CC BY
10
УДК 533.9
О ВОЗМОЖНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ПЛАЗМЕННОЙ
КОНФИГУРАЦИИ ГАЛАТЕЯ-ПОЯС, НЕ ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩЕЙ С ВНУТРЕННИМИ ТОКОНЕСУЩИМИ ПРОВОДНИКАМИ
С. Ю. Богданов, В. С. Марков, А. И. Морозов1, А. Г. Франк
Впервые получены магнитоплазменные конфигурации Галатея-Пояс, не взаимодействующие с находящимися внутри плазменного объема токонесущими проводниками - миксинами. Зарегистрирован переход от а-конфигурации, соответствующей одинаковым направлениям электрических токов в миксинах и в плазме, к /3-конфигурации с противоположными направлениями токов. Установлено, что для формирования плазменной конфигурации Галатея-Пояс, не взаимодействующей с миксинами, необходимо обеспечить оптимальное соотношение между электрическими токами в миксинах и в плазме.
Галатеями, по предложению А. И. Морозова, называют магнитные ловушки с токонесущими проводниками (миксинами), погруженными в плазменный объем [1]. Важным классом Галатей является тот, в котором магнитное поле аналогично "ограде", окружающей плазму со всех сторон, что позволяет использовать диамагнетизм плазмы для ее эффективного удержания в ловушке и подавления конвективных неустойчивостей [2]. Одна из важнейших особенностей таких Галатей - это существование областей с нулевым магнитным полем в пределах плазменного объема. Для характеристики таких Галатей удобно пользоваться интегральным значением /30:
'РНЦ Курчатовский институт.
=-щ •
Здесь в числителе стоит максимальное давление плазмы в ловушке, а в знаменатель входит характерное барьерное магнитное поле.
В Галатеях указанного типа интегральная величина может достигать значения
0о = 1- (2)
С другой стороны, соотношение (2) характерно для токовых пинчевых слоев [3], которые могут формироваться в окрестности особых силовых линий магнитного поля в двумерных [4, 5] и в трехмерных [6, 7] магнитных конфигурациях. Образование токового слоя обычно сопровождается эффективным сжатием плазмы и ее нагревом; в результате величины Ne, Те, Г, достигают максимальных значений в пределах слоя, так что выполняется соотношение /?0 — 1. Существенно, что токовые слои весьма устойчивы как относительно магнитогидродинамических, так и резистивных неустойчивостей типа тиринг-моды [4, 5]. Создание токового слоя в системе типа Галатея лежит в основе концепции ловушки " Галатея-Пояс" [8].
Экспериментальные исследования поведения плазмы в системе Галатея-Пояс были начаты в наиболее простом варианте, с использованием прямой (цилиндрической) установки [9, 10]. Два прямых проводника (миксины) с электрическими токами одинаковой величины и направления помещены внутрь цилиндрической кварцевой вакуумной камеры параллельно ее оси. Магнитное поле, создаваемое миксинами, имеет замкнутую сепаратрисную поверхность, охватывающую оба проводника. В сечении сепаратрисная поверхность представляет собой восьмерку, а на оси системы расположена нулевая линия магнитного поля, где В = 0 (рис. 1а). Электрический ток в плазме, направленный вдоль нулевой линии, возбуждается с помощью прямого электродного разряда. В работах [9, 10] наиболее подробно были исследованы особенности эволюции различных плазменных конфигураций, которые формировались в системе Галатея-Пояс после возбуждения в плазме электрического тока, а также зависимости температуры плазмы от начальных условий [10].
Как правило, плазменные конфигурации в системе Галатея-Пояс состоят из трех различных областей. Это, во-первых, плоский слой сравнительно плотной нагретой плазмы, расположенный между миксинами симметрично относительно нулевой линии магнитного поля, и, во-вторых, две плазменные мантии, охватывающие каждую из мик-син. Практически весь электрический ток плазмы сосредоточен в пределах слоя между
Рис. 1. Структура магнитных силовых линий в системе Галатея-Пояс. а - вакуумное магнитное поле, создаваемое электрическими токами в миксинах, 1М = 17.5 к А; Ь, с - магнитное поле в присутствии токового слоя шириной 2Дх = 2.6 см с током 1р = 4 к А; Ь -направления токов 1М и 1Р одинаковы (а-режим); с - направления токов 1м и 1р противоположны ((3-режим); штриховой линией обозначена проекция сепаратрисной поверхности на плоскость (х,у).
миксииами [10]. При одинаковых направлениях токов в плазме и миксинах токовый слой расположен в плоскости, соединяющей миксины между собой (а-режим, рис. 1Ь). При противоположных направлениях токов (/?-режим) токовый слой перпендикулярен этой плоскости (рис. 1с) [9, 10]. Полученные плазменные конфигурации характеризуются высокой устойчивостью и наличием значительного градиента электронной темпера туры в направлении, перпендикулярном поверхности слоя [9 - 11], что подтверждает высказанные ранее предположения [8].
