Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Экспериментальные условия установки ГОЛ-3 13
1.1 Сценарий эксперимента 13
1.2 Диагностический комплекс установки ГОЛ-3 15
1.3 Спектрометр вакуумного ультрафиолетового излучения с пространственным разрешением 16
1.4 Система томсоновского рассеяния рубинового лазера для измерения параметров плазмы 33
Глава 2 Газовая система установки ГОЛ-3 52
2.1 Импульсный напуск дейтерия в камеру ГОЛ-3 52
2.2 Система измерения концентрации 52
2.3 Начальное распределение концентрации газа 56
2.4 Измерение концентрации примесей в плазме 60
Глава 3 Формирование начальной токонесущей плазмы 65
3.1 Требования к начальной плазме 65
3.2 Конструкция источника плазмы 68
3.3 Электротехническая схема разряда 69
3.4 Обеспечение замыкания тока в камере сжатия пучка 73
3.5 Влияние условий в области сжатия на нагрев и удержание плазмы 75
3.6 Свойства плазмы 77
3.7 Динамика энергосодержания плазмы в бесфольговом режиме 82
Глава 4 Эксперименты с инжекцией твердотельных крупинок на установке ГОЛ-3 86
4.1 Применение инжекции крупинок для создания плотных плазменных сгустков 86
4.2 Постановка эксперимента и диагностики 87
4.3 Общая картина образования и разлета плотного плазмоида 90
4.4 Параметры сгустка плотной плазмы 95
Заключение 103
Благодарности 104
Литература 105
- Диагностический комплекс установки ГОЛ-3
- Система измерения концентрации
- Конструкция источника плазмы
- Постановка эксперимента и диагностики
Введение к работе
Одним из альтернативных подходов к решению проблемы магнитного термоядерного синтеза является разработка реактора на основе аксиально-симметричной многопробочной ловушки, идея которого предложена Г.И. Будкером, В.В. Мирновым и Д.Д. Рютовым [1]. Суть этого метода удержания плазмы заключается в том, что магнитное поле соленоида делается гофрированным, так что плазма, вытекающая из ловушки, проходит множество связанных пробкотронов. При этом происходит переход в новое качество: при определенных параметрах плазмы частицы захватываются в отдельные пробкотроны, а в целом плазма диффундирует сквозь такую систему, так что время жизни частиц существенно возрастает по сравнению с классическим. Метод многопробочного удержания частиц достаточно надежно обоснован как теоретически, так и экспериментально. На основе многопробочной ловушки был предложен проект гипотетического термоядерного реактора[2,3,4]. В нем горячая плазма с плотностью 1017-
1 ft "?
10 см" удерживается в соленоиде с гофрированным магнитным полем длиной масштаба 100 метров.
Для реализации проекта необходимо решить некоторые принципиальные проблемы. Одна из них связана с поперечным удержанием плазмы. Дело в том, что давление плазмы в такой системе намного превосходит давление магнитного поля, поэтому плазма должна фактически опираться на стенку внешней камеры. Теоретически было показано (см.[5]), что возможно эффективное удержание плазмы в системе с гофрированными стенками, повторяющими ход силовых линий магнитного поля. Экспериментальная проверка метода стеночного удержания горячей плазмы до сих пор не реализована.
Другой ключевой проблемой является обеспечение эффективного нагрева плотной плазмы до термоядерных температур (~10кэВ) в соленоиде. За время, меньшее, чем энергетическое времени жизни, необходимо вложить в плотную плазму энергию масштаба 100 МДж. Для этого требуются мощности нагрева в десятки гигаватт за времена
5 в сотни микросекунд. Для решения этой задачи выгодно использовать мощные
релятивистские электронные пучки (РЭП).
