В. В. Приходько Удержание анизотропных горячих ионов в установке ГДЛ (по материалам кандидатской диссертации) Структура диссертации: Введение Анализатор атомов перезарядки Изучение пространственных профилей плотности быстрых ионов в ГДЛ в режимах с высоким значением параметра β Эксперимент с компактным пробкотроном на установке ГДЛ Выводы

Анализатор атомов перезарядки Cканируемые углы: продольный1.5 o, поперечный один канал2 o, суммарно23 o. Система регистрации: 11 каналов, τ=18 мкс, E=6-19 кэВ, E/E=6%. 1.Перезарядная камера 2.Камера анализатора 3.Коллимационные отверстия 4.Электростатический конденсатор 5.Выравнивающие электроды 6.Микроканальная пластина

ГДЛ – модель источника нейтронов Магнитная система: R=35, B 0 =2.6 кГс. Мишенная плазма: водород, n w =5·10 13 см -3, T w 100 эВ, a w =22 см. Инжекционная система: дейтерий, E 0 =18-20 кэВ, θ=45º, P inj =4 МВт, τ inj =1мс. Особенности эксперимента: 2ρ fi / a w 0.5, n f / n w 0.5, β 0.4, A~1. Anikeev A.V., et. al., Nucl. Fus., 40, 4, (2000) Maximov V.V., et. al., Nucl. Fusion., 44, (2004). Ivanov A.A., et.al., Phys. Rev. Lett., 90, 10 (2003)

Анализатор атомов перезарядки Мишень: пучок атомов водорода, E b =40 кэВ, j b =0.25 экв.А/см 2, D b =4 см. Размеры сканируемой области: один канал4 x 4 x 3 см 3, суммарно4 x 4 x 35 см 3.

X 0, cm Профили потока атомов перезарядки Соответствует профилю плотности ларморовских центров быстрых ионов, вычисленному по экспериментальным профилям плотности мишенной плазмы и нагревных пучков с учётом всех процессов захвата.

Детектор протонов DD-реакций Схема установки детектора протонов Максимов В.В., Дисс. канд. физ.-мат. наук. --- Новосибирск, 2003 Профиль потока протонов. Соответствует профилю плотности быстрых ионов с шириной a fi =18 см X 0, cm

Сравнение с результатами расчётов Параметрa w a fi a DD Расчёт22 см28 см20 см Эксперимент22 см31-16 см12 см Модель учитывала: радиальный профиль плотности и температуры мишенной плазмы; параметры нагревных пучков и процессы захвата; парные кулоновские столкновения быстрых ионов с мишенной плазмой.

Эксперимент с подвижным лимитером Энергосодержание плазмы. Точки – результаты эксперимента, сплошная линия – численный расчёт A.V.Anikeev, et.al., Transaction of Fusion Technology, 39, 1T, (2001) pp τ bounce =15 мкс τ B =4 мкс

Обоснования 2D-задача (Tsidulko Yu.A., Phys. Plasmas, 11, p.4420 (2004) ) : Однородность вдоль магнитного поля, все частицы имеют одну энергию E=E 0 =const, магнитный момент сохраняется μ=const. Энергетически выгодно собрать частицы вблизи оси. Характерное время перераспределения t~10 3 τ ci = 250 мкс. Теорема Лиувилля: профиль плотности быстрых ионов монотонно спадает => сжатия не происходит. 3D-задача (Колесников Е. Ю., Цидулко Ю. А., Тезисы докладов XXXIII Звенигородской конферении, стр. 57 (2006) ) : Резонансные траектории: Ω φ / Ω b =m/n. Асимметричные возмущения могут приводить к радиальному переносу частиц на резонансных траекториях.

Компактный пробкотрон на ГДЛ Особенности эксперимента: 2ρ fi >1; β >E ||. Камера КП: L=30 см, D=70 см. Магнитная система: R=2, B 0 =24 кГс. Мишенная плазма: водород, n w см -3, T w 70 эВ, a w =9 см. Инжекционная система: водород, E 0 =22 кэВ, θ=90º, P inj =0.9 МВт, τ inj =4 мс, a 1/e =8-10 см.

Эксперимент с компактным пробкотроном Диагностики: Компактный пробкотрон: Приёмники пучков и калориметр; Болометр; Диамагнитная петля; Дисперсионный интерферометр; Анализатор атомов перезарядки. Расширитель: Трёхсеточный зонд для регистрации тока ионов; ВЧ-зонд. Центральная ячейка: Томсоновское рассеяние.

