Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ЛОВУШКА "ЮПИТЕР Ш" . 16
1.1. Экспериментальная установка 16
1.2. Методы измерения параметров плазмы . 22
ГЛАВА 2. ИНЖЕКЦИЯ ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА В ЛОВУШКУ 34
2.1. Область разрешенного движения инжектированных электронов 34
2.2. Накопление инжектированных электронов 38
ГЛАВА 3. НАКОПЛЕНИЕ, НАГРЕВ И УДЕРЖАНИЕ ПЛАЗіШ В ЛОВУШКЕ 49
3.1. Изменение параметров плазмы во времени . 49
3.2. Пространственное распределение параметров плазмы 63
3.3. Функциональные зависимости параметров плазмы от внешних параметров. Потери ионов из ловушки. 73
3.4. Изменение потенциала плазмы и энергетического спектра ионов при импульсном открывании кольцевой щели 82
ГЛАВА 4. ОБСУЩЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ 91
4.1. Основные физические процессы в ловушке . 91
4.2. Функциональные зависимости. Сравнение экспериментальных и расчетных зависимостей 102
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 107
ЛИТЕРАТУРА III
- Экспериментальная установка
- Область разрешенного движения инжектированных электронов
- Изменение параметров плазмы во времени
- Основные физические процессы в ловушке
Введение к работе
Одной из важнейших задач в проблеме управляемого термоядерного синтеза является обеспечение длительного удержания высокотемпературной плазмы в ограниченном объеме.
В результате многолетних исследований в области физики высокотемпературной плазмы и управляемого синтеза опре -делилось несколько наиболее перспективных направлений, одно из которых - открытые магнитные ловушки. Эти ловушки обладают рядом достоинств: высоким допустимым отношением давления плазмы к давлению магнитного поля, магнитогидродинамической устойчивостью плазмы (в системах с "минимумом В"), возможностью работы в стационарном режиме и относительной конструктивной простотой. Вместе с тем, открытые ловушки имеют крупный недостаток: малое время жизни плазмы из-за больших ее потерь вдоль магнитных силовых линий, в магнитные щели ловушки. Снижение этих потерь позволило бы рассматривать открытые ловушки как систему, альтернативную токамакам и стеллараторам.
Для уменьшения этих потерь О.А.Лаврентьевым в начале 60-х годов был предложен способ электростатического запирания магнитных щелей [і-З], который состоит в следующем. В области магнитной щели поток заряженных частиц ограничивается в поперечном направлении заземленными электродами, а за щелью поток перекрывается отрицательно заряженным электродом (или системой электродов). При достаточно высоком отрицательном потенциале электроны отражаются от этого электрода (отрицательного потенциального барьера) обратно в ловушку, так что единственным каналом потерь электронов из ловушки остается их диффузия через магнитное поле. В результате этого время жизни электронов значительно возрастает, в ловушке накапливается отрицательный объемный заряд и плазма приобретает отрицательный электростатический потенциал^. Ионы выходят из ловушки через магнитные щели (на отрицательно заряженные электроды), но для выравнивания скорости потерь электронов и ионов в магнитных щелях автоматически устанавливаются положительные (амбиполярные) потенциальные барьеры, уменьшающие потери ионов из ловушки. Однако для установления такого ямообразного распределения электростатического потенциала необходимо, чтобы поперечный размер потока частиц в щели не был значительно больше деба-евского радиуса экранирования. В противном случае, при большей ширине потока, барьер не возникает из-за большого провисания потенциала в щели, и ионы выходят из ловушки без замедления. Необходимое условие малости поперечного размера магнитных щелей наиболее легко может быть выполнено для различных остроугольных геометрий магнитного поля, создаваемых системой проводников с противоположным направлением тока в соседних проводниках (в антипробкотронах, мультиполях). Такая комбинация остроугольного магнитного поля с электростатическим запиранием магнитных щелей получила название "электромагнитной ловушки".
