. - Институт Ядерной Физики им.Г.И.Будкера СО РАН

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
  EB  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 / (42·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.