08.05.2013 / 08 Бурдаков
.pdfИсследования по удержанию и нагреву плазмы в открытых магнитных конфигурациях в ИЯФ СО РАН
А.В.Бурдаков
Институт ядерной физики им.Г.И.Будкера СО РАН
МногопробочнаяловушкаГОЛ 33
Электронный пучок |
Магнитное поле |
Плазма |
энергия 0.5 ÷ 0.8 МэВ |
многопробочное |
плотность 1013 ÷ 1016 см-3 |
ток ~30 кА |
Bmax / Bmin = 4.8 / 3.2 Тл |
температура Te ≈ Ti ~ 2 кэВ |
длительность ~10 мкс |
52 периода гофрировки |
время жизни до 1 мс |
Общая картина нагрева и удержания
•Передача энергии от электронного пучка в плазму идет за счет коллективного взаимодействия и происходит очень эффективно
•Развитие в плазме турбулентности во время инжекции пучка приводит к увеличению скорости рассеяния электронов и подавлению продольной электронной теплопроводности
•В результате электронная температура плазмы достигает 2-4 кэВ
•После окончания инжекции эффект подавления теплопроводности исчезает
•Неоднородный продольный профиль температуры (давления)
электронов приводит к возникновению встречных потоков плазмы в ячейках, при столкновении которых происходит их термализация и нагрев ионов до высокой температуры
•Возбуждение баунс-колебаний ионов в отдельных ячейках приводит к
дополнительному рассеянию пролетных ионов и уменьшению скорости продольных потерь
НаправленияработГОЛ 3 в20122012 гг..
• Исследования по физике пучков в плазме
исследование генерации суб-ТГц излучения плазмы (с ЛПИМТИ НГУ)эксперименты с длинноимпульсным электронным пучком (~10 МВт, ≥100 мкс)
•Продвижение к термоядерной энергетике
-работы в поддержку открытой ловушки нового поколения в ИЯФиспытания конструкционных материалов для будущего т/я реактора
•Развитие экспериментальной техники и технологий
-электронные пучки ~100 кэВ, 10÷100 МВт, длительностью ~1 мс
-атомарные пучки для ГОЛ-3 (1÷1,5 МВт, длительностью ~1 мс, совм. с Лаб. 9)
-новая быстрая электроника для систем регистрации (работа сект. 9-15)
-новые и улучшенные методики измерения параметров плазмы
Чтопроисходитспучкомвплазмеплазме??
Результаты 2-D численного моделирования
(И. В. Тимофеев)
Электронный пучок бесконечно длинный, это не банч !!!
шаг по времени ~500 пс
j ~ 1 кА/см2, ne ~ 1021 м-3
концентрация электронов
продольный импульс
поперечный импульс
1 мм
продольная координата, пучок летит туда →
Суб ТГцизлучениеплазмымы
Физика: откуда берётся это излучение?
•Ленгмюровские колебания = сильные ВЧ электрические поля в плазме.
•Нелинейная стадия ленгмюровской турбулентности → излучение.
•Характерные частоты: первая и вторая гармоники плазменной частоты,
f p = |
ωp |
= 9 103 |
ne [Гц, см-3]; для условий ГОЛ-3 частота ~ 0.1÷1 ТГц. |
|
|||
|
2π |
|
•Научные задачи:
-астрофизика (природа солнечных вспышек III типа)
-перестраиваемые генераторы терагерцового диапазона
-диагностика плазмы (как индикатор ленгмюровской турбулентности)
Суб ТГц: механизмыгенерациирации
Механизмы генерации (приведены два из многих)
а) конверсия плазмона в фотон на |
l |
δn |
t |
~ ωP |
|
флуктуациях плотности или ионно- |
|
|
|||
звуковых колебаниях |
|
|
|
|
|
б) аннигиляция двух плазмонов в фотон |
l1 |
|
t |
~ 2 |
ωP |
l2 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
Численное моделирование
I V Timofeev // Phys.Plasmas, 19, 044501 (2012).
|
|
|
|
E |
B |
|
E || B |
|
|
|
|
Суб ТГц: диагностикческаятехникатехника
Состав аппаратуры на сегодня
•квазиоптические многоканальные спектральные приборы с детекторами Шоттки;
•спектрально-селективные фильтры и поляризаторы на основе многослойных структур, есть комплект фильтров и детекторов на диапазон 75 – 530 ГГц;
•система регистрации на АЦП-200МЕ (лаб. 6) и АЦП-12500 (сек. 9-15);
•работают: 8-канальный спектрометр + поляриметр + одиночные детекторы;
•проведена абсолютная калибровка системы в сборе на стенде в НГУ.
8-канальный спектрометр |
характеристики фильтров |
мм Суб |
|
Каналы |
|
регистрации |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
й |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ны |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ь |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
л |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
на |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
а |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
х |
к |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
й4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
х |
|
|
|
|
ни |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
х |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
р |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
е |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
й |
|
|
||
В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
и |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
н |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ж |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
и |
|
|
|
|
|
й |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Н |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ны |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ь |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
л |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
на |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
а |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
к |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Суб ТГЦ: новыерезультатыаты
Интенсивность и спектр сильно зависят от режима работы и точки наблюдения!
«Живые» сигналы |
Спектры и поляризация |
|
поляризация вне резонансов |
«усы» по серии выстрелов в одном режиме |
|
линейный масштаб |
||
|
вблизи резонанса f = 2ωp/2π |
логарифмический масштаб |
Длинноимпульсныйпучокчок
Мотивация этих работ
•Пучки в плазме = физика турбулентности
•Разные масштабы по времени → появление новых физических явлений
•Установка ГОЛ-3 : τ ~ 10 мкс; P ~ 20 ГВт; nbeam/nplasma ~ 10-3-10-4
новая физика: подавление продольной теплопроводности, быстрый нагрев ионов, подавление продольного потока частиц, стабилизация магнитным широм → достигнута субтермоядерная температура
•Куда двигаться дальше?
•С реакторной точки зрения интересна работа в стационарном режиме: использование электронных и атомарных пучков для нагрева плазмы.
•Появились новые идеи использования электронных пучков (проект ГДМЛ).
Главное направление: увеличение длительности при снижении мощности
•Цель работ на ГОЛ-3: развитие физики и технологии длинноимпульсных электронных пучков с целью: E ~ 100 кэВ, I ~ 1 кА, P ~ 10 ÷ 100 МВт, τ ~ 1 с
•2011 год: первые эксперименты с пучком τ > 100 мкс на ГОЛ-3 и ГДЛ.
•весна 2012 года: большая серия экспериментов на ГОЛ-3.