Основы физики плазмы - Кролл Н.
Скачать (прямая ссылка):
"218
ГЛАВА 5
15.2. Стабилизированный пробкотрон
В экспериментах (1959 г.) обнаружилось, что плазма уходит из пробко-тронов значительно быстрее, чем ожидается за счет процессов упругих соударений. В действительности скорость ухода согласуется с гидромагнитной неустойчивостью, присущей удерживаемой магнитным полем плазме и рассмотренной в § 8. Однако теория, предсказывающая неустойчивость, дает также рецепт ее подавления. В § 12 настоящей главы было показано, что плазма, удерживаемая в магнитном поле, которое возрастает всюду по мере удаления от границы плазмы, гидромагнитно устойчива.
Магнитное поле антипробкотрона (создаваемое путем изменения направления тока в одной из катушек пробкотрона на обратное) обладает указанным свойством; однако в антипробкотроне существует область с нулевым магнитным полем, что приводит к быстрой диффузии частиц в конус потерь.
В 1962 г. Иоффе [9] впервые сообщил об экспериментах по удержанию плазмы в конфигурации магнитного поля, которая обладает той желательной особенностью, что магнитное поле возрастает в любом направлении по мере удаления от границы плазмы, но эта конфигурация свободна от неприятной области с нулевым полем внутри плазмы.
В этих экспериментах магнитное поле создается путем наложения на поле пробкотрона поля от шести проводников, параллельных оси пробкотрона и несущих ток в указанных на фиг. 103 направлениях. Две концевые петли с током создают поле пробкотрона, а шесть прямых линий тока приводят к усовершенствованию, предложенному Иоффе. В том, что такое поле обладает свойством возрастания B2 в любом направлении при удалении от центра плазмы, можно убедиться, рассмотрев вклады от каждого из двух полей по отдельности. С одной стороны, поле пробкотрона само по себе таково, что В увеличивается с расстоянием вдоль оси от средней плоскости (стабилизация), но убывает с радиусом при удалении от оси (дестабилизация). С другой стороны, поле, создаваемое параллельными проводниками, возрастает с радиусом при удалении от оси (стабилизация) и постоянно вдоль оси пробкотрона. Подбирая должным образом комбинацию этих полей, можно добиться того, что напряженность магнитного поля будет увеличиваться в любом направлении при удалении от центра средней плоскости. При этом, как
Гексалольная обмотка
Пробочные ттуиіки
Фиг. 103. Схематическое представление токовой конфигурации, которая создает магнитное поле, возрастающее в любом направлении при удалении от центра.
Мультипольные обмотки получили название полос Иоффе в честь автора, который впервые применил их для подавления гидромагнитной неустойчивости в экспериментах по магнитному удержанию плазмы.
УСТОЙЧИВОСТЬ ПЛАЗМЫ; ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЕ РАССМОТРЕНИЕ 219
Плоскость
Силовые линии изогнуты внутрь области, занятой удерживаемой плазмой. Поверхность дрейфа частиц в случае квадруполя можно представить, если взять лист бумаги и скатать из него трубку, а затем сплющить ее концы во взаимно перпендикулярных направлениях.
видно из фиг. 104, образуется такая конфигурация магнитного поля, в которой силовые линии всюду вогнуты внутрь плазмы. Совокупности нитей на фиг. 104 представляют собой поверхности дрейфа частиц в магнитном поле пробкотрона и линейного квадруполя.
В Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова на установке ПР-5 (Пробкотрон-5) Иоффе с сотрудниками продемонстрировали подавление
*
О 0,9 1,8 2,7 BltKrc
1.00 1,04 1,14 1,30 R L (Bott = 3,3 кГс)
1.00 1,03 1,10 1,22 R±(B0lr3,9 кГс)
1.00 1,02 1,08 1,16 R1 (B011 =4,6 кГс)
Фиг. 105. Зависимость времени удержания плазмы т от напряженности стабилизирующего поля] Вполученная на установке ПР-5, при различных значениях продольного
поля і?оц.
Давление остаточного газа р = 1,5- IO-7 мм рт. ст. Под осью абсцисс приведены соответствующие значения пробочного отношения Я^ = (В0|^ 4- В^)1/2/Б0ц.
220
ГЛАВА 5
гидромагнитной неустойчивости в приведенной на фиг. 103 конфигурации магнитного поля. В этом эксперименте магнитное поле пробкотрона достигает 5 кГс в средней плоскости и 8,5 кГс в области пробок. Диаметр вакуумной камеры равен 40 см, а расстояние между пробками 120 см. Расположенные вне вакуумной камеры проводники создают стабилизирующее магнитное поле мультипольного типа, которое у стенок камеры имеет значение 4,5 кГс.
Плазма в эксперименте с ПР-5 создавалась путем нагрева на ионноциклотронном резонансе; первоначально захватывалась плазма с плотностью п « IO9 см-3 при ионной температуре Ti = 5 кэВ и электронной температуре Te = 20 эВ. Уход плазмы регистрировался по потоку быстрых нейтральных атомов, испускаемых из плазмы в процессе перезарядки быстрых ионов на медленных нейтралах. Скорость ухода плазмы затем измерялась в зависимости от магнитного поля, создаваемого стабилизирующими обмотками. Результаты исследования, проведенного Иоффе с сотрудниками, воспроизведены на фиг. 105. Нетрудно заметить, что время удержания плазмы резко возрастает при достижении стабилизирующим полем значения* соответствующего образованию устойчивого захвата. Время удержания плазмы, равное 3,5 мс, согласуется со временем ухода плазмы только за счет потерь при перезарядке. В последующей работе этих авторов при лучших вакуумных условиях удалось получить время удержания плазмы до 70 мс. Увеличение этого времени при переходе через критическое значение отношения пристеночного поля к пробкотронному сопровождалось резким уменьшением флуктуаций электрического поля, регистрируемых ленгмюровским зондом, на который подавался отрицательный потенциал. Последний факт также свидетельствует о подавлении гидромагнитной неустойчивости.
