научный журнал по физике Физика плазмы ISSN: 0367-2921

ГОРБУНОВ А.В., МОСКАЛЕНКО И.В., ШУВАЕВ Д.А. — 2012 г.

Рассмотрена временная эволюция сигнала лазерной флуоресценции на нейтральном гелии He I в пристеночной или диверторной плазме современных устройств магнитного удержания плазмы. Расчеты проведены на основе нестационарной столкновительно-излучательной модели, включающей 10 синглетных и 9 триплетных состояний гелия, влияющих на эволюцию сигнала флуоресценции. Предложен новый метод определения электронной плотности по измерению производной по времени профиля спектральной линии сигнала флуоресценции.

АНДРЕЕВ Д.Г., ЕРОХИН Н.С., ЗОЛЬНИКОВА Н.Н. — 2012 г.

На основе численных расчетов выполнен анализ взаимодействия заряженных частиц плазмы с электромагнитными волнами, имеющими стохастически прыгающую фазу. Показана возможность генерации потоков быстрых частиц в этом процессе с увеличением их энергии на порядок и более. Выявлены оптимальные условия для реализации эффективного взаимодействия заряженных частиц плазмы с волнами в случае стохастически прыгающей фазы. Согласно проведенным численным расчетам сильное ускорение заряженных частиц плазмы волной со стохастической фазой возможно как при фиксированном интервале между скачками фазы, так и в случае, когда этот интервал является случайной величиной. Рассмотрена зависимость динамики ускорения от исходных параметров: амплитуды поля, характерного интервала времени между стохастическими скачками фазы, типичной величины стохастических скачков.

ШУРЫГИН Р.В. — 2012 г.

Приведен вывод 1D эволюционного уравнения для усредненного по углам полоидального момента при учете неоднородной плотности и диамагнитного дрейфа ионов в плазме токамака в рамках редуцированной МГД. Полученный турбулентный тензор напряжений Рейнольдса включает, помимо флуктуаций скорости Е ? В-дрейфа, флуктуации плотности и давления ионов, а также турбулентные радиальные потоки частиц и тепла. Приведенный численный пример показывает, что для генерации полоидального течения результаты расчетов на основе усовершенствованной модели эволюционного одномерного уравнения существенно отличаются от расчетов в упрощенной модели. При переходе к новой модели происходит увеличение турбулентной силы Рейнольдса и силы Стрингера–Винзора, что приводит к росту амплитуды полоидальной скорости ионов. Это, в свою очередь, из-за эффекта шировой декорреляции дает уменьшение турбулентных потоков частиц и тепла.

КАХИЛЛ А.Д., КНАПП П.Ф., МИНГАЛЕЕВ А.Р., МИШИН С.А., ПИКУЗ С.А., ТИЛИКИН И.Н., ХАММЕР Д.А., ХОЙТ К.Л., ШЕЛКОВЕНКО Т.А. — 2012 г.

Представлены результаты исследований гибридного Х-пинча, начальная конфигурация которого представляет собой сильноточный диод с коническими вольфрамовыми электродами с зазором порядка 1–2 мм, соединенными проволочкой диаметром 20–100 мкм. Эксперименты проводились на четырех установках с амплитудой тока от 200 до 1000 кА и длительностью фронта 45 до 200 нс. Показано, что при значительно более простой конфигурации гибридные Х-пинчи на установках с коротким фронтом импульса тока (50–100 нс) не уступают стандартным Х-пинчам по мощности генерируемого мягкого рентгеновского излучения и существенно превосходят их по стабильности формирования единичной горячей точки при практически полном отсутствии жесткого рентгеновского излучения. Рассмотрены возможности использования гибридных Х-пинчей в качестве источников излучения для точечной проекционной рентгенографии плазменных объектов.

ЕРОФЕЕВ М.В., ЛОМАЕВ М.И., РЫБКА Д.В., СОРОКИН Д.А., ТАРАСЕНКО В.Ф. — 2012 г.

