЕМОВ В.В., НЮРЕНБЕРГ Ю., ЦИЛЛЕ Р. — 2013 г.

Найдена неквазисимметричная вакуумная магнитная конфигурация стелларатора с аспектным отношением около 11 и числом периодов 5, в вакуумном магнитном поле которого удерживаются бесстолкновительные частицы, стартующие во внутренней части шнура, вплоть до 2/5 малого радиуса.

КАРАСЬ В.И., МАНУЙЛЕНКО О.В., ТАРАКАНОВ В.П., ФЕДОРОВСКАЯ О.В. — 2013 г.

Построена одномерная нелинейная аналитическая теория филаментации сильноточного ионного пучка. Приведены результаты 2.5-мерного численного моделирования ускорения и устойчивости трубчатого компенсированного ионного пучка (КИП) в линейном индукционном ускорителе методом макрочастиц. Показано, что дополнительная поперечная инжекция электронных пучков в магнитоизолированные промежутки (каспы) улучшает качество функции распределения ионного пучка и обеспечивает его равномерное ускорение по длине ускорителя. Рассмотрена филаментационная неустойчивость КИП в отсутствие и при наличии внешнего магнитного поля.

ХОМКИН А.Л., ШУМИХИН А.С. — 2013 г.

Предложена простая физическая модель фазового перехода металл–диэлектрик (пар–жидкость) в атомарном водороде (гипотетическом, без молекул). Причина перехода – квантовая коллективная энергия связи атомов, возникающая путем квантового межэлектронного обмена, аналогичная энергии связи в жидкометаллической фазе щелочных металлов. Найдены критические параметры перехода Pc 41000 атм, c 0.1 г/сc, Tc 9750 К.

СКОВОРОДА А.А. — 2013 г.

Развит метод задания формы граничной равновесной магнитной поверхности в аксиально-симметричном торе, использующий модуль магнитного поля B=Bs( ) и модуль градиента полоидального потока |= |s( ) в специальной потоковой системе координат. Задание двух поверхностных констант (например, запаса устойчивости q и dp/d ) и согласование зависимостей модулей магнитного поля и градиента потока из условия замкнутости поверхности позволяют определить на ней все равновесные магнитные функции (в том числе, n. lnB и локального шира s) и константы (в том числе, тороидального тока J и шира d /d ). Нетрадиционная формулировка граничных условий при решении задачи равновесия в аксиально-симметричном торе позволяет навязывать целевые требования к удержанию плазмы и МГД-устойчивости на периферии.

АНДРЕЕВ В.Ф., БЕЛЬБАС И.С., ГОРШКОВ A.В., ДНЕСТРОВСКИЙ A.Ю., ДЯБИЛИН K.С., КИСЛОВ A.Я., ЛЫСЕНКО С.E., НОТКИН Г.E., РАЗУМОВА K.A., ТИМЧЕНКО Н.Н., ЧУДНОВСКИЙ A.Н., ШЕЛУХИН Д.A. — 2013 г.

На токамаке T-10 проведены эксперименты по формированию внутреннего электронного транспортного барьера вблизи рациональной поверхности q = 1.5. Использовался нецентральный электронно-циклотронный нагрев с последующим резким нарастанием тока по плазме. После подавления пилообразных колебаний за счет электронно-циклотронного нагрева внутренний транспортный барьер начинал формироваться вблизи рациональной поверхности q = 1.5. В фазе с ростом тока качество транспортного барьера улучшалось, в итоге энергетическое время жизни в центральной зоне плазмы увеличивалось в 2–2.5 раза. Осуществляемое в эксперименте уплощение профиля запаса устойчивости q(r) не вызывало заметного роста МГД-активности плазменного шнура, несмотря на возможное, согласно теории, образование значительных магнитных островов на модах m/n = 3/2 и m/n = 2/1. Обсуждаются условия, при которых уплощение профиля q вблизи рациональных поверхностей с низкими номерами приводит либо к формированию внутреннего транспортного барьера, либо к развитию островной магнитной структуры на тиринг-модах.

ГАРКУША И.Е., ЕЛИСЕЕВ Д.В., КУЛИК Н.В., ЛАДЫГИНА М.С., МОРГАЛЬ Я.И., ПЕТРОВ Ю.В., СОЛЯКОВ Д.Г., СТАЛЬЦОВ В.В., ЧЕБОТАРЕВ В.В., ЧЕРЕДНИЧЕНКО Т.Н. — 2013 г.

Обсуждаются процессы, происходящие в плазменном потоке, генерируемом магнитоплазменным компрессором (МПК), при формировании области компрессии. Приводятся результаты измерений пространственных распределений электрических токов в потоке плазмы, распределение плотности плазмы, как во времени, так и вдоль потока и зависимость скорости отдельных слоев потока вдоль оси системы. Проведен анализ пространственного распределения электромагнитной силы в потоке. Показано, что плазменный поток тормозится при приближении к зоне компрессии, а после ее прохождения доускоряется. При этом скорость потока плазмы уменьшается от величины v = (2–3) ? 107 см/с на выходе МПК до v < 106 см/с в области максимального сжатия, а в дальнейшем опять возрастает до 107 см/с на расстоянии 15–17 см от среза МПК. В ряде режимов работы МПК регистрировалось вытеснение магнитного поля из области компрессии и образование тороидальных вихрей электрического тока в плазменном потоке после прохождения области компрессии.

