ИЗМЕРЕНИЕ β ДВУХКОМПОНЕНТНОЙ ПЛАЗМЫ В ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ ЛОВУШКЕ А.А. Лизунов (по материалам кандидатской диссертации)

Содержание: 1. Установка ГДЛ 2. MSE-диагностика для измерения магнитного поля в плазме ГДЛ 3. Модель спектра излучения H α для условий эксперимента на установке ГДЛ 4. Измерение радиального профиля магнитного поля и β двухкомпонентной плазмы в ГДЛ 5. Заключение: основные результаты работы

Эксперименты на установке ГДЛ: изучение анизотропных ионов с термоядерными энергиями и высоким давлением Моделирование источника 14 МэВ нейтронов для испытаний материалов первой стенки термоядерного реактора и других применений Конфигурация магнитного поля и продольный профиль плотности плазмы в проекте источника нейтронов на основе газодинамической ловушки

Схема и основные параметры установки ГДЛ 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

Физические основы измерения магнитного поля на основе анализа штарковского спектра излучения диагностического пучка (MSE) Эффект Штарка Исчезновение вырождения уровней энергии атома во внешнем электрическом поле Motional Stark Effect При движении атома в поперечном магнитном поле в сопутствующей СО возникает эл. поле E = (v B). Для водорода расщепление |B|. Упрощенный спектр мультиплета H (не показаны компоненты ). Требование к временному разрешению диагностики: s ( 750 s) Требование к точности измерения |B|: 5% (для вычисления )

Диагностический инжектор атомов водорода Оптическая система Численная модель для обработки спектров Компоненты диагностического комплекса

Схема MSE диагностики на ГДЛ

Диагностический инжектор нейтральных атомов ДИНА-5М Массовый состав пучка ДИНА-5М Схема диагностического инжектора Рабочий газ водород Фокусирующая ИОС, f = 1.3 м Энергия инжекции 40 кэВ Ток пучка 5 экв ампер Диаметр пучка в фокусе 4 см Плотность тока в фокусе 250 мА/см 2 ДИНА-5М на ГДЛ

Оптическая система MSE диагностики на ГДЛ Угол наблюдения: =22.5 или =45 Пространственное разрешение: 4 см (ДИНА-5М) Временное разрешение: 100 s (FLC затвор) Система регистрации Монохроматор: f=50 см, 1800 штр./мм, дисперсия 0.9 нм/мм CCD: матрица 750x242 ячейки (11.5x27 m) Спектральное разрешение в эксперименте определяется уширением линий излучения диагностического пучка: ангстрем

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

Измерения радиального профиля магнитного поля в области точки остановки быстрых ионов Радиальный профиль |B| в области точки остановки быстрых ионов. Горизонтальные усы показывают пространственное разрешение диагностики.

Обсуждение погрешности измерения |B| Источники погрешностей и их вклад в результирующую погрешность измерения |B| и B/B Статистические флуктуации сигнала детектора 3% Разброс параметров плазмы от выстрела к выстрелу % Нестабильность энергии инжекции Неточность калибровки спектральной дисперсии Погрешность измерения |B| 5% Погрешность измерения B/B % Проверено вычислением статистического разброса результатов при усреднении по различным наборам выстрелов

ограничение применимости «простой» модели: B 2 кГс Геометрия вычислений. Усовершенствованная модель включает: Штарковское расщепление (MSE) Зеемановское расщепление Тонкая структура уровней энергии Радиационные поправки Схема вычислений 1. Построение гамильтониана взаимодействия в заданной геометрии 2. Вычисление собственных значений (энергии уровней) и собственных функций 3. Вычисление матричных элементов, соответствующих интенсивности переходов Модель структуры оптических переходов n=3 n=2 в атоме водорода (спектр H α ) для общих условий измерений MSE-диагностикой

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

Эксперимент по измерению радиального профиля магнитного поля в точке остановки быстрых ионов Временная диаграмма экспериментаРасположение MSE-диагностики на ГДЛ: пробочное отношение R=2 (точка остановки быстрых дейтонов)

МГД-устойчивость в режиме без каспа: применение лимитеров и плазмоприемников под положительным потенциалом Зависимость энергосодержания плазмы от потенциала лимитеров: переход через границу устойчивости Радиальный профиль потенциала плазмы в устойчивом режиме удержания

Основные характеристики эксперимента Энергосодержание анизотропной компоненты и мишенной плазмы (); осциллограммы тока атомарных пучков; осциллограммы инжектированной и захваченной мощности инжекции ()

Результаты измерения радиального профиля β 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.

