Эксперименты на установке ГДЛ: новейшие результаты П.Багрянский, 24 мая 2005 г. План доклада 1. SHIP: краткая история и основные задачи эксперимента. 2. Диагностики. 3. Вакуумные условия и подготовка первой стенки. 4. Мишенная плазма и атомарные пучки. 5. Перезарядные потери. 6. Пространственное распределение плотности и энергосодержание быстрых ионов. 7. Эффект амбиполярного запирания. 8. Выводы из сегодняшних результатов SHIP Диаметр камеры Длина камеры Магнитное поле Пробочное отношение 70 см 30 см 22.5 кГс 2 Synthesized Hot Ion Plasmoid (SHIP) A.Ivanov, A.Karpushov, K.Lotov // Transactions of Fusion Technology. 1999 – Vol. 35, No. 1T. - P.107-111. SHIP: история, результаты моделирования Trapped NBI power Пучки нейтралов дейтерия: мощность – 2 МВт, энергия нейтралов – 25кэВ, средняя энергия ионов – 9 кэВ Scientific Objectives Two-component plasmas of record parameters with several features, e. g.: • majority of high-energetic ions • strong non-isotropy of the fast ions • high Research Objectives: • Equilibrium & Dynamics • MHD-Stability • Micro-Fluctuations • High- Thresholds to Instabilities • Influence of Non-Paraxiality of Magnetic Field SHIP: диагностики SHIP: Приёмники пучков и калориметр. Пироэлектрические болометры. Диамагнитная петля. Анализатор нейтралов перезарядки. Дисперсионный интерферометр. Пучково-спектроскопическая диагностика. Расширитель: СВЧ-интерферометр Анализатор продольных энергий ионов Центральная ячейка: Томсоновское рассеяние Анализатор нейтралов перезарядки Количество каналов: 11 Размеры сканируемой области: по радиусу: -16 ... +16 см; один канал по радиусу: 2.9 см; вдоль магнитного поля: 1.2 см. Энергетическая ширина канала: Максимальное напряжение на конденсаторе: Максимальная энергия регистрируемых частиц: Напряжение на МКП: Усиление после МКП: Временное разрешение: ∆E=0.06∙E 12 кВ 24 кэВ 0.9-1.2 кВ 1В/1нА 18 мкс (АЦП) Дисперсионный интерферометр в SHIP 1 – лазер 2 – оптическая плита 3 – плоские зеркала 4 – сферические зеркала 5 – оптические клинья 6 – удвоитель частоты 7 – приемник излучения 8 – линза 9 - вакуумная камера ГДЛ 10 – уголковый отражатель СВЧ интерферометр в SHIP Вакуумные условия и подготовка первой стенки (1) Антенны СВЧ Электродуговой испаритель Ti Анализатор продольных энергий ионов Fast Ti-deposition: P.A.Bagryansky, et. al., Journal of Nuclear Materials 265 (1999) 124-133. Вакуумные условия и подготовка первой стенки (2) Вакуумные условия и подготовка первой стенки (3) Pcentral cell=3.810-5 Pa, Pship=4.210-5 Pa Результаты измерений Мишенная плазма Тип газа Плотность электронов Температура Диаметр водород 1013 см-3 50-55 эВ 9 см Атомарные пучки Тип газа Энергия частиц Диаметр пучков Время работы Энергия пучков Захват водород 17 кэВ 8 см 3.6 - 4.6 мс ~200 Дж ~10% (~20 Дж) Перезарядные потери Мощность потока нейтралов перезарядки (Pmax 7 кВт). Продольное распределения плотности мощности потока быстрых нейтралов из плазмы Результат измерения мощности потока быстрых нейтралов из плазмы хорошо соответствует результатам оценки с учетом перезарядки на атомах пучков и теплых нейтралах, образованных в результате захвата пучков. Быстрые ионы:распределение в пространстве Размер по уровню 1/e: вдоль оси 5 см, по радиусу 13 см. Максимальная плотность ΔB/B Средняя энергия Энергосодержание 1.2∙1013 см-3 2% 6 кэВ 8 Дж Накопление быстрых ионов <ne l>NBI = 1.81014см-2 <n0 l> = 0.81014см-2 NBI Линейная плотность электронов в SHIP (1013см-2) Оценка максимальной плотности быстрых ионов Пусть: nf - плотность быстрых ионов; n0 - плотность теплой плазмы вне области плазмоида; nw - плотность теплых ионов; ne - электронная плотность; 1) ne = nf + nw 2) ne = n0 exp(e/kTe) 3) nw = n0 exp(-e/kTw) – квазинейтральность; – закон Больцмана для электронов; – закон Больцмана для теплых ионов. Полагаем Te = Tw, тогда из 2 и 3 ne nw = n02 nf = ne - n0 2/ne <nf l> = <nel> - <n0l> 2/<nel> = 1.8 – 0.64/1.8 = 1.4 1014см-2 В итоге: <nf l> = 1.4 1014см-2 <n0 l> = 0.8 1014см-2 <nw l> = 0.4 1014см-2 Средняя плотность быстрых ионов вдвое превышает начальную плотность плазмы и втрое среднюю плотность теплых ионов Энергосодержание быстрых ионов Расчет Диамагнитные измерения Wfast 8 Дж – оценка по результатам анализа нейтралов перезарядки и интерферометрических измерений Эффект амбиполярного запирания (1) Временная зависимость приосевого потока ионов в расширителе Эффект амбиполярного запирания (2) Временной ход линейной плотности электронов в расширителе Выводы из сегодняшних результатов Создан и опробован в эксперименте набор диагностик для измерения параметров плазмы в SHIP'е. Проведены первые эксперименты с умеренной мощностью инжекции. Плотность быстрых ионов втрое превысила плотность теплых ионов и достигла 1.21013 cм-3. Экспериментально продемонстрирован эффект амбиполярного удержания. Сравнение экспериментальных данных с результатами расчёта при помощи кода MC FIT позволяет утверждать, что удержание быстрых ионов определяется кулоновскими столкновениями и перезарядкой на атомарных пучках.