ЕГОРОВ Е.Н., КОРОНОВСКИЙ А.А., КУРКИН С.А., ХРАМОВ А.Е. — 2013 г.

Представлены результаты численного моделирования и анализа формирования и нелинейной динамики сжатого состояния в винтовом электронном потоке в виркаторе с источником электронов в виде магнетронно-инжекторной пушки и с дополнительным торможением электронов. Выявлены области управляющих параметров, где реализуется сжатое состояние в такой системе, а также проанализированы особенности динамики исследуемой системы. Показано, что возникновение сжатого состояния в винтовом нерелятивистском электронном потоке в системе с торможением сопровождается возникновением низкочастотной продольной динамики пространственного заряда.

ВИНОГРАДОВ В.П., ВИНОГРАДОВА Ю.В., ГУРЕЕВ В.М., КОЙДАН В.С., КРАУЗ В.И., МЯЛТОН В.В., СМИРНОВ В.П., ФОРТОВ В.Е., ХИМЧЕНКО Л.Н. — 2013 г.

Описан новый способ формирования наноструктур в плазмофокусном разряде. Показано, что при создании на оси разряда мишени из микронной пыли происходит эффективная трансформация вещества пыли в пар с последующим вовлечением его в процесс пинчевания. После распада пинча плазма расширяется с тепловой скоростью, и продукты диспергирования пыли оседают на коллекторах в виде фрактальных частиц или нанокластеров, самоорганизованных в структуры различного типа. Такие структуры имеют хорошо развитую поверхность, что важно для различных технологических применений.

ВАУЛИНА О.С., КОСС К.Г., ЛИСИНА И.И. — 2013 г.

Условия формирования цепочечных структур заряженных частиц, удерживаемых в поле тяжести внешними электрическими полями, исследованы аналитически и численно. Найдены соотношения между параметрами парного потенциала межчастичного взаимодействия, количеством частиц и градиентами электрического поля ловушки. Предложен критерий, определяющий нарушение устойчивого равновесия и формирования новой конфигурации в системе, первоначально представляющей квазиодномерную цепочку частиц.

КОЗЕЛОВ Б.В., МОГИЛЕВСКИЙ М.М., ЧЕРНЫШОВ А.А. — 2013 г.

Плазма авроральной области, где происходят высыпания энергичных частиц из магнитосферы в ионосферу, характеризуется сильной неоднородностью и нестационарностью. Поэтому традиционные методы классической физики плазмы в этой области становятся не применимы. Для корректного описания динамических режимов, переходных процессов, флуктуации, самоподобного скейлинга могут быть использованы методы нелинейной динамики на основе представлений фрактальной геометрии и теории перколяции. В данной работе фрактальная геометрия и теория перколяции использованы для описания пространственной структуры ионосферной проводимости. Теоретически получены топологические величины, фрактальные размерности и индексы связности, характеризующие структуру педерсеновской и холловской проводимостей на ночной стороне авроральной зоны. Проанализированы ограничения, накладываемые на фрактальные оценки условием протекания ионосферных токов. Показано, что наблюдаемый в авроральной зоне скейлинг во флуктуациях электрических полей и аврорального свечения хорошо укладывается в ограничения, накладываемые критическим условием на протекание педерсеновских токов. Тем самым демонстрируется, что фрактальный подход является перспективным и удобным методом для исследования свойств ионосферы.

ДРЁМИН М.М., КАКУРИН А.М., КИСЛОВ А.Я., МАЛЬЦЕВ С.Г., НОТКИН Г.Е., ПАВЛОВ Ю.Д., ПОЗНЯК В.И., СТЕФАНОВСКИЙ А.М., СУШКОВ А.В. — 2013 г.

Представлены результаты экспериментальных исследований срывов разряда на токамаке Т-10 при предельной плотности плазмы. Для группы “медленных” срывов изучена, по измерениям интенсивности генерации мягкого рентгена, динамика магнитной конфигурации центральной части токового шнура и проанализирована возможная роль моды m/n = 1/1 в возбуждении предсрывов или финальной фазы срыва. Показано, что процесс охлаждения электронов плазмы в предсрывах по своим характеристикам соответствует процессам охлаждения электронов при инжекции пеллеты в Т-10 и в предсрывах разряда в режиме “тихой моды”. В последнем случае обнаружено, что причиной возникновения предсрывов и быстрого охлаждения электронов в центральной зоне плазмы является неустойчивость моды m/n = 2/1, ее спонтанная, пространственная перестройка и генерация “волны охлаждения” во время этой трансформации. Измерения температуры электронов в зоне моды m/n = 2/1 (по интенсивности излучения плазмы на второй циклотронной гармонике) показали, что процесс трансформации моды m/n = 2/1 приводит к возбуждению предсрывов и финальной фазы срыва не только в режимах с “тихой модой”, но и в срывах обычных, омических разрядов. Совокупность экспериментальных результатов позволяет определить сценарий развития “медленных” срывов разряда в Т-10 при предельной плотности.