Исследование МГД-активности плазмы в установке ГОЛ-3 отдельные моменты) (

А. В. Судников. Семинар плазменных лабораторий. 2012.12.04
Исследование МГД-активности
плазмы в установке ГОЛ-3
(отдельные моменты)
Докладчик: А. В. Судников
А. В. Судников. Семинар плазменных лабораторий. 2012.12.04
План выступления
• Система диагностики МГД-явлений в плазме ГОЛ-3.
Математические методы обработки магнитных измерений
• Обзор получаемых экспериментальных сигналов
• Зависимости параметров вращения в скрещенных полях
• Сигналы в области ионно-циклотронной частоты
• Продольные корреляции возмущений
• Заключение
А. В. Судников. Семинар плазменных лабораторий. 2012.12.04
Схема применяемых диагностик
Гофрированное магнитное поле Выходной у
соленоид
ленточный диод
Электронный пучок
Плазма
Магнитное поле
энергия
-1МэВ длина
~12м соленоид -5.2/3.3Т
ток
-50 кА плотность 1014-1016 см-3 энергосодержание-15
энергосодержание -0.3МДж температура
~1кэВ
В работе применялась система
диагностики азимутальной
длительность импульса-8 мкс
компоненты магнитного поля («зондов Мирнова»),
0 .0
0 .5
1 .0
1 .5
2 .0
2 .5
3 .0
использовалась одна 16-канальная сборка, до трёх 2канальных и до трёх одноканальных.
B1, B3  B2 , B4
U i ~ Bi
Штриховой линией обозначены компактные (одно- и
двухканальные) зонды, двойной — 16-канальная
измерительная система.
Красным выделены зонды, использовавшиеся в
экспериментах с длинноимпульсным электронным пучком.
А. В. Судников. Семинар плазменных лабораторий. 2012.12.04
Математические методы обработки данных
При восстановлении
экспериментальные сигналы
после фильтрации шумов
раскладываются по набору
ортогональных азимутальных
гармоник.
Используемые алгоритмы
обработки экспериментального
сигнала эквивалентны
представлению возмущений
тока, приводящих к
возмущениям азимутального
магнитного поля, в виде
деформаций тока,
сконцентрированного на
границе горячей области
плазмы.
В дальнейшем различными
методами анализируется
указанное представление.
Примеры сечения эквивалентного тока для различных комбинаций
азимутальных мод (расчёт)
А. В. Судников. Семинар плазменных лабораторий. 2012.12.04
Общий вид экспериментальных сигналов
Current, A
120
Beam current
80
Типичный для экспериментов по
инжекции сильноточного
длинноимпульсного электронного
пучка в нейтральный газ вид сигналов
двух каналов многоканального датчика
азимутального магнитного поля,
отстоящих на 180º в сравнении с током
и ускоряющей разностью потенциалов.
Net plasma current
40
Mirnov signal, V
0
0.8
0.4
0
-0.4
-0.8
0
40
80
Time, s
120
0.8
-80
0.4
-60
0
-40
-0.4
-20
-0.8
95
100
105
Time, s
110
0
115
Voltage, kV
Signal, V
Mirnov signal at 0°
Mirnov signal at 180°
Accelerating voltage
А. В. Судников. Семинар плазменных лабораторий. 2012.12.04
Режимы с высокой ассиметрией
Angle, degrees
0
180
360
0
2
3
4
5
Time, s
1st mode
2nd mode
3rd mode
2
Mode amplitude, mm
1
Насыщение высоких
пространственных гармоник
наступает в ~2 мкс.
1
0
В режимах с высокой
ассиметрией протекания
токов амплитуда всех мод
возмущения возрастает
линейно после начала
инжекции; наибольшая
скорость роста, и,
следовательно,
наибольшая амплитуда в
начальный период времени
наблюдается у второй
пространственной
гармоники.
0
2
4
6
8
10
Time, s
Первая мода растёт
линейно в течение 6–10
мкс.
А. В. Судников. Семинар плазменных лабораторий. 2012.12.04
Режимы со слабой асимметрией
0
270
В отдельных режимах возмущения на
первой азимутальной гармонике
проявляются слабо. По окончании
линейного роста (~2 мкс) амплитуды
высоких мод спадают до
незначительного уровня.
360
Причины уточняются.
90
180
10
20
30
Mode amplitude, mm
0.5
Azimuth:11874
1
2
3
0.25
0
0
25
50
75 Time, s
0.5
Mode amplitude, mm
0
Azimuth:11874
1
2
3
0.25
0
0
5
10
Time, s 15
А. В. Судников. Семинар плазменных лабораторий. 2012.12.04
100
80
60
40
20
0
-20
0 pi
-100 pi
-200 pi
-300 pi
-400 pi
-500 pi
40
80
120
160
Время, мкс
~
1
n0 Bz
Характер зависимости от
магнитного поля не позволяет
предположить альфвеновскую
природу данного явления.