В основе метода нагрева плазмы с помощью электронных пучков лежит
коллективное взаимодействие релятивистского пучка с плазмой. К настоящему времени
существует множество теоретических и экспериментальных работ, посвященных
исследованию физики взаимодействия пучков с плазмой (см., напр., [6,7], работы [8-18] и
литературу к ним). Одним из направлений этих исследований является изучение
взаимодействия мощных релятивистских электронных пучков (РЭП) с плазмой. Первые
экспериментальные исследования по коллективному взаимодействию мощных РЭП с
плазмой проводились с использованием пучков наносекундной длительности,
энергосодержание которых не превышало нескольких килоджоулей. В работе [19] по
инжекции РЭП в плазму с плотностью —10 см" была показана возможность релаксации
мощного электронного пучка в плазме. Проводившиеся с начала 1970-х гг. на установке
ИНАР [20] эксперименты были направлены на поиск условий эффективной
бесстолкновительной релаксации пучка в существенно более плотной, по сравнению с
экспериментами [19], плазме. Как известно из теории (см., напр., [16]), инкремент
пучковой неустойчивости в кинетическом режиме существенно зависит от параметров
эксперимента:
где (Ор - ленгмюровская частота плазмы, щ , у и & - плотность, релятивистский фактор и угловой разброс пучка. В экспериментах было показано, что при увеличении плотности тока пучка (плотности пучка пъ ), уменьшении углового разброса пучка 0
1С і
возможен эффективный нагрев плазмы с плотностью до ««10 см" [21,22,23]. Тогда же были получены первые экспериментальные результаты, свидетельствующие о том, что механизмом торможения пучка является пучковая неустойчивость, приводящая к
развитию интенсивных плазменных колебаний. Прямое наблюдение ленгмюровской турбулентности, а также других видов колебаний, было проведено на ныне действующей установке ГОЛ-М [25,26]. Различным аспектам физики взаимодействия РЭП с плазмой были посвящены эксперименты на других установках [27-42]. В целом к началу 80-годов было экспериментально продемонстрировано, что за счет коллективных эффектов наносекундные РЭП эффективно тормозятся в плазме с плотностью вплоть до 1-3 1015см"3, и соответственно передают свою энергию плазменным электронам. Например, на установке ИНАР-2 потери энергии пучка достигали 40% на длине всего 75 сантиметров, что в миллион раз эффективнее, чем при классическом торможении пучка в плазме [43, 44]. Основные результаты исследований по нагреву плазмы наносекундными электронными пучками содержатся в [45].
Новым этапом в исследовании пучково-плазменного взаимодействия стало создание генераторов релятивистских электронных пучков микросекундной длительности с воздушной изоляцией. На установке У-1- СПИН была продемонстрирована возможность получения электронного пучка с энергозапасом более 100 кДж, его сжатия и транспортировки в магнитном поле [46-49]. Аналогичный по параметрам ускоритель У-3 использовался для нагрева плазмы в длинном соленоиде на первой очереди установки ГОЛ-3 [50].
В настоящее время в Институте ядерной физики им. Г.И.Будкера (Новосибирск) ведутся эксперименты по нагреву и удержанию плазмы в открытой многопробочной ловушке ГОЛ-3 [51]. Схема установки приведена на рис.1. Магнитная система длиной около 18 м состоит из участка для транспортировки и компрессии греющего электронного пучка длиной около 4 м, основного соленоида длиной ~ 12 м и расширителя с уменьшением поля с уменьшением поля в 40 раз. Плазма нагревается электронным пучком (1 МэВ, 30 кА, 8 мкс) с полным энергосодержанием до 200 кДж.
Электронный пучок за счет коллективного взаимодействия эффективно передает
7 энергию электронам плазмы, так что к моменту окончания инжекции электронная
температура достигает 2 кэВ [52]. Полученные результаты позволили перейти к
систематическому изучению нагрева и удержания ионной компоненты плазмы в
многопробочной ловушке ГОЛ-3. Вместе с тем, проведение новых экспериментов
потребовало существенной модернизации установки.
Суть проблемы состоит в следующем. На установках предыдущего поколения предварительная плазма создавалась с помощью кольцевых плазменных пушек [42], разрядом типа Пенинга в диэлектрической камере ([53,54]), либо с помощью прямого разряда в металлической камере ([55,58]). Как правило, в таких экспериментах имелся прямой контакт плазмы с материальными электродами. На первой очереди установки ГОЛ-3-I такими электродами служили, со стороны ускорителя - разделительная фольга, а со стороны приемника пучка - высоковольтный электрод прямого разряда [69].
Для экспериментов по нагреву плазмы с помощью релятивистских электронных пучков такая конфигурация была достаточной, поскольку время жизни плазмы в ловушке было относительно небольшим. Однако при переходе на установке ГОЛ-3 к экспериментам с длительным удержанием горячей плазмы режим работы с разделительными фольгами оказался неприемлемым. Это связано с тем, что образующееся после испарения фольги облако плотной холодной плазмы распространяется вдоль магнитного поля с характерной скоростью 10 -107см/с, тем самым определяя время существования горячей плазмы ~50 мкс. Температура в облаке, из-за ионизационного охлаждения, не превышает нескольких десятков электрон-вольт, что приводит к быстрому остыванию основной плазмы за счет электронной теплопроводности.
