ИЗУЧЕНИЕ ЛОКАЛЬНОГО ДИАМАГНЕТИЗМА В ПЛАЗМЕ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ ЛОВУШКИ МЕТОДОМ СПЕКТРОСКОПИИ АТОМАРНОГО ПУЧКА презентация

Лизунов

(по материалам кандидатской диссертации)

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

из наиболее важных задач

Конфигурация магнитного поля и продольный профиль плотности плазмы в газодинамической ловушке (а также в проекте источника нейтронов)

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
3÷6⋅1013 см-3
6÷7 см
≈90 эВ
15÷17 кэВ
1 мс
4 МВт
45°

Плотность быстрых ионов
в точке остановки
Средняя энергия быстрых ионов
Максимальное локальное β

≈1013 см-3

≈10 кэВ
0.4

Основные характеристики установки ГДЛ и типичные параметры плазмы

локального диамагнетизма плазмы в ГДЛ

(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%

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

Эксперимент по изучению пространственных профилей быстрых ионов

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.

измерения максимального локального β=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).

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%.

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 β, а также других параметров. Режим также характеризуется узкими радиальными профилями этих величин.

MSE-диагностики впервые были проделаны прямые измерения магнитного поля и β в плазме. Изучение радиального распределения β в области точки остановки быстрых ионов показало, что максимальное значение β 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 МГД-мод, близкий к измеренной величине. Соответствующая измеренному значению β 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 β имеет характерный радиус ≈8 см, что лишь незначительно превышает ларморовский радиус быстрых ионов с энергией 10 кэВ. Продемонстрировано, что ионно-горячая анизотропная плазма с высоким β и компактным радиальным распределением удерживается в режиме без микронеустойчивостей и МГД-неустойчивостей.

кГс, угол наблюдения Θ = 22.5°

Зеемановский спектр Hα «мишенной» плазмы и результат вписывания модельного профиля
Магнитное поле 25 кГс

холодной плазмой
Калибровка спектральной дисперсии по Hα и CII

Спектр в эксперименте с горячей плазмой
Усреднение по 5-ти выстрелам

Спектр пучка в отдельном выстреле: сигнал/шум ∼1.5