Том 50, № 12 (2024)

Исследовано влияние тороидальной гофрировки магнитного поля на пространственную структуру и частоту геодезической акустической моды (ГАМ) в плазме токамака. Показано, что тороидальная асимметрия магнитной конфигурации приводит к зацеплению колебаний электрического потенциала ГАМ с тороидально- и полоидально-неоднородными возмущениями давления плазмы. Для токамаков с большим аспектным отношением выведен закон дисперсии ГАМ, учитывающий неоднородность гофрировки в сечении токамака. При увеличении числа катушек n тороидального поля эффект гофрировки перестает зависеть от n. Показана применимость стандартной теории для нахождения частоты и пространственной структуры ГАМ в крупных токамаках.

Вопрос о существовании внутренних транспортных барьеров (ВТБ) около низкорациональных значений коэффициента запаса устойчивости q = 1, 2, ... в обычной L-моде токамаков с центральным дополнительным нагