Основы физики плазмы - Кролл Н.
Скачать (прямая ссылка):
Плотность плазмы может меняться от IO9 до IO13 см~3. Типичное значение температуры плазмы в (^-машинах порядка 1000 К. Одним из важных свойств плазмы, создаваемой (^-машинами, является 99%-ная степень ионизации. (^-машины получили широкое распространение со времени проведения первых экспериментов, и многие важные вопросы теории плазмы, такие, как дрейфовые волны, диффузия, электропроводность, пучковая неустойчивость и влияние кожуха, были изучены с их помощью.
§ 20. ПЛАЗМА ВЫСОКОЧАСТОТНОГО РАЗРЯДА
Под действием постоянного электрического поля в газе низкого давления происходит пробой. Пробой и образование плазмы имеют место и в том случае, если приложенное электрическое поле меняется во времени. Такая
1J Здесь Q произошло от английского quiescent plasma — спокойная плазма.— Прим. ред.
Нагреватель
Краевая секция системы охлаждения
Ленгмюровский зонд
Катушка
К вакуумному насосу
Ввод газа
ф- К вакуумному насосу
Оптический пирометр
Фиг. 15. Схема ф-машины (#-1) [23].
ВВЕДЕНИЕ B ФИЗИКУ ПЛАЗМЫ
37
Токоподводы
Фиг. 16. Схематическое представление установки для получения плазмы высокочастотного разряда.
схема зажигания и поддержания разряда обладает некоторыми преимуществами. Одно из них — возможность осуществления безэлектродного разряда, как показано на фиг. 16. Переменное электрическое поле свободно проникает через диэлектрические стеклянные стенки сосуда и ускоряет электроны внутри сосуда до энергий выше потенциала ионизации газа. «Стационарная» плотность плазмы определяется процессами ионизации и рекомби-
насосі/
Фиг.'17. Схема установки ЭЛМО в Окриджской национальной лаборатории для получения плазмы с нагревом на циклотронном резонансе до средней энергии электронов 0,5 МэВ
и выше [25].
Через входные волноводы в резонатор подается непрерывное СВЧ-излучение мощностью 3 кВт на частоте 10,6 ГГц (I), 1 кВт на частоте 35 ГГц (2) и 5 кВт на частоте 55 ГГц (з).
38
ГЛАВА I
нации и составляет обычно лишь несколько процентов плотности нейтрального фона. Типичное значение плотности плазмы порядка IO10 см-3 [24].
Иногда плазму высокочастотного разряда создают в присутствии магнитного поля. При этом можно получить значительно более горячую плазму, чем в отсутствие магнитного поля. Такая плазма называется плазмой с нагревом на циклотронном резонансе, когда частота приложенного ВЧ-поля совпадает с циклотронной частотой электронов. Даже с умеренной для СВЧ-источников мощностью (например, для импульсных магнетронов с длиной волны 3 см и мощностью 10 кВт) таким методом можно получить плазму с электронной температурой порядка 20 кэВ. В различных лабораториях проводились более сложные эксперименты *), в которых была сделана попытка не только получить плазму с нагревом на циклотронном резонансе, но и найти ограничения на максимальную температуру плазмы и энерговклад. В установках использовались мощные СВЧ-источники (> 100 кВт), энергия которых накапливалась в полых резонаторах (для усиления электрического поля и увеличения связи СВЧ-поля с плазмой). Была создана плазма со средней энергией электронов в мегаэлектронвольтной области и с плотностью порядка IO11 см-3 в таких установках, как ЭЛМО в Окриджской национальной лаборатории. Аналогичные исследования были проведены в Сакле (Франция). Окриджский вариант установки показан на фиг. 17. В этой установке создается плазма объемом 2 л в магнитном поле 20 кГс с применением СВЧ-источника мощностью 0,8 кВт, работающего на длине волны 8 мм. Плазма, образованная в результате высокочастотного пробоя водорода, состоит из трех компонент: 1) холодного фона (п0 » IO12 см“3), 2) холодных электронов (пе ж 2-Ю11 см'3) с температурой Te <С 100 эВ и 3) горячих электронов (пе ^ 3-Ю12 см-3) со средней энергией 0,5 МэВ. Горячая электронная плазма, находящаяся в области толщиной 4 см, со средним диаметром 9 см и длиной 10 см, создает магнитную яму за счет собственного поля.
§ 21. ПЛАЗМЕННЫЙ ФОКУС
На фиг. 18 приведена схема установки, использованной в Лос-Ала-мосской научной лаборатории для изучения свойств очень плотной (п<> ж ж 5-Ю19 см"3) короткоживущей (полуширина импульса « 100 не) дейтерие-вой плазмы с довольно высокой температурой (Te ж 3—4 кэВ), достаточной для получения существенного нейтронного выхода (IOu нейтронов за ммпульс).
В этой установке соединены черты коаксиальной плазменной пушки и магнитное сжатие плазмы в пинче. Плазма сначала формируется в виде радиальной дуги в кольцевой области около фланца. Эта дуга разгоняется магнитным давлением по коаксиальному промежутку до того места, где коаксиальные проводники оканчиваются. Затем дуга огибает угол и превращается в схлопывающийся в радиальном направлении пинч, максимальные параметры которого в конечном состоянии приведены выше. На фиг. 19 представлены фотографии видимого света, испускаемого плазменным фокусом для двух значений магнитного поля В = 0 и В — 600 Гс, создаваемого электромагнитом, как показано на фиг. 18. Можно заметить, что свойства плазмы резко зависят от величины этого магнитного поля, которое помогает фокусировке плазмы при огибании угла. Помимо применений в плазменных исследованиях, плазменный фокус представляет собой простой способ создания импульсного источника нейтронов 2).
