ПОЛУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ГОРЯЧЕЙ ПЛАЗМЫ В ЦЕНТРАЛЬНОМ СОЛЕНОИДЕ АМБАЛ-М
создание документов онлайн
Документы и бланки онлайн

Обследовать

Администрация
Механический Электроника
биологии
география
дом в саду
история
литература
маркетинг
математике
медицина
музыка
образование
психология
разное
художественная культура
экономика Сельское хозяйство Строительство архитектура Финансы бизнес бухгалтерский учет одежда перевозки связи справедливость страхование торговля




















































ПОЛУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ГОРЯЧЕЙ ПЛАЗМЫ В ЦЕНТРАЛЬНОМ СОЛЕНОИДЕ АМБАЛ-М

перевозки


Отправить его в другом документе Tab для Yahoo книги - конечно, эссе, очерк Hits: 1439


дтхзйе дплхнеофщ

Определение условий укладки бесстыкового пути
СКВОЗНАЯ ПРОГРАММА ПРАКТИК - Направление 190500 – Эксплуатация транспортных средств
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КЛАССА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ, КОНСТРУКЦИИ, ТИПА И ХАРАКТЕРИСТИК ЕГО ВЕРХНЕГО СТРОЕНИЯ ПУТИ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧИСЛА ПОГРУЗОЧНО-РАЗГРУЗОЧНЫХ МАШИН
АВТОМАТИЗАЦИЯ ПОГРУЗОЧНО-РАЗГРУЗОЧНЫХ РАБОТ И СКЛАДСКИХ ОПЕРАЦИЙ
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ И ОХРАНЫ ТРУДА ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ПОГРУЗОЧНО-РАЗГРУЗОЧНЫХ РАБОТ
ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ПО ВЫБОРУ ОПТИМАЛЬНОГО ВАРИАНТА МЕХАНИЗАЦИИ
 

ПОЛУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ГОРЯЧЕЙ ПЛАЗМЫ В ЦЕНТРАЛЬНОМ СОЛЕНОИДЕ АМБАЛ-М

АННОТАЦИЯ

На полностью осесимметричной амбиполярной ловушке АМБАЛ-М выполняются эксперименты по получению и исследованию плотной, горячей плазмы в длинном соленоиде. Создание горячей плазмы в соленоиде и концевой системе производится за счет заполнения термоизолированной плазменной струей с развитой низкочастотной турбулентностью и продольным электронным током, генерируемой газоразрядным источником плазмы, расположенным в запробочной области соленоида. В результате экспериментов в центральном соленоиде получена МГД-устойчивая плазма длиной 6 м, диаметром 40 см, плотностью , энергией ионов 250 эВ, температурой электронов 60 эВ. Обнаружено, что на спокойной распадной стадии поперечные потери плазмы в соленоиде, связанные с низкочастотными колебаниями и неамбиполярным переносом, достаточно малы и сравнимы с потерями вследствие классической диффузии.



1. ВВЕДЕНИЕ

Амбиполярная ловушка АМБАЛ-М [1] является полностью осесимметричной, и экспериментальные исследования на ней принципиально важны для будущего термоядерного реактора. Ключевыми вопросами исследований на амбиполярной ловушке АМБАЛ-М являются обеспечение МГД-стабилизации бесстолкновительной осесимметричной плазмы и изучение продольных и поперечных потерь.  Эксперименты  на установке АМБАЛ-М разделены на две стадии. С 1993 г. по 2000 г. проводились эксперименты на концевой системе, состоящей из пробкотрона и полукаспа. В этой системе с помощью установленного в запробочной области источника турбулентной плазменной струи получена МГД-устойчивая горячая стартовая плазма с плотностью , электронной температурой ~ 60 эВ, энергией ионов ~ 250 эВ, изучена термоизоляция во входной пробке и нагрев электронов в пробкотроне протекающим по плазме продольным электронным током [2].