Исследованы условия формирования пучков убегающих электронов в азоте повышенного давления, при которых во время одного импульса напряжения регистрируются два импульса тока электронного пучка. Показано, что для реализации режима с двумя импульсами тока пучка необходимо уменьшать напряженность электрического поля E в промежутке или значение параметра E/p (p – давление газа). Установлено, что режим с двумя импульсами тока пучка наблюдается как при высоких давлениях (1500–3000 Торр), так и при низких (менее 100 Торр). Показано, что при формировании второго импульса тока пучка первый импульс тока пучка должен приводить к частичному снижению напряжения на промежутке. При низком давлении азота ( 10 Торр) режим генерации двух импульсов тока электронного пучка может реализоваться, за счет увеличения электрической прочности промежутка, и при высоких значениях E/p. В воздухе атмосферного давления зарегистрирована, при пикосекундном временном разрешении и фронте импульса напряжения 300 пс, сложная форма импульса тока пучка электронов.

БУРДОНСКИЙ И.Н., ГОЛЬЦОВ А.Ю., ДЕДОВА О.Л., ЖУЖУКАЛО Е.В., КОВАЛЬСКИЙ Н.Г., ПЕТРЯКОВ В.М., ПУТИЛИН М.В., ФАСАХОВ И.К. — 2012 г.

В проводившихся экспериментальных исследованиях струйных структур, формируемых при лазерном облучении пористых мишеней (со средней плотностью = 1–30 мг/см3) использовался весь диагностический комплекс установки “Мишень”. Для обработки экспериментальных данных были разработаны и реализованы математические методы, позволяющие исследовать плазменные образования со сложной структурой. Установлена зависимость вероятности появления плазменных струйных структур от значения параметра ( – средняя плотность, d – толщина плоской пористой мишени) для мишеней с “открытыми порами” из триацетата целлюлозы. Анализ совокупности полученных данных и их сопоставление с имеющимися данными по образованию струйных структур при лазерном облучении мишеней твердотельной плотности позволяют высказать определенные соображения о характерных особенностях механизма развития крупномасштабных струйных плазменных образований при облучении пористых мишеней.

АРЖАННИКОВ А.В., БУРДАКОВ А.В., ВЯЧЕСЛАВОВ Л.Н., ИВАНОВ И.А., ИВАНЦИВСКИЙ М.В., КАСАТОВ А.А., КУЗНЕЦОВ С.А., МАКАРОВ М.А., МЕКЛЕР К.И., ПОЛОСАТКИН С.В., ПОПОВ С.С., ПОСТУПАЕВ В.В., СИНИЦКИЙ С.Л., СКЛЯРОВ В.Ф., ТУММ М.К.А. — 2012 г.

Описаны принципы построения и конструкция радиометрических спектральных систем субтерагерцового диапазона, разработанных для установки ГОЛ-3. Спектральные системы построены по квазиоптической схеме с использованием многослойных фильтров на основе частотно-избирательных поверхностей. Обсуждается устройство и технология производства таких элементов. Приведены результаты измерений субтерагерцового излучения плазмы в окрестности двойной плазменной частоты.

АРТЕМЬЕВ А.В., ЗЕЛЁНЫЙ Л.М., МАЛОВА Х.В., ПОПОВ В.Ю. — 2012 г.

Исследуется устойчивость плазменной конфигурации, состоящей из тонкого одномерного токового слоя, вложенного в двухмерный фоновый токовый слой. Рассматриваются дрейфовые моды, развивающиеся в плазме в виде неустойчивых волн вдоль направления тока. Получены дисперсионные соотношения для изгибной и перетяжечной мод возмущений в зависимости от соотношения параметров тонкого и фонового токовых слоев. Показано, что присутствие фонового слоя приводит к уменьшению величин инкрементов неустойчивости и существенному увеличению длин волн возмущений. Обсуждается роль дрейфовых мод в раскачке колебаний, наблюдаемых в токовом слое хвоста земной магнитосферы.

ЕРОХИН А.Н., ЕРОХИН Н.С., МИЛАНТЬЕВ В.П. — 2012 г.

