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 361013 см-3 Плотность мишенной плазмы радиус в центральной плоскости 67 см электронная температура 90 эВ Энергия дейтериевых пучков 1517 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 = (vB). 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: B2 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.