Таким образом, в электромагнитной ловушке электронная компонента плазмы удерживается внешними магнитным и электростатическим полями, а ионная компонента - электростатическим полем объемного .заряда нескомпенсированных электронов. При этом время жизни плазмы в ловушке определяется Х<,В открытой ловушке плазма, наоборот приобретает положительный потенциал, чтобы замедлить выход из ловушки электронов. скоростью диффузии электронов через магнитное поле, а скорость потерь ионов подстраивается под скорость потерь электронов регулированием величин потенциальных барьеров в магнитных щелях.
Наряду с выше отмеченными достоинствами, присущими всему классу открытых ловушек, специфической особенностью электромагнитных ловушек является возможность создания и нагрева плазмы простым методом инжекции через магнитные щели потоков высокоэнергетичных электронов (а также при определенных условиях и ионов). При этом остроугольное магнитное поле с его центральной областью неадибатического движения частиц обеспечивает эффективный захват инжектированных потоков. Захваченные электроны производят ионизацию рабочего газа и отдают часть своей энергии холодной плазме. Такая "барьерная" инжекция электронов, производящаяся с отрицательно заряженного запирающего электрода-катода, является наиболее энергетически экономичной по сравнению со всеми другими способами создания и нагрева плазмы в электромагнитных ловушках. Это связано с тем, что электроны, выходящие обратно на запирающий электрод-катод, не выносят из ловушки энергии (кроме малой "надбарьерной добавки"), а отдают ее электрическому полю. Так как одновременно с уходом электронов через барьер производится их инжекция с барьера, электрическое поле передает полученную от уходящих электронов энергию непосредственно инжектируемым, возвращая ее в плазму без потерь, то есть происходит рекуперация энергии. Потеря энергии электронами связана только с их диффузией через магнитное поле.
В широком смысле, к электромагнитным ловушкам также можно отнести предложенные позднее ловушки с ВЧ-методом закрывания магнитных щелей и так называемые амбиполярные ловушки. В работе [4] сделан обширный обзор по удержанию плазмы в ловушках с остроугольной геометрией магнитного поля, а в работе [б] - обзор методов уменьшения потерь плазмы через магнитные щели в открытых ловушках различного типа.
Экспериментальное исследование электромагнитного метода удержания плазмы было начато в Харьковском физико-техническом институте АН УССР с 1958 г. на первой электромагнитной ловушке C-I. Это была малогабаритная однощелевая ловушка с аксиально-симметричным остроугольным магнитным полем (антипробкотрон), созданным двумя встречно включенными катушками, и электростатически закрытыми магнитными щелями: кольцевой щелью в средней плоскости и осевыми отверстиями в торцах ловушки. Радиус и полудлина ловушки - от центра до максимумов магнитного поля - 5 см, напряженность магнитного поля в щели - до 4 кЭ. Плазма в ловушке создавалась ионизацией рабочего газа электронным пучком, инжектированным через одно из осевых отверстий. В экспериментах на C-I [6-9] было установлено, что электростатическое запирание магнитных щелей обеспечивает существенное увеличение плотности и времени жизни плазмы в ловушке, плазма приобретает отрицательный потенциал.
С 1964 Г. В Голландии (ittdnhuizen, Jutphaas,Nederland) интенсивно проводились теоретические и экспериментальные исследования инжекции и удержания заряженных частиц, электронов и ионов, в магнитном поле остроугольной геометрии, подобном полю ловушки C-I [П-17]. Эти исследования представляют интерес с точки зрения выяснения характера неади- абатического движения частиц, области их захвата и времени удержания в остроугольном магнитном поле; одной из первых работ в этом направлении является работа [Ю], позднее были выполнены работы [18,19]. К сожалению, все эти исследования были выполнены при открытых магнитных щелях. Только в одном из экспериментов с электронной инжекцией магнитные щели были электростатически закрыты |12|, что привело к увеличению времени удержания электронов в сто раз.