Таким образом, наличие разделительной фольги препятствовало проведению экспериментов по удержанию плазмы в многопробочной ловушке. Кроме того, необходимость ежедневного развакуумирования камеры для смены фолы определяла
8 невозможность получения высокого вакуума и ограничивала экспериментальные возможности установки. В связи с этим возникла необходимость получения плазменного столба со свободными границами. Для создания такого столба необходимо было решить две основные задачи:
-создание требуемого для проведения экспериментов начального распределения концентрации газа по длине установке при сохранении высокого вакуума в диоде ускорителя;
-получение начальной токонесущей плазмы для компенсации тока электронного пучка в отсутствие расположенных в сечении пучка материальных электродов.
Для решения первой задачи была разработана система импульсного напуска газа в установку, обеспечивающая создание требуемого распределения начальной концентрации водорода по длине.
Для создания предварительной плазмы и обеспечения компенсации тока пучка был создан новый выходной источник плазмы, а также проведена модернизация входной части установки. В области сжатия пучка установлены графитовые лимитеры, на которые замыкается ток разряда. Проводимость плазмы поперек магнитного поля обеспечивается напуском плотного газового облака, параметры которого оптимизировались в серии специальных экспериментов.
Одним из существенных вопросов экспериментальной программы установки ГОЛ-3 является получение и нагрев плазмы с высокой (1016-1017см'3) плотностью. Повышение плотности приводит к увеличению скорости термоядерных реакций, и, как следствие, уменьшению габаритов потенциального реактора на основе многопробочной ловушки. В соответствии с формулой (1) при увеличении плотности плазмы эффективность пучково-плазменного взаимодействия падает. Для условий установки ГОЛ-3 электронный пучок может передавать энергию плазме вплоть до плотности 5-10 см". Для нагрева плазмы большей плотности предложен метод двухступенчатого нагрева [59], который состоит в
9 том, что в основной плазме с умеренной плотностью (~1015см~3) создается локальный
плотный плазменный сгусток. Релятивистский электронный пучок передает энергию
основной плазме, которая, в свою очередь, за счет теплопроводности нагревает участок
плотной плазмы.
При создании облаков плотной плазмы с помощью импульсного напуска газа возникает ряд трудностей. Во-первых, при высокой начальной плотности газа ток, создаваемый источником плазмы, становится недостаточным для компенсации тока пучка, и плазма становится неустойчивой [56]. Во-вторых, наличие плотной газового облака на периферии плазменного шнура приводит к дополнительному охлаждению плазмы, а также препятствует использованию оптических и нейтральных диагностик.
Для преодоления этих трудностей в работе предложено использовать для создания облаков плотной плазмы метод инжекции твердотельных водородосодержащих крупинок. Инжекция твердотельных крупинок используется для ввода вещества в плазму на многих термоядерных установках, как правило, для этих целей используются криогенные инжекторы, формирующие крупинки твердого водорода, инжектируемые в плазму со скоростью ~200 м/с. Особенности эксперимента на установке ГОЛ-3 позволяют существенно упростить схему инжекции крупинок. Во-первых, большая мощность нагрева плазмы позволяет использовать некриогенные водородосодержащие вещества (например, полиэтилен или дейтерид лития), при этом мощность радиационных потерь оказывается существенно меньше мощности нагрева. Во-вторых крупинка может помещаться в нужную точку плазменного столба до начала нагрева, и следовательно не требуется большая скорость вбрасывания крупинки.
Для проверки возможностей использования инжекции крупинок в плазму был разработан электродинамический инжектор крупинок и проведена серия экспериментов по созданию плотных плазменных сгустков в плазме [57]. Эксперименты показали, что метод инжекции крупинок позволяет создавать в плазме локальные сгустки с плотностью
10 1016-1017см3, которые эффективно нагреваются за счет передачи энергии от основной
плазмы.
В результате работы установка ГОЛ-3 переведена в новый режим работы без непосредственного контакта плазмы с торцами многопробочной ловушки, характеризующийся высокой ионной температурой и временем удержания горячей плазмы. Модернизация систем создания начальной плазмы и напуска газа позволила проводить эксперименты по нагреву и удержанию плазмы с плотностью 10І4-10І7см"3 в гофрированном магнитном поле.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, в котором перечислены основные результаты работы. В первой главе рассматривается сценарий эксперимента на установке ГОЛ-3 и описываются специализированные диагностики, разработанные для определения параметров плазменного шнура.