Модели, описывающие плазму в КП Простая модель: не учитываются пространственные профили (плотности считаются постоянными в ограниченном объёме); электроны и тёплые ионы имеют равновесное распределение; быстрые ионы захватываются из атомарных пучков (ионизация ионным и электронным ударами, перезарядка на тёплых ионах); время жизни быстрых ионов определяется торможением на электронах. Сложная модель (код ITCS): учёт пространственных профилей плотностей и магнитных полей; движение ионов в заданном магнитном поле; полный учёт парных кулоновских столкновений быстрых ионов с плазмой взаимодействие быстрых ионов с нейтральной компонентой; электроны и тёплые ионы имеют равновесное распределение; учёт всех процессов захвата атомов из пучков.

Атомарные пучки Инжектированная и захваченная мощности. Синяя кривая – эксперимент, красная – расчёт ITCS

Поток энергии на боковую стенку камеры КП Пироэлектрический болометр Особенности: измеряет плотность потока энергии; нет коллимации и плазма не закрыта элементами конструкции; может перемещаться вдоль магнитного поля (продольны профиль). Что оказывает влияние: потери быстрых ионов из плазмы (узкое распределение по питч-углам => узкий продольный профиль); потери тёплых ионов (равномерное распределение по углам => широкий профиль).

Перезарядные потери Продольный профиль плотности потока энергии на стенку вакуумной камеры Поток энергии на стенку вакуумной камеры. Синяя кривая – эксперимент, красная – расчёт ITCS Вывод: поток энергии на первую стенку определяется в основном перезарядкой быстрых ионов на атомарных пучках.

Мишенная плазма в КП λ ii 7 м, λ ee 3 м => бесстолкновительное движение мишенной плазмы -e(φ wall -φ centr )>>T e => равновесная функция распределения электронов => Плотность быстрых ионов n f и тёплых ионов n w можно найти по плотностям электронов без инжекции в КП n 0 и с инжекцией в КП n e : => функция распределения тёплых ионов близка к равновесной

Линейная плотность электронов NBI = см - 2 = cм -2 NB I При n f >>n w поперечный профиль плотности электронов определяется быстрыми ионами

Анализатор атомов перезарядки Мишень: нагревные атомарные пучки. Интервал энергий: центр (E 0 ):6 – 19 кэВ; ширина:6% от E 0. Размеры сканируемой области: один канал:2.9 x 8 x 1.2 см 3 ; суммарно:32 x 8 x 1.2 см 3. Продольные смещения: углы:-5 o o ; продольная координата:-6 см см.

Анализатор атомов перезарядки Профили потока атомов перезарядки. Синяя кривая – расчёт ITCS, красная – эксперимент t = 6 мс, E=18 кэВ Поперечная координата, смПродольная координата, см

Анализатор атомов перезарядки Профили потока атомов перезарядки. Синяя кривая – расчёт ITCS, красная – эксперимент t = 6 мс, E=10 кэВ Поперечная координата, смПродольная координата, см

Плотности в лучшем режиме Ширина профиля плотности a nf :8 см Невозмущённая плотность n 0 :1.1·10 13 см -3 Плотность электронов n e :4.0·10 13 см -3 Плотность быстрых ионов n f :3.7·10 13 см -3 Плотность тёплых ионов n w :0.3·10 13 см -3 Потенциальный барьер φ:1.3 T e Профиль потока атомов перезарядки не зависит от энергии => по нему можно восстановить поперечный профиль плотности.

Плотность быстрых ионов Плотность быстрых ионов в зависимости от мощности захвата. Синие точки – эксперимент, красная кривая – расчёт ITCS Вывод: удержание быстрых ионов в КП определяется в основном классической кинетикой парных кулоновских столкновений и перезарядкой на нагревных атомарных пучках.

Плотность тока ионов на оси расширителя Трёхсеточный зонд для измерения плотности тока ионов Длина пробега тёплого иона в КП:7 м Длина камеры КП:30 см Ток нагревных атомарных пучков:45 экв. А Ослабление атомарных пучков:10 – 15% Ток ионов плазмы из центральной ячейки: А Барьер электростатического потенциала:1.3 T e

Плотность тока ионов. Синяя кривая – без инжекции в SHIP, красная – с инжекцией Электростатическое подавление потока плазмы

Подавление потока ионов на оси расширителя в зависимости от захваченной мощности t = 6 мс Электростатическое подавление потока плазмы

Продольные потери Классический пробкотрон Диффузия частиц в конус потерь Pastukhov V.P., Nucl. Fusion, v.14, p.3 (1974) В.Н.Худик, препринт ИЯФ Газодинамическая ловушка, «длинные пробки» Газодинамическое течение, 2 «узких места» И.А.Котельников, Д.Д.Рютов, Физика Плазмы, т.11, в.10, с Газодинамическая ловушка, «короткие пробки» Поток максвелловской плазмы вытекает через пробку в бесстолкновительном режиме. Вдоль силовой линии формируется потенциал В.В.Мирнов, О.А.Ткаченко, препринт ИЯФ Оценка: перепад потенциала центр-КП мал =>