На основе нелинейных численных расчетов рассмотрен захват слаборелятивистских заряженных частиц (кинетическая энергия порядка mc2) в режим серфотронного ускорения электромагнитной волной, распространяющейся в плазме поперек слабого внешнего магнитного поля. Анализ показал, что при амплитуде волны выше порогового значения, вне диапазона благоприятных для реализации серфинга начальных фаз волны траектория частицы вначале представляет собой вращение заряда во внешнем магнитном поле (для исследуемых начальных энергий заряда период его циклотронного вращения сравнительно невелик). Однако после ряда периодов циклотронного вращения (от десятков до тысячи и более) при выполнении условия черенковского резонанса возникает благоприятная для захвата заряда фаза волны на траектории частицы. В результате имеют место захват заряженной частицы волной и последующее ультрарелятивистское ускорение. Таким образом, в пространстве импульсов частиц область их захвата в режим серфинга на электромагнитной волне оказывается достаточно большой.

ГАРКУША И.Е., ЕЛИСЕЕВ Д.В., ЛАДЫГИНА М.С., МАРЧЕНКО А.К., ПЕТРОВ Ю.В., СОЛЯКОВ Д.Г., СТАЛЬЦОВ В.В., ЧЕБОТАРЕВ В.В. — 2012 г.

Представлены результаты экспериментального исследования экстремального ультрафиолетового (ЭУФ) излучения из области компрессии магнитоплазменного компрессора (МПК) при работе на ксеноне. Исследованы два режима работы МПК, отличающиеся способом инжекции ксенона в разряд. Показано, что в компрессионной зоне генерируется ЭУФ-излучение в диапазоне длин волн 5–80 нм. Пиковая величина мощности излучения, измеренная в режиме работы МПК с локальной инжекцией ксенона непосредственно в зону компрессии, окруженную гелиевой плазмой, достигается в диапазоне 12.2–15.8 нм и составляет 16–18 кВт.

БЕРЕЖЕЦКИЙ М.С., ВОРОНОВ Г.С. — 2012 г.

Программа исследований на строящемся реакторе ИТЭР включает последовательную смену изотопного состава плазмы – от чисто водородной плазмы в начале исследований, к дейтериевой и затем к дейтериево-тритиевой с постепенным возрастанием доли трития. В связи с этим, в последнее время в экспериментах на действующих установках – токамаках и стеллараторах, активно исследуется влияние изотопного состава плазмы на процессы нагрева и удержания плазмы. Изотопный состав плазмы зависит также от состава газа, выделяющегося из стенок вакуумной камеры в процессе рециклинга. Поэтому скорость изменения состава плазмы после замены инжектируемого газа зависит от скорости изменения изотопного состава газа, поглощенного стенками. Для выяснения этих вопросов на стеллараторе Л-2М проведен эксперимент с заменой водорода на дейтерий. Регулярные спектральные измерения соотношения интенсивностей линий Н и D позволили проследить изменение изотопного состава по мере очистки стенки от поглощенного ранее водорода и замене его дейтерием. После обратной замены инжектируемого газа с дейтерия на водород была прослежена скорость очистки стенки от дейтерия. Результаты измерений показали, что изменение изотопного состава плазмы происходит по экспоненциальному закону exp(–N/47), N – число выстрелов. Так что практически полная замена изотопного состава плазмы может быть достигнута за 2–3 рабочих дня. Это позволяет проводить исследования влияния изотопного состава рабочего газа на удержание плазмы в течение одной экспериментальной сессии.

АВИНО Ф., ДЕ АНДЖЕЛИС Р., МАЛЫШЕВ А.Ю., МАРКОВ В.К., ПЕТРОВ А.А., ПЕТРОВ В.Г., ТУДИСКО О. — 2012 г.