В это же время были выполнены первые теоретические и экспериментальные исследования, относящиеся к электромагнитному методу удержания плазмы, в США (San Ramon, Livermore, California ) [20-22].
В ХФТИ с 1967 г. эксперименты по электромагнитному удержанию плазмы были продолжены на ловушках С-3, С-ЗМ и С-4 [23-29]. Эти ловушки такого же типа, как и C-I, но несколько больших размеров; в ловушках С-3, С-ЗМ магнитное поле в щели достигало 6,5 кЭ, в ловушке С-4 поле несколько меньше, но она более удобна в диагностическом отношении. Измерения параметров плазмы проводились в широком интервале давления ра-бочего газа: І0~*І0 Торр. В этих экспериментах была обнаружена и исследована длинноволновая ( f =10 +10 Гц) дио-котронная неустойчивость в кольцевой щели, связанная с градиентом дрейфовой скорости электронов в скрещенных электрическом и магнитном полях, найдены способы ее стабилизации.
В 70-х годах теоретические и экспериментальные исследования электромагнитного удержания плазмы проводились в
Канаде (Universite de Quebec, Varennes, Canada [30-37]; эксперименты проводились на ловушке КЕМР-П [34], подобной ловушкам С~1 - С-4.
В ХФТИ с начала 70-х годов эксперименты по электромагнитному удержанию плазмы проводятся на ловушках "Юпитер-ІА" [38-48] и "Юпитер-1М" [49-60]. Эти ловушки конструктивно подобны всем предыдущим ловушкам, но имеют более сильное магнитное поле, кроме того, в ловушке "Юпитер-IM" начальное давление рабочего газа может понижаться до 10 Торр. Как и во всех предыдущих экспериментах плазма создается ионизацией рабочего газа инжектированными электронами, но в последнее время в ловушке "Юпитер IA" начал исследоваться метод создания и нагрева плазмы с помощью СВЧ-мощности на частоте электронного циклотронного резонанса [42-48]. Одновременно проводились и теоретические исследования электромагнитного удержания плазмы [61-68].
Эксперименты на однощелевых электромагнитных ловушках, несмотря на малые размеры установок, дали обнадеживающие результаты, подтвердив основные теоретические принципы электромагнитного метода удержания плазмы. В то же время стала ясной необходимость перехода к многощелевым ловушкам, в которых увеличение отношения объема плазмы (в значительной степени свободной от магнитного поля) к ее поверхности должно привести к пропорциональному увеличению времени жизни плазмы в ловушке и, соответственно, к улучшению других параметров. Первым опытом создания многощелевой электромагнитной ловушки была установка БК-4, построенная в ЖГИ в 1968 г. [69-71]. Магнитная система этой ловушки представляла собой линейный шестнадцати-щелевой мультиполь, ограниченный с торцов аксиально-симметричными магнитными катушками; щели и осевые отверстия электростатически запирались. Большим недостатком этой ловушки было плохое сопряжение мультипольно- го магнитного поля с полем торцевых катушек, что привело к большим потерям плазмы из ловушки.
В конце 70-х годов было начато теоретическое, а затем экспериментальное исследование электромагнитного (магнито-электростатическогохО метода удержания плазмы в ИАЭ им. И.В.Курчатова [73~8l]. Эксперименты проводятся на электромагнитной ловушке "Атолл" [79-81], которая представляет собою тороидальный четырехчцелевой мультиполь с электростатически закрытыми щелями; первоначальная цель этих экспериментов -исследование характера диффузии электронов через магнитное поле.