Во второй главе приводится описание газовой системы установки ГОЛ-3. Переход к экспериментам по удержанию плазмы в многопробочном поле потребовал динамического формирования необходимого начального распределения концентрации нейтрального газа по длине установки. Для решения этой задачи создана система импульсного напуска дейтерия, подготовлены необходимые диагностики и проведены измерения распределения начальной плотности нейтрального газа по длине установки.
Третья глава посвящена формированию столба токонесущей плазмы, необходимого для транспортировки электронного пучка и обеспечения устойчивости плазменного шнура на стадии удержания плазмы в многопробочной ловушке. Начальная плазма формируется специальным источником, расположенным на выходе установки. Разработанный источник позволяет формировать внутри металлической вакуумной камеры плазменный столб с током больше 1 к А, протекающим по всей длине установки, при плотности начального газа 1014-5-1015 см"3. Для замыкания тока разряда в начале установки в камере сжатия электронного пучка создается плотное газовое облако,
обеспечивающее протекание тока поперек магнитного поля. В работе приводятся характеристики разряда, создающего плазму, параметры плазмы и их зависимости от начальной плотности газа. Использование новой системы создания предварительной плазмы позволило перевести установку в новый режим работы, характеризующийся высокой температурой и большим временем удержания плазмы.
В четвертой главе предложен метод инжекции твердотельных крупинок для создания сгустков плотной плазмы в многопробочной ловушке ГОЛ-3. Рассмотрены физические аспекты взаимодействия электронного пучка и горячей плазмы с твердой крупинкой, приводятся результаты проведенных экспериментов. Показано, что инжекция твердых водородосодержащих крупинок является перспективным методом для создания локальных сгустков плазмы с плотностью 1016-1017см"3. Такие сгустки эффективно нагреваются за счет передачи энергии от надтепловых электронов и основной плазмы.
На защиту выносятся следующие основные научные положения:
Методика многоточечного импульсного напуска газа позволяет создать требуемое начальное распределение концентрации дейтерия по длине установки при сохранении высокого вакуума в области генерации электронного пучка.
Предварительная низкотемпературная плазма может быть получена в 12-метровой металлической камере при помощи специального прямого разряда. При этом высоковольтные электроды расположены вне области горячей плазмы, а для замыкания тока используется плотное газовое облако, обеспечивающее проводимость поперек магнитного поля.
Сильноточный электронный пучок может быть проведен через 12-метровыый плазменный столб в многопробочном магнитном поле. Для обеспечения макроскопической стабильности электронного пучка выходной плазменный узел генерирует встречный ток по плазме, так что запас устойчивости по
12 отношению к критерию Крускала-Шафранова становится больше единицы.
Параметры предварительной плазмы позволяют проводить эксперименты по нагреву и последующему удержанию высокотемпературной плазмы с плотностью 1014-1016см"3 в многопробочной ловушке ГОЛ-3.
Инжекция во дородосо держащих крупинок может быть использована для увеличения плотности плазмы в области пучково-плазменного взаимодействия, при этом происходит эффективная передача энергии от электронного пучка в плотный плазменный сгусток.
Диссертация основана на результатах, опубликованных в работах [52, 56, 57, 60-73].
Диагностический комплекс установки ГОЛ-3
Для измерения параметров плазмы на установке создан диагностический комплекс, включающий электромагнитные, оптические диагностики, а также диагностики продуктов ядерных реакций (Рис. 2).
Энергосодержание в электронном пучке определяется по измерениям ускоряющего напряжения на катоде генератора пучка и тока пучка. Кроме того, мощность пучка контролируется по сигналу жесткого рентгеновского излучения с выходного коллектора. Для измерения эффективности пучково-плазменного взаимодействия на выходе установки устанавливался анализатор спектра электронов пучка.
Для контроля параметров источников плазмы в каждом выстреле проводится измерение напряжения на разряде, а также токов в плазме. Для измерения токов внутри вакуумной камеры на различных координатах по длине установлено десять поясов Роговского, кроме того отдельно измеряются токи через электроды источника плазмы.
Динамика энергосодержания в плазме (параметр пеТе+ПіТ,), а также ее распределение по длине измеряется охватывающими плазменный шнур диамагнитными петлями. Для измерения концентрации электронов используются оптические интерферометры на основе He-Ne лазера (1,15 мкм), расположенные на координатах z=83 см и z=850 см (здесь и далее продольная координата отсчитывается от центра входной пробки соленоида). Информацию о плотности плазмы может быть получена также из анализа контуров спектральных линий, а также с помощью систем лазерного рассеяния.
Температура ионов находится из анализа контуров спектральных линий (эффект Доплера) [61], и по спектру нейтралов перезарядки [74]. Она также может быть оценена по интенсивности нейтронного излучения плазмы [75].
