Medvedeva (1248221), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Пусть при истечении плазменного потока поперечнаясоставляющая скорости электронов полностью переходит в продольную, тогда, чтобывыполнялось условие (22), температура электронов должна быть около 100 эВ.2.2. Методика измеренияДля того чтобы изучить процесс отрыва от силовых линий ведущего магнитногополя в расширителе ГОЛ-3, можно расположить два тройных зонда вдоль однойсиловой линии (см. рис. 9-10). Если характер изменения плотности по длине отличаетсяот соответствующего расширению с сохранением вмороженности, значит, происходитотрыв. Конфигурация силовых линий в расширителе представлена на рис. 8.17 Рис.
8 Конфигурация силовых линий магнитного поля в расширителе. Рис. 9 Расположение тройных зондов вдоль одной силовой линии.18 АРис. 10 Фотография тройных зондов, установленных в расширителе. Измеренияпроведены в т. А. 2.3. РезультатыВ результате экспериментов измерена плотность и температура плазмы врасширителе в точке, указанной на рис.10. На рис.11 представлены показания АЦП,пересчитанные в температуру плазмы по формуле (14), 4 выстрела, произведенные водин день. Время отсчитывается от начала инжекции пучка. Каждая точка естьусреднение по 10 измерениям АЦП. На рис.12 приведена температура для одноговыстрела.
Для каждого графика по полочке до 300 мкс вычислялась средняятемпература. Эта температура подставлялась в формулу (11), откуда и находиласьплотность плазмы (рис.14). На рис.13 все графики за 6 выстрелов наложены друг надруга.На полученных графиках первые 4 мкс не отражают плотность и температуруплазмы из-за паразитных емкостей, дающих большие наводки.
После этого параметрыплазмы измеряются во времени с точностью 0,84 мкс (шаг измерения АЦП) и сточностью 2% по амплитуде. Характерный провал зависимости температуры отвремени в районе 150 мкс определяется переполюсовкой тока предплазменногоразряда. Из графиков видно, что плотность во времени меняется от 2·1012 см-3 до19 6·1012 см-3 и в среднем равна 5·1012 см-3. Оценим, какой должна быть плотность плазмыв районе расположения зонда, если известно, что диаметр плазменного столба восновной части соленоида равен 80 мм, плотность плазмы ~1014 см-3, а магнитное полеизменяется от 32 кГс в ловушке до 1,2 кГс в расширителе.
Из сохранения магнитногопотока и вмороженности силовых линий следует, что в расширителе диаметрплазменного образования равенd=32000 ⋅ 8 2≈ 40см .1200Тогда плотность плазмы в районе расположения зонда порядка 4·1012 см-3, чтосогласуется с порядком измеренной величины. Рис. 11 Зависимость температуры плазмы от времени для выстрелов 8732, 8733,8734 и 8735. 20 Рис. 12 Зависимость температуры плазмы от времени для выстрела 8733. Рис. 13 Плотность плазмы в выстрелах 8731, 8732, 8733, 8734, 8735 и 8736.21 Рис.
14 Плотность плазмы в выстрелах 8731, 8732, 8733, 8734, 8735, 8736.22 3. Изучение взаимодействия РЭП и потока плазмы споверхностью3.1. Мишенная плазмаВо время срывов в диверторных токамаках мощный поток плазмы попадает настенки камеры и диверторные пластины, поверхностный слой которых при этомиспаряется.
Часть образовавшегося газового облака ионизуется, и получившаясяхолодная мишенная плазма попадает в основной объем с горячей плазмой, ухудшая еепараметры. Кроме того, попадание горячей плазмы на стенки приводит к их сильнойэрозии и определяет время жизни конструкций токамака.На существующих токамаках значения плотности мощности плазмы на двапорядка меньше, чем значение, принятое для ИТЕРа.
Поэтому изучить поведениематериалов при воздействии на них мощных потоков возможно лишь на специальныхустановках. Так на установке ГОЛ-3 проводится ряд экспериментов по исследованиюдинамики поверхностнойплазмы,возникающейпривзаимодействиигорячихэлектронов с мишенью. С помощью тройного зонда Ленгмюра можно определятьтемпературу и плотность мишенной плазмы.3.2.
Методика измеренияРазрушение поверхности вызывают низкоэнергетичные частицы с малой длинойсвободного пробега. Частицы с высокой энергией проникают вглубь мишени иприводят к ее объемному нагреву, который до определенного значения мощностипучка и потока плазмы не разрушает мишень. Для ослабления воздействие медленныхчастиц нужно увеличить их длину пробега так, чтобы до попадания на поверхность ониуспевали отдать часть своей энергии. Этого можно достичь, напустив перед мишеньютяжелый газ.Для исследования влияния напуска газа на взаимодействие пучка и потокагорячей плазмы с мишенью на установке ГОЛ-3 после выходной пробки былустановлен газ-бокс (см. рис.15).
На входе в него расположена графитовая диафрагма,отсекающая часть потока диаметром 2см. Внутрь газ-бокса напускается криптон сконцентрацией 3·1017 см-3 . На расстоянии 20 см от диафрагмы установлена мишень.Для получения локальных значений плотности и температуры плазмы внутри газ-боксаможно использовать подвижный тройной зонд.