Оценки β и характерной плотности быстрых дейтонов в области точки остановки Мишенная компонента плазмы: n4·10 13 см -3, T 100 эВ β pl0.01 Быстрые дейтоны: β =8πP /B 2 Предположение: угловая ширина функции распределения остается малой при торможении частиц на электронах. f – определяется из уравнения В точке остановки:, ΔΘ – угловой разброс пучков, p 0 (давление в центре) Для параметров ГДЛ P tr 2МВт, τ dr 750 мкс, а=15 см, L=175 см, Θ 0 =45 оценка β turn 0.3 Оценка плотности быстрых частиц: Результат оценки: n fi 2·10 13 см -3 – близко к плотности мишенной комп. 4·10 13 см -3

Формирование компактного распределения быстрых ионов с высоким β Радиальный профиль плотности мишенной плазмы и захваченных ионов (на энергии кэВ). Радиус мишенной плазмы R pl 8 см радиус популяции захваченных ионов R fi 15 см (ларморовский радиус 7 см) Радиус профиля β: r 8 см Дополнительные эксперименты: Анализ потерь энергии и частиц мишенной компоненты и быстрых ионов Измерения спектра в диапазоне ДКН Измерение профилей потока продукта DD реакции Измерение профилей потока атомов перезарядки

ЗАКЛЮЧЕНИЕ: основные выводы работы На установке газодинамическая ловушка разработана диагностическая система для измерения локального значения магнитного поля в плазме. Диагностика включает инжектор атомов ДИНА-5М, разработанный в ИЯФ, и оптическую систему. Параметры инжектора и оптической системы позволили добиться временного разрешения измерений 200 мкс и радиального разрешения 4.5 см, необходимого для изучения диамагнитных флуктуаций магнитного поля в плазме, вызванных плещущимися ионами. Развита модель структуры оптических переходов в атоме водорода для общих условий измерений при помощи MSE-диагностики. Численный код на ее основе позволяет моделировать распределение интенсивности в мультиплете H α с учетом эффекта Зеемана, тонкой структуры уровней и лэмбовского сдвига, помимо эффекта Штарка в лоренцевском электрическом поле. Такая модель необходима, например, для обработки экспериментальных спектров на ГДЛ, поскольку в магнитном поле 2 кГс вклад всех указанных эффектов сравним по величине.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ: основные выводы работы Измерительный комплекс, состоящий из собственно диагностики и численной модели для обработки данных, позволил обеспечить точность 10% в измерениях β. При помощи MSE-диагностики на ГДЛ были проведены локальные измерения β анизотропной плазмы в области точки остановки быстрых ионов. Максимальное значение β на оси составляет 0.4, что близко к предсказываемому теорией пределу устойчивости относительно развития баллонных МГД-мод. Оценки показывают, что β = 0.4 соответствует максимальной плотности быстрых частиц 2·10 13 см -3, что близко к плотности мишенной плазмы 4·10 13 см -3. Радиус профиля β, измеренный в этих экспериментах, составляет 8 см, что лишь ненамного превышает ларморовский радиус иона со средней энергией 10 кэВ. Результаты, полученные позже при помощи других диагностик, а также анализ потерь энергии из плазмы, позволяют подтвердить заключение о формировании компактного профиля быстрых ионов в ГДЛ. Ионно-горячая анизотропная плазма с высоким β удерживается в МГД-устойчивом режиме, признаков возникновения микронеустойчивостей также не было отмечено в этих экспериментах.