Введение к работе
Актуальность работы. Изучение взаимодействия пучков заряженных частиц с плазмой, начатое с обнаруженного в конце 20-х годов Ленг-мюром аномально быстрого торможения электронного пучка в- газоразрядной плазме, привело к возникновению области знаний, связанной с понятиями плазменных колебаний и коллективного взаимодействия. Развитие в большом числе российских (Москва, Санкт-Петербург, Томск, Новосибирск, Челябинск и др.) и зарубежных центров техники генерации сильноточных пучков заряженных частиц и достигнутое в теории и в эксперименте понимание физики взаимодействия таких пучков с плазмой позволило начать в ИЯФ работы по созданию пучкового источника нагрева для получения высокотемпературной плотной плазмы в открытой ловушке. В рамках этой деятельности была получена высокая (~30%) эффективность релаксации наносекундного пучка с энергосодержанием ~ 1 кДж в плазме с плотностью до ~ 1015 см-3 (установки ИНАР, ГОЛ-1). На установке У-1 в начале 80-х годов была развита техника генерации пучков микросекундной длительности с энергозапасом ~ 100 кДж.
Для экспериментов по изучению многопробочного удержания требуется получение горячей плазмы, имеющей плотность до 1017 см-3. Как ізвестно, инкремент пучковой неустойчивости в кинетическом режиме ;ущественно зависит от параметров эксперимента:
Г- ^* I _1_
" Пр J Д02 >
где ир - плазменная частота, пр и щ - плотности плазмы и пучка, АО - среднеквадратичный угловой разброс электронов пучка, у - релятивистский фактор. Эффективность передачи энергии от пучка к плазме с плотностью ~ 1017 см-3 мала, поэтому предполагается использовать так называемую схему "двухступенчатого" нагрева, подразумевающую, что нагрев плотной плазмы происходит при парных столкновениях с горячими электронами, вылетающими из специально созданного отрезка плазмы низкой плотности (в котором пучок эффективно теряет свою энергию). В такой схеме весьма существенным оказывается характер электронной функции распределения, в частности, параметры ее высоко-энергетичной части. Эксперименты по определению электронной функции распределения были ранее проведены на установке ИНАР.
До начала экспериментов по получению на установке ГОЛ-3 горячей плазмы с плотностью ~ 1017см-3 необходимо было решить ряд физических и технических задач, в том числе и на установках меньшего масштаба. Часть этих работ представлена в диссертации.
Цель работы. Для получения самосогласованной картины, связывающей воедино данные разных диагностик по характеру функции распределения "горячих" электронов, на установке ИНАР была проведена серия экспериментов с помещенной в плазму макроскопической мишенью. Эти эксперименты показали существование выделенной области вблизи от точки инжекции пучка в плазму, в которой происходит эффективная генерация надтепловых электронов.
В дальнейшем была проведена плановая модернизация установки ИНАР с целью увеличения ее основных технических параметров: энергосодержания пучка в 2ч-2,5 раза и напряженности магнитного поля соленоида до 7 Т. Соответствующие эксперименты также представлены в работе. Параллельно с завершающими экспериментами на установках ИНАР и ИНАР-2 начались работы по сооружению установки ГОЛ-3. На первом этапе основной задачей экспериментов являлось получение высокой эффективности релаксации в плазме микросекундного релятивистского электронного пучка (РЭП). В рамках работ по подготовке экспериментов на I очереди ГОЛ-3 необходимо было решить задачу создания длинного замагниченного плазменного столба в металлической камере установки. Для этого была предложена схема с использованием прямого разряда между специальным электродом, находящимся в спадающем магнитном поле после выходной пробки, и входной фольгой, отделяющей плазму от генератора электронного пучка. Первые модельные эксперименты были проведены на установке ИНАР. В дальнейшем
эта схема была выбрана основной, и на установке ГОЛ-3 было проведено изучение механизма образования плазмы в разряде такой конфигурации и определены основные параметры получаемой предварительной плазмы.
При подготовке установки ГОЛ-3 к экспериментам были разработаны основные диагностики "стартового" комплекта и ряд систем установки (вакуумная, плазменная, часть систем управления и сбора данных, относящаяся к плазменному диагностическому комплексу).
Эксперименты по нагреву однородной плазмы на первой очереди установки ГОЛ-3 показали достаточно хорошую эффективность релаксации пучка (локальные мгновенные потерн энергии до 30% при оптимальных условиях). Измерения параметров электронной компоненты плазмы, результаты которых приведены в диссертации, показали характерный для экспериментов по пучковому нагреву вид функции распределения электронов с максвелловской и надтепловой компонентами.
Характер эволюции во времени профиля давления плазмы пТ (измеряемого датчиками диамагнетизма плазмы), в особенности его сильная неоднородность по длине установки во время ипжекцип пучка и быстрая релаксация к примерно однородному после прекращения Нагрева, стимулировал модельные расчеты переноса тепла в такой плазме. Обнаружены два существенно разных режима: классическая теплопропсдиость на стадии остывания плазмы и значительное уменьшение теплопроводности по сравнению с классической во время ипжекцип пучка.
