ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2007, том 33, № 3, с. 285-288
КРАТКИЕ ^^^^^^^^^^^^^^ СООБЩЕНИЯ
УДК 533.952 ;621.039.61
ТОКОВЫЕ ГАЛО-СТРУКТУРЫ В СИЛЬНОТОЧНЫХ ПЛАЗМЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАХ.
е-пинч
© 2007 г. Ю. В. Матвеев
Государственное научно-производственное объединение "Сухумский физико-технический институт" Академии наук Абхазии Поступила в редакцию 19.04.2006 г.
Приводятся и обсуждаются экспериментальные данные, позволяющие понять природу галообразо-вания в тета-пинчевых разрядах. Опыты проводились с использованием различных газов (Н2, D2, Не, Аг) на установке с параметрами: W = 10 кДж, I = 400 кА, Т/2 = 14 мкс; диаметр фарфоровой камеры и длина катушки возбуждения равны 15 и 30 см, соответственно. Окружающие ядро пинча плазменные кольца (гало) образуются в результате коаксиальных расслоений пинча из-за возбуждения в толще пинча индуктонов (замкнутых токов) и схождения от стенки токово-плазменных оболочек, оставшихся после взрыва Т-слоев в начальной стадии разряда. Высказаны соображения о некоторой общности природы гало-структур, наблюдаемых в пинчах, токамаках и в других сильноточных установках, используемых, например, в исследованиях по проблеме УТС.
PACS: 52.30.-q, 52.55.Ez
1. В настоящее время активно изучаются причины появления токов, окружающих плазменные столбы в токамаках при возбуждении дизруптив-ной неустойчивости [1]. Разрабатываются методы их исключения [2]. Ранее о такого рода явлении заполнения токовой плазмой области вне сильноточных динамических зет-пинчей уже сообщалось [3, 4]. Было установлено, что часть окружающих зет-пинчи токово-плазменных оболочек формируется в результате возбуждения индуктонов [4, 5] в плазме пинчей. Другая часть обязана происхождением взрывам Т-слоев в фазах начального пристеночного пробоя рабочего газа и повторным шунтирующим разрядам [3]. Указывалось также на возможность развития подобной МГД-активности плазмы в токамаках и в других сильноточных устройствах [3, 4] при воздействиях, вызывающих уменьшение распределенных в плазме магнитных потоков. Воздействия, протекающие за времена, меньшие времени диффузии поля через плазму, индуцируют в ней замкнутые токи и расталкивающие пондеромоторные силы. Замкнутые токи - индуктоны - возникнут, например, при уменьшении тока в плазме, уменьшении сечения плазменного шнура, при перемещениях плазмы из области с сильным магнитным полем в область с меньшей напряженностью, при локальных взрывообразных изменениях температуры и концентрации плазмы, порождающих в ней гребнеобразные структуры поля [6].
2. Окружающие пинч плазменные оболочки -гало - наблюдались и в тета-пинчевых экспериментах [7-9]. Их отмечали после первого сжатия
в режиме с повышенным начальным давлением рабочего газа; взаимодействие оболочек гало со стенкой влияло на энергетический баланс и стабильность пинчей [10]. Причины галообразова-ния не были выяснены. Полагали, что гало - результат желобковой неустойчивости, аномальной диффузии либо ионизации оставшегося вне пинча газа.
3. Обсуждаемые ниже результаты получены нами на тета-пинчевой установке (рис. 1) с фарфоровой камерой при энергозапасе в конденсаторной батарее W = 10 кДж, максимальном токе в катушке возбуждения I = 400 кА и полупериоде колебания тока Т/2 = 14 мкс. Фоторазвертки разрядов в гелии и в аргоне без предыонизации газа приведены на рис.2. Вследствие большей интенсивности видимого излучения динамика галооб-разования представлена на них отчетливее, нежели при разрядах в водороде и дейтерии. Качественно же эти процессы протекают подобным образом. Видно (рис. 2б,г), что сформированный к моменту ? = Т/4 пинч окружен плазменными кольцами (оболочками), заполняющими пространство до стенки камеры. Оболочки пришли от стенки камеры, образовавшись в фазе разгора-ния разряда, и были выброшены из пинча после его максимальных сжатий.
В исследованном для указанных газов диапазоне давлений 3 х 10-2-5 Тор начальная стадия разряда (А? ~ 1 мкс) завершается яркой вспышкой и взрывообразным расширением отошедшей на некоторое расстояние от стенки первой токовой
I
Рис. 1. Тета-пинчевая установка с размещенными в разрядной камере на расстояниях г у = 2 см, = 00.5 см и Г3 = 7.8 см от оси магнитными зондами. 1 - катушка возбуждения, 2 - фарфоровая камера, 3 - токо-во-плазменная оболочка (ТПО), 4 - зондовая трубка с минимальным диаметром 2.5 мм. L, С, Р - индуктивность, емкость и коммутирующий элемент разрядного контура, соответственно. I - ток в контуре источника питания, возбуждающий ток в плазменном кольце. Радиальными стрелками указано направление движения ТПО после ее формирования у стенки камеры.
оболочки. К оси уходит ударная волна (рис. 2в-д); плазменный фронт смещается и наружу (рис. 2а-д). При низких давлениях газа он порождает отходящую от стенки тяжелую плазменную оболочку. В области промежуточных давлений отмечаются более сложные радиальные структуры плазмы (рис. 2г). В последующем заполнение плазмой области вне пинча идет за счет выброса плазмы с его поверхности (рис. 2б-г).