Увеличение температуры и времени удержания плазмы потребовало развития новых диагностик для исследования радиальной структуры плазменного столба, поперечных потерь энергии и динамики примесей. Такая информация о свойствах плазмы может быть получена из спектральных измерений динамики оптического излучения. Измерение спектров излучения и пространственного распределения яркости линий, а также сравнение полученных данных с результатами численного моделирования, открывает возможность определения концентрации ионов примесей в различных ионизационных состояниях и величины радиационных потерь энергии. Из анализа пространственного распределения и зависимости от времени концентраций ионов разной зарядности может быть найдено распределение электронной температуры по сечению плазменного столба, а также коэффициенты продольной и поперечной диффузии. Кроме того, определение поперечных размеров области, занятой горячей плазмой, необходимо для корректной интерпретации диамагнитных и интерферометрических измерений.
В горячей плазме (Те 0,1 - 10 кэВ) представляет интерес излучение линий ионов легких примесей, лежащих в диапазоне вакуумного ультрафиолетового (ВУФ) излучения (50 -250 нм). В этом диапазоне используются вакуумные спектральные приборы нормального падения с вогнутой дифракционной решеткой. Для анализа излучения плазмы на установке ГОЛ-3 был разработан вакуумный спектрометр, обладающий пространственным и временным разрешением [65]. Основное внимание при его создании было обращено на получение пространственного распределения интенсивности линий. Аналогичный прибор был изготовлен для использования на токамаке CASTOR (Institute of Plasma Physics, Prague), где применяется для исследования поперечной диффузии плазмы [63], а также в экспериментах по взаимодействию плазмы с поверхностью [65]. Принцип получения пространственного разрешения в ВУФ спектрометре. В связи с отсутствием материалов, прозрачных для ВУФ излучения, и следовательно, невозможностью применения преломляющей оптики, для спектрального анализа излучения плазмы в ВУФ диапазоне обычно используются спектральные приборы с вогнутыми дифракционными решетками. Приборы данного типа широко применяются в эксперименте, свойства таких систем рассматривались многими авторами (см., например, [76, 77, 78]). Рассмотрим оптическую схему монохроматора Сейя-Намиока (Рис. 3). Вогнутая сферическая решетка со штрихами, расположенными в вертикальной плоскости, имеет радиус кривизны р. Прошедшее через входную щель излучение, отражаясь от решетки, раскладывается по спектру и фокусируется на выходную щель. Угол между падающим и отраженным светом постоянен и составляет 70 15 . Сканирование по спектру осуществляется поворотом решетки вокруг оси, проходящей через её центр.
Спектр водородной лампы ВЛФ-25; а- спектр, измеренный с помощью спектрометра, б- сплошная линия - измерения в режиме монохроматора, пунктир- данные из [76]. и дифракции, отсчитываемые от нормали к решетке (на Рис. 3 угол р -отрицательный), А расстояние от излучающего объекта до решетки, у - вертикальная координата точки падения излучения на решетку. В большинстве случаев можно считать отношение у/А малым, так что уравнение (2) совпадает с уравнением плоской решетки: sincH-sin/?=m X/d.
Такая оптическая схема монохроматора Сейя-Намиока обладает значительным астигматизмом, не позволяющим получать в плоскости регистрации изображение входной щели. Точечный источник излучения фокусируется в вертикальную линию в горизонтальном фокусе и горизонтальную линию в вертикальном фокусе (см. Рис. 3).
Система измерения концентрации
Переход к импульсному напуску газа потребовал развития методики измерения динамики концентрации нейтрального газа в вакуумной камере установки ГОЛ-3. Для проведения измерений использовались оптические интерферометры, а также ионизационные манометрические лампы. Входящие в состав диагностического комплекса ГОЛ-3 интерферометры Майкельсона, расположенные на координатах z=83 см z=850 см, предназначены для измерения концентрации плазмы. В них используется излучение He-Ne лазера с длиной волны 1153 нм. Временное разрешение определяется тактом регистрирующего АЦП и составляет 1 мкс.
Измерения концентрации с помощью интерферометров имеют хорошее временное разрешение, но позволяют определять плотность только в двух определенных точках по длине плазменного столба. Для измерения распределения концентрации по длине установки была разработана методика ламповых измерений концентрации нейтрального газа. Изменение тока эмиссии при импульсном напуске газа, полный ток эмиссии составляет 100 мкА систему обратной связи таким образом, что ток эмиссии с катода поддерживается равным 100 мкА. Расположенный вблизи промежутка катод - анод коллектор имеет потенциал -30 В относительно анода. На него собираются ионы, образующиеся в зазоре под действием ионизации. Количество актов ионизации в единицу времени, и, следовательно, ионный ток на коллектор пропорциональны концентрации атомов в объеме лампы.