Подавление потока ионов на оси расширителя в зависимости от захваченной мощности t = 6 мс Электростатическое подавление потока плазмы Соответствует подавлению электростатическим потенциалом φ = 1.3 T e

Измерение колебаний потенциала плазмы Одиночный ВЧ-зонд ВЧ-зонд измеряет плавающий потенциал на периферии плазмы. Частоты, передаваемые без искажений: до 100 МГц. Магнитное поле: 1-2 кГс, пробочное отношение R = – AIC: k k || n w > 1 – 10% n f.

ВЧ-зонд в расширителе ms ms ms U,V Центр SHIP'а: B = 24 кГс, f ci = 37 МГц.

Сравнение параметров КП и концевого пробкотрона TMX Параметр:КПTMX Мощность инжекции, МВт Энергия инжекции, кэВ Плотность быстрых ионов, см β 1%7% Анизотропия A=

Основные результаты Создан анализатор нейтралов перезарядки, позволяющий регистрировать профили плотности потока атомов с заданной энергией. В экспериментах с высоким β40% исследован эффект формирования узкого радиального профиля плотности быстрых ионов. Показано, что столь узкие профили формируются не за счет потерь, а за счёт переноса частиц к оси установки. Проведен эксперимент по удержанию плазмоида горячих ионов с анизотропным распеделением в компактном пробкотроне. Плотность быстрых ионов достигла 3.7·10 13 см -3 и в 10 раз превысила плотность ионов мишенной плазмы. Показано, что удержание быстрых ионов определяется классической кинетикой парных кулоновских столкновений и процессом перезарядки на атомарных нагревных пучках. В экспериментах с компактным пробкотроном зарегистрирован эффект амбиполярного запирания потока плазмы из центральной ячейки установки ГДЛ. Поток уменьшался в 4 раза при достижении максимальной плотности быстрых ионов в КП. Зарегистрировано развитие микронеустойчивости на частотах близких к ионной циклотронной частоте в центральном сечении КП.

Публикации: V.V.Maximov, A.V.Anikeev, P.A.Bagryansky, A.A.Ivanov, A.A.Lizunov, S.V.Murakhtin, K.Noack, V.V. Prikhodko, "Spatial profiles of fusion product flux in the gas dynamic trap with deuterium neutral beam injection", Nuclear Fusion, v. 44, issue 4, pp (2004) В.В.Приходько, А.В.Аникеев, П.А.Багрянский, А.А.Лизунов, В.В.Максимов, С.В.Мурахтин, Ю.А.Цидулко, «Эффект формирования узкого радиального распределения плотности быстрых ионов в установке ГДЛ», Физика плазмы, т. 31, No.11, с A.V.Anikeev, P.A.Bagryansky, A.A.Ivanov, A.A.Lizunov, S.V.Murakhtin, V.V.Prikhodko, A.L.Solomahin, and K.Noack, «Confinement of Strongly Anisotropic Hot-Ion Plasma in a Compact Mirror», Journal of Fusion Energy, Volume 26, Numbers 1-2 / June, 2007 A.A.Ivanov, et. al, Status of the GDT experiment and future plans, Transactions of Fusion Science and Technology, 2005, Vol.47, No1T, p S.V.Murakhtin, V.V.Prikhodko, «Energy analyser for hot ion density profile measurements in GDT», Transactions of Fusion Science and Technology, 2005, Vol.47, No1T, p

Оценка анизотропии A= / КП: Δθ=5 o => A90; более точное моделирование A=50. Вблизи области остановки θ=π/2>>Δθ : Центр ГДЛ: sin 2 θ=Rsin 2 θ 0 (μ=const), θ 0 =45 o и Δθ 0 =5 o => => Δθ=30 o, A3.

Оценки параметров плазмы в КП λ ii 7 м, λ ee 3 м => бесстолкновительное движение мишенной плазмы -eφ КАСП >>T e => равновесная функция распределения электронов => => равновесная функция распределения тёплых ионов Плотность быстрых ионов n f и тёплых ионов n w можно найти по плотностям электронов без инжекции в КП n 0 и с инжекцией в КП n e : =>

Основные задачи исследований: Изучение радиального профиля плотности быстрых ионов вблизи области остановки в режимах с β=40%; Изучение горячих анизотропных ионов с n f / n w >1 в компактном пробкотроне.