Он был помещен в 5 см от мишени, нарасстоянии 2 см от оси системы.23 диафрагмагаз-бокспучок + плазматройной зондмишеньРис. 15 Расположение зонда для измерения параметров мишенной плазмы.Поскольку ожидаемая плотность плазмы вблизи мишени выше, чем врасширителе, в схеме включения ленгмюровского зонда были заменены делителинапряжения (см. рис.16).U1 U2 U3100кОмСH11кОм40кОмАЦП10МОмСH21МОм50Ом10кОм10кОм-90В +Рис. 16 Схема включения зонда для измерения параметров мишенной плазмы.24 3.3.
РезультатыВ результате экспериментов измерена плотность и температура плазмы внутригаз-бокса (см. рис.17-18). Каждая точка графиков получена усреднением по 10измерениям АЦП. Амплитуда тока насыщения определяется с точностью допогрешности, задаваемой делителем напряжения 1:11 – 3%. Температура же равнадесятым долям электрон-вольта, поэтому становятся важными величина шума и дрейфнуля АЦП. Шум составляет 50 мВ, что соответствует 0,05 эВ. Таким образом, впогрешность измерения плотности входит относительная погрешность 3% иабсолютная погрешность, равнаяΔn = n0, 05eV.2TПлотность во времени меняется от 1015 см-3 до 1014 см-3, погрешность награфике указана серым цветом.
Температура порядка 0,2 эВ. Сигнал до началаинжекции пучка определяется токами, создаваемыми разрядом, который служитисточником быстрых электронов с энергией ~10 кэВ. Эти электроны производятначальную ионизацию плазмы. После образования начальной ионизации ток разряданачинает течь по всей длине плазменного столба. Основная доля разрядного тока течетпо направлению к началу установки и замыкается на камеру сразу за источникомплазмы. Величина этого тока (обозначаемого Jtest) определяется индуктивностьювнешней цепи и практически не зависит от режима работы установки. Небольшая долятока ответвляется на выход установки (ток Jout) и стекает через торцевой приемникпучка, при этом величина тока ограничивается включенным в цепь приемника пучкаразвязывающим сопротивлением 0,5 Ом.
Через 70 микросекунд после начала разрядаток в выходном узле Jout замыкается на стенку камеры и резко возрастает, при этом токJtest падает.25 T, эВ10,90,80,70,60,50,40,30,20,10-2000200400600800t, мксРис. 17 Температура плазмы в выстреле 9540.15n, 10 см-343210-2000200400t, мксРис. 18 Плотность плазмы в выстреле 9540.26 600800ЗаключениеВ ходе данной работы разработана и реализована электрическая схемавключения и питания тройного ленгмюровского зонда с гальванически развязаннымАЦП, подходящая для условий установки ГОЛ-3. Создана система позиционированиязонда, позволяющая проводить измерения в произвольной точке расширителя иисследовать процессы отрыва плазмы от ведущего магнитного поля.
Исходя изполученных значений тока насыщения и плавающего потенциала, построенызависимости температуры и плотности плазмы от времени с точностью 2%. Плотностьв расширителе меняется от 2·1012 см-3 до 6·1012 см-3 и в среднем равна 5·1012 см-3.Температура плазмы порядка 10 эВ. Путем сравнения ожидаемой плотности сизмеренной проверено, что зонд дает адекватные показания.Исходя из оценки в п. 2.1. и измеренных данных, для наблюдения эффектов,связанных с переходом в суперальфвеновское течение, необходимо понизить поле врасширителе до 100 Гс и менее.
Поэтому в ближайшем будущем планируется провестичисленное моделирование течения плазмы в расширителе с учетом различныхмеханизмов отрыва и определить максимальное магнитное поле, при которомвозникают описанные неустойчивости; опираясь на полученные результаты, изучитьповедение плазмы в расширителе установки ГОЛ-3.Также получены данные по динамике температуры и плотности плазмы вблизимишени, установленной на входе в расширитель. Для этого модифицирована схемавключения зонда. Плотность мишенной плазмы 1014-1015 см-3, ее температура порядка0,2 эВ. В настоящее время продолжается сбор данных, их обработка и анализ.27 БлагодарностиАвтор выражает глубокую признательность за научное сотрудничество и участиев проведении экспериментов коллективу установки ГОЛ-3 под руководствомА.
В. Бурдакова: А. В. Аржанникову, А. В. Астрелину, В. И. Баткину, В. С. Бурмасову,С. С. Гарифову,Г. Е. Деревянкину,В. Г. Иваненко,М. В. Иванцивскому,А. С. Кузнецову, К. Н. Куклину, А. Г. Макарову, М. А. Макарову, К. И. Меклеру,С. В. Полосаткину, С. С. Попову, В. В. Поступаеву, А. Ф. Ровенских, С. Л. Синицкому,Н. В. Сорокиной, В. Д. Степанову, А. В. Судникову, Ю. С. Суляеву, Ю. А. Труневу,А.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
