Экспериментальное исследование нагрева и удержания плазмы в многопробочной ловушке ГОЛ-3 по нейтронной эмиссии

• Автор: Суляев, Юлий Сергеевич
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 112 с. : ил.

Содержание
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1 Обнаружение эффекта быстрого нагрева ионов и длительного удержания горячей плазмы по нейтронному излучению
1.1. Многопробочная ловушка ГОЛ-
1.2. Постановка задачи
1.2.1. Основные положения модели быстрого нагрева ионов
1.2.2. Термоядерные реакции для диагностики плазмы
1.2.3. Цели и задачи нейтронной диагностики
1.3. Оценка параметров нейтронной эмиссии на установке Г О Л-
1.4. Разработка метода цифровой дискриминации гамма-квантов для изучения эволюции
нейтронной эмиссии
1.4.1. Физические основы техники дискриминации по форме импульса
1.4.2. Разработка метода цифровой дискриминации гамма-квантов для изучения эволюции
нейтронной эмиссии
1.4.3. Описание сцинтилляционного детектора нейтронов с цифровой дискриминацией
гамма-квантов по форме импульса
1.4.4. Калибровка детектора
1.5. Серебряный активационный детектор нейтронов
1.6.2. Эксперименты по определению чувствительности пузырьковых детекторов к гамма-
излучению
1.6.3. Определение нейтронного выхода с помощью пузырьковых детекторов
1.7. Результаты экспериментов по регистрации нейтронного излучения в
многопробочиой ловушке
1.7.1. Регистрация нейтронного излучения с помощью сцинтилляционного детектора,
оборудованного системой цифровой дискриминации гамма-квантов
1.7.2. Спектрометрия нейтронного излучения
1.7.3. Поиск оптимального режима нагрева и удержания по зависимости полного выхода
нейтронов от начального давления
ГЛАВА 2. Изучение эволюции нейтронной эмиссии на стадии нагрева электронным пучком
2.1. Регистрация нейтронного излучения в специальном эксперименте с локальной
магнитной ямой. Прямая демонстрация механизма быстрого нагрева ионов
2.1.1. Постановка эксперимента
2.1.2. Регистрация вспышки нейтронного и гамма-излучения
2.2. Сравнение с другими диагностиками
2.3. Численное моделирование эффекта быстрого нагрева ионов
ГЛАВА 3. Обнаружение осцилляций нейтронной эмиссии
3.1. Разработка локальных детекторов нейтронов
3.2. Особенности нейтронной эмиссии в многопробочной ловушке во время инжекции
электронного пучка
3.3. Изучение распределения нейтронного излучения вдоль оси соленоида
3.4. Изучение параметров плазмы в отдельных ячейках многопробочной ловушки.
Обнаружение осцилляций нейтронной эмиссии в отдельных ячейках
3.5. Абсолютная калибровка локальных детекторов с помощью импульсного генератора нейтронов ИНГ- 101Т
3.6. Переход к сильной гофрировке магнитного поля
Заключение
Литература

ВВЕДЕНИЕ
В экспериментальной физике плазмы уже длительное время существует и развивается направление открытых систем для удержания высокотемпературной плазмы. Силовые линии магнитного ноля в них являются незамкнутыми, а продольное удержание обеспечивается разного рода барьерами статического либо динамического характера для всех частиц, составляющих плазму. Исследование нагрева и удержания горячей плазмы в линейных, амбиполярных и многопробочных ловушек ведется во многих лабораториях во всем мире [1-6]. В данной работе речь пойдет об одной из таких открытых систем - длинной осесимметричной миогопробочной ловушке с гофрированным магнитным полем ГОЛ-3, которая находится в ИЯФ СО РАН.
Концепция многопробочного удержания была предложена в 1971 году Г.И. Будкером,
В.В. Мирновым и Д.Д. Рютовым [7] а также независимо Логаном и Лихтенбергом [8], и почти сразу же были проведены первые эксперименты по проверке принципов многопробочного удержания [9,10]. Основная идея многопробочного удержания заключается в уменьшении продольных потерь энергии путем создания продольной периодической модуляции магнитного поля. При этом соленоид представляет собой длинную последовательность соединенных торцами пробкотронов, в которых плазма состоит из захваченных и пролетных частиц. В таких системах плазма имеет большую плотность по сравнению с другими схемами с магнитным удержанием. Теоретические расчеты показывают, что в условиях, когда период модуляции магнитного поля много меньше длины пробега заряженной частицы, трение между пролетными и запертыми частицами уменьшает скорость макроскопического расширения плазмы до диффузионной, и поток энергии на торцы существенно уменьшается. Теоретически скорость разлета плазмы уменьшается

возрастает от центра к периферии плазмы, подтверждая отсутствие градиентов плотности вдоль радиуса.
В процессе взаимодействия мощного РЭП с плазмой энергия пучка передается главным образом электронам плазмы. Нагрев ионов происходит в процессе коллективной передачи энергии от электронов к ионам, интенсивность которого зависит от продольного градиента электронной температуры в отдельной ячейке многопробочной ловушки. Поэтому можно предположить, что в условиях сильной замагниченности радиальные профили ионной и электронной температуры имеют одинаковый вид на стадии нагрева ионов плазмы. А радиальный профиль электронной температуры должен совпадать с профилем плотности тока греющего релятивистского электронного пучка. Изучение профиля плотности тока РЭП на установке ГОЛ-3 методом оптической калориметрии показывает, что пучок имеет П-образный профиль плотности тока.
Расчет интенсивности нейтронной эмиссии по формуле (1) будет справедлив для спокойной, остывающей плазмы, когда сильные градиенты давления, возникающие во время нагрева плазмы, уже выровнялись, течение плазмы вдоль ловушки определяется диффузией. С этого времени функцию распределения ионов по скоростям можно считать максвелловской, и выражение (cru,) можно вычислить по формуле (2).
В соответствии с [72] характерные времена изотропизации функции распределения, то есть выравнивания продольной и поперечной температур, равны
г,. = 5.3 • 107 —— -Г3/2 ; т =1.2 • 10б —— Г3/2,
n-A-Z2 п- А
где ц - масса иона (в единицах массы протона), А - кулоновский логарифм, температура выражается в электрон-вольтах, а концентрация — в см'3. Для ионов дейтерия при ТМкэВ и л=1015см'3 ъ = 230 мкс, то есть функция распределения ионов может быть существенно анизотропной и неравновесной, особенно учитывая, что нагрев ионов также происходит