Импульсный времяпролетный рефрактометр был предложен и апробирован для измерений средней плотности плазмы на токамаке Т-11М. В этом приборе производятся прямые измерения времени распространения коротких (длительностью в несколько наносекунд) микроволновых импульсов в плазме. Позднее такой прибор был предложен также для измерения средней плотности и управления плотностью на токамаке ITER, с использованием окна прозрачности в диапазоне частот 50–100 ГГц при зондировании плазмы на необыкновенной волне (электрическое поле зондирующей волны перпендикулярно направлению магнитного поля в плазме). Для исключения влияния профиля плотности на результаты измерений при работе рефрактометра в нелинейном режиме (вблизи отсечки) была разработана и опробована система, которая использует две различные зондирующие частоты. Такая система обеспечивает два значения времени задержки, которые можно использовать для оценки фактора пикирования распределения плотности и определения правильного значения линейной плотности Nl , вне зависимости от профиля плотности (в предположении о гладком профиле плотности вида N( ) = N(0)(1 2) , где N(0) – плотность в центре плазмы, = r/a – нормализованный радиус плазмы). Описаны первые эксперименты по измерению плотности, проведенные на установке FTU с помощью данного прибора. Представлены результаты этих экспериментов. Обнаружено образование тонкого слоя с высокой плотностью в области сильного магнитного поля (MARFE-слоя) в условиях относительно невысокой (для установки FTU) плотности 6 ? 1019 м-3. Толщина этого слоя, определенная из данных рефрактометрии, хорошо согласуется с величиной, полученной с помощью цифровой фотокамеры.

БАКШТ Р.Б., МИНГАЛЕЕВ А.Р., ОРЕШКИН В.И., ПИКУЗ С.А., РОМАНОВА В.М., ТКАЧЕНКО С.И., ХАТТАТОВ Т.А., ШЕЛКОВЕНКО Т.А. — 2012 г.

Помимо страт, наблюдающихся в канале разряда при электрическом взрыве проволочек в виде регулярной структуры полос большей и меньшей плотности, спорадически появляются участки вещества с малой плотностью, характерный размер которых в аксиальном направлении существенно отличается от размера страт и может быть порядка одного–двух миллиметров. Такие нерегулярные структуры получили название разрывов [Sinars D.B., Min Hu, Chandler K. M., et al. // Phys. Plasmas. 2001. V. 8. P. 216]. В данной работе исследуется динамика формирования разрывов при электрическом взрыве в воздухе медных и никелевых проволочек диаметром 25 и 50 мкм. Показано, что удельная энергия, вложенная в месте локализации разрывов, значительно больше средней удельной энергии, вложенной в вещество проводника.

МИРНОВ С.В. — 2012 г.

Статья инициирована появлением в № 4 “Физики плазмы” за 2010 г. обзора Б.В. Кутеева, П.Р. Гончарова, В.Ю. Сергеева и В.И. Хрипунова “Мощные нейтронные источники на основе реакций ядерного синтеза”. Утверждается несостоятельность ключевого тезиса этого обзора, что “сферический токамак может быть рекомендован для исследовательских нейтронных источников и для демонстрационных гибридных систем” в качестве альтернативы дорогостоящим “классическим” токамакам типа JET и ИТЭР. Анализ экспериментального материала, полученного в последние десять лет в ходе исследований на известных сферических токамаках, показывает, что предлагаемый авторами обзора токамак ТИН-СТ, призванный, по замыслу авторов, заменить “монстры”, в силу своих настольных размеров (2 м3) и энергетики лабораторного уровня не может быть превращен в сколько-нибудь заметный стационарный нейтронный источник мегаваттной мощности, конкурирующий с известными классическими токамаками (в частности, с JET с его мощностью квазистационарного DT-синтеза на уровне 5 МВт). А именно, максимальный плазменный ток в предлагаемом токамаке будет не 3 МА, как ошибочно полагают авторы, а, согласно сегодняшней практике сферических токамаков, в пределах 0.6–0.7 МА, что приведет к снижению нейтронного потока с предполагаемых 5 МВт на 2–3 порядка величины. Серьезные сомнения вызывает сама возможность поддержания стационарного процесса даже в таком “ослабленном” сферическом токамаке. Опыт наиболее крупных из существующих установок этого типа (NSTX, MAST) показал, что они не способны поддерживать даже квазистационарный режим работы – разряд в них спонтанно прерывался примерно через 1 с от начала импульса тока при его расчетной длительности до 5 с. Природа этого явления – предмет дальнейшего изучения физики сферических токамаков. Статья содержит критический анализ имеющихся экспериментальных данных, касающихся таких токамаков, и обсуждение потенциальной возможности их использования в термоядерных исследованиях.