Точность измерения концентрации ограничивается следующими факторами: -точность заводского изготовления лампы, определяющая калибровочный коэффициент; -нелинейность рабочей характеристики лампы; -повторяемость импульсов системы газонапуска. Паспортная точность измерения концентрации с помощью ламп ПМИ-10-2 равна 20%. Она может быть повышена при индивидуальной калибровке ламп с помощью стандартного измерителя давления. Для калибровки использовалась манометрическая лампа BARATRON с паспортной точностью измерения давления 0.12%. В камеру установки напускался газ, и, после выравнивания давления в объеме, проводились измерения. Такая калибровка также позволяет определить нелинейность рабочей характеристики ламп.
Измерения концентрации проводятся в тестовых импульсах в промежутках между сериями экспериментов на установке, поэтому точность определения концентрации зависит от повторяемости выстрелов газовой системы. Для анализа нестабильности срабатывания клапанов были проведены серии измерений в одном режиме. Разброс значений в таких сериях не превышает 2%.
Принципиально временное разрешение системы ограничивается временем дрейфа ионов от места ионизации до коллектора (порядка нескольких микросекунд). Реально, на быстродействие влияет время выравнивания давления между объемами установки и лампы, быстродействие системы регистрации, а также характерное время отклика системы обратной связи.
Для измерения ионного тока используется АЦП 101S с частотой дискретизации 1 МГц входным сопротивлением 100 кОм. При длине сигнального кабеля 5 метров время интегрирования равно T2=RC«33 мкс.
При импульсном повышении давления нить накала катода остывает и ток эмиссии падает. В измерениях использовалась схема стабилизации вакууметра ВИТ-3, обладающая большим (десятки миллисекунд) собственным временем. Для оценки ошибки, возникающей из-за изменения температуры катода, были проведены измерения тока эмиссии при инжекции газа. При концентрации частиц до 10 см" изменение тока эмиссии не превышает 5% (Рис. 22).
Проверка быстродействия системы была проведена путем сравнения интерферометрических и ламповых измерений концентрации. С этой целью лампа устанавливалась в непосредственной близости от интерферометра. На Рис. 23 показаны результаты измерения концентрации. Результаты, полученные с помощью различных методик, находятся в хорошем согласии друг с другом.
Для создания требуемого начального распределения газа по длине установки применяется несколько клапанов. Динамика концентрации дейтерия при инжекции газа с помощью центрального клапана показана на Рис. 24. При свободном расширении газа в гладкой трубе время выравнивания давления равно нескольким временам пролета частиц вдоль трубы, в нашем случае оно должно составлять несколько десятков миллисекунд. Однако измерения показали, что газ распространяется по камере существенно медленнее. По-видимому, скорость расширения существенно снижается из-за наличия в камере лимитеров и патрубков. Во время проведения ремонта внутрикамерных диагностик часть лимитеров начального участка установки была убрана. После этого время выравнивания давления уменьшилось в несколько раз. На Рис. 24 показана динамика концентрации газа на координатах z=553 см и z=304 см до (пунктирные кривые) и после ремонта (непрерывные кривые).
Распределение концентрации дейтерия по длине установки для разных моментов времени показано на Рис. 25. Инжекция пучка происходит с задержкой 800 мс после срабатывания центрального клапана, когда профиль концентрации становится более однородным. Для проверки влияния напуска на работу ускорителя одна лампа была установлена в вакуумную камеру диода ускорителя. Обнаружено, что в момент выстрела концентрация газа в диоде меньше уровня обнаружения, соответствующего давлению 3x10 2 Па.
