ИЗУЧЕНИЕ ЛОКАЛЬНОГО ДИАМАГНЕТИЗМА В ПЛАЗМЕ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ ЛОВУШКИ МЕТОДОМ СПЕКТРОСКОПИИ АТОМАРНОГО ПУЧКА

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 Hα 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)
Основные характеристики установки ГДЛ и типичные
параметры плазмы
●
●
●
●
●
●
●
Расстояние между пробками
Магнитное поле в центральной
плоскости
в пробках
7м
до 2.8 кГс
до 150 кГс
361013 см-3
Плотность мишенной плазмы
радиус в центральной плоскости  см
электронная температура
90 эВ
Энергия дейтериевых пучков
15 кэВ
Длительность инжекции
1 мс
Полная инжектируемая мощность 4 МВт
45
Угол инжекции
●
●
●
Плотность быстрых ионов
в точке остановки
Средняя энергия быстрых
ионов
1013 см-3
10 кэВ
Максимальное локальное  0.4
Компоненты диагностического комплекса для
изучения локального диамагнетизма плазмы в ГДЛ
Диагностический
инжектор атомов
водорода
Оптическая система
Численная модель
спектра излучения пучка
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 5%
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/см2
Схема MSE диагностики на ГДЛ
Разработана модель структуры оптических переходов
n=3  n=2 в атоме водорода (спектр Hα) 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: 5%
Эксперимент по изучению пространственных профилей
быстрых ионов
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
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 ρi ≈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 nfi≈2·1013 см-3, близкая к плотности мишенной
плазмы n≈4·1013 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/см2, 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 Hα 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 МГДмод, близкий к измеренной величине. Соответствующая измеренному значению
 максимальная плотность быстрых ионов составляет 21013 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 ионногорячая анизотропная плазма с высоким  и компактным радиальным
распределением удерживается в режиме без микронеустойчивостей и МГДнеустойчивостей.
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 пучка в отдельном
выстреле: сигнал/шум 1.5
Спектр в эксперименте с горячей плазмой
Усреднение по 5-ти выстрелам