Вместе с тем, экспериментальные исследования позволили выявить те слабые стороны, которые заслуживают самого серьезного внимания. Во-первых, конфигурация Галатея-Пояс формировалась при низкой степени ионизации нейтрального газа, наполнявшего вакуумную камеру. Во-вторых, величины электрических токов в плазме были, по-видимому, выбраны не оптимальным образом по отношению к магнитным полям, которые создавались токами в миксинах. Рассмотрм каждый из этих факторов.
Время формирования магнитоплазменной конфигурации оказалось весьма коротким и составило, в зависимости от условий, 0.1 - 0.3 мкс. По-видимому, это время должно, как минимум, превышать характерное альфвеновское время
1Д = -^-, (3)
где к - градиент магнитного поля, ЛГ,- - концентрация ионов, М, - масса иона. Отсюда можно оценить степень ионизации начальной плазмы, которая в экспериментах [9, 10] не превышала 0.1 - 0.2 %, что согласуется со способом создания предварительной плазмы при помощи мощной ультрафиолетовой лампы. Последующее возбуждение электрического тока вдоль нулевой линии магнитного поля приводило к интенсивной ионизации газа, в результате концентрация электронов в пределах образующегося токового слоя достигала (или несколько превышала) начальную концентрацию атомов нейтрального газа [10]. Это означает, что плазменная конфигурация формировалась в слабоионизо-ванном газе. При этом практически не реализовался эффект сгребания плазмы в слой, который имеет существенное значение для физических процессов, происходящих в токовых слоях [4, 5]. Поэтому в настоящей работе была проведена модернизация установки Галатея-Пояс. В частности, с целью получения значительно более высокой начальной ионизации газа установка была снабжена дополнительной системой, которая представляла собой высоковольтный тета-разряд, обеспечивавший создание начальной плазмы в магнитном поле миксин. Эксперименты, описанные ниже, выполнялись в условиях сильной предварительной ионизации, что обеспечило значительно большую устойчивость процесса формирования плазменных конфигураций в системе Галатея-Пояс по сравнению с предыдущими экспериментами [9, 10].
В работах [9, 10] было также показано, что время жизни мантий, окружающих мик-сины, было существенно меньше характерного времени жизни всей плазменной конфигурации. В ряде случаев непосредственно наблюдалось также интенсивное взаимодействие плазмы с поверхностью миксин. Можно предполагать, что одним из механизмов,
вызывавших эти эффекты, являлись направленные плазменные потоки, которые генерировались в пределах токового слоя и распространялись в обе стороны по направлению к миксинам.
Серьезного внимания заслуживает также деформация сепаратрисной поверхности во внешней области в результате появления токового слоя во внутренней области между миксинами. В а-режиме такая деформация может приводить к соприкосновению сепаратрисной поверхности с миксинами и соответственно к ухудшению удержания плазмы.
Все эти обстоятельства стимулировали поиск таких условий формирования конфигураций Галатея-Пояс, которые были бы свободны от указанных выше недостатков. Одно из предположений состояло в том, что ситуацию могло бы улучшить уменьшение, в разумных пределах, электрического тока в плазме по сравнению с экспериментами [9, 10]. Во-первых, уменьшение тока плазмы позволило бы наверняка избежать соприкосновения сепаратрисной поверхности во внешней области с поверхностями миксин. Во-вторых, уменьшение тока в плазме должно было бы привести к уменьшению ширины токового слоя, т.е. к его удалению от внутренней поверхности миксин, и опять-таки к уменьшению взаимодействия плазмы с миксинами. Наконец, уменьшение электродина-
—4 —*
мических сил, пропорциональных х В], которые ускоряют плазму вдоль поверхности слоя из центра к периферии [5], также могло бы привести к позитивному эффекту. Еще одно соображение состояло в том, что было бы полезно уменьшить длительность электрического тока одного направления, организовав при этом режим с изменением направления тока. Это позволило бы сочетать положительные свойства и а- и /3-режимов формирования конфигурации Галатея-Пояс, как было предложено ранее [8].
Основные особенности и параметры установки Галатея-Пояс подробно описаны в работах [9, 10]. Два прямых токонесущих проводника (миксины) помещены внутри цилиндрической кварцевой вакуумной камеры параллельно ее оси. Диаметр камеры 18 с.и, длина 100 см, оси миксин смещены на ±4.5 см относительно оси камеры, диаметр миксин 2 см, длина 95 см. Электрические токи в обеих миксинах одинаковы по величине и направлению, в данных экспериментах они составляли 17.5 к А. Сепаратрисная поверхность магнитного поля, создаваемого токами миксин, имеет в сечении форму восьмерки с нулевой линией на оси камеры, в ее окрестности градиент магнитного поля составлял К = 400 Г с/см. Полупериод электрического тока миксин Т/2 = 180л£кс, остальные процессы значительно короче и происходят при максимальном токе миксин, так что создаваемое ими магнитное поле можно считать квазистационарным.