Найдено, что относительно медленные пинче-вания плазмы (при высоком начальном давлении газа р0 либо захваченном магнитном поле - в обсуждаемых опытах оно заметно диффундировало через сжимаемую к оси гелиевую плазму при 1 Тор < р0 < 10-1 Тор, а через аргоновую при 3 х 10-1 < р0 < 6 х 102 Тор) приводят, как правило, к однократному выбросу оболочки с поверхности сжатой плазмы (рис. 2а,б). В случае, например, наиболее "растрепанного" тета-пинча (рис. 2г) сжимающее плазму магнитное поле практически не проникает в центр камеры в течение двух микросекунд от начала разряда. Оно неожиданно резко нарастает в местах расположения миниатюрных зондов близ оси камеры (рис. 1) при подходе к ним плазмы. Сигнал с зонда, стоящего на г1 = = 2 см от оси, свидетельствует о гребнеобразном
колебании Н в ТПО. Амплитуда первого импульса поля Н у оси (г2 = 0-0.5 см) превышает до 2-х раз напряженность поля под катушкой. Такой характер сигналов указывает на появление в толще пинча токовых петель-индуктонов [4]. Расширение индуктонов приводит, в конечном итоге, к коаксиальному распаду пинча и заполнению камеры плазменными оболочками с токами различных направлений.
В опытах с тета-пинчами, как и в ранее исследованных случаях с динамическими зет-пинчами, скинирование в пристеночной плазме нарастающего разрядного тока и радиальное смещение заряженных частиц в скине приводят к локализации тока в узких слоях, быстрый разогрев которых (яркая вспышка) завершается их взрывом. Взрыв Т-слоя [11] (нелинейная стадия перегревной неустойчивости [12]) выбрасывает плазму на стенку (рис. 2а-д) и к оси (рис. 2в-д). При повышении р0 на выбрасываемых к стенке фронтах, идущих против нарастающего поля И2, развиваются новые Т-слои (рис. 2д), т.е. возникает предсказываемый теорией [11] процесс их размножения. В условиях тета-пинчевых разрядов процесс, качественно подобный размножению Т-слоев, наблюдался в гелиевой плазме до р0 = 5 Тор, в аргоновой плазме до р0 = 1 Тор.
Итак, взрывы формирующихся у стенки токовых оболочек, а также уход плазмы недиффузным образом из области ее ожидаемого удержания в результате коаксиального расслоения пинча приводят к развитию гало в тета-пинчевых разрядах, и в результате:
нарушается электрическая прочность промежутка вне пинча, что затрудняет последующие воздействия на удерживаемую у оси плазму;
имеет место длительный контакт плазмы с внутренней поверхностью камеры, вызывающий десорбцию газа и испарение стенки;
ядро пинча, окруженное плазменными оболочками с протекающими в них токами [7, 8], может отключаться иногда от источника питания.
4. По-видимому, впервые явление, названное позднее "гало" (по внешней аналогии с солнечным и лунным гало), наблюдалось в мощных импульсных разрядах И.Ф. Кварцхава с сотрудниками [7]. Отмечаемые выбросы тонкослойной плазмы с поверхности пинча были определены ими как эруптивные нестабильности. Некоторые вопросы, относящиеся к природе этого МГД-явле-ния и к возможности его использования для создания МГД устойчивых плазменных конфигураций - многооболочных 2-пинчей, обсуждались в [3, 4, 13-16]. Об образовании гало в скрю-пинчах сообщалось в [17] . К необходимости учета плазменных колец, окружающих ядро пинча, привели и опыты с мощными 0-пинчами (Сцилла 4П,
ТОКОВЫЕ ГАЛО-СТРУКТУРЫ В СИЛЬНОТОЧНЫХ ПЛАЗМЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАХ 287
10 t, мкс 0 5 t, мкс
0
5
Рис. 2. Торцевые фоторазвертки 9-пинчевых разрядов в Не (а, б, д) и Аг (в, г) и относящиеся к ним сигналы с магнитных зондов, установленных в центре камеры на Г2 = 0-0.5 см (нижний луч) и на Г1 = 2 см от оси (верхний луч). Полоса на оси фоторазверток - трубка (02.5 мм) с магнитными зондами. Диаметр фарфоровой камеры и длина одновитковой катушки (без пробок) - 15 и 30 см, соответственно. Фотографирование велось через узкую щель по диаметру камеры. Разряды выполнялись при 5 х 10-2 Тор (а), 8 х 10-2 Тор (б), 3 х 10-1 Тор (в), 9 х 10-2 Тор (г), 2 Тор (д). Начальное поле И20 отсутствует.
Wc = 2 МДж, длина катушки 5 м [18]). Интересно заметить, что нейтронные вспышки, отмечаемые после формирования 0-пинча, возникали в фазе появления пристеночной плазмы [19], подобно тому, как это происходит в зет-пинчах при повторных пробоях [4, 20, 21].
Обсуждаемые результаты опытов указывают на необходимость учета в открытых ловушках типа тета-пинч не только аксиальных, но и повышенных радиальных потерь плазмы (недиффузным образом), имеющих место в режимах быстрого сжатия.
Анализ накопленных к настоящему времени экспериментальных результатов свидетельствует об общности природы гало-структур, наблюдаемых в пинчах, токамаках и в других сильноточных установках, используемых, например, в исследованиях по проблеме УТС.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Humphreys D A, Kellman AG. // Phys. Plasmas. 1999. V. 6. P. 2742.
2. Whyte D.G, Jernigan T.C, Humphreys DA. et al. // Phys. Rev. Lett. 2002. V. 89. № 5. P. 0550001(4).
3. KvartskhavaIF, Matveev Yu.V., KhautievE.Yu. // Nucl. Fusion. 1971. V. 11. P. 349.
4. Бутов И.Я, Матвеев Ю.В. // ЖЭТФ. 1981. Т. 81. С. 560.
5. Dothan F, Riege H, Boggasch E, Frank K. // J. Appl. Phys.
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.