ТРУСОВ К.К. — 2012 г.

Приведены результаты экспериментальных измерений коэффициента заполнения межэлектродного промежутка искровыми каналами и тока разряда при импульсном скользящем разряде противоположных полярностей в Ne, Ar и Xe на поверхности алюмооксидной керамики. Измерения выполнены на ранее созданной установке в режиме однократных импульсов субмикросекундной длительности, в диапазоне питающего напряжения 0–12 кВ, с двумя разрядными камерами, отличающимися толщиной керамической пластины (0.4 и 0.17 см) и длиной межэлектродного промежутка (4 и 10.3 см), при давлении газов 30 и 100 кПа. Полученные результаты для разнополярных разрядов сопоставлены друг с другом, выделены общие черты разряда в трех газах. Показано, что заполнение разрядного промежутка искровыми каналами в исследованных газах более эффективно при положительной полярности разряда, за исключением лишь Xe при давлении 100 кПа в межэлектродном промежутке 10.3 см. Квазиоднородный режим разряда в каждом из трех газов достигается легче при меньшем давлении газа. Сопоставление данных о коэффициенте заполнения межэлектродного промежутка и пиковом токе разнополярных разрядов для каждого сорта газа и его давления показало взаимосвязь: чем больше ток разряда при фиксированном напряжении независимо от полярности разряда, тем плотнее межэлектродный промежуток заполнен искровыми каналами.

ГОЛУБЬ А.П., ЛОСЕВА Т.В., ПОПЕЛЬ С.И. — 2012 г.

Приведены результаты исследований пылевых ионно-звуковых солитонов для широкого диапазона параметров пылевой плазмы. Рассмотрены как случаи положительного электрического заряда пылевых частиц, возникающего за счет фотоэффекта под действием интенсивного электромагнитного излучения, так и случаи отрицательного заряда в отсутствие электромагнитного излучения. Определены области существования “консервативных” (без учета механизмов диссипации) солитонов в зависимости от параметров плазмы и числа Маха. Показано, что в пылевой плазме с отрицательно заряженными пылевыми частицами могут существовать как солитоны сжатия, так и солитоны разрежения, в то время как в плазме с положительно заряженными пылевыми частицами – только солитоны сжатия. С помощью численного решения гидродинамических уравнений для ионов и пылевых частиц, а также уравнения их зарядки, исследована эволюция солитоноподобных возмущений сжатия и разрежения. Учтены основные механизмы диссипации, такие как зарядка пылевых частиц, поглощение ионов пылевыми частицами, обмен импульсом между ионами и пылевыми частицами, столкновения ионов с нейтралами. Показано, что в процессе своей эволюции солитоноподобные возмущения сжатия и разрежения уменьшают свою амплитуду, и их скорость (число Маха) падает монотонно во времени. При этом форма эволюционирующего солитоноподобного возмущения в любой момент времени совпадает с формой “консервативного” солитона, полученной для текущего значения числа Маха. Показано, что все рассмотренные виды солитоноподобных возмущений после взаимодействия друг с другом восстанавливают скорость и форму возмущений (со сдвигом фаз), распространяющихся в отсутствие взаимодействия, т.е. они могут рассматриваться как слабодиссипативные солитоны.

ДУБИНОВ А.Е., КОЛОТКОВ Д.Ю. — 2012 г.

