Лабораторное моделирование: Эволюция 3D магнитных полей и динамика плазмы в токовых слоях А.Г. Франк Институт общей физики РАН им. А.М.Прохорова КОНФЕРЕНЦИЯ-СОВЕЩАНИЕ по программе ОФН-16 «Плазменные процессы в солнечной системе» 12 – 16 февраля 2007 года, ИКИ РАН

Формирование и распад токового слоя Формирование токового слоя приводит к значительной концентрации магнитной энергии, запас которой определяется большим поперечным размером слоя. При разрушении слоя процессы магнитного пересоединения обеспечивают быстрое преобразование магнитной энергии в энергию плазмы, ускоренных частиц и излучений, а короткое время трансформации энергии определяется меньшим поперечным размером слоя. j 2 / j~B/L E ind ускорение частиц

Токовый слой образуется в результате взаимодействия тока плазмы с внешним магнитным полем Внешнее поперечное магнитное поле содержит нулевую точку X типа в плоскости (x,y). В z-направлении в плазме возбуждается электрический ток, который приобретает форму слоя с двумя характерными размерами в плоскости (x,y).

Токовые слои, развивающиеся в лабораторных условиях, в 2D магнитных полях с нулевыми линиями X типа, в процессе эволюции обнаруживают наиболее существенные черты, которые характерны для явлений вспышечного типа: Сравнительно медленное (предвспышечное) накопление энергии при развитии токового слоя; Быстрое высвобождение энергии при разрушении токового слоя (аналог вспышки); Ускорение потоков плазмы; Нагрев вещества в области вспышечного энерговыделения; Эффективное ускорение заряженных частиц.

1. Возможно ли формирование токовых слоев в 3D магнитных конфигурациях? Возможно! 2. Какие топологические особенности должны быть свойственны 3D магнитной конфигурации для формирования токового слоя? Необходимо присутствие особой линии X типа; градиент поперечного магнитного поля должен превышать некоторое критическое значение. 3. Каким образом структура 3D магнитного поля влияет на характеристики токового слоя? В присутствии продольной компоненты магнитного поля B Z, направленной вдоль X линии, были обнаружены два новых явления. Токовые слои в 3D магнитных конфигурациях

Экспериментальная установка ТС-3D (ИОФ РАН) 2D магнитное поле B Q = {-h y; -h x; 0} с нулевой линией на оси z возбуждается токами в прямых проводниках; Продольное поле B Z возбуждается токами в катушках; Суперпозиция двух полей образует 3D магнитную конфигурацию с X линией: B = {-h y; -h x; B Z }. Начальная плазма создается при пробое газа (He, Ar, Kr) -разрядом. Возбуждение тока в плазме вдоль X линии приводит к образованию токового слоя.

Параметры установки ТС-3D Основные методы диагностики: магнитные измерения, голографическая интерферометрия, спектроскопия. Градиент 2D магнитного поля с нулевой линией B Q = {-h y; -h x; 0} h 1 kG/cm Однородное поле B Z вдоль X линии B z 8 kG Вакуумная камера (кварц) 18 cm; L = 100 cm Используемые газы: He, Ar, Kr, Xe p = mTorr Плотность начальной плазмы N e 0 = cm -3 Электрический ток в плазме J z 100 kA, T/2 = 6 s

Экспериментальная установка ТС-3D (Институт общей физики РАН)

Magnetic field and current density in the current sheet formed in 3D magnetic field with the X line Distributions of the tangential magnetic field component B X (x) and normal component B Y (x) near the surface of the current sheet, y = cm. Distributions of the plasma current density j(y) in the direction normal to the current sheet, in two cross- sections: y=0.8 cm; y= 5 cm. Ar, p=20 mTorr; h=0.5 kG/cm; Bz=2.9 kG; J=70 kA; t 3.0 s

2D распределения плотности плазмы в токовых слоях, сформированных в магнитных полях с X линией В магнитном поле с X линией, в присутствии продольной компоненты B Z происходит сжатие плазмы в слой, в котором существенно возрастает N e. h = 0.43 kG/cm; B Z = 1.4 kG; J Z = 50 kA

Плотность плазмы и толщина слоя в зависимости от напряженности продольной компоненты B z Ar, 20 mTorr; h= 0.43 kG/cm; J= 50 kA С ростом напряженности B z. уменьшается степень сжатия плазмы в слой, что проявляется в уменьшении максимального значения плотности плазмы и увеличении толщины слоя. Этот эффект может быть обусловлен усилением в слое продольного поля. Избыточное поле B z. создает в слое дополнительное давление, аналогичное газокинетическому. Величину B z. можно оценить из условия поперечного равновесия слоя: B z kG

