Физика плазмы

Дан обзор современного состояния исследований трех основных составляющих спектра турбулентности, наблюдаемых на современных токамаках, различающихся по частотному диапазону и корреляционным свойствам и имеющих относительно широкие частотные интервалы и размеры более ионного ларморовского радиуса. Это широкополосные (Broad Band – BB), квазикогерентные (Quasi-Coherent – QC), и стохастические низкочастотные флуктуации (Stochastic Low Frequency – SLF). Флуктуации BB имеют наиболее широкий частотный диапазон от 0 до 200–400 кГц и дают основной вклад в полную амплитуду флуктуаций плотности. Характерные размеры BB близки к предсказываемым теорией для неустойчивостей Ion Temperature Gradient (ITG) и Trapped Electron Mode (TEM). BB – наименее коррелированные флуктуации, в плазме токамака Т-10 (R/a = 1.5/0.3 м) их типичная радиальная и полоидальная корреляционные длины составляют около 1 и 2 см, соответственно, длина корреляции вдоль магнитно-силовой линии меньше 2.5 м. Квазикогерентные флуктуации (QC) проявляются в виде локальных максимумов на частотных спектрах колебаний плотности, однако наиболее отчетливо они видны на спектрах когерентности, поскольку они имеют радиальные и полоидальные корреляционные длины, существенно большие, чем ВВ. В плазме токамака Т-10 для QC-мод наблюдались корреляции вдоль магнитно-силовой линии на длине до 10 м. На Т-10 наблюдались два типа таких флуктуаций: низкочастотные – LFQC и высокочастотные – HFQC. Характерные полоидальные размеры и зависимости от параметров разряда в экспериментах на Т-10 показывают, что свойства LFQC и HFQC близки к свойствам ITG и TEM, соответственно. Полоидальное вращение QC совпадает с дрейфовым [E×B] вращением по величине и направлению. Показана связь характеристик этих мод с параметрами разряда при изменении плотности. На Т-10 и на DIII-D показано наличие магнитной составляющей у QC. Гирокинетическое моделирование этих экспериментов показало, что свойства QC близки к микротиринг моде (МТМ). Дополнительным свидетельством МТМ характера QC является сильная зависимость их спектров от профиля тока, дискретная модовая структура и отсутствие QC в плазме стеллараторов. Стохастические низкочастотные флуктуации (SLF), возбуждаемые в диапазоне от 0 до 70 кГц, наименее исследованы. В плазме токамака Т-10 на стороне слабого магнитного поля эти флуктуации могут вращаться в сторону, противоположную QC. SLF некоррелированы вдоль магнитной силовой линии на LFS, но коррелированы на HFS. SLF флуктуации имеют магнитную компоненту. Флуктуации плотности и потенциала имеют разные радиальные и полоидальные размеры и некоррелированы между собой. Это позволяет предположить существование двух независимых типов флуктуаций в частотной области SLF. В экспериментах на DIII-D путем сравнения спектров в L, I и H-режимах было показано, что флуктуации в области SLF (до 70 кГц) могут быть связаны с переносом частиц, а высокочастотные, такие как QCM и ВВ, с переносом тепла.

В настоящее время в НИЦ "Курчатовский институт" ведется разработка комплекса ионно-циклотронного резонансного (ИЦР) нагрева для токамака Т-15МД. ИЦР-комплекс будет использоваться для нагрева ионной компоненты плазмы и генерации неиндукционного тока (тока увлечения). Суммарная мощность комплекса составит 6 МВт, длительность импульса до 30 с. При указанных параметрах отраженная мощность может привести к выходу из строя системы ионно-циклотронного резонансного нагрева (ИЦРН). Таким образом, задача согласования нагрузки (плазмы) и генератора требует особого внимания. В работе проводится численное исследование эффективности связи "антенна–плазма" для трехпетлевой антенны, разработанной для ИЦР-нагрева плазмы в токамаке Т-15МД, исследуется зависимость импеданса антенны от параметров плазмы, ее положения и фазировки возбуждающих токов антенны.

Для эффективного ионного циклотронного резонансного (ИЦР) нагрева плазмы методом “магнитного берега” в безэлектродных ракетных двигателях необходимо точно подобрать геометрические параметры и форму ВЧ-антенны. С этой целью в данной статье проведено полноволновое моделирование возбуждения собственных мод замагниченного плазменного шнура антеннами ионно-циклотронного (ИЦ) диапазона с учетом радиальной неоднородности плазменного шнура и пространственной дисперсии диэлектрического отклика ионов и электронов. В рамках моделирования была рассчитана как полная вкладываемая антеннами в плазму мощность, так и ее разделение между собственными альфвеновским модами плазменного шнура и альфвеновским континуумом. Расчет был выполнен для трех наиболее популярных типов антенн используемых для ИЦР-нагрева плазмы для параметров установки ПС-1. В результате проведено сравнение эффективности этих типов ВЧ-антенн и определены оптимальные длины для каждой из них.