В 2000 г. на установке АМБАЛ-М подготовлен и начат эксперимент по получению и исследованию плотной, горячей плазмы в длинном соленоиде, который был пристыкован к имеющейся концевой системе. Создание горячей плазмы в соленоиде и концевой системе производится за счет заполнения термоизолированной плазменной струей с развитой низкочастотной турбулентностью и продольным электронным током, генерируемой газоразрядным источником плазмы, использовавшимся в экспериментах на концевой системе и расположенным в запробочной области соленоида. В настоящей работе представлены результаты первых экспериментов по заполнению соленоида горячей плотной плазмой.

2. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Схема экспериментальной установки представлена на рис.1. Расстояние между пробками пристыкованного к концевой системе соленоида составляет 7 м, длина участка соленоида с однородным магнитным полем 1,95 кГс составляет 6 м. Для достижения оптимального заполнения соленоида предусмотрена возможность изменения расстояния между входной пробкой соленоида и источником плазмы в пределах от 70 до 155 см.

Определение параметров плазмы в соленоиде производилось набором диагностик, применявшимся ранее в экспериментах на концевой системе [2] и состоявшим из подвижных ленгмюровских и магнитных зондов, диамагнитных петель, энергоанализатора торцевых потерь, системы многохордового зондирования плазмы по ослаблению пучка быстрых атомов в соленоиде.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Эксперименты показали, что заполнение соленоида турбулентной плазменной струей позволяет получить термоизолированную плазму длиной 6 м, диаметром до 40 см, плотностью до , средней энергией ионов 250 эВ и температурой электронов 60 эВ. В результате изменения расстояния между источником плазмы и входной пробкой соленоида выяснилось, что и плотность плазмы и ее энергосодержание возрастают при приближении источника плазмы к соленоиду. На рис.2 приведены осциллограммы диамагнетизма плазмы для трех положений источника плазмы, в которых расстояние до входной пробки составляло 155, 110 и 70 см.

Измерения ленгмюровскими зондами показали, что внутренняя область плазмы имеет значительный отрицательный потенциал. Плавающий потенциал одиночного ленгмюровского зонда составлял около  при максимальном расстоянии между соленоидом и источником плазмы, использовавшемся в экспериментах и составлявшем 155 см, и около  при минимальном расстоянии 70 см (рис.3). Быстрое дифференциальное вращение плазмы, вызванное значительным радиальным градиентом потенциала, приводит к развитию неустойчивости Кельвина-Гельмгольца. В спектрах флуктуаций плотности и потенциала присутствуют максимумы на частотах, кратных основной частоте  кГц и связанных с дрейфом соответствующих азимутальных гармоник.

Развитие электростатических колебаний в плазме приводит к интенсивной радиальной диффузии плазмы, в результате чего происходит заполнение внутренней области плазмы, имеющей на выходе из источника полую структуру из-за кольцевой геометрии разрядного канала источника, и к появлению плазмы на периферии. Полученные из зондовых измерений и многохордового ослабления диагностического пучка быстрых атомов водорода радиальные профили плотности плазмы (рис.4) имеют характерный радиус на высоте 1/e около 12ё18 см, который зависит от расстояния между источником плазмы и соленоидом. При приближении источника плазмы к входной пробке, вследствие увеличения поперечного переноса плазмы, вызванного повышением уровня флуктуаций потенциала плазмы с 30 до 80 В (см. рис.5), а также из-за увеличения внешнего радиуса проекции газоразрядного канала источника плазмы в соленоид вдоль силовых линий магнитного поля с 12,9 до 14,2 см, величина a возрастает и достигает 18 см при расстоянии 70 см между источником и входной пробкой.

Радиальный профиль продольного тока электронов, текущего по плазме соленоида, измерялся с помощью подвижного магнитного зонда. На рис.6 представлен радиальный профиль плотности продольного тока на начальном участке соленоида (в сечении  см). Из графика видно, что есть внутренняя кольцевая область, где ток электронов (отрицательный) с плотностью  и полной величиной  кА направлен от источника плазмы в соленоид, а вне этой области есть кольцо плазмы, в котором ток полной величиной  кА направлен в обратную сторону.

Выполнены измерения локального поперечного переноса плазмы в центральном соленоиде. Локальный поперечный поток плазмы, вызванный электростатическими колебаниями в плазме, имеет дрейфовую природу и определяется выражением , где  и  — флуктуации азимутального электрического поля и плотности плазмы, и угловые скобки означают усреднение по интервалу времени, большому по сравнению с характерным периодом колебаний. Этот поток определялся перемещаемым по радиусу комбинированным ленгмюровским зондом с четырьмя электродами, с помощью которого измерялись азимутальное электрическое поле по разности плавающих потенциалов одной пары зондов и плотность плазмы в режиме ионного тока насыщения. Зонды аналогичной конструкции использовались разными авторами для изучения флуктуаций и переноса в периферийной плазме токамака (см., например, [3, 4]) и пинча с обращенным магнитным полем [5]. Для снижения влияния источника плазмы на измерения радиального переноса на спокойной стадии распада плазмы в соленоиде производилось быстрое, за время ~ 0,1 мс, отключение тока разряда в источнике.

Осциллограммы сигналов ионного тока насыщения и азимутального электрического поля представлены на рис.7. Видно, что отключение тока разряда в источнике приводит к резкому снижению уровня колебаний электрического поля, а в токе насыщения в течение ~0,5 мс после отключения наблюдаются крупномасштабные флуктуации, которые, по нашему мнению, свидетельствуют о появлении МГД активности плазмы при ослаблении ее стабилизации эффектом вмороженности в проводящий торец после отключения источника. Обработка сигналов n и Ej, учитывающая сдвиг фаз между ними и соответствующую корреляцию, показывает, что коэффициент турбулентной диффузии плазмы на низкочастотных колебаниях в соленоиде на стадии заполнения составляет ~2Ч106 см2/с. Через 0,2 мс после отключения тока в источнике радиальный поток плазмы снижается примерно в 30 раз, а через 0,7 мс — примерно в 103 раз по сравнению с турбулентным потоком при работающем источнике.

Неамбиполярный перенос плазмы в соленоиде был определен путем измерения тока на плазмоприемник в полукаспе. При полностью отключенном источнике плазмы ток на плазмоприемник составлял .

Дополнительное увеличение плотности плазмы в соленоиде было достигнуто путем напуска водорода в приосевую область плазмы через керамическую трубку, установленную вблизи входной пробки соленоида. При оптимальном темпе подачи водорода ~10 лЧТорр/с в приосевую область соленоида, плотность и диамагнетизм плазмы увеличились примерно в 1,7 раза. Таким образом, максимальная плотность плазмы в соленоиде достигла величины .

В таблице 1 представлены основные параметры соленоида установки АМБАЛ-М и полученной в нем плазмы.

Таблица 1.

Параметр

Значение

расстояние между пробками

7 м

магнитное поле в однородной части

1,95 кГс

пробочное отношение во входной и выходной пробках

10,7 и 14,7

начальный вакуум

 Торр

длительность импульса источника плазмы

~ 2 мс

диаметр плазмы

~ 40 см

плотность плазмы

температура электронов

60 эВ

энергия ионов

250 эВ

продольный электронный ток в плазме

~ 2 кА

4. ОБСУЖДЕНИЕ

Проведенные эксперименты показали, что использование термоизолированной турбулентной плазменной струи является достаточно эффективным способом создания горячей плазмы в соленоиде. При прохождении соленоида ионы струи приобретают поперечную энергию за счет стохастического нагрева электростатическими колебаниями с широким спектром и часть ионов при пролете через пробкотрон захватывается в область удержания [2]. Следует отметить, что циклотронная частота ионов в соленоиде ~ 3 МГц, и стохастический нагрев ионов осуществляется далекими субгармониками циклотронной частоты в отличие от известных экспериментов [6], в которых стохастический нагрев производился на частоте вблизи ионно-циклотронной. Электроны плазмы нагреваются за счет столкновений с захваченными горячими ионами и релаксации протекающего вдоль плазмы потока электронов с продольной энергией ~ 200 эВ и током ~ 2 кА. Наличие поперечных электростатических колебаний в плазме приводит также к повышенной диффузии плазмы, в результате чего радиальный профиль плотности становится шире, и появляются определенные поперечные потери. Как указывалось выше, создание горячей стартовой плазмы за счет заполнения турбулентной плазменной струей успешно применялось ранее на концевой системе АМБАЛ-М. Однако объем плазмы в соленоиде много больше объема плазмы в концевой системе, поэтому для заполнения соленоида потребовалось увеличить поступающий поток плазмы путем приближения источника к входной пробке соленоида.

Осциллограммы диамагнетизма и плотности плазмы в соленоиде на стадии распада при обычном (медленном) отключении источника плазмы спокойные, и типичное время распада плазмы ~ 1 мс согласуется с классическим временем удержания плазмы в пробочной ловушке, которое определяется рассеянием ионов в конус потерь. Такое поведение плазмы в соленоиде свидетельствует о ее МГД устойчивости. Оценки МГД устойчивости плазмы по отношению к желобковым возмущениям в используемой геометрии магнитного поля показывают, что для обеспечения устойчивости плазма полукаспа должна иметь давление, большее давления плазмы в соленоиде. В экспериментах оказалось, что плотность плазмы в полукаспе в несколько раз меньше, чем в соленоиде, поэтому МГД устойчивость плазмы соленоида должна обеспечиваться другим механизмом. Существование этого иного механизма стабилизации было подтверждено тем, что поведение плазмы в соленоиде не изменилось при отключении катушек полукаспа, создающих благоприятную кривизну магнитных силовых линий. Наиболее естественным объяснением наблюдаемой устойчивости плазмы представляется ее вмороженность в хорошо проводящую теплую плазму вблизи источника, конечная плотность которой сохраняется и при медленном затухании тока разряда в источнике, происходящем за характерное время ~ 0,5 мс после его отключения. При принудительном, резком отключении тока разряда в источнике за время ~ 0,1 мс плотность плазмы в соленоиде спадает со временем быстрее, чем при медленном отключении источника, и наблюдаются интенсивные колебания плотности с частотами 5–10 кГц. Эти наблюдения указывают, скорее всего, на потерю МГД устойчивости в результате ослабления вмороженности плазмы в источник при его резком отключении. Для выяснения этого вопроса требуется дополнительное изучение колебаний плазмы и ее поперечных потерь на стадии распада в разных режимах работы источника.

Проведенные измерения позволили оценить время жизни плазмы в осесимметричном соленоиде. Время жизни плазмы, определяемое поперечными потерями из-за электростатических колебаний на стадии распада , составляет десятки миллисекунд. Время жизни плазмы в соленоиде, связанное с неамбиполярными потерями, оценивается как  (где V – объем плазмы) и составляет ~ 100 мс. Полученные времена поперечного удержания достаточно велики (на один-два порядка превышают классическое время продольного удержания) и указывают на потенциальную возможность удержания плазмы в центральном соленоиде амбиполярной ловушки при подавлении продольных потерь.

Контролируемый напуск газа в плазму для поддержания или увеличения ее плотности используется на многих установках с магнитным удержанием плазмы, а среди открытых систем, например, на амбиполярной ловушке GAMMA-10 [7]. Напуск водорода в плазму установки АМБАЛ-М использовался ранее в пробкотроне концевой системы и показал свою высокую эффективность [8]. Было обнаружено, что напуск газа увеличивает как плотность плазмы, так и ее энергосодержание. Объяснение этого факта состоит в том, что во время напуска газа продолжает работать газоразрядный источник плазмы, вводящий в плазму соленоида значительную мощность, которая передается частицам образующейся плазмы, нагревая их. Поэтому ионы, возникающие в результате ионизации газа, быстро набирают энергию при стохастическом нагреве от электростатических колебаний, а электроны набирают энергию от усиленной релаксации продольного тока электронов в плазме с большей плотностью.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

За счет заполнения турбулентной плазменной струей в центральном соленоиде АМБАЛ-М получена плазма длиной 6 м, диаметром ~40 см, плотностью до , электронной температурой 60 эВ, энергией ионов ~250 эВ. При дополнительном напуске газа плотность плазмы была доведена до  без существенного снижения температуры плазмы. Для дальнейшего повышения плотности плазмы в соленоиде будет использоваться вторая плазменная струя, заполняющая соленоид с противоположного торца. В настоящее время второй источник установлен в баке плазмоприемника, а препятствовавшая полному прохождению плазменной струи вакуумная катушка полукаспа удалена. В результате между вторым источником и пробкотроном образовалась переходная область, аналогичная той, что имеется между первым источником и соленоидом, и МГД устойчивость плазмы обеспечивается по-прежнему вмороженностью в источники плазмы на торцах установки.


Литература:

1.     G.I.Dimov, Proc. Int. Conf. on Open Plasma Confinement System for Fusion, 1993, Novosibirsk, Russia, World Sci. Publ., 1994, P.23.



2.     Т.Д.Ахметов, В.С.Белкин, Е.Д.Бендер и др., Физика Плазмы, 1997, Т.23(11), С.988.

3.     J.A.Boedo, D.Rudakov, R.Moyer et al., Phys. Fluids, 2001, V.8(11), P.4826.

4.     Е.О.Векшина, П.Р.Гончаров, С.В.Шаталин и др., Письма в ЖТФ, 2000, Т.26(19), С.52.

5.     T.D.Rempel, A.F.Almagri, S.Assadi et al., Phys. Fluids B, 1992, V.4(7), P.2136.

6.     М.С.Иоффе, Б.И.Канаев, В.П.Пастухов, Е.Е.Юшманов, ЖЭТФ, 1974, Т.67, С.2145.

7.     T.Tamano, Phys. Plasmas, 1995, V.2(6), P.2321.

8.     T.D.Akhmetov, S.A.Bekher, V.I.Davydenko et al., Proc. 11-th Int. Toki Conf. on Potential and Structure in Plasmas, December 5-8, 2000, Toki, Japan. To be published in Journal of Plasma and Fusion Research, (JPFR series, 2001, V.4).


Подписи к рисункам:

Рис. 1. Схема экспериментов с центральным соленоидом (вид сбоку).  1 – соленоид, 2 – газоразрядный источник плазмы, 3 – входная пробка соленоида, 4 – выходная пробка, 5 – пробкотрон, 6 – полукасп. Показаны силовые линии, выходящие из источника плазмы ( см,  см). Внизу приведен профиль магнитного поля на оси.

Рис. 2. Осциллограммы диамагнетизма плазмы в соленоиде для трех расстояний между источником плазмы и соленоидом.

Рис. 3. Радиальные профили плавающего потенциала зонда для наибольшего и наименьшего использованных расстояний между источником плазмы и соленоидом.

Рис. 4. Радиальный профиль плотности плазмы в соленоиде при наименьшем расстоянии между источником и соленоидом.

Рис. 5. Радиальные профили среднеквадратичных по времени флуктуаций плавающего потенциала зонда для наибольшего и наименьшего расстояний между источником плазмы и соленоидом.

Рис. 6. Радиальный профиль плотности продольного тока в плазме соленоида.

Рис. 7. Осциллограммы плотности плазмы и азимутального электрического поля на радиусе 6 см.


Рис. 1  к статье Т.Д.Ахметова, В.С.Белкина, И.О.Беспамятнова и др.

«Получение и исследование горячей плазмы в центральном соленоиде АМБАЛ-М»


Рис. 2  к статье Т.Д.Ахметова, В.С.Белкина, И.О.Беспамятнова и др.

«Получение и исследование горячей плазмы в центральном соленоиде АМБАЛ-М»


Рис. 3  к статье Т.Д.Ахметова, В.С.Белкина, И.О.Беспамятнова и др.

«Получение и исследование горячей плазмы в центральном соленоиде АМБАЛ-М»


Рис. 4  к статье Т.Д.Ахметова, В.С.Белкина, И.О.Беспамятнова и др.

«Получение и исследование горячей плазмы в центральном соленоиде АМБАЛ-М»


Рис. 5  к статье Т.Д.Ахметова, В.С.Белкина, И.О.Беспамятнова и др.

«Получение и исследование горячей плазмы в центральном соленоиде АМБАЛ-М»


Рис. 6  к статье Т.Д.Ахметова, В.С.Белкина, И.О.Беспамятнова и др.

«Получение и исследование горячей плазмы в центральном соленоиде АМБАЛ-М»


Рис. 7  к статье Т.Д.Ахметова, В.С.Белкина, И.О.Беспамятнова и др.

«Получение и исследование горячей плазмы в центральном соленоиде АМБАЛ-М»