Физика плазмы

Для измерения параметров электронной компоненты плазмы токамака Т-15МД готовится комплекс диагностик томсоновского рассеяния, позволяющий проводить исследования различных зон плазменного шнура. Данная работа посвящена разработке системы томсоновского рассеяния Т-15МД с вертикальным зондированием, которая дает информацию о параметрах плазмы вдоль вертикального диаметра плазменного шнура. Зондирование плазмы производится Nd:YAG-лазером с многопроходной системой ввода лазерного излучения в камеру токамака. Лазер работает на второй гармонике λ = 532 нм. Сбор рассеянного излучения осуществляется одним широкоугольным объективом. В систему регистрации свет передается оптоволоконным коллектором, состоящим из 159 оптоволоконных сборок размером 2 × 1 мм. Система регистрации состоит из трех узлов, каждый из которых включает в себя систему согласующей оптики и полихроматор с детектором. Регистрация спектра рассеяния осуществляется при помощи ЭОПа и CMOS-камеры. Для достижения высокого коэффициента пропускания света оптической системы диагностики был проведен детальный расчет параметров и конструкции каждого оптического узла: собирающего объектива, системы согласующей оптики и полихроматора. В сравнении с диагностикой томсоновского рассеяния Т-10 значительно улучшен коэффициент пропускания системы за счет тщательного подбора оптических материалов, а также новой конструкции системы согласующей оптики, состоящей в основном из зеркал. При помощи синтетической диагностики проведена оценка точности измерения температуры и плотности электронов. В качестве фона плазмы используются спектры плазмы из области лимитера Т-15МД. Система диагностики томсоновского рассеяния в плазме токамака Т-15МД с вертикальным зондированием позволит измерять электронную температуру с ошибкой менее 10% в диапазоне от 80 эВ до 6 кэВ при плотности электронов более 6 × 1018 м−3 в центральной области плазмы. На периферии ошибка <10% для диапазона 𝑇𝑒 от 100 эВ до 2 кэВ при 𝑛𝑒 > 1 × 1019 м−3. Пространственное разрешение диагностики составит ∼11 мм для центра плазменного шнура и ∼22 мм для периферийной области плазмы.

Возможное использование безнейтронной реакции 𝑝–11B представляет потенциальный интерес с точки зрения получения чистой энергии. Рассмотрены современные исследования для различных схем реализации данной реакции, представлены оценки предельного усиления энергии в плазме при различных параметрах систем. Обсуждаются возможности увеличения скорости реакции по сравнению с максвелловской плазмой. Проанализировано влияние накопления альфа-частиц и возможные пути его снижения.

Одновременные измерения амплитудно-частотных характеристик колебаний на частотах 20 кГц – 30 МГц производной разрядного тока и ионного тока в плазме самостоятельного 𝐸×𝐵-разряда в ускорителе с анодным слоем — в условиях сильного неоднородного магнитного поля (на катоде радиальная составляющая до 𝐵𝑟𝐾 = 4200 Гс; на аноде до 𝐵𝑟𝐴 = 1010 Гс) выявили как одинаковые, так и отличающиеся свойства колебаний производной разрядного и ионного токов. Общими чертами являются дискретный спектр и, в основном, кластерный характер колебаний. Обнаружены пороговые значения магнитного поля 𝐵𝑟𝐴 = 660–720 Гс, при которых происходит быстрый рост частоты колебаний, имеющих максимальную амплитуду, до 𝑓max ∼ 4.5 МГц. В это же время в области частот не более 1 МГц происходят броски выделенных пиков амплитудно-частотной характеристики от десятков кГц к сотням кГц. Отличиями амплитудно-частотных характеристик колебаний разрядного тока и тока ионов являются и меньшие ∼ в 5 раз частоты колебаний, имеющих максимальную амплитуду, разрядного тока по отношению к току ионов при 205 ⩽ 𝐵𝑟𝐴 ⩽ 660 Гс, резкий спад 𝑓max для АЧХ разрядного тока, но резкий рост 𝑓max для АХЧ-тока ионов, когда 𝐵𝑟𝐴 становится больше 820 Гс. Результаты измерения характеристик анализируются совместно с измеренными в тех же режимах разряда спектрами излучения плазмы в диапазоне длин волн 200–1100 нм и распределениями ионов по энергии в диапазоне 50–1200 эВ. Обсуждаются возможные причины генерации колебаний разрядного и ионного токов при возбуждении в плазме 𝐸×𝐵-разряда модифицированной двухпотоковой и электронно-циклотронной дрейфовой неустойчивостей для частот 𝑓 ⩽ 1 МГц. Влияние на ионы анализируется со стороны аксиальной неустойчивости потока незамагниченных ионов при более высоких частотах.

Рассматриваются вопросы моделирования разлета мишени под действием наносекундного лазерного импульса с целью характеризации плазменного факела на облучаемой стороне и изучения возможности его использования для эффективного ускорения заряженных частиц мощным коротким лазерным импульсом. Показано, как заложенные в гидродинамических расчетах различные физические модели влияют на результаты моделирования.

Приведены результаты по лазерному ускорению протонов из алюминиевых мишеней толщиной 6 мкм и сверхтонких алмазоподобных углеродных пленок толщиной 100 нм при их облучении фемтосекундными лазерными импульсами с пиковой интенсивностью до 5 ⋅ 1020 Вт/см2. Показано, что уменьшение толщины мишеней с 6 мкм до 100 нм не приводит к существенному изменению максимальных энергий протонов, однако способствует увеличению углового выхода и коэффициента конверсии лазерной энергии. Данный эффект обусловлен ростом количества протонов в низкоэнергетической части спектров, что отразилось на двукратном росте коэффициента конверсии.

С использованием метода псевдопотенциала Сагдеева выполнен расчет функций распределения фоновых ионов, возмущенных ионно-звуковыми солитонами для случая холодных ионов. Анализировались функции распределения по скоростям и по кинетическим энергиям. Получены явные формулы, справедливые для солитонов произвольной амплитуды. Показано, что солитоны формируют в своей окрестности сильно неравновесную плазму. Проведено сравнение результатов с ранее полученными аналитическими расчетами и результатами моделирования.

Характерной особенностью магнитосферы Сатурна является присутствие электронов двух сортов, подчиняющихся каппа-распределениям, — горячих и холодных. Электроны, ионы магнитосферы и пылевые частицы, которые были обнаружены в рамках миссии Cassini, образуют плазменно-пылевую систему в магнитосфере Сатурна. Рассматриваются нелинейные периодические пылевые звуковые волны произвольной амплитуды, которые могут распространяться в запыленной магнитосфере Сатурна. Полученные результаты важны для интерпретации будущих космических наблюдений.

Представлены экспериментальные исследования процесса формирования плазменного сгустка в инжекторе, являющемся начальным участком ускорителя коаксиального типа. Описаны конструкторские решения, постановка экспериментов и результаты измерений. Конструктивные особенности инжектора — контролируемая подача рабочего газа через электродинамические клапаны, равномерно установленные по окружности внешнего электрода, профилированный внутренний электрод и соленоид, расположенный снаружи инжектора. Система диагностики включала измерение токов и напряжений в разрядной цепи и цепи соленоида; высокоскоростную видеосъемку; измерение параметров плазмы спектральными методами и тройным зондом Ленгмюра. Представлены кадры видеосъемки формирования плазменного сгустка, результаты измерений токов и напряжений, температуры и концентрации электронов; рассматривается влияние внешнего магнитного поля на процессы в инжекторе.