Для проведения исследований по нагреву плазмы при прохождении по плазменному шнуру релятивистского электронного пучка с током порядка 10 кА необходимо обеспечивать компенсацию электрического и магнитного полей пучка индуцированным в плазме током, так называемую зарядовую и токовую нейтрализацию пучка. В первых же экспериментах по инжекции сильноточных релятивистских электронных пучков в плазму с магнитным полем были зарегистрированы эффекты нейтрализации плазмой собственного электромагнитного поля электронного пучка. В то же время динамика этих нейтрализационных процессов зависит и от соотношения между длительностью переднего фронта импульса тока пучка и временем пролета его электронами по длине плазменного шнура. Описаны результаты двух принципиально различающихся серий экспериментов по изучению нейтрализации в плазменном шнуре релятивистского электронного пучка с током порядка 10 кА в условиях сильного (с индукцией 4 Тл) ведущего магнитного поля. Первая серия эксперимента проведена в случае переднего фронта импульса тока пучка ≈5 нс и его длительности около 50 нс. Вторая серия экспериментов проведена при длительности фронта импульса тока пучка порядка 0.1 мкс при длительности импульса ≈5 мкс.

Представлен подробный анализ осциллографических данных, полученных в экспериментах по наносекундному взрыву в воздухе тонких проволочек из Ag, W, Pd, Ti – металлов, которые по своим электро- и теплофизическим свойствам принадлежат к разным классам (медная, вольфрамовая и никелевая группы). Обсуждаются особенности электрических сигналов, характерные для сценариев взрыва, соответствующих каждой из групп. Эксперименты проводились на установке конденсаторного типа с полной запасаемой энергией до 20 Дж (С = 0.1 мкФ, I_max = 10 кА, dI/dt ~50 А/нс) при зарядном напряжении 13 кВ. Данная работа является первым этапом исследования, направленного на установление взаимного влияния параметров генератора, служащего источником энергии взрыва, и используемых нагрузок.

Исследуются стационарные состояния электронного пучка с произвольным разбросом по скоростям в вакуумном диоде. Предполагается, что функция распределения пучка постоянна в некотором интервале скоростей. Получена зависимость предельного тока от разброса по скоростям. Установлено, что в определенной области параметров существуют стационарные состояния с двумя типами виртуальных катодов.

Представлен лабораторный эксперимент по формированию пылевой плазмы и визуализации потоков заряженных пылевых частиц диаметром от 10 до 100 мкм, состоящих из диоксида кремния, входящего в состав лунного реголита. Рассмотрено влияние приповерхностной плазмы, моделируемой с помощью электростатического поля и ультрафиолетового излучения (УФ-излучения), на динамику частиц-имитаторов реголита. Визуализированы траектории движения частиц и изменение рельефа поверхности с частицами, а также получены оценки скоростей их взлета. Показано, что картина движения частиц в пылевой плазме зависит от наличия УФ-излучения и размера самих частиц. Результаты проведенного исследования представляют интерес для понимания физических процессов, происходящих у поверхности Луны и у других безатмосферных тел Солнечной системы, таких как Меркурий, астероиды, спутники Марса и др.

Представлена самосогласованная модель, объединяющая кинетическое уравнение Власова для функции распределения резонансных частиц и закон Ампера—Максвелла; нерезонансные частицы учитываются через диэлектрическую проницаемость в линейном приближении. Исследуются результаты численных расчетов, демонстрирующие нелинейную эволюцию широкого спектра волн, возбуждаемого неустойчивым распределением электронов, в однородной и неоднородной плазме. Частотно-временной анализ электрического поля выявил квазипериодические элементы с возрастающей частотой. В работе показано, что временные модуляции амплитуды электрического поля возникают из-за выбора гармоник с равным шагом по волновому числу в начальном спектре волн. Такой выбор гармоник приводит к пространственным периодическим структурам электрического поля, которые при распространении преобразуются во временные модуляции, наблюдаемые на спектрограммах.

Традиционные резонаторные СВЧ-методы диагностики плазмы сталкиваются с принципиальными ограничениями при высоких плотностях плазмы (n_e > 10¹¹ см^–3) из-за нелинейности отклика и расплывания резонансных пиков. Поиск альтернативных подходов, обеспечивающих точные измерения в широком диапазоне, остается актуальной задачей. В данной работе экспериментально и численно исследована возможность использования моды ТМ₁₁₀ (Е₁₁₀) цилиндрического резонатора (радиусом R = 45 мм, длиной H = 30 мм) для измерения электронной плотности в газоразрядной плазме, возбуждаемой поверхностной электромагнитной волной. Установлено, что коэффициент связи C_v для моды ТМ₁₁₀ сохраняет постоянство в диапазоне n_e = 10¹¹–10¹² см^–3, обеспечивая линейную зависимость сдвига резонансной частоты от плотности плазмы. Мода ТМ₁₁₀ демонстрирует устойчивость к деградации резонансного пика при высоких плотностях плазмы n_e, в отличие от моды ТМ₀₁₀, где подавление сигнала наблюдалось уже при n_e ≈ 3·10¹¹ см^–3. Полученные результаты измерений хорошо согласуются с результатами измерений плотности плазмы методом проходящих волн и интегральной светимости плазмы, а также с данными литературы. Предложенная модификация метода пригодна для неинвазивной диагностики продольного распределения электронной плотности плазмы газового разряда, включая плазменные антенны.