Конструкция источника плазмы
В экспериментах, проводимых на второй очереди установки ГОЛ-3, предварительная плазма создавалась с помощью разряда, который зажигался между приемником пучка, расположенным непосредственно за выходной пробкой в области сильного поля, и металлической фольгой, разделяющей вакуумные объемы ускорителя и плазменной камеры [69]. При переходе к экспериментам по нагреву и удержанию плазмы в многопробочном поле возникла необходимость устранения источников плотной холодной плазмы, образующейся при взаимодействии электронного пучка с твердым веществом разделительной фольги и приемника пучка. Решение этой задачи потребовало существенной модернизации системы создания предварительной плазмы. Задачей модернизации было создание источника плазмы, позволяющего создавать столб водородной плазмы с контролируемым распределением плотности (обычно в диапазоне 1014-1016 см 3) внутри металлической камеры длиной 12 м и диаметром 10 см в многопробочном поле установки ГОЛ-3. При этом электроды, служащие для зажигания разряда, должны быть вынесены за пределы области, занятой пучком, а поток энергии на приемник пучка уменьшен до уровня меньше порога разрушения материала поверхности (для графита - 1 кДж/см2 [98]). Источник расположен в районе выходной пробки (Рис. 32). Вдоль силовых линий с обоих концов пробочной области расположен набор графитовых диафрагм с плавающим потенциалом. К расположенному за выходной пробкой кольцевому электроду, изготовленному из графитовой ткани, через разрядник подводится высокое напряжение от конденсаторной батареи. Еще два электрода, изготовленных из графита и расположенных перед выходной пробкой, служат для облегчения пробоя. Электронный пучок принимается графитовым коллектором, расположенным в области слабого поля, так что поток энергии на коллектор не превосходит 0,2 кДж/см . Коллектор расположен на высоковольтном изоляторе и соединен с вакуумной камерой через индуктивную цепь так, что во время прохождения пучка он фактически находится под плавающим потенциалом. Разряд пространственно стабилизирован набором графитовых лимитеров, расположенных в нескольких позициях вдоль вакуумной камеры. Начальный пробой происходит между парой кольцевых графитовых электродов. Образующаяся искра имеет ограниченную энергию и служит источником быстрых электронов, ускоряющихся высоким напряжением, приложенным к высоковольтному электроду [70]. Для регистрации ускоренных электронов в плазменной камере на расстоянии z=2,5 м устанавливалась танталовая мишень, излучение с которой регистрировалось детектором мягкого рентгеновского излучения (Рис. 33). В момент пробоя происходит генерация электронов с энергией -10 кэВ, которые, пролетая вдоль магнитного поля до начала установки, производят начальную ионизацию плазмы.
Схема питания источника плазмы показана на Рис. 34. Напряжение с конденсаторной батареи 48 мкФ через импульсный коммутатор и кабель подается на высоковольтный электрод 1, а также, через RC-цепь на поджигающий электрод 2. Электрод 3 через емкость соединен с землей так, что при срабатывании разрядника между электродами 2 и 3 появляется высокое напряжение и происходит пробой. Затем пробивается промежуток между поджигающими электродами 2,3 и высоковольтным электродом 1 и зажигается разряд вдоль магнитного поля. После образования начальной ионизации ток разряда начинает течь по всей длине плазменного столба. Электрическое поле при этом перестраивается таким образом, чтобы поддерживать ток разряда внутри длинной проводящей камеры. Вследствие того, что вне области разряда предварительная ионизация отсутствовала, поперечный ток на стенки камеры равен нулю.
Осциллограммы напряжения на разряде и токов в плазме приведены на Рис. 35. Полный ток разряда ограничивается индуктивностью токового контура, составляющей около 6 мкГн, и достигает 80 кА. Токи, текущие от плазменного электрода в начало и конец установки, измеряются поясами Роговского и обозначаются Jtest и Jout. Основная доля разрядного тока течет по направлению к началу установки и замыкается на камеру сразу за источником плазмы. Величина этого тока (обозначаемого Jtest) определяется индуктивностью внешней цепи и практически не зависит от режима работы установки. Небольшая доля тока ответвляется на выход установки (ток Jout) и стекает через торцевой приемник пучка, при этом величина тока ограничивается включенным в цепь приемника пучка развязывающим сопротивлением 0,5 Ом. Через 70 микросекунд после начала разряда ток в выходном узле Jout замыкается на стенку камеры и резко возрастает, при этом ток Jtest падает.
Вблизи электрода, в области слабого поля существует высокая поперечная проводимость, позволяющая заполнить током все сечение плазменного столба. Циркулирующий в источнике плазмы ток создает разность потенциалов между плазменным столбом и камерой, достаточную для поддержания тока вдоль магнитного поля в основном соленоиде. Около 5 процентов от полного тока разряда проходят на всю длину установки и замыкаются на стенку камеры в области сжатия электронного пучка. При этом, поскольку в сильном поле основного соленоида поперечная проводимость мала, текущие по разным силовым трубкам токи связаны между собой только через взаимную индуктивность.
