Fizika plazmy

Pабота дивертора в режиме детачмента (“отрыва”) плазмы необходима для снижения нагрузок на пластины дивертора в токамаках ITER и DEMO до приемлемых величин. Обсуждаются результаты анализа ряда эффектов, оказывающих непосредственное влияние на операционное окно детачмента и его устойчивость: поперечный перенос тепла в диверторе, запирание излучения, развитие плазменных неустойчивостей, особенности устойчивости двухнулевого дивертора – полученные с использованием численного моделирования, в том числе при помощи транспортного кода SOLPS4.3 и турбулентного кода BOUT++. Рассмотрено функционирование дивертора с жидкометаллическими пластинами на примере лития. Обсуждаются вопросы верификации расчетной модели, используемой для моделирования детачмента.

Диагностику на основе лазерного индуцированного тушения (ЛИТ) и лазерной индуцированной флуоресценции (ЛИФ) планируется использовать на токамаке Т-15МД для локальных измерений концентрации атомарного водорода n_a(HI) в диверторной плазме. Рассмотрены как физические, так и технические аспекты разработки диагностической системы. Для зондирования плазмы предлагается использовать модулированный во времени тулиевый волоконный лазер с длиной волны генерации 1875 нм и пиковой мощностью 5 Вт. Наблюдение сигналов будет проводиться двумя системами сбора света: вакуумной для измерений в районе ударной точки и атмосферной для остальной области дивертора. Физическое обоснование применимости диагностики основано на расчете ожидаемых сигналов тушения и флуоресценции, а также фонового излучения в линиях с помощью модифицированной столкновительно-излучательной модели. В расчетах использовались 2D-распределения параметров плазмы, полученные в коде SOLPS 4.3, для сценариев работы токамака с и без дополнительного нагрева плазмы. Ожидаемые ошибки измерений n_a(HI) ЛИТ-методом лежат в пределах 10% для большинства точек, и не превышают 25% для всех рассматриваемых сценариев работы токамака при условии усреднения сигналов за 10 мс. ЛИФ-метод позволяет проводить измерения с относительными ошибками до 50%.

Разработана цифровая модель рентгеновского спектрографа скользящего падения и методик восстановления спектров мягкого рентгеновского излучения плазмы Z-пинча на установке Ангара-5-1 в области 2–40 нм. Основные проблемы, препятствующие достоверному качественному и количественному восстановлению исходных рентгеновских спектров Z-пинча, – наложение сигналов от разных порядков дифракции и сложный вид аппаратной функции прибора. Приведены две методики восстановления спектра. В первой методике разработана цифровая модель спектрографа в среде Монте-Карло моделирования Geant4, учитывающая геометрию эксперимента и процессы взаимодействия рентгеновского излучения с дифракционной решеткой. В модели с учетом конкретной формы профиля штриха дифракционной решетки и дифференциального метода решения задачи дифракции рассчитывается распределение интенсивности рентгеновского излучения в различные порядки дифракции в зависимости от длины волны. С использованием разработанной модели спектрографа выполнен расчет его аппаратной функции. Вторая методика не использует конкретную форму штриха решетки, а на основе анализа калибрационных спектрограмм строит дисперсионное соотношение и позволяет восстановить спектр. В конце работы приведено сравнение результатов восстановления по первой и второй методикам и показана достаточно высокая степень совпадения полученных по разным методикам спектров.

Представлены результаты зондовых измерений параметров плазмы в источнике трубчатой плазмы, который применяется в исследованиях по плазменной релятивистской СВЧ-электронике. Трубчатая плазма создается в результате ионизации фонового газа пучком электронов, эмитируемых кольцевым накаленным вольфрамовым катодом в аксиальном магнитном поле. Получены вольтамперные характеристики зонда для трех токов разряда 5, 9 и 20 А при трех длинах плазменного столба 10, 20 и 30 см. Показано, что для всех токов разряда и при всех длинах температура электронов в момент проведения измерений времени равна 20 эВ. Показано также, что концентрация плазмы в данном источнике не зависит от длины плазменного столба в диапазоне длин от 10 до 30 см. Продемонстрирована линейная зависимость между током разряда и зондовым током, что позволяет контролировать относительное изменение концентрации плазмы в течение эксперимента. Оценка абсолютного значения концентрации плазмы для разных токов разряда дала значения 10¹²–10¹³ см^–3.

Представлено двумерное описание нелинейных пылевых звуковых волн в запыленной магнитосфере Сатурна, которая содержит электроны двух сортов (горячие и холодные), подчиняющиеся каппа-распределению, ионы магнитосферы, а также заряженные пылевые частицы. Для условий запыленной магнитосферы Сатурна приведен вывод уравнения Кадомцева–Петвиашвили, описывающего нелинейную динамику почти одномерных волновых структур. Рассмотрена возможность распространения локализованных волновых структур типа пылевых звуковых солитонов. Показано, что в условиях магнитосферы Сатурна существуют решения уравнения Кадомцева–Петвиашвили в виде одномерных солитонов и двумерных N-солитонов. Обсуждаются возможные наблюдения рассматриваемых солитонов в будущих космических миссиях.

Проведены исследования плазменных диффузных струй (ПДС), имеющих красный цвет, которые состоят из стримеров (волн ионизации). Обнаружено, что плазма, создаваемая в воздухе при давлениях 0.2–4 Торр импульсно-периодическим емкостным разрядом в диэлектрической трубке, инициирует за один импульс две ПДС, в каждой из которых регистрируется до трех стримеров. Установлено, что по два стримера, которые распространяются от кольцевых электродов в противоположных направлениях, формируются одним импульсом напряжения положительной полярности. С помощью ICCD-камеры и кремниевого ФЭУ показано, что приход фронта положительного стримера в область остановки фронта отрицательного стримера, который генерировался первым на фронте отрицательного импульса напряжения, приводит к формированию третьего тонкого стримера в виде конуса с малым углом при вершине. Установлено, что направление движения третьего стримера совпадает с направлением инициирующих его стримеров, однако его скорость меньше на два порядка. Показано, что при низких давлениях воздуха скорость первых положительных стримеров больше, чем у отрицательных, а расстояние, на которое они распространяются при напряжении генератора 7 кВ и давлении воздуха 0.2 Торр превышает 1 м.

Экспериментально исследован распределенный поверхностный скользящий разряд длительностью 500 нс в сверхзвуковых потоках воздуха с наклонной ударной волной. Числа Маха потока составляли 1.18–1.68, плотность воздуха 0.02–0.45 кг/м³. Разряд инициировался в режиме одиночного импульса. Ток разряда составлял около 1 кА при напряжении 25 кВ. Показано, что ток разряда и пространственно-временные характеристики излучения зависят от параметров локальной зоны разрежения в пограничном слое. В стационарном потоке с косым скачком уплотнения разряд формируется в виде одиночного канала. Анализ высокоскоростной теневой съемки потока после разряда показал, что одиночный канал разряда генерирует полуцилиндрическую волну. Сравнение экспериментальной динамики ударной волны с результатами численного моделирования течения на основе нестационарных уравнений Навье–Стокса показало, что величина выделяемой в разрядном канале тепловой энергии составляет 0.15–0.36 Дж.