Эксперименты с компактным пробкотроном на установке газодинамическая ловушка

Эксперименты с компактным
пробкотроном на установке
газодинамическая ловушка
ЭКСПЕРИМЕНТЫ С КОМПАКТНЫМ ПРОБКОТРОНОМ НА
УСТАНОВКЕ ГАЗОДИНАМИЧЕСКАЯ ЛОВУШКА
План доклада:
 Введение (краткая история и основные задачи
эксперимента)
 Диагностики
 Вакуумные условия и подготовка первой стенки
 Мишенная плазма и атомарные пучки
 Перезарядные потери
 Пространственное распределение плотности и
энергосодержание быстрых ионов
 Эффект амбиполярного запирания
 Выводы из сегодняшних результатов
Synthesized Hot Ion Plasmoid (SHIP)
Параметры:
 Магнитное поле
25 кГс
 Пробочное отношение
 Радиус плазмы
2
5 см
 Плотность
1013 см-3
 Температура
100 эВ
Инжекция:
 ENB
25 - 50 кэВ
 PNB
2 МВт
A.Ivanov, A.Karpushov, K.Lotov // Transactions of Fusion Technology. 1999 Vol. 35, No. 1T.
P.107-111.
Изучение быстрых ионов на установке ГДЛ
Исследования релаксации и удержания быстрых ионов:
Изучение быстрых ионов на установке ГДЛ
Удержание в высоким бета ( ~40%):
Изучение быстрых ионов на установке ГДЛ
Измерение продуктов реакции синтеза (DD):
Изучение быстрых ионов на установке ГДЛ
Исследование пространственного распределения:
ОСНОВНОЙ ВЫВОД:
Релаксация и время жизни быстрых ионов в установке
ГДЛ определяется, в основном, парными кулоновскими
столкновениями. Микро-неустойчивости, приводящие к
аномально-быстрому рассеянию высокоэнергетнчных
ионов не обнаружены.
Дрейфово-конусная (DCLC) и альфвеновская
ионно-циклотронная (AIC) микро-неустойчивости
Параметр
2XIIB 3
TMX 1
ГДЛ
SHIP
a/cm
7
10
15-18
5-8
ri/a
0.37
0.13
0.3-0.5
0.1-0.5

0.33
0.07
≤ 0.4
≤ 0.6
A=W / W||
5
14
~1
~ 14
A2
8
14
0.4
3 - 90
-
≥2
до 0.08
nw/nf
1,2
0.04 4
Теоретические оценки 5 предсказывают при ri/a ~ 0.4 критерий AIC A2  8
[1] Casper T.A. and Smith G.R. 1982 Phys. Review Letters 48 1015
[2] Ishimura M., et al. 1993 Phys. Review Letters 70 2734
[3] Coensgen F.H., et al. 1975 Phys. Review Letters 35 1501
[4] Baldwin D.E., Berk H.L. And Pearlstein L.D. 1976 Phys. Review Letters 36 1051
[5] D.C. Watson 1980 Phys. Fluids 23 2485
Цели и задачи эксперимента с SHIP
 Равновесие сгустка ионно-горячей плазмы
c высоким β с
анизотропной в пространстве скоростей функцией распределения
 МГД-устойчивость
 Микронеустойчивости (AIC, DCLC)
 Получение рекордных параметров удержания плазмы в аксиальносимметричной магнитной ловушке
 Экспериментальное моделирование условий в НИ вблизи точки
остановки быстрых ионов
 Испытания в условиях реального эксперимента новой системы
атомарной инжекции ГДЛ (GDT-Upgrade)
SHIP
Диаметр камеры
Длина камеры
Магнитное поле
Пробочное отношение
70 см
30 см
24 кГс
2
Распределение магнитного поля
SHIP: история, результаты моделирования
Trapped NBI power
Пучки нейтралов дейтерия:
мощность
– 2 МВт,
энергия нейтралов
– 25кэВ,
средняя энергия ионов – 9 кэВ
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
Тракт инжектора
Ребра жесткости
Диамагнитная петля с
компенсатором
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)
Анализатор нейтралов перезарядки
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
Электродуговой
испаритель Ti
Антенны СВЧ
интерферометра
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
Вакуумные условия и подготовка первой стенки
Вакуумные условия и подготовка первой стенки
Pcentral cell=3.810-5 Pa, Pship=4.210-5 Pa
Результаты измерений
Мишенная плазма
Тип газа
Плотность электронов
Температура
Диаметр
водород
1013 см-3
50-55 эВ
9 см
Данные системы
томсоновского рассеяния
Te = 54 eV, Te = 4.4 eV
Атомарные пучки
Тип газа
Энергия частиц
Диаметр пучков
Время работы
Энергия пучков
Захват
водород
17 кэВ
8 см
0.9 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.
Накопление быстрых ионов
<ne l>NBI = 1.81014см-2
<n0 l> = 0.81014см-2
NBI
Линейная плотность электронов в SHIP (1013см-2)
Оценка плотности быстрых ионов
Пусть:
1)
2)
3)
nf - плотность быстрых ионов;
n0 - плотность теплой плазмы вне области плазмоида;
nw - плотность теплых ионов;
ne - электронная плотность;
ne = nf + nw
– квазинейтральность;
ne = n0 exp(e/kTe)
– закон Больцмана для электронов;
nw = n0 exp(-e/kTw)
– 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 1014 см-2
В итоге:
<nf l> = 1.4 1014 см-2
<n0 l> = 0.8 1014 см-2
<nw l> = 0.4 1014 см-2
Средняя плотность быстрых
ионов вдвое превышает
начальную плотность плазмы и
втрое среднюю плотность
теплых ионов
Быстрые ионы:распределение в пространстве
Размер по уровню 1/e:
вдоль оси 5 см,
по радиусу 13 см.
Максимальная плотность
Средняя энергия
Энергосодержание
1.2·1013 см-3
6 кэВ
8 Дж
Энергосодержание быстрых ионов
Расчет
Wfast  8 Дж
Диамагнитные
измерения
оценка по результатам анализа
нейтралов перезарядки и
интерферометрических измерений
Накопление быстрых ионов
Максимальная
плотность
быстрых ионов 1.2·1013 см-3,
 = 0.8Te
NBI
Линейная плотность электронов в SHIP (1013см-2)
Эффект амбиполярного запирания (1)
SHIP NBI
Временная зависимость приосевого потока ионов в расширителе
Эффект амбиполярного запирания (3)
Данные 8мм интерферометра в расширителе
SHIP
без SHIP
<nl>, 1013 cm-3
1.0
0.5
0
4000
t, ms
4500
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 1.2x1013 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.
 Микро-неустойчивости при этих параметрах эксперимента
не обнаружены.
Параметр
2XIIB
TMX
ГДЛ
SHIP
проект
SHIP
эксперимент
a/cm
7
10
15-18
5-8
5
ri/a
0.37
0.13
0.3-0.5
0.1-0.5
0.1-0.15

0.33
0.07
≤ 0.4
≤ 0.6
≤ 0.02
A=W / W||
5
14
~1
~ 14
12
A2
8
14
0.4
3 - 90
3
nw/nf
0.04
-
≥2
до 0.08
0.28