Прямое наблюдение ленгмюровских каверн лазерными методами в экспериментах по нагреву плазмы пучком электронов

• Автор: Попов, Сергей Сергеевич
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 83 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СИЛЬНОТУРБУЛЕНТНОГО МЕХАНИЗМА НАГРЕВА ПЛАЗМЫ ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ
1.1 Пучково-плазменная система установки ГОЛ-М
1.1.1 Цели и задачи
1.1.2 Схема установки
1.2 Методики исследования плазмы на установке ГОЛ-М
1.2.1 Интерферометрия плазмы
1.2.2 Система коллективного СОг-лазерного рассеяния для исследования динамики ленгмюровских флуктуаций
1.2.3 Ш-лазерная система некогерентного томсоновского рассеяния
1.2.4 Система регистрации некогерентного рассеяния для прямого наблюдения динамических провалов плотности плазмы
ГЛАВА II
НАБЛЮДЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЛЕНГМЮРОВСКИХ КАВЕРН
2.1 Основные параметры турбулентной плазмы на установке ГОЛ-М
2.2 Наблюдение каверн плотности плазмы
2.3 Измерение размера каверн
2.3.1 Поперечный размер каверн
2.3.2 Продольный масштаб каверн плотности
2.4 Быстрая динамика ленгмюровских осцилляций
2.5 Обсуждение результатов экспериментов по исследованию каверн
ГЛАВА III
ВОЗБУЖДЕНИЕ ЛЕНГМЮРОВСКОЙ ТУРБУЛЕНТНОСТИ В НЕОДНОРОДНОЙ ПЛАЗМЕ ПУЧКОМ ЭЛЕКТРОНОВ
3.1. Вопросы взаимодействия РЭП с неоднородной плазмой
3.2. Измерение плотности плазмы высоковольтном диоде и определение продольного градиента
3.3. Эффективность взаимодействия пучка электронов с неоднородной плазмой
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Литература

ВВЕДЕНИЕ
Ключевым моментом исследований по У ТС является нагрев высокотемпературной плазмы. Среди широко известных методов нагрева, таких, например, как омический, нейтральных пучков, ЭЦР, ИЦР, и др. особое место занимает метод нагрева электронным пучком, в котором передача энергии от пучка к плазме осуществляется турбулентными механизмами.
Вообще турбулентность является одним из наиболее сложных состояний сплошной среды. Такое состояние описывается как возбуждение до уровня, значительно превышающего тепловой, многочисленных коллективных степеней свободы среды со случайным поведением во времени, вследствие их нелинейного взаимодействия между собой. Первоначально этот термин был введен при описании вихревого движения жидкости, но затем он был распространен на многие другие классы коллективных явлений, в жидкости, газе, плазме и твердом теле.
В отличие от обычной жидкости или газа в плазме, из-за дальнодействующих электромагнитных сил, имеет место гораздо большее число видов коллективных движений (как правило, осцилляций), а значит реализуется более сложная картина турбулентности. В зависимости от преобладания или рассмотрения тех или иных плазменных явлений, соответствующим образом определяется и тип турбулентности, например, ленгмюровская, ионно-звуковая, МГД-турбулентность и т.п.
Далее, в основном, будет идти речь о ленгмюровской турбулентности. Наибольший интерес к физике ленгмюровской турбулентности связан с исследованием природных явлений в ионосфере, солнечной короне и космической плазме. В земных условиях ленгмюровская турбулентность играет, как отмечалось, важную роль в экспериментах по нагреву плазмы до термоядерных температур с помощью мощных лазерных или электронных пучков. В открытых системах с магнитным удержанием используется
инжекция в плазму мощных электронных пучков, генерирующих ленгмюровские волны по механизму черенковского излучения, или обратного затухания Ландау. В системах с инерциальным удержанием и прямым лазерным нагревом сильная ленгмюровская турбулентность возникает уже на стадии взаимодействия лазерных пучков с мишенной плазмой. Кроме того, предложены схемы нагрева, в которых мощные лазерные пучки, формируют потоки быстрых электронов, которые в свою очередь должны образовывать турбулентную область внутри предварительно обжатой мишени и детонировать ее.
Важным моментом исследования эффективности турбулентного нагрева является определение механизмов передачи энергии турбулентности к частицам плазмы. Волны достаточно большой амплитуды начинают нелинейно взаимодействовать между собой, что приводит к перераспределению энергии по пространственному и частотному спектрам, в том числе и в те области, где волны быстро затухают, передавая свою энергию в тепловое движение частиц плазмы.
Совокупность процессов, в которых определяющую роль играют межволновые взаимодействия (рассеяние на ионном звуке, генерация электромагнитного излучения и др.) называют слабой турбулентностью [1]. Следует отметить, что слаботурбулентные процессы приводят к так называемому парадоксу ленгмюровского конденсата, то есть к накоплению энергии в области малых волновых чисел к, где поглощение энергии частицами плазмы слабое.
Однако при таком накоплении или накачке в области малых к ленгмюровские волны могут стать неустойчивыми по отношению к самосжатию в пространстве (модуляционная неустойчивость). Это приводит к образованию ямки плотности, и последующему «катастрофическому» увеличению амплитуды и, следовательно, к быстрой диссипации или, как
ГЛАВА II.
НАБЛЮДЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЛЕНГМЮРОВСКИХ КАВЕРН
2Л Основные параметры турбулентной плазмы на установке ГОЛ-М
К моменту настоящей работы на установке ГОЛ-М был исследован широкий круг вопросов турбулентного нагрева плазмы РЭП. С помощью 90-градусного рассеяния измерены температура и плотность турбулентной плазмы. Исследована немаксвеловская составляющая функции распределения электронов (8-градусное рассеяние) [66]. Проведено измерение профиля плотности плазмы с повышенным пространственным и временным разрешением (90-градусное рассеяние), с целью обнаружения локальных провалов в сильнотурбулентной плазме [67].

-°'а-о 'О В"“ Ер 8°
/Х 4 Maxwellian ТШ distribution Multi-foil И analyser data

10 10 Е (eV)

Рис. 10. Функция распределения плазменных электронов, построенная на основе данных томсоновского рассеяния и торцевого фольгового анализатора [66].
Исследование спектра томсоновского рассеяния показало отличие функции распределения электронов плазмы от максвелловского. Суммарная функция распределения электронов в установке ГОЛ-М приведена на рис.11.