Распределения вдоль оси Oy (по толщине слоя) = тангенциальной к слою компоненты магнитного поля B X, = плотности тока в слое j Z, = захваченного в слой продольного поля B Z в последовательные моменты времени. B Z 0 = 1.5 kGB Z 0 = 4.5 kG Магнитные измерения демонстрируют, что в процессе развития токового слоя происходит захват в слой продольной компоненты B Z

Asymmetry of plasma sheets formed in the presence of the guide field B z indicates generation of the Hall currents Ar, 20 mTorr; h=0.43 kG/cm; B z ~2 kG; J z =50 kA; t 3 s

Динамика плазмы в 3D магнитном поле с X линией при возбуждении токов Холла = Асимметрия плазменных слоев указывает, что в присутствии продольной компоненты магнитного поля B z в плазме с тяжелыми ионами возникают дополнительные динамических эффекты. = Эти эффекты можно связать с возбуждением токов Холла J H d i [j B] вдоль поверхности слоя; d i = (c / 0i ): y 1/2. = При взаимодействии токов Холла с магнитным полем возникает сила f (3), причем ее y-компонента f Y (3) = 1/c (j X B ) вызывает смещения концов слоя относительно плоскости (y=0).

Plasma sheets formed under various gas-fillings in the presence of the guide field along the X-line He: A=4 Ar: A=40 Kr: A=84 Xe: A=131 h=0.57 kG/cm B Z =2.9 kG I Z = 70 kA t 3 s

Plasma sheet orientation under various directions of the guide field B Z

One may assume that direct measurements of Hall currents should be done under conditions when the sheet deformation occurs, i.e. in the presence of the guide field, which interacts with the Hall currents. At the same time, there exist the transverse currents, which support the excessive magnetic field, that was trapped into the sheet. In any case it is necessary to separate these two effects. An analysis of typical plasma parameters indicated that the Hall currents could exist also in the 2D magnetic configuration, without the guide field.

Параметры плазмы в токовых слоях Magnetic configuration 3D 2D B Z, kG2.9 0 Gas-filling, mTorr He, 300Ar, 20 Plasma sheet asymmetry No Yes N e max, cm y 1/2, cm c/ oi max, cm d i = (2c / 0i ):2 y 1/ u d, 10 6 cm / s v A, 10 6 cm / s = u d / v A No

h=0.5 kG/cm; J=70 kA Продольная компонента B Z у поверхности токового слоя, y=+0.8 cm. Слой формировался в 2D магнитной конфигурации, при B Z = 0. Появление B Z компоненты указывает на возбуждение в слое токов Холла I X. j = c /(4 ) rot B j y = - c /(4 ) B Z / x / z = 0 j x = c /(4 ) B Z / y

Поперечное сечение экспериментальной установки ТС-3D и направления перемещения магнитных зондов внутри вакуумной камеры

При исследовании эволюции токовых слоев в 3D и 2D магнитных полях с особой линией Х типа были обнаружены два новых эффекта. Первый эффект - это уменьшение степени сжатия плазмы в слой с увеличением продольной компоненты магнитного поля B Z 0, что проявляется в уменьшении максимального значения плотности плазмы и увеличении толщины слоя. Это указывает на усиление продольной компоненты B Z в токовом слое. Появление избыточного магнитного поля δB Z было непосредственно зарегистрировано на основе магнитных измерений. Заключение

Второй эффект - это появление изогнутых асимметричных плазменных слоев, которые развивались в присутствии продольной компоненты В Z в плазме с тяжелыми ионами. Появление дополнительных сил, приводящих к деформации слоя, указывает на возбуждение в слое токов Холла. Анализ безразмерных параметров показал, что в плазме с тяжелыми ионами токи Холла должны возникать как в присутствии В Z, так и при В Z = 0. Токи Холла, направленные вдоль поверхности слоя и перпендикулярно к основному току в слое J Z, были непосредственно зарегистрированы с помощью магнитных измерений в плотной плазме токовых слоев. Исследована пространственная структура токов Холла и их временные характеристики. Показано, что токи Холла образуют замкнутые токовые петли в пределах токового слоя, сформированного в 2D магнитной конфигурации.