В теоретических работах [30,65,72,74] основные физические процессы в электромагнитных ловушках и перспективы использования этих ловушек в качестве термоядерного реактфа рассмотрены в рамках классических механизмов потерь плазмы, т.е. с учетом только кулоновских взаимодействий. В работах [62,75, 78] проведен достаточно подробный анализ устойчивости плазмы в электромагнитных ловушках. Самым опасным местом с точки зрения устойчивости является переходной слой между основным объемом незамагниченной плазмы и магнитным полем из-за больших градиентов в этом слое параметров плазмы, электрического и магнитного полей. Особое внимание было уделено возможности возникновения аномального переноса электронов, так как именно этот процесс в значительной степени определяет перспективу использования электромагнитных ловушек в качестве термоядерного реактора. В работе [75] на основании проведенного анали- х^По-видимому, название "магнитоэлектростатическая ловушка" более точно отражает физическую сущность такого метода удержания плазмы, но по традиции будем использовать прежнее название. за высказывается надежда, что аномальный перенос электронов, хотя он и превышает классический, не приведет к катастрофическим потерям плазмы из электромагнитных ловушек.
Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили сделать предварительные оценки проекта термоядерного реактора на основе электромагнитного метода удержания плазмы. В работе [76] показано, что при отсутствии аномальных потерь в реакторе можно получить коэффициент умножения мощности 11= 5-Ю при характерных размерах плазмы порядка десяти метров, напряженности магнитного поля в щелях около 100 кЭ и запирающем напряжении 20О-300кВ. Проект реактора в виде тороидального шести-щелевого мультиполя приведен в работе [82]. Другой конфигурацией реактора может быть многощелевая аксиально-симметричная ловушка, подобная описанной в работе [83].
Результаты экспериментального исследования однощелевых электромагнитных ловушек (с электронной инжекцией): С-І, 0-3, С-4, КЕМР-П, Юпитер ІА, полученные до начала нашего исследования ловушки "Юпитер ІМ", а также результаты более позднего исследования тороидальной ловушки "Атолл" можно сформулировать следующим образом.
Во всех ловушках выполняется принцип электромагнитного метода удержания плазмы: электростатическое запирание магнитных щелей увеличивает время жизни электронов в ловушке, так что оно становится больше времени свободного выхода ионов через щели, в результате плазма приобретает отрицательный потенциал.
В таблице I приведены основные характерные параметры ловушек и измеренные параметры плазмы: R - радиус ловушки по кольцевой щели, alUi=62H0/2RHmi - ширина диф- - II -
Таблица I ! C-l' ! C-3 ! C-4 ІКЕМР-П ! Ю-ІА ІАтолл фузионной зоны для электронов в кольцевой щели, Нщ, - напряженность магнитного поля в кольцевой щели, ( И0)Ь- напряженность магнитного поля и радиус ограничивающей диафраг- мы в осевых отверстиях), We - энергия инжектированных электронов, р - давление рабочего газа (водорода), П. -средняя по объему плотность плазмы, tn Т^& - время жизни частиц и энергетическое время, We>W^ - средние энергии электронов и ионов, Up - потенциал плазмы. Из таблицы видно, что в различных ловушках измерены почти одинаковые плотности, но существенно различные времена жизни и энергии электронов и ионов.
3. В результате исследования ловушек (3-І, 0-3 - на основании экспериментальных зависимостей плотности и времени жизни плазмы от напряженности магнитного noJM,n~tn~lrL - был сделан вывод о классическом характере диффузии элект ронов в этих ловушках (при этом измеренные времена жизни оказались значительно больше времени ионизации). Подобный вывод об удовлетворительном совпадении экспериментальных ре зультатов с классическим характером диффузии был сделан и для ловушки "Юпитер-IA" (при электронной инжекции).
4. При исследовании ловушки "АТОМ" - из сопоставления экспериментальных и теоретических результатов - сделан вывод о неклассическом (аномальном) характере диффузии электронов.
Таким образом к началу настоящего исследования было получено значительное количество экспериментальных данных на различных однощелевых ловушках, тем не менее их оказалось недостаточно для определения характера основных физических процессов в этих ловушках. В частности, не было данных об эффективности захвата инжектированных электронов и об эффективности передачи энергии от захваченных электронов в плазму, не было данных о потенциальных барьерах для ионов в магнитных щелях и о пространственных распределениях параметров плазмы, некоторые из полученных результатов представлялись противоречивыми. В проведенных экспериментальных исследованиях практически отсутствовали (за малым исключением) функциональные зависимости параметров плазмы от параметров ловушек, что затрудняло систематизацию полученных результатов и их экстраполяцию на более высокие параметры плазмы.
Целью настоящей работы является систематическое экспериментальное исследование основных параметров плазмы, их временных, пространственных и функциональных зависимостей - для того, чтобы установить характер основных физических процессов, определяющих закономерности поведения плазмы - ІЗ - (накопление, нагрев и удержание плазмы) в однощелевых аксиально-симметричных электромагнитных ловушках с инжекцией электронов.
На защиту выносятся: результаты исследования эффективности захвата инжектированных электронов в ловушке и эффективности передачи энергии от инжектированных электронов в плазму; результаты измерения электростатического потенциала плазмы, провисаний потенциала и потенциальных барьеров для ионов в магнитных щелях ловушки; результаты исследования временных, пространственных и функциональных зависимостей параметров плазмы; выводы о характере основных физических процессов, следующие из сопоставления полученных экспериментальных результатов с теоретическими расчетами.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.
Во введении изложен принцип электромагнитного метода удержания, сделан обзор экспериментальных и теоретических исследований электромагнитных ловушек, определена цель диссертационной работы и сформулированы основные положения, представленные к защите.
В первой главе описана экспериментальная установка и кратко охарактеризованы использованные методы измерения параметров плазмы.
Во второй главе приведены результаты исследования области разрешенного движения инжектированных электронов, эффективности их захвата в ловушке и эффективности передачи энергии от инжектированных электронов в плазму.
В третьей главе приведены результаты исследования накопления, нагрева и удержания плазмы в ловушке, временные, пространственные и функциональные зависимости параметров плазмы.
В четвертой главе проведено обсуждение полученных экспериментальных результатов и их сопоставление с теоретическими расчетами.
В заключении сформулированы основные результаты исследования.
Экспериментальные исследования были выполнены в ХФТИ АН УССР на однощелевой электромагнитной ловушке "Юпитер IM". Основные результаты диссертации докладывались на конференциях и совещаниях:
Ежегодных конференциях по физике плазмы ХФТИ АН УССР (г. Харьков, 1978-1983 гг.).
Всесоюзных конференциях по физике плазмы Научного Совета АН СССР по комплексной проблеме "Физика плазмы" (г.Звенигород, 1980-1982 гг.). X Европейской конференции по физике плазмы и УТС (г.Москва, 1981 г.).
ХУ Международной конференции по явлениям в ионизованных газах (г. Минск, 1981 г.).
Совещании рабочей группы по открытым ловушкам при Научном Совете АН СССР по комплексной проблеме "Физика плазмы" (г. Харьков, 1981 г.).
Совещании по диагностике плазмы ГК ИАЭ (г.Харьков, 1982 г.).
Всесоюзной школе конференции по современным методам удержания нагрева и диагностики плазмы (г.Харьков, 1982 г.) а также изложены в публикациях [51-60].
Результаты этих исследований были использованы при проектировании многощелевой электромагнитной ловушки "Юпитер 2М" (подобной ловушке "Юпитер 2" [83], но меньших размеров) , сооружаемой в настоящее время в ХФТИ АН УССР.
Экспериментальная установка
Аксиально симметричное магнитное поле остроугольной геометрии создается катушками (2) - по три встречно включенных катушки с каждой стороны от средней плоскости ловушки. Питание катушек осуществляется от конденсаторной батареи емкостью 0,034 Ф с полным запасом энергии 0,34 МДж, полупериод разряда батареи - 24 мс. При этом напряженности поля в осевых отверстиях и в кольцевой щели (в магнитных пробках) достигают максимальных значений HQ = 140 кЭ и Н_ = 40 кЭ, их отношение Но/Нщ-4. Полудлина и радиус ловушки от центра до максимумов магнитного поля - L = 20 см и R = 10 см. Полуширина кольцевой щели ловушки - от средней плоскости до металлической поверхности - cL = 0,15 см, радиус осевых отверстий b = - 0,3 см. Штрих - пунктирными линиями на рис. I показаны распределения аксиальной компоненты магнитного поля вдоль оси и радиальной компоненты поля в средней плоскости ловушки. Сплошными линиями в центральной области ловушки показаны "граничные" магнитные силовые линии, которые касаются внутренней поверхности осевых отверстий - эта магнитная поверхность ограничивает область накопления плазмы в ловушке.
Область разрешенного движения инжектированных электронов
При используемом методе создания плазмы - ионизацией рабочего газа инжектированными электронами - начальное накопление плазмы происходит в области движения инжектированных электронов, поэтому представляет интерес определить эту область - сначала при открытых, а затем при электростатически закрытых магнитных щелях.
Характер движения и область разрешенного движения заряженных частиц в остроугольном аксиально-симметричном магнитном поле в одночастичном приближении исследовались в ряде работ [і0-19]. Движение частиц в таком поле определяется двумя константами: полной энергией частицы W0 и обобщенным угловым моментом Ry , поэтому может рассматриваться как движение в "магнитной потенциальной яме" с эффективным потенциалом (потенциалом Штёрмера).
Изменение параметров плазмы во времени
Приведены осциллограммы: I - электронный ток инжекции 3 , 2,3 - электронные диффузионные токивенен » выходящие из ловушки поперек магнитного поля на первую (ближайшую к электронной пушке) и вторую (противоположную) осевые вставки, 4,5 - ионные токи J ,выходящие из ловушки в кольцевую щель и в осевое отверстие - на отрицательно заряженные запирающие электроды; вертикальное усиление нижней осциллограммы в десять раз больше, чем остальных осциллограмм.
На рис. 15 приведены осциллограммы: I - электронный ток инжекции 3 , 2 - плавающий потенциал высокоомного зонда Up , 3 - ионный ток 3{щ, , выходящий в кольцевую щель, 4 - сигнал СВЧ-интерферометра, пропорциональный линейной плотности V\t осциллограммы токов, приходящих на коллекторы многоэлектродных зондов, расположенных в кольцевой щели и в осевом отверстии - при различных задерживающих потенциалах коллекторов: - 0,5; -0,3; -0,25; -0,1; 0,0 кВ на рис.16 и -0,8; -0,4; -0,25; 0,15; 0,0 кВ на рис. 17. Как видно, с уменьшением отрицательного задерживающего потенциала ионный ток на коллектор сначала уменьшается, затем становится отрицательным - это обусловлено вторичной электронной эмиссией с отрицательно заряженного запирающего электрода на коллектор.
Основные физические процессы в ловушке
Переходной период, в течение которого происходит накопление плазмы в ловушке, завершается за время порядка характерного времени ионизации нейтрального газа электронами. Затем устанавливается стационарное состояние, характеризующееся равенством скорости потерь плазмы и скорости ее восполнения в результате ионизации газа. Таким образом основными физическими процессами, определяющими параметры плазмы в стационарном состоянии, являются потери электронов и ионов из ловушки, ионизация рабочего раза электронами, нагрев электронов и ионов.
I. Электроны могут выходить из ловушки вдоль магнитных силовых линий в магнитные щели и поперек магнитного поля на стенку ловушки (на ограничивающую диафрагму). Однако в условиях ловушки "Юпитер IM" потери электронов в магнитные щели полностью подавлены соответствующей величиной отрицательного запирающего потенциала, так что единственным каналом их потерь является выход поперек магнитного поля.
Поперечный перенос электронов в однощелевых электромагнитных ловушках при классическом характере диффузии, обусловленном кулоновскими электрон-ионными соударениями, теоретически исследовался в работах [30,65,74,78].