Постановка эксперимента и диагностики
В предварительных экспериментах крупинка подвешивалась в центре вакуумной камеры на лавсановой нити. Затем, для проведения серии экспериментов без развакуумирования установки, был разработан специальный инжектор. Для создания инжектора крупинок была выбрана электродинамическая схема. Параметры системы определялись следующими техническими требованиями: независимость работы системы от материала и веса (в пределах 0.1-10 мг) крупинки, возможность проведения до 5 импульсов без нарушения вакуума в установке, точная синхронизация с остальными системами установки. Электродинамическая система инжектора состоит из плоской катушки и расположенного вплотную к катушке диска-толкателя. При протекании импульса тока по катушке в диске-толкателе наводятся токи отражения, он ускоряется и ударяет по бойку, в центральном углублении которого помещается крупинка. Была выбрана схема с жестким торможением бойка для того, чтобы гарантировать отрыв крупинки от его поверхности. Инжекция осуществляется снизу вверх. Импульс тока в катушке инжектора создается простым источником, состоящим из конденсатора типа МБГВ (160 мкФ, 500 В) и тиристорного ключа. Параметры электрической цепи были выбраны так, чтобы длительность импульса тока была по порядку величины равна времени проникновения магнитного поля в материал диска-толкателя. Амплитуда тока при напряжении зарядки конденсатора 350 В составляет 1.5 кА при длительности импульса тока по основанию -75 мкс. Точное позиционирование крупинки в камере к моменту инжекции пучка обеспечивается подбором рабочего напряжения при фиксированном времени запуска тиристорного ключа (13530 мкс до начала пучка, что несколько раньше включения магнитной системы). Начальная скорость крупинки изменяется в диапазоне 10-25 м/с при изменении напряжения питания от 200 до 350 В. Разброс положения крупинок от импульса к импульсу составляет 2 см относительно центра плазменной камеры.
Было изготовлено и смонтировано на установке два инжектора. Первый инжектор располагался в окне диагностического промежутка между 59 и 60 катушками приблизительно в центре соленоида установки ГОЛ-3 (расстояние Z от центра входной пробки, принятого за начало координат, равно 662 см). Второй инжектор крупинок был установлен на Z = 219 см (между 19 и 20 катушками).
Для диагностики параметров плотной плазмы использовалось несколько методик. В месте расположения первого (центрального) инжектора изображение плотного сгустка регистрировалось при помощи цифровой фотокамеры и цифровой ВУФ обскуры (длительность кадра 1 мкс, излучение попадает непосредственно на поверхность МКП). Спектр же свечения сгустка в видимом диапазоне регистрировался цифровым спектрографом с пространственным разрешением. Измерение электронной плотности в плотном сгустке проводилось по уширению водородной линии На при помощи комбинированной цифровой спектральной системы, состоящей из двух частей: спектрометра высокого разрешения (детектор на основе фотодиодной линейки) с длительностью кадра 1 мкс и системы с умеренным спектральным разрешением, сканирующей профиль линии с шагом 5-20 мкс. Свет передавался к этой диагностике по оптоволокну, приемный конец которого мог перемещаться вдоль камеры и устанавливался на разных расстояниях от инжектора крупинок. Плотность плазмы на расстоянии -1.9 м от инжектора измерялась интерферометром Майкельсона на длине волны 1.15 мкм, второй такой интерферометр находился на Z=84 см. Профиль температуры по сечению плотного сгустка оценивался по соотношению интенсивностей спектральных линий ионов, находящихся в различном зарядовом состоянии. Для этого использовался ВУФ спектрограф с пространственным разрешением и длительностью кадра 1 мкс. ВУФ излучение плазмы мониторировалось также несколькими вакуумными фотодиодами, расположенными на разных расстояниях от инжектора крупинок. Применялись также остальные «стандартные» диагностические средства установки. Второе место инжекции крупинок (Z=219 см) отличается другим набором измерительного оборудования, расширяющего информацию о параметрах плотного сгустка. Непосредственно в точке инжекции велись наблюдения оптическим спектрометром с пространственным разрешением и 16-канальной ВУФ обскурой (приемниками излучения служат алюминиевые фотокатоды). Система томсоновского рассеяния (694 нм, 5 Дж) располагалась в 33 см от точки инжекции и позволяла измерять электронную температуру и плотность непосредственно внутри плотного сгустка. Между инжектором и системой томсоновского рассеяния было 3 датчика диамагнетизма плазмы. По другую сторону, на расстоянии 22 см от точки инжекции крупинок, располагались датчики мягкого рентгеновского излучения плазмы (фильтры 8 и 100 мкм бериллия с энергией отсечки 0.8 и 2.2 кэВ).
