. - Институт Ядерной Физики им.Г.И.Будкера СО РАН
реклама
Семинар плазменных лабораторий ИЯФ 26.01.2016 ШИРОВОЕ ВРАЩЕНИЕ ПЛАЗМЫ В ДЛИННОЙ ОТКРЫТОЙ ЛОВУШКЕ ГОЛ-3 ПРИ ИНЖЕКЦИИ РЕЛЯТИВИСТСКОГО ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА по материалам доклада на XLIII конференцию по физике плазмы и УТС, 8 -12 февраля 2016 г. И. А. Иванов*,**, А. В. Бурдаков*,***, М. А. Макаров*, К. И. Меклер*, А. Ф. Ровенских*, А. В. Судников*,**, С. В. Полосаткин*,**, В. В. Поступаев*,**, Е.Н. Сидоров*, С. Л. Синицкий*,** * Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН, Новосибирск, Россия ** Новосибирский государственный университет, Россия *** Новосибирский государственный технический университет, Россия Семинар плазменных лабораторий ИЯФ 26.01.2016 ГОЛ-3 Семинар плазменных лабораторий ИЯФ 26.01.2016 План выступления 1. Введение, постановка задачи 2. Спектральная диагностика с пространственным разрешением 3. Измерение скоростей вращения плазмы 4. Сравнение результатов спектральной и магнитных диагностик 5. Заключение Семинар плазменных лабораторий ИЯФ 26.01.2016 Введение Область предплазмы Ток по камере Ток пучка Предполагаемая физика появления вращения: • • Обратный ток по предплазме • Движение электронов в системе Система создания разряда Kr Обратный ток по камере Потери на стенку -1МВ Разрядный ток + Обратный ток Ток из источника -5кВ Обратный ток Ток пучка Генератор электронного пучка B H Приемник пучка • • • Инжекция РЭП приводит к появлению турбулентности Появляется аномальная частота столкновений, приводя к неравномерному распределению токов в сечении пучка и плазмы Возникает некомпенсированный отрицательный заряд в области пучка Возникает распределение напряжения по длине плазменного столба, зависящее от радиуса Возникает радиальное электрическое поле Появляется дрейф в скрещенных ExB полях: Vдр = c·(ExB)/(B2) E ~ q/R Семинар плазменных лабораторий ИЯФ 26.01.2016 Введение Область предплазмы Ток по камере Ток пучка Предполагаемая физика появления вращения: • • Обратный ток по предплазме • • B пучок -q Направление движения электронов пучка E ион • • Инжекция РЭП приводит к появлению турбулентности Появляется аномальная частота столкновений, приводя к неравномерному распределению токов в сечении пучка и плазмы Возникает некомпенсированный отрицательный заряд в области пучка Возникает распределение напряжения по длине плазменного столба, зависящее от радиуса Возникает радиальное электрическое поле Появляется дрейф в скрещенных ExB полях: Vдр = c·(ExB)/(B2) Vдр E ~ q/R Семинар плазменных лабораторий ИЯФ 26.01.2016 Первые измерения вращения плазмы в ГОЛ–3 Гофрированное магнитное поле азимутальными магнитными датчиками Выходной узел ленточный диод соленоид Вакуумная камера РЭП 150 30 2 180 0 210 330 240 300 270 Плазма Магнитное поле длина ~12м соленоид -5.2/3.3Т 0 14 16 Плазма плотность 10 -10 см-3 энергосодержание-15М Дж PL10647 50 температура ~1кэВ Азимутальный угол, ° Электронный пучок ергия -1МэВ 90 к -50 кА 120 60 4 -0.3М ергосодержание Дж ительность импульса-8 мкс z = 514 см 16 азимутальных каналов Лимитер Датчик 100 150 200 250 300 350 50 РЭП 55 Катушка поля 60 65 70 75 Время,80мкс 85 90 Регулярное изменение фазы возмущения интерпретируем как вращение. Обычно вращение идёт в ожидаемом направлении с частотой обращения ~200 кГц. V EB cE ~ cTe ~ 105 Hz 2 R 2 RB 2 R RB Судников А. В. и др. ИССЛЕДОВАНИЕ ВРАЩЕНИЯ ПЛАЗМЫ В УСТАНОВКЕ ГОЛ–3 // Физика плазмы. 