Предварительно откачанная вакуумная камера наполнялась гелием при давлении либо 300 мТорр, либо 60 мТорр. Ионизация газа в магнитном поле миксин осуществлялась с помощью тета-разряда: малоиндуктивный конденсатор (С = 0.6 мкФ, Ь < ХЪнГн), заряженный до напряжения 20 - 25 кВ, затем разряжался на систему витков, охватывающих камеру снаружи и соединенных параллельно. После затухания тока тета-разряда в плазме возбуждался электрический ток, направленный параллельно нулевой линии магнитного поля миксин. Для этого с обоих торцов в вакуумную камеру введены два плоских электрода, расстояние между ними вдоль оси г составляет / « 100 см] к межэлектродному промежутку прикладывалось импульсное напряжение от конденсатора емкостью 0.1 мкФ, заряженного до напряжения 10 к В. Электрический ток плазмы имел характер сильно затухающего колебательного разряда с полупериодом Т/2 « 0.8 мкс и максимальным током /2 ~ 4 к А.
Качественные представления о структуре плазменных образований в установке Галатея-Пояс в различные моменты времени были получены на основе распределений свечения плазмы в плоскости (х,у) интегральных в ^-направлении. 2Б изображения излучающей плазмы регистрировались с помощью электронно-оптического преобразователя (ЭОП), коэффициент усиления которого составлял и 400, а время экспозиции 80 не [12]. В данной работе регистрировалось интегральное в пределах видимой области спектра свечение плазмы.
Как видно из изображений излучающей плазмы, приведенных на рис. 2 и 3, в течение 0.2 - 0.5 мкс после возбуждения в плазме электрического тока наблюдается образование конфигурации Галатея-Пояс, характерной для а-режима, т.е. возникающей при одинаковых направлениях электрических токов в миксинах и в плазме. Эта конфигурация состоит из двух плазменных мантий, окружающих каждую из миксин, и плоского слоя, соединяющего мантии между собой, причем осевые линии миксин и слой расположены в одной плоскости. Ширина слоя составила 2Ах = 2.4 — 2.7 см как в случае сравнительно низкого начального давления (Не, р0 = 60 мТорр, рис. 2а, Ь, £ = 0.3,0.5мкс), так и в случае высокого давления (Не, ро = 300мТорр, рис. За, Ь, £ = 0.5, 0.75 мкс). Толщина плазменного слоя, в отличие от его ширины, изменялась в зависимости от условий: при низком давлении (рис. 2а и 2Ь) толщина слоя 2Ау < 0.3 — 0.4 см была вдвое меньше, чем при высоком давлении: 2Ау = 0.75 см (рис. За и ЗЬ). Существенно, что слой занимал меньшую часть области между миксинами, и взаимодействие плазмы с миксинами в этой внутренней области отсутствовало. Это отчетливо видно из анализа изображений, приведенных на рис. 2 и 3. Что касается
А
Ж
В
у. см • 2 : О ■ -2
В
X
У, см 2 О -2
С
т
с
Щ
X
#
о
-4 -2 0 2 4
х, см
-4 -2 0 2 4
х, см
Рис. 2. Изображения плазмы в установке Галатея-Пояс в различные моменты времени. Ток миксин 1М — 17.5 к А, градиент вакуумного магнитного поля в окрестности нулевой линии Л = 400 Гс/см, начальное давление гелия р0 = 60 мТорр. а — I = 0.3 .мкс; Ь — < = 0.5 мкс\ с — 1.0 .мкс; д. — f = 1.5л«кс.
Рис. 3. Изображения плазмы в установке Галатея-Пояс в различные моменты времени. Ток миксин 1м = 17.5 к А, градиент вакуумного магнитного поля в окрестности нулевой линии /1 = 400 Г с/см, начальное давление гелия р0 = 300 мТорр. а — I = 0.5 «икс; Ь — I = 0.75.икс; с — £ = 1.5 мкс; (I — £ = 1.7мкс.
внешней области за миксинами, то, как следует из результатов расчетов, приведенных на рис. 1Ь (см. также [10]), сепаратрисная поверхность хотя и находится на меньшем расстоянии от миксин по сравнению с вакуумным магнитным полем на рис. 1а, но тем не менее не подходит вплотную к внешней поверхности миксин, как это может проис ходить при больших значениях тока в плазме. Таким образом, можно утверждать, что плазменная конфигурация, существующая в магнитном поле миксин, не взаимодействует с их поверхностями, по крайней мере, в течение первого полупериода тока плазмы (Т/2 ~ 0.8 жкс). Такого результата удалось, по-видимому, достигнуть вследствие оптп-
мизации соотношения величин электрических токов в плазме и в миксинах.