Научная новизна работы. Показано, что i« условиях экспериментов на установке ИІІАР область, в которой эффективно генерируются надтепловые электроны, находится иблнзн от то ікіі ипжекцип пучка в плазму. При этом нагрев в дальних частях плазменного столба определяется переносом энергии (быстрых электронов и, возможно, колебаний) из области максимального энерговыделения. В эксперимента:: с модернизированным генератором пучка обнаружен рост давлення плазмы при увеличении исходного энергозапаса пучка. Обнаружена линейная зависимость давления плазмы от напряженности магнитного поля л диапазоне 1 — 7 Т при примерно постоянной эффективности релаксации пучка, проведены измерения параметров плазмы на малых расстояниях от входной фольги (т.е. в области максимального эперговыделення).
Исследованы особенности работы длинного замагниченного прямого разряда как в металлической (установка ГОЛ-3), так и в диэлектрической камере (установка ЇЇІІАР). Измерены основные параметры плазмы, получаемой в таком разряде.
В экспериментах по нагреву плазмы микросекундным релятивист-
ским электронным пучком на установке ГОЛ-3 достигнута температура максвелловской компоненты плазмы до 0,6 кэВ при плотности 1,0 1015 см-3 в месте расположения системы томсоновского рассеяния, показано соответствие "томсоновской" и "диамагнитной" температур в этой точке. В точке максимума нагрева "диамагнитная" температура достигает 1,0 кэВ при указанной плотности. Измерены параметры над-тепловых электронов в этих экспериментах. Показано, что при плотности плазмы ~ 1015 см-3 они содержат большую часть энергии, теряемой пучком в плазме.
Показано, что остывание плазмы после окончания инжекцни пучка соответствует классической электронной теплопроводности на торцы установки. В то же время на стадии нагрева плазмы пучком электронная теплопроводность на торцы на 2 — 3 порядка меньше классической.
Практическая значимость. Отработана схема получения длинного замагнпченного плазменного столба в металлической камере. Эта схема является в настоящее время основной в экспериментах на установке ГОЛ-3. Подготовлен к работе ряд систем и диагностик установки. Разработанные для установки ГОЛ-3 внутрнкамерные диагностики (диамагнитные датчики, пояса Роговского) уже использовались в проведенных на установке У-1-СПИН экспериментах по инжекцни микросекундного электронного пучка в метровый соленоид.
Полученные данные о параметрах электронной компоненты плазмы были использованы, кроме планировавшихся исходно работ по двухступенчатому нагреву плотного плазменного сгустка, в экспериментах по изучению воздействия мощного потока электронно-горячей плазмы на вещество (в связи с проблемой поведения днверторных пластин токама-ков класса ИТЭР при большом срыве).
На защиту данной работы вынесены следующие основные
положения.
1. Область эффективной генерации надтепловых электронов нахо
дится вблизи от точки инжекцни пучка.
-
Давление плазмы растет при увеличении энергосодержания инжектируемого наносекундного пучка с 0,6 до 1,8 кДж.
-
Обнаружена линейная зависимость давления плазмы от напряженности магнитного поля в диапазоне 1 -f- 7 Т при примерно постоянной эффективности релаксации пучка.
4. Полные потери энергии РЭП в плазме могут достигать 40% на
длине менее 1м.
-
При помощи сильноточного замагниченного прямого разряда можно получить длинный однородный плазменный столб С ПЛОТНОСТЬЮ 1014 -г-1016 см-3 как в металлической, так и в диэлектрической камере.
-
На установке ГОЛ-3 достигнута температура максвелловской компоненты плазмы до 0,6 кэВ при плотности 1,0 1015 см-3 в месте расположения системы томсоновского рассеяния. В точке максимума нагрева 'диамагнитная" температура достигает 1,0 кэВ при указанной плотности.
-
При плотности плазмы ~ 1015 см-3 группе надтепловых электронов передается большая часть энергии, теряемой микросекундным пучком в плазме.
-
Остывание плазмы после окончания инжекции пучка соответствует классической электронной теплопроводности на торцы установки.
-
На стадии нагрева плазмы пучком электронная теплопроводность на торцы на 2-3 порядка меньше по сравнению с классической.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на, Всесоюзных конференциях по физике плазмы и УТС (г.Звенигород, 1987-1991, 1993); на Конференциях МАГАТЭ по физике плазмы и УТС (г.Киото, 1986; г.Вашингтон, 1990; г.Вюрцбург, 1992); на Европейских конференциях по физике плазмы и УТС (г.Дубровиик, 1988; г.Амстердам, 1990); на Международных конференциях по мощным пучкам частиц (г.Новосибирск, 1990; г.Вашингтон, 1992); на Международных конференциях по явлениям в ионизированных газах (г.Белград, 1989; г.Бохум, 1993); на Международной конференции по физике плазмы (г.Дели, 1989); на Всесоюзных совещаниях по диагностике высокотемпературной плазмы (г.Минск, 1990; г.Санкт-Петербург, 1993); на Всесоюзном семинаре по коллективному взаимодействию электронных пучков с плазмой (г.Новосибирск, 1988).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Текст диссертации изложен на 137 страницах, включая GG рисунков и список литературы пз 120 наименований.
