ИЗУЧЕНИЕ ЛОКАЛЬНОГО ДИАМАГНЕТИЗМА В ПЛАЗМЕ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ ЛОВУШКИ МЕТОДОМ СПЕКТРОСКОПИИ АТОМАРНОГО ПУЧКА А.А. Лизунов (по материалам кандидатской диссертации)

Содержание: 1. Эксперименты по изучению анизотропной плазмы с высокоэнергичными ионами на установке ГДЛ 2. Диагностика для измерения магнитного поля в плазме ГДЛ методом спектроскопии атомарного пучка 3. Модель спектра излучения H α для условий измерений при помощи MSE-диагностики 4. Изучение радиального профиля магнитного поля и β двухкомпонентной плазмы в ГДЛ 5. Заключение: основные результаты работы

Изучение пространственного распределения анизотропных ионов в области точки остановки является одной из наиболее важных задач Конфигурация магнитного поля и продольный профиль плотности плазмы в газодинамической ловушке (а также в проекте источника нейтронов)

Расстояние между пробками Магнитное поле в центральной плоскости в пробках Плотность мишенной плазмы радиус в центральной плоскости электронная температура Энергия дейтериевых пучков Длительность инжекции Полная инжектируемая мощность Угол инжекции 7 м до 2.8 кГс до 150 кГс см -3 см 90 эВ 15 кэВ 1 мс 4 МВт 45 Плотность быстрых ионов в точке остановки Средняя энергия быстрых ионов Максимальное локальное см кэВ 0.4 Основные характеристики установки ГДЛ и типичные параметры плазмы

Диагностический инжектор атомов водорода Оптическая система Численная модель спектра излучения пучка Компоненты диагностического комплекса для изучения локального диамагнетизма плазмы в ГДЛ

Для измерения магнитного поля в плазме на установке ГДЛ создана спектральная MSE-диагностика на ГДЛ со следующими основными параметрами: Угол наблюдения: =22.5 или =45 Измерение в одной области плазмы в течение одного временного интервала за «выстрел» Пространственное разрешение: 4 см Временное разрешение: 100 s Точность измерения магнитного поля % Используется диагностический водородный пучок ДИНА-5М Энергия инжекции 40 кэВ Ток пучка 5 экв. ампер Диаметр пучка в фокусе 4 см Плотность тока в фокусе 250 мА/см 2

Схема MSE диагностики на ГДЛ

Разработана модель структуры оптических переходов n=3 n=2 в атоме водорода (спектр H α ) для условий измерений при помощи MSE-диагностики Подобная модель необходима для интерпретации результатов измерений при величине магнитного поля ~2-4 кГс (ГДЛ, MST) Метод вычисления абсолютной величины магнитного поля: вписывание в экспериментальный спектр модельной кривой (варьирование параметров) Точность измерения |B| в эксперименте на ГДЛ: %

Разработан оптимизированный «сценарий» эксперимента по удержанию плазмы, характеризующийся следующими основными особенностями: Эффективное уменьшение дестабилизирующего влияния радиального электрического поля на МГД-устойчивость плазмы (лимитеры и секционированные приемники плазмы с контролируемыми потенциалами) Уменьшение продольных потерь энергии из плазмы за счет применения альтернативных методов поддержания баланса частиц (периферийная и осевая инжекция газа) Достижение максимальных для ГДЛ величин энергосодержания, плотности анизотропных ионов и других параметров, при малой радиальной ширине их профилей Эксперимент по изучению пространственных профилей быстрых ионов

Впервые проделаны прямые измерения локального магнитного поля и в плазме ГДЛ β 2·ΔB/B Радиальный профиль β в точке остановки быстрых дейтонов (). Максимальное значение на оси 0.4, радиус 8 см (ларморовский радиус быстрого дейтона со средней энергией 10 кэВ ρ i 7 см.

