Эксперименты на установке ГДЛ: новейшие результаты

Эксперименты на установке ГДЛ: новейшие результаты
П.Багрянский, 24 мая 2005 г.
План доклада
1.
SHIP: краткая история и основные задачи эксперимента.
2.
Диагностики.
3.
Вакуумные условия и подготовка первой стенки.
4.
Мишенная плазма и атомарные пучки.
5.
Перезарядные потери.
6.
Пространственное распределение плотности и энергосодержание быстрых
ионов.
7.
Эффект амбиполярного запирания.
8.
Выводы из сегодняшних результатов
SHIP
Диаметр камеры
Длина камеры
Магнитное поле
Пробочное отношение
70 см
30 см
22.5 кГс
2
Synthesized Hot Ion Plasmoid (SHIP)
A.Ivanov, A.Karpushov, K.Lotov //
Transactions of Fusion Technology. 1999 – Vol. 35, No. 1T. - P.107-111.
SHIP: история, результаты моделирования
Trapped NBI power
Пучки нейтралов дейтерия:
мощность
– 2 МВт,
энергия нейтралов
– 25кэВ,
средняя энергия ионов – 9 кэВ
Scientific Objectives
Two-component plasmas of record parameters with several
features, e. g.:
• majority of high-energetic ions
• strong non-isotropy of the fast ions
• high 

Research Objectives:
• Equilibrium & Dynamics
• MHD-Stability
• Micro-Fluctuations
• High-  Thresholds to Instabilities
• Influence of Non-Paraxiality of Magnetic Field
SHIP: диагностики
SHIP:
Приёмники пучков и калориметр.
Пироэлектрические болометры.
Диамагнитная петля.
Анализатор нейтралов перезарядки.
Дисперсионный интерферометр.
Пучково-спектроскопическая
диагностика.
Расширитель:
СВЧ-интерферометр
Анализатор продольных энергий
ионов
Центральная ячейка:
Томсоновское рассеяние
Анализатор нейтралов перезарядки
Количество каналов:
11
Размеры сканируемой области:
по радиусу:
-16 ... +16 см;
один канал по радиусу:
2.9 см;
вдоль магнитного поля:
1.2 см.
Энергетическая ширина
канала:
Максимальное напряжение
на конденсаторе:
Максимальная энергия
регистрируемых частиц:
Напряжение на МКП:
Усиление после МКП:
Временное разрешение:
∆E=0.06∙E
12 кВ
24 кэВ
0.9-1.2 кВ
1В/1нА
18 мкс (АЦП)
Дисперсионный интерферометр в SHIP
1 – лазер
2 – оптическая плита
3 – плоские зеркала
4 – сферические зеркала
5 – оптические клинья
6 – удвоитель частоты
7 – приемник излучения
8 – линза
9 - вакуумная камера ГДЛ
10 – уголковый отражатель
СВЧ интерферометр в SHIP
Вакуумные условия и подготовка первой стенки (1)
Антенны СВЧ
Электродуговой
испаритель Ti
Анализатор
продольных
энергий
ионов
Fast Ti-deposition:
P.A.Bagryansky, et. al., Journal of Nuclear Materials 265
(1999) 124-133.
Вакуумные условия и подготовка первой стенки (2)
Вакуумные условия и подготовка первой стенки (3)
Pcentral cell=3.810-5 Pa, Pship=4.210-5 Pa
Результаты измерений
Мишенная плазма
Тип газа
Плотность электронов
Температура
Диаметр
водород
1013 см-3
50-55 эВ
9 см
Атомарные пучки
Тип газа
Энергия частиц
Диаметр пучков
Время работы
Энергия пучков
Захват
водород
17 кэВ
8 см
3.6 - 4.6 мс
~200 Дж
~10% (~20 Дж)
Перезарядные потери
Мощность потока нейтралов
перезарядки (Pmax 7 кВт).
Продольное распределения
плотности мощности потока
быстрых нейтралов из плазмы
Результат измерения мощности потока быстрых нейтралов из плазмы
хорошо соответствует результатам оценки с учетом перезарядки на
атомах пучков и теплых нейтралах, образованных в результате захвата
пучков.
Быстрые ионы:распределение в пространстве
Размер по уровню 1/e:
вдоль оси
5 см,
по радиусу
13 см.
Максимальная плотность
ΔB/B
Средняя энергия
Энергосодержание
1.2∙1013 см-3
2%
6 кэВ
8 Дж
Накопление быстрых ионов
<ne l>NBI = 1.81014см-2
<n0 l> = 0.81014см-2
NBI
Линейная плотность электронов в SHIP (1013см-2)
Оценка максимальной плотности быстрых ионов
Пусть:
nf - плотность быстрых ионов;
n0 - плотность теплой плазмы вне области плазмоида;
nw - плотность теплых ионов;
ne - электронная плотность;
1) ne = nf + nw
2) ne = n0 exp(e/kTe)
3) nw = n0 exp(-e/kTw)
– квазинейтральность;
– закон Больцмана для электронов;
– закон Больцмана для теплых ионов.
Полагаем Te = Tw, тогда из 2 и 3  ne nw = n02  nf = ne - n0 2/ne 
 <nf l> = <nel> - <n0l> 2/<nel> = 1.8 – 0.64/1.8 = 1.4 1014см-2
В итоге: <nf l> = 1.4 1014см-2
<n0 l> = 0.8 1014см-2
<nw l> = 0.4 1014см-2
Средняя плотность быстрых ионов
вдвое превышает начальную
плотность плазмы и втрое среднюю
плотность теплых ионов
Энергосодержание быстрых ионов
Расчет
Диамагнитные
измерения
Wfast 8 Дж – оценка по результатам анализа нейтралов
перезарядки и интерферометрических измерений
Эффект амбиполярного запирания (1)
Временная зависимость приосевого потока ионов в расширителе
Эффект амбиполярного запирания (2)
Временной ход линейной плотности электронов в расширителе
Выводы из сегодняшних результатов
Создан и опробован в эксперименте набор диагностик для
измерения параметров плазмы в SHIP'е.
Проведены первые эксперименты с умеренной мощностью
инжекции.
Плотность быстрых ионов втрое превысила плотность
теплых ионов и достигла 1.21013 cм-3.
Экспериментально продемонстрирован эффект
амбиполярного удержания.
Сравнение экспериментальных данных с результатами
расчёта при помощи кода MC FIT позволяет утверждать, что
удержание быстрых ионов определяется кулоновскими
столкновениями и перезарядкой на атомарных пучках.