При изменении направления электрического тока в плазме на противоположное (второй полупериод тока, £ = 1.0; 1.5 м к с, рис. 2с и 2(1) возникает плазменная конфигурация Галатея-Пояс, соответствующая ^-режиму. В этом случае две мантии вокруг миксин имеют большой диаметр, а соединяющий мантии слой находится в перпендикулярной плоскости относительно его ориентации в а-режиме. Эти отличительные особенности соответствуют и расчетному положению сепаратрисной поверхности в /?-режиме (см. рис. 1с). Плазменная конфигурация в /9-режиме наиболее отчетливо видна на рис. 2с1, тогда как рис. 2с сохраняет некоторые черты переходного процесса между а- и /3-режимами. Существенно, что плазменные мантии в ^-режиме в этих условиях не соприкасаются со стенками вакуумной камеры, что служит дополнительным аргументом в пользу выбора оптимального соотношения между электрическими токами в плазме и в миксинах.
Более сложная ситуация наблюдается на втором полупериоде, т.е. при изменении направления электрического тока в плазме, в условиях сравнительно высокого начального давления гелия р = 300мТорр. Как видно из рис. Зс и Зс1, плазменная конфигурация не успевает перестроиться из а- в /?-режим. На рис. Зс можно видеть, во-первых, расслоение" слоя и, во-вторых, заметное уменьшение его ширины и увеличение толщины. Однако переход к /3-режиму не наблюдается, что можно связать, по-видимому, с большей инерционностью режима высокого давления.
Таким образом, в прямой системе Галатея-Пояс впервые получены магнитоплазмен-ные конфигурации, не взаимодействующие с находящимися внутри плазменного объема токонесущими проводниками - миксинами. Структура полученных плазменных конфигураций соответствует предположениям, изложенным в работе [8]. Каждая конфигурация состоит из двух окружающих миксин плазменных мантий, которые соединены между собой нешироким (2 Ах < 3 см) плоским токовым слоем. Время наблюдения было ограничено (по техническим причинам) интервалом т = 2 мкс, и плазменные мантии были отчетливо видны в течение этого временного отрезка, в отличие от предыдущих экспериментов [9, 10]. Был зарегистрирован также переход от о-конфигурации, соответствующей одинаковым направлениям электрических токов в миксинах и в плазме, к /?-конфигурации с противоположными направлениями токов. Характерное время, необходимое для превращения одной конфигурации в другую определяется, по-видимому, альфвеновским временем ¿л(3).
Установлено, что для формирования плазменной конфигурации Галатея-Пояс, не
взаимодействующей с миксинами, необходимо обеспечить оптимальное соотношение между электрическими токами в миксинах и в плазме, которое, в свою очередь, связано с геометрическими свойствами системы.
Авторы выражают благодарность Г. М. Батанову за постоянный интерес к работе. Работа выполнена при поддержке РФФИ, проект N 98-02-17115.
ЛИТЕРАТУРА
[1] M о р о з о в А. И. Физика плазмы, 18, 305 (1992).
[2] Морозов А. И., С а в е л ь е в В. В. УФН, 168 (11), 1153 (1999).
[3] S у г о V a t s k i i S. I. Ann. Rev. Astron. Astrophys., 19, 163 (1981).
[4] Ф p a h к А. Г. Труды ФИАН, 160, 93 (1985).
[5] Б о г д а н о в С. Ю., К и р и'й Н. П., Ф р а н к А. Г. Труды ИОФАН, 51, 3 (1996).
[6] Ф р а н к А. Г., Б о г д а н о в С. Ю., Бурилина В. Б. Изв. АН, сер. физ., 59 (8), 41 (1995).
[7] F г a n k A. G., Plasma Physics and Control Fusion, 41, Suppl. ЗА, A687 (1999).
[8] M о p о з о в А. И., Ф р а н к А. Г. Физика плазмы, 20, 982 (1994).
[9] Б о г д а н о в С. Ю., Марков В. С., M о р о з о в А. И., Ф p а н к А. Г. Письма в ЖТФ, 21 (24), 5 (1995).
[10] Богданов С. Ю., Бурилина В. Б., К и р и й Н. П. и др. Физика плазмы, 24, 467 (1998).
[11] Frank A. G., Bogdanov S. Yu., В u r i 1 i n a V. В., et al. Bull. Amer. Phys. Soc., 41, 1614 (1996).
[12] Богданов С. Ю., Бондарь Ю. Ф., Бурилина В. Б. и др. ЖТФ, 64 (9), 30 (1994).
Институт общей физики РАН Поступила в редакцию 12 января 2000 г.
