ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2008, том 34, № 4, с. 291-296
МАГНИТНЫЕ ^^^^^^^^^^^^^^^^ ЛОВУШКИ
УДК 533.95.8
ВЛИЯНИЕ РАДИАЛЬНОГО ПРОФИЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА НА УДЕРЖАНИЕ ДВУХКОМПОНЕНТНОЙ ПЛАЗМЫ С ВЫСОКИМ b В ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ ЛОВУШКЕ
© 2008 г. Е. И. Солдаткина*' **, П. А. Багрянский*, А. Л. Соломахин*' **
*Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, Новосибирск, Россия **Новосибирский государственный университет, Новосибирск, Россия Поступила в редакцию 05.09.2006 г.
Окончательный вариант получен 07.08.2007 г.
Одной из важнейших задач программы исследований на установке ГДЛ является изучение МГД-устойчивости и поперечного переноса в плазме с высоким относительным давлением (в = np/B2). В экспериментах последних лет было продемонстрировано положительное влияние радиальных электрических полей, создаваемых в плазме при помощи специальных электродов: радиальных лимитеров и коаксиальных торцевых плазмоприемников на устойчивость плазмы в осесимметричном пробкотроне без использования специальных МГД-стабилизаторов. В работе приводятся данные экспериментов, в которых было показано, что устойчивое удержание плазмы всегда реализуется при формировании перепада радиального электрического потенциала в узкой области вблизи границы плазмы. Увеличение времени удержания наблюдалось при создании радиальных электрических полей в диапазоне 15-40 В/см, которые вызывали сдвиговое течение слоев плазмы. Режим удержания, в котором все радиальные электроды были заземлены, характеризовался как неустойчивый с малым временем удержания плазмы по сравнению с характерным временем ее газодинамического истечения через пробки. С помощью специального комбинированного зонда были проведены измерения поперечного потока плазмы, позволившие заключить, что потери частиц поперек магнитного поля пренебрежимо малы по сравнению с продольными потерями и не играют роли в режимах с дифференциальным вращением. Также показано, что электрический контакт плазмы с радиальными лимитерами и торцевыми поглотителями способен существенно уменьшить инкремент развития неустойчивости перестановочного типа в ГДЛ, но не обеспечивает полной МГД-устойчивости в условиях, когда электроды эквипотенциальны.
PACS: 28.55-s
1. ВВЕДЕНИЕ
На установке газодинамическая ловушка (ГДЛ) в течение ряда лет ведется экспериментальное исследование предложенной в [1] концепции удержания плазмы в открытой ловушке с большим пробочным отношением и длиной, превышающей среднюю длину рассеяния ионов в конус потерь. Программа исследований на установке ГДЛ в основном ориентирована на экспериментальное обоснование проекта источника нейтронов (ИН) на основе газодинамической ловушки, который развивается в настоящее время в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера совместно с рядом отечественных и зарубежных организаций [2].
Главной частью установки является осесим-метричный пробкотрон длиной 7 м с пробочным отношением Я = 33, предназначенный для удержания двухкомпонентной плазмы (рис. 1). Одна из компонент - столкновительная мишенная плазма с изотропной в пространстве скоростей
максвелловской функцией распределения частиц -имеет температуру электронов и ионов до 100 эВ и плотность ~5 х 1013 см-3. Для этой компоненты характерен газодинамический режим удержания, так как длина пробега ионов относительно рассеяния в конус потерь не превышает длину ловушки. Другая компонента - быстрые ионы со средней энергией ~10 кэВ и плотностью до 2 х 1013 см-3 - образуется в результате мощной атомарной инжек-ции. Бесстолкновительный адиабатический режим удержания характерен для данной компоненты. Энергия инжектируемых частиц при этом составляет 15-18 кэВ при мощности до 4.2 МВт. Относительное давление плазмы в пробкотроне достигает в = 8лп(е±)/В2 = 0.4 [3], где п и <е±> -плотность и средняя поперечная энергия быстрых ионов, соответственно, а В - магнитная индукция, величина которой в экспериментах составляла 0.2 Т в центральной плоскости установки. Как известно, конфигурация магнитного поля в аксиально-симметричном пробкотроне является неблагоприятной для МГД-устойчивого удер-
катушки магнитной инжектор диагностический
плазмоприемник системы нейтральных атомов плазмоприемник
жания плазмы. В штатных экспериментах на установке ГДЛ магнитогидродинамическая устойчивость достигалась при помощи связанных с пробкотроном дополнительных плазменных секций, обладающих благоприятной геометрией магнитного поля. Плотность истекающей плазмы в запробочной области (расширителе) газодинамической ловушки достаточно велика, что позволяет использовать расширители в качестве плазменных секций, стабилизирующих МГД-не-устойчивости [4]. Для формирования благоприятной в смысле МгД-устойчивости конфигурации магнитного поля в расширителе используются специальные катушки, охватывающие торцевые баки и создающие магнитное поле с направлением, обратным направлению поля в пробкотроне (рис. 1). Кроме расширителей в качестве МГД-стабилизатора на установке ГДЛ также использовалась дополнительная ячейка с конфигурацией антипробкотрона, присоединенная к одному из торцов установки [5].
