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

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 Hα 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
7м
до 2.8 кГс
до 150 кГс
361013 см-3
Плотность мишенной плазмы
радиус в центральной плоскости 67 см
электронная температура
90 эВ
Энергия дейтериевых пучков
1517 кэВ
Длительность инжекции
1 мс
Полная инжектируемая мощность 4 МВт
Угол инжекции
45
●
●
●
Плотность быстрых ионов
в точке остановки
Средняя энергия быстрых
ионов
1013 см-3
10 кэВ
Максимальное локальное  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
5, 6, 7).
●
●
Требование к временному разрешению
диагностики: 200-300 s (750 s)
Требование к точности измерения
|B|: 5% (для вычисления )
Компоненты диагностического комплекса
Диагностический
инжектор атомов
водорода
Оптическая система
Численная модель
для обработки спектров
Схема MSE диагностики на ГДЛ
Диагностический инжектор нейтральных атомов
ДИНА-5М
ДИНА-5М
на ГДЛ
Схема диагностического инжектора
Рабочий газ
● Фокусирующая ИОС,
● Энергия инжекции
● Ток пучка
● Диаметр пучка в фокусе
● Плотность тока в фокусе
●
водород
f = 1.3 м
40 кэВ
5 экв ампер
4 см
250 мА/см2
Массовый состав пучка ДИНА-5М
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: 1 ангстрем
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
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
2%
Нестабильность энергии инжекции
● Неточность калибровки спектральной дисперсии
●
Погрешность измерения |B| 5%
Погрешность измерения B/B 10%
● Проверено вычислением статистического разброса
результатов при усреднении по различным наборам выстрелов
Модель структуры оптических переходов
n=3  n=2 в атоме водорода (спектр Hα) для общих условий
измерений MSE-диагностикой
 ограничение применимости «простой» модели: B2 кГс
Усовершенствованная модель включает:
● Штарковское расщепление (MSE)
● Зеемановское расщепление
● Тонкая структура уровней энергии
● Радиационные поправки
Геометрия вычислений.
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
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 эксперимента
Расположение 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 ρi ≈7 см.
Оценки β и характерной плотности быстрых
дейтонов в области точки остановки
Мишенная компонента плазмы: n≈4·1013 см-3, T ≈100 эВ → βpl≈0.01
Быстрые дейтоны: β┴=8πP┴/B2
Предположение: угловая ширина функции распределения остается малой
при торможении частиц на электронах.
f – определяется из уравнения
В точке остановки:
→ p┴0 (давление в центре)
, ΔΘ – угловой разброс пучков,
Для параметров ГДЛ Ptr≈2МВт, τdr ≈750 мкс,
а=15 см, L=175 см, Θ0=45◦ оценка β┴turn ≈0.3
Оценка плотности быстрых частиц:
Результат оценки: nfi≈2·1013 см-3 – близко к плотности мишенной комп. 4·1013 см-3
Формирование компактного распределения быстрых
ионов с высоким β
Радиус мишенной плазмы Rpl≈8 см
→ радиус популяции захваченных
ионов Rfi≈15 см (ларморовский
радиус ≈7 см)
Радиус профиля β: r ≈ 8 см
Радиальный профиль плотности
мишенной плазмы и захваченных
ионов (на энергии 15-17 кэВ).
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
Hα 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 2·1013 см-3, что близко к плотности мишенной плазмы 4·1013 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.