Предложена идея нового класса уединенных волн – сверхнелинейных солитонов (суперсолитонов), фазовая траектория которых охватывает одну или несколько внутренних сепаратрис на фазовом портрете волны. Показано, что в незамагниченной плазме, содержащей не менее четырех заряженных сортов частиц, могут существовать суперсолитоны ионно-звукового типа. Указаны условия существования суперсолитонов. Построен профиль электростатического потенциала в ионно-звуковом суперсолитоне. Показано, что в эксперименте суперсолитон можно легко распознать среди обычных солитонов с помощью дифференцирующей цепочки в измерительном канале.

ПРУДСКИХ В.В. — 2012 г.

Изучается косое распространение нелинейных периодических ионно-звуковых волн в замагниченной пылевой плазме. Получены уравнения для первого и второго порядка теории возмущений, описывающие динамику потенциала волны, и найдены их несекулярные периодические решения. Определен средний нелинейный поток ионов, вызываемый распространением кноидальной волны. Проанализированы величина и направление потока в зависимости от угла распространения волны к магнитному полю и плотности заряда пыли.

АЛТУХОВ А.Б., ДЬЯЧЕНКО В.В., ЕСИПОВ Л.А., КАНТОР М.Ю., КУПРИЕНКО Д.В., ЛАШКУЛ С.И., ЛЕБЕДЕВ А.Д., НИКЕРМАН Я.А., ПОПОВ А.Ю. — 2012 г.

Рассматриваются эксперименты на токамаке ФТ-2, где для диагностических целей использовалась импульсная добавка Не в водородную плазму. Для необходимых оценок содержания ионов гелия в экспериментах по исследованию микроколебаний плазмы было проведено численное моделирование ионизационно-рекомбинационного баланса в предположении тороидально однородного поступления рабочего газа на поверхность плазменного шнура. В этих вычислениях эффективная плотность нейтрального газа падающего на поверхность плазменного шнура определялась итерационным методом, что позволяло обеспечить соответствие найденного решения экспериментальным условиям разряда. В том числе, рассматривалось соответствие найденного примесного содержания условию квазинейтральности плазмы и значению эффективного заряда Zeff, а также соответствие расчетного и экспериментально определенного профилей плотности плазмы. Модельные расчеты были выполнены в предположении аномальности коэффициента диффузии для всех компонент плазмы. Временные изменения ионизационно-рекомбинационного баланса проверялись сопоставлением со спектральными измерениями излучения в линиях НеI, HeII и H . В экспериментах по генерации токов увлечения для наблюдения за изменениями nе(r) на периферии разряда применялась методика, использующая пропорциональность отношения интенсивностей излучения спектральных линий атомарного гелия НеI(668 нм)/НеI(728 нм) значению плотности плазмы. В этих вычислениях использовались расчетные коэффициенты, связывающие соотношение интенсивностей отмеченных линий и значение плотности плазмы, приведенные в публикациях по спектральной диагностике.

БАКШТ Р.Б., ЖИГАЛИН А.С., ЛАБЕЦКАЯ Н.А., ОРЕШКИН В.И., РУССКИХ А.Г., ЧАЙКОВСКИЙ С.А. — 2012 г.

Описаны результаты исследований динамики сжатия и излучательных характеристик алюминиевого Z-пинча, созданного на основе плазменной оболочки. Оболочка лайнера создавалась с помощью многоканального вакуумного дугового разряда, имела начальный диаметр 4 см и формировалась благодаря испарению вещества электродов в 10 параллельных дуговых разрядах. Материал лайнера определялся материалом электродов в дуговом разряде. В экспериментах использовали алюминиевые электроды. Суммарный ток дуг составлял 80 кА. Сжатие лайнера обеспечивается сильноточным генератором тока ИМРИ-5 с амплитудой тока 450 кА и временем нарастания 500 нс. При сжатии лайнера образуется плазменный столб диаметром 0.2 см. Электронная температура плазмы, полученной в результате сжатия, достигала 700–900 эВ при средней концентрации ионов 5 ? 1017 8 ? 1017 см-3. Максимальная мощность излучения в К-линиях алюминия составляет 300 МВт/см при длительности излучения 20 нс.