Временная последовательность работы различных систем установки ГДЛ в описываемых экспериментах была следующей: сначала установка заполнялась газоразрядной ("мишенной") плазмой при помощи плазменного генератора в течение 3.1 мс, затем включалась система атомарной инжекции, продолжающейся 1 мс, далее наблюдался распад плазмы, характерное время которого регистрировалось.
В данное время на установке ГДЛ ведется модернизация системы атомарной инжекции, которая позволит получить плазму с параметрами, необходимыми для моделирования нейтронного источника на основе ГДЛ [2]. Ожидается, что электронная температура достигнет ~200-300 эВ, относительное давление плазмы составит в ~ 0.5
и плотность быстрых частиц превысит плотность мишенной плазмы. Главной задачей следующего этапа экспериментов на ГДЛ является демонстрация возможности устойчивого удержания плазмы при указанных условиях. Одной из основных целей при решении данной задачи остается обеспечение МГД-устойчивости плазмы при относительно высоких значениях параметра в в условиях осесимметричной конфигурации магнитного поля.
В экспериментах последних лет, посвященных изучению влияния на МГД-устойчивость, вращения плазмы в скрещенных полях: магнитном, направленном вдоль оси пробкотрона, и радиальном электрическом, возникающем из-за естественного радиального градиента электронной температуры, было обнаружено, что при подаче оптимального потенциала на специальные радиальные электроды - лимитеры режим удержания плазмы становится близким к устойчивому при максимально достижимом значении параметра в, даже в условиях, когда МГД стабилизирующие элементы были отключены [6]. Улучшение удержания плазмы при подаче потенциала на кольцевые лимитеры, окружающие плазменный столб, наблюдалось также в экспериментах на амбипо-лярной ловушке Н1Е1 [7].
Целью данной работы стало изучение возможных механизмов подавления МГД-неустойчиво-сти и улучшения удержания. Изучалось влияние контакта плазмы с торцевыми плазмоприемника-ми и влияние профиля радиального электрического поля на МГД-устойчивость и поперечные потери частиц и энергии.
инжекция лимитер
источник плазмы
Нг
Рис. 2. Схема эксперимента по изучению влияния контакта плазмы с торцевым плазмоприемником.
2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА 2.1. Аппаратура и диагностики
Для управления радиальным распределением потенциала в плазме в области расширителей с каждой из сторон были установлены секционированные плазмоприемники, состоящие из заземленного центрального диска и трех изолированных концентрических колец, на которые можно было независимо подавать потенциал в диапазоне от 0 до +300 В при помощи регулируемых источников напряжения. Внутри пробкотрона вблизи пробок симметрично относительно центральной плоскости были установлены охватывающие плазму кольца из нержавеющей стали (лимитеры), изолированные от вакуумной камеры и присоединенные к общему источнику напряжения с диапазоном регулирования от 0 до +300 В (рис. 1).
Перед началом экспериментов были созданы специализированные диагностики, ориентированные на проведение указанных выше исследований. Эти диагностики базировались на зондо-вых методах исследования плазмы. На плазмо-приемник, расположенный в противоположном от источника плазмы торцевом баке, было установлено 32 плоских зонда диаметром 15 мм для регистрации пространственного распределения плотности потока ионов на торце. Они располагались эквидистантно по азимуту по 8 зондов на каждой из 4 секций плазмоприемника. На зонды каждой из секций подавалось напряжение от независимых источников питания, что обеспечило работу датчиков в режиме насыщения ионного тока. Такая диагностика позволила следить во времени за распределением плотности потока ионов в плоскости плазмоприемников, наблюдать форму импульса и вычислять характерное время спада полного продольного тока ионов после выключения генератора плазмы, получать данные о характерном радиусе плазменной струи в расширителе и степени ее асимметрии. Также в экспериментах использовался ленгмюровский зонд, способный работать в режиме измерения
плавающего потенциала и в режиме тройного зонда [8] для измерения плотности и температуры периферийной плазмы. Для измерения флуктуа-ций азимутального электрического поля и плотности плазмы использовался комбинированный зонд, состоящий из двух пар электродов. Специальный алгоритм корреляционного анализа позволял при этом вычислять величину радиального конвективного потока частиц плазмы, вызванного флуктуациями потенциала [9].
3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ 3.1. Влияние лимитеров и плазмоприемников
Одним из возможных механизмов стабилизации МГД-неустойчивости в ГДЛ является контакт плазмы с лимитерами и торцевыми плазмо-приемниками. В работе [10] изучалось влияние контакта с лимитерами. Путем измерения сопротивления дебаевского слоя плазмы вблизи лимитера, оценок характерного времени разрядки емкости плазменного столба через сопротивление лимитера и сравнения его с характерным временем развития МГД-неустойчивости
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.