200
Time, μs
2
1.5
Frequency, MHz
1.5
Frequency, MHz
Зависимость угловой скорости
вращения от режима работы
имеет вид:
Фаза 1 моды, рад
Phase, rad
Accelerating
Ускоряющее
напряжение, кВ
voltage, kV
Вращение первой азимутальной моды
1
1
0.5
0.5
0
-0.5
-0.5
-1
0
2
3
4
5
B-1/2, A.u.
-1
0
1
2
3
4
5
n-1
, A.u.
0
А. В. Судников. Семинар плазменных лабораторий. 2012.12.04
Вращение в скрещенных полях моды
 E  B
 c Er
c 
  

2
R R
R Bz
B
v
Порядок величины поля:
2q
R
c 2q
  2
R Bz
Er 
Для R = 1 см, Bz = 1 Тл, ω = 2π × 1 МГц
получаем E ~ 60 В/см, q ~ 3.5×10-10 Кл/см,
что при токе пучка 50 А составляет 7% от
его пространственного заряда.
В случае если электрическое поле
создаётся зарядом, сосредоточенным
на оси установки (данный случай
соответствует вращению токового слоя,
внешнего по отношению к
нескомпенсированному заряду)
~
2qc 1
1
~ 2qcBz
~1
Bz
R 2 Bz
Для электрического поля заряда, равномерно
распределённого по сечению пучка (что
отвечает вращению токового слоя,
находящегося внутри области с равномерно
распределённым нескомпенсированным
пространственным зарядом)
~
2qRc 1
2
Rmax
Bz
~
2qc
2
Rmax
Bz
1
Bz
В промежуточных ситуациях показатель степени лежит в пределах от 0 до –1.
~
1
Bz
А. В. Судников. Семинар плазменных лабораторий. 2012.12.04
Возмущения в районе ионно-циклотронной частоты
Angle, degrees
0
Полный сигнал
(на примере
PL11461)
90
180
Среднее ведущее
поле 0.22 Т
270
360
100
105
110
Time, s 115
Сигнал в области ωB
f = 4.5 МГц ≈
≈ ωB / 2π = 4.2 МГц
90
180
270
80
Amplitude, A.u.
Angle, degrees
0
100
105
110
Time, s
115
60
При более высоком ведущем магнитном
поле циклотронная частота лежит выше,
чем можно зарегистрировать с помощью
имеющейся системы диагностики.
40
20
0
0
3 Frequency, MHz 6
А. В. Судников. Семинар плазменных лабораторий. 2012.12.04
Продольные корреляции сигналов.
Скорость распространения возмущений
0
0.5
2
3
0
4
5
6
-10
-5
0
5
10
Time shift, s
-0.5
14
6
Velocity, 10  cm/s
Angle, rad
1
Определялся коэффициент
корреляции отрезков сигналов
длительностью 10÷20 периодов
вращения, смещённых друг
относительно друга по времени. Из
временного сдвига,
соответствующего максимальному
коэффициенту корреляции,
определялась скорость
распространения возмущений.
Наблюдаемое характерное значение
v ~ 107 см/с хорошо согласуется с ионнозвуковой скоростью, если температура
электронной компоненты не превышает
Te ~ 100 eV.
12
10
8
0
20
40
60
80
Time, s
А. В. Судников. Семинар плазменных лабораторий. 2012.12.04
Заключение
•
Диагностированы возмущения токов в плазме при инжекции
длинноимпульсного электронного пучка, рассмотрена их модовая
структура.
•
Насыщение высоких мод возмущений наступает в ~2 мкс после
начала инжекции. Насыщение первой моды может (однако не во
всех режимах) наступать позже.
•
Показана зависимость угловой скорости вращения от величины
ведущего магнитного поля. Зависимость может быть объяснена E×B
дрейфом.
•
Возмущения в области ионно-циклотронной частоты присутствуют,
но имеют амплитуду, на порядок меньшую общей амплитуды
возмущений. Отличие частоты возмущений от ионно-циклотронной
невелико.
•
Возмущения вдоль плазменного шнура распространяются со
скоростью, близкой к ионно-звуковой скорости для Te ~ 100 эВ.
А. В. Судников. Семинар плазменных лабораторий. 2011.12.27
Восстановление возмущений магнитного
поля по исходным сигналам
РЭП
Исходный сигнал
Восстановленный
сигнал