2012. Том 38, №9, с. 779. Семинар плазменных лабораторий ИЯФ 26.01.2016 Прямое наблюдение вращения плазмы по сдвигу вращающихся ионов B пучок -q Направление движения электронов пучка ион E Vдр Измерение смещения линий CII (657,8 нм) в зависимости от радиуса хорды наблюдения Семинар плазменных лабораторий ИЯФ 26.01.2016 Развитие спектральной системы для наблюдения сдвига линий ионов в зависимости от радиуса хорды наблюдения Учет астигматизма спектрометра ДФС-24 горизонтальное сечение ПЗС камера эквивалентная схема спектрометра входная щель спектрометра dI/dλ дифракционный элемент сечение в сагиттальной плоскости эквивалентная схема спектрометра плазменный столб I(h) • пространственное разрешение Δh½=0,8 мм по одной координате матричного фотодетектора при размере излучающего объекта 55 мм. • спектральное разрешение системы Δλ½=4,5•10-2 нм осталось близким к паспортному • точность определения смещения спектральной линии соответствует минимальной скорости движения источника излучения V = 3 км/с. Иванов И.А. и др. СПЕКТРАЛЬНАЯ СИСТЕМА С ПРОСТРАНСТВЕННЫМ РАЗРЕШЕНИЕМДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ДВИЖЕНИЯ ПЛАЗМЫ В МНОГОПРОБОЧНОЙ ЛОВУШКЕ ГОЛ-3 // ПТЭ. 2016, №2, (РНФ ИЯФ). Семинар плазменных лабораторий ИЯФ 26.01.2016 Развитие спектральной системы для наблюдения сдвига линий ионов в зависимости от радиуса хорды наблюдения 1 измеренное разрешение 40 Предплазма а. расчетное разрешение для фотоприёмника c пикселом 100×100 мкм2 0.6 0.4 20 h, мм I, о.е. 0.8 0 -20 0.2 0 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 h, мм 0.4 -40 40 0.6 Поперечное разрешение спектральной системы. 20 h, мм 1 Пучок б. 0 -20 -40 1 0.6 0.4 I, о.е. I, о.е. 0.8 0.2 в. 1Hα 0.5 CII 2 CII 3 0 0 -6 -4 -2 0 2 w, мм 4 6 Расчетное продольное разрешение спектральной системы. 655 656 657 658 , нм 659 660 Иванов И.А. и др. СПЕКТРАЛЬНАЯ СИСТЕМА С ПРОСТРАНСТВЕННЫМ РАЗРЕШЕНИЕМДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ДВИЖЕНИЯ ПЛАЗМЫ В МНОГОПРОБОЧНОЙ ЛОВУШКЕ ГОЛ-3 // ПТЭ. 2016, №2, (РНФ ИЯФ). Семинар плазменных лабораторий ИЯФ 26.01.2016 Гофрированное магнитное Экспериментальные условия поле ленточный диод Выходной соленоид РЭП z = 514 см 16 азимутальных каналов Напуск C3H8 Электронный пучок Плазма Магнитное поле гия -1МэВ длина ~12м соленоид -5.2/3.3Т -50 кА вращения Для прямого наблюдения необходимо 1014-1016 см-3 плотность энергосодержаниенаблюдать за излучающими ионами госодержание -0.3МДж температура ~1кэВ Область + льность импульса-8 мкс Выбраны ионы C , т.к. яркие линии CII (657,8 и 658,29 нм) пучка Для увеличения яркости дополнительный напуск пропана линий проводился 220 мм Магнитные датчики спектрометр Семинар плазменных лабораторий ИЯФ 26.01.2016 Измерение вращения плазмы по сдвигу линии CII (657,8 нм) PL14383, t = 0,65-2,65 мкс измеренный центр линии где должна быть линия 0.8 h, pixel 𝐼, a.u. 1 0.6 0.4 0.2 0 -20 -10 0 10 20 Δλ, 𝑝𝑖𝑥𝑒𝑙 λ 0.01 ,нм Измеряется сдвиг математического ожидания измеренного профиля спектральной линии CII (657,8 нм) относительно калибровочного выстрела без наличия вращения. эксперимент 14383 - 14383 Вращение как целого с Rot: -64kHz 0.02 частотой f = - 85±30 кГц 0 ошибка -0.01 -0.02 -30 -20 -10 0 h, мм 10 20 30 Семинар плазменных лабораторий ИЯФ 26.01.2016 Измерение вращения плазмы по сдвигу линии CII (657,8 нм) PL14383, t = 0,65-2,65 мкс эксперимент 14383 - 14383 Вращение как целого с Rot: -64kHz 0.02 частотой f = - 85±30 кГц ,нм 0.01 0 ошибка -0.01 -0.02 -30 -20 -10 PL14370 0.03 10 20 0.01 t = 2,6÷3,6 мкс 0 -0.01 -0.02 -0.03 30 1 с Вращение как целого частотой f = - 85±302кГц 3 0.02 , нм 0 h, мм -20 -10 0 h, мм 10 20 • В основном хордовый профиль скорости предполагает равномерное вращение плазмы как целого. • Однако, измеренные частоты в 5-10 раз меньше измеренной магнитными азимутальными датчиками. Семинар плазменных лабораторий ИЯФ 26.01.2016 В сравнении с вращением токовой структуры по измерениям магнитного поля PL14384 PL14384 40 0.4 20 0.2 -5 0 время, мкс 5 40 0.4 20 0.2 0 0 60 0.6 0 0 10 -5 0 Ib, кА 60 0.6 E, МэВ E, МэВ PL14388 Ib, кА PL14388 0 время, мкс 5 10 0 75 25 0 180 -25 270 -50 f = 450 кГц 