Нелинейная динамика мощного электронного пучка в процессе развития плазменной турбулентности

• Автор: Тимофеев, Игорь Валериевич
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 101 с. : ил.

Оглавление
Введение
1 Прямое вычисление инкремента неустойчивости электронного пучка в замагниченной плазме
1.1 Постановка задачи
1.2 Анализ неустойчивого спектра
1.3 Сравнение с приближенными решениями
2 Теоретическая модель релаксации пучка в режиме захвата
2.1 Модель релаксации пучка
2.2 Сравнение с существующими экспериментами
2.3 Подавление электронной теплопроводности
2.4 Выводы
3 Насыщение двухпотоковой неустойчивости электронного пучка в пространственно однородной задаче
3.1 Постановка задачи
3.2 Осцилляторная численная модель
3.3 Феноменология неустойчивости
3.4 Влияние модельного затухания
3.5 Выводы
4 Моделирование непрерывной инжекции пучка в плазму
4.1 Двумерная РІС модель

4.1.1 Описание модели
4.1.2 Результаты тестирования
4.1.3 Выводы
4.2 Одномерная гибридная модель
4.3 Эволюция турбулентности в условиях длительной инжекции пучка
4.3.1 Динамическая стадия
4.3.2 Модуляционная неустойчивость в режиме сильной накачки
4.3.3 Развитая турбулентность
4.3.4 Выводы
5 Заключение

Введение
Коллективное взаимодействие электронного пучка с плазмой является одним из самых распространенных и наиболее фундаментальных явлений в физике плазмы. Несмотря на более чем полувековую историю исследований в этой области [1,2], различные аспекты задачи продолжает активно изучаться как применительно к космическим явлениям [3-5], так и применительно к схеме быстрого поджига в инерциальном термоядерном синтезе [6,7]. В данной работе основное внимание уделено изучению тех режимов коллективной релаксации пучка, которые интересны с точки зрения нагрева лабораторной плазмы до высоких температур. Мотивацией для таких исследований является недавний прогресс, достигнутый в экспериментах по нагреву плазмы в открытых ловушках [8,9].
Несмотря на обилие теоретических моделей, описывающих различные режимы пучково-плазменного взаимодействия, задача предсказания с их помощью результатов реальных экспериментов все еще далека от решения. Дело в том, что максимально приближенная к эксперименту постановка задачи зачастую требует отказа от привычных для теории идеализаций, таких как слабое или сильное магнитное поле, гидродинамический или кинетический характер пучковой неустойчивости, приближение случайных фаз возбуждаемых в плазме турбулентных пульсаций. Кроме того, при длительной инжекции пучка эволюция пучково-плазменной системы может проходить через целую последовательность стадий, определяемых совершенно различными нелинейными процессами. В связи с этим становится актуальным создание численных моделей, которые бы позволили с единых пози-
но с аномально высокой частотой столкновений иа — и + кТ. Здесь и — частота кулоновских столкновений, Г — инкремент нарастания плазменных колебаний
а к — численный коэффициент. Численное решение этого уравнения при характерных для установки ГОЛ-3 параметрах в области магнитной ямы представлено на рис. 2.6. На этом рисунке изображены профили электронной температуры при полном подавлении теплопроводности и при конечных значениях коэффициента к. Видно, что уменьшение этого коэффициента почти на порядок приводит к значительному сглаживанию электронной температуры. Еще меньшие значения эффективной частоты рассеяния сделают эффект неоднородного нагрева почти незаметным. В случае к = 2 для обеспечения наблюдаемой неоднородности температуры требуются весьма большие значения коэффициента подавления теплопроводности С = 1 + кТ/и (рис. 2.6), которые согласуются с оценками работы [48]. Кроме того, предложенная модель должна описывать тот градиент электронной температуры, который наблюдается на входе пучка в плазму. Эффективность пучковоплазменного взаимодействия в этом месте максимальна, но имеется контакт с холодной стенкой, в качестве которой в различных экспериментах выступала либо анодная фольга, либо облако плотного газа. Согласие с наблюдаемым неоднородным распределением температуры в месте инжекции достигается при к — 3.5 (Рис. 2.7).
Таким образом, представленная в работах [48], [49] феноменологическая модель подавления теплопроводности вполне удовлетворительно описывает аномально низкий перенос тепла в экспериментах с микросекундными пучками.
Предположим, что все использованные упрощения остаются верными и