Обнаружен эффект формирования узкого радиального распределения быстрых ионов с высокой плотностью Из измерения максимального локального =0.4 следует оценка максимальной плотности быстрых ионов n fi 2·10 13 см -3, близкая к плотности мишенной плазмы n4·10 13 см -3. Радиальный профиль диамагнетизма вследствие накопления анизотропных ионов имеет характерный радиус 8 см, близкий к ларморовскому радиуса иона со средней энергией 10 кэВ. Начальный профиль плотности захваченных ионов приблизительно вдвое шире ( 15 см).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ: основные выводы работы (1) На установке газодинамическая ловушка создана диагностическая система для измерения локального значения магнитного поля в плазме методом анализа спектра излучения зондирующего пучка атомов (MSE диагностика). Уникальные характеристики диагностического водородного пучка, создаваемого инжектором ДИНА-5М: малый диаметр в плоскости фокуса, равный 4 см, и высокая плотность тока, достигающая 250 мА/см 2, позволили проводить измерения в локальной области плазмы (4-4.5 см) с временным разрешением 200 мкс. Это чрезвычайно важно для эксперимента по изучению быстрых ионов в ГДЛ, имеющих энергетическое время жизни 700 мкс, а также анизотропное пространственное и угловое распределение. Минимальное значение абсолютной величины магнитного поля, измеряемой созданной спектральной MSE диагностикой с требуемой точностью 4%, составляет 4 кГс, что является рекордным показателем для подобных систем, работающих на установках для магнитного удержания плазмы. Соответствующая точность измерения локального диамагнетизма плазмы составляет 10%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ: основные выводы работы (2) Создана квантовомеханическая модель структуры оптических переходов в атоме водорода для условий измерений при помощи MSE-диагностики. Численный код на ее основе позволяет моделировать распределение интенсивности в штарковском спектре мультиплета H α с учетом эффекта Зеемана, тонкой структуры уровней и лэмбовского сдвига. Применение данной модели для обработки экспериментальных данных и вычисления магнитного поля в условиях ГДЛ необходимо для обеспечения требуемой точности, поскольку вклад всех указанных эффектов в расположение и интенсивность компонент спектра сравним по величине. Предложен и разработан метод управления радиальным распределением потенциала плазмы при помощи системы радиальных лимитеров и секционированных плазмоприемников, на которые подаются контролируемые потенциалы. В результате применения данной системы для минимизации электрического поля в плазме и соответствующего подавления его дестабилизирующего влияния на МГД-устойчивость был достигнут режим с рекордными для ГДЛ параметрами плазмы. В данном режиме получены максимальные значения энергии, запасенной в анизотропной компоненте, интенсивности термоядерных d-d реакций, плотности быстрых ионов и, а также других параметров. Режим также характеризуется узкими радиальными профилями этих величин.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ: основные выводы работы (3) В эксперименте на установке ГДЛ при помощи MSE-диагностики впервые были проделаны прямые измерения магнитного поля и в плазме. Изучение радиального распределения в области точки остановки быстрых ионов показало, что максимальное значение составляет 0.4. Эта величина является рекордным показателем для открытых аксиально-симметричных систем с магнитным удержанием плазмы. Для магнитной конфигурации ГДЛ, теорией предсказывается порог устойчивости относительно развития баллонных МГД- мод, близкий к измеренной величине. Соответствующая измеренному значению максимальная плотность быстрых ионов составляет см -3 и близка к плотности мишенной плазмы. Обнаружен эффект формирования узкого радиального профиля плотности быстрых ионов со средней энергией 10 кэВ. Радиальный профиль имеет характерный радиус 8 см, что лишь незначительно превышает ларморовский радиус быстрых ионов с энергией 10 кэВ. Продемонстрировано, что ионно- горячая анизотропная плазма с высоким и компактным радиальным распределением удерживается в режиме без микронеустойчивостей и МГД- неустойчивостей.

Результаты моделирования Модельный спектр H : Энергия атомов 40 кэВ, магнитное поле 2 кГс, угол наблюдения = 22.5 Зеемановский спектр H « мишенной» плазмы и результат вписывания модельного профиля Магнитное поле 25 кГс

Примеры штарковских спектров в эксперименте на ГДЛ Спектр в эксперименте с холодной плазмой Калибровка спектральной дисперсии по H и CII Спектр в эксперименте с горячей плазмой Усреднение по 5-ти выстрелам Спектр пучка в отдельном выстреле: сигнал/шум 1.5