360 -5 0 5 Время от начала пучка, мкс 50 90 25 f = 300 кГц 180 -25 270 -50 -75 360 -5 10 0 5 Время от начала пучка, мкс 14388 - 14388 -75 0.02 t = 0,65-2,65 мкс1 0.02 t = 1,65-3,65 мкс1 2 , нм 0 2 0.01 f = 43 кГц 0.01 , нм 10 14384 - 14384 0.03 f = 38 кГц 0 -0.01 -0.01 -0.02 -0.03 0 -20 -10 0 h, мм 10 20 -0.02 -20 -10 0 h, мм 10 20 I, А Азимутальный угол, ° 50 90 I, А Азимутальный угол, ° 75 Семинар плазменных лабораторий ИЯФ 26.01.2016 В сравнении с вращением токовой структуры по измерениям магнитного поля E, МэВ PL14388 60 0.6 40 0.4 20 0.2 Величина напряженности электрического поля: Ib, кА PL14388 E (400 кГц) ~ 1 кВ/см 0 0 -5 0 время, мкс 5 10 0 50 90 25 0 180 -25 270 f = 450 кГц 0 5 Время от начала пучка, мкс -75 10 14388 - 14388 0.03 t = 0,65-2,65 мкс1 0.02 2 f = 43 кГц 0.01 , нм Δn ~ E / (42·ē·R) ≈ 4·107 см-3 -50 360 -5 0 -0.01 -0.02 -0.03 I, А Азимутальный угол, ° 75 Величина плотности некомпенсированных электронов РЭП, которая должна соответствовать такой напряженности поля: -20 -10 0 h, мм 10 20 Δn ~ 10-3•nbeam Семинар плазменных лабораторий ИЯФ 26.01.2016 Возможное объяснение – дифференциальное по радиусу вращение плазмы Распределение токов в плазме ГОЛ-3 по измерениям в расширителе с помощью γ - обскуры Ток по камере j, kA/cm2 2 Область предплазмы Ток пучка return discharge shadow rotation, deg. 0 40 net beam 20 -2 B, T 0 5 10 radius on beam receiver, cm -0.1 4= 1/q = 1/q 2 2 10 15 wall beam limiter unstable region q=1 unstable region 0 -2 -1 0 1 2 3 0 1 2 3 r, cm (for 5 T field) r, cm 4 4 5 Магнитные датчики 04PO039F 0 04PO045F 0 Обратный ток по предплазме спектрометр V.V. Postupaev, et. al.. Role of q-profile for plasma confinement in the multimirror trap GOL-3. // Fusion science and technology, V.47, No.1T, 2005, p.84. Семинар плазменных лабораторий ИЯФ 26.01.2016 Шировое вращение плазмы 14384 - 14384 11 PL14384 22 3 0.005 j* r, , нм Ω* 0 -0.01 3 cm -0.015 -0.02 Распределение свечения CII 5 0 5 10 h, мм f = 400 кГц на радиусе R = 18 мм ширина Гауссовой функции ΔR½ = 5 мм juniform Неустойчивая область -0.005 15 14388 - 14388 1 0.02 PL143881 21 32 4 3 0.5 2 2 1 0 0.01 , нм 1 I, у.е. V, см/мкс 4 3 20 0 -0.01 0 0 1 2 3 r, мм r, см 4 5 6 Шировое вращение плазмы: Внутри пучка, в неустойчивой области, например, Гаусс с шириной ΔR½ и положением R Снаружи пучка спадает ~R-1 -0.02 -20 f = 580 кГц -10 на радиусе R = 16 мм ширина Гауссовой функции ΔR½ = 8 мм 0 h, мм 10 20 Семинар плазменных лабораторий ИЯФ 26.01.2016 Заключение • Разработан комплекс диагностик вращения плазмы в ГОЛ-3, включающий в себя магнитные азимутальные датчики и спектрометр с пространственным разрешением. • Измерено вращение плазмы во время инжекции РЭП в ГОЛ-3. • Направление вращения соответствует отрицательному заряду плазмы. • Максимальная частота вращения плазмы f ~ 0,5 МГц, диагностируемая азимутальными магнитными датчиками, согласуется с прямыми измерениями скорости вращения плазмы по доплеровскому сдвигу спектральных линий ионов, находящихся в плазме, если предположить дифференциальное по радиусу вращение плазмы, локализованное преимущественно в области сечения электронного пучка вблизи его границы. • Напряженность радиально электрического поля составляет Er ~ 1 кВ/см. • Эффективный заряд в плазме плотностью Δn ~ 10-3•nbeam Семинар плазменных лабораторий ИЯФ 26.01.2016 Спасибо за внимание Семинар плазменных лабораторий ИЯФ 26.01.2016 Распределение токов в плазме ГОЛ-3 V.V. Postupaev, A.V. Arzhannikov, V.T. Astrelin, A.M. Averkov, A.D. Beklemishev, A.V. Burdakov, I.A. Ivanov, V.S. Koidan, K.I. Mekler, S.V. Polosatkin, A.F. Rovenskikh, A.A. Shoshin, S.L. Sinitsky, and Eh.R. Zubairov. Role of q-profile for plasma confinement in the multimirror trap GOL-3. // Fusion science and technology, Vol.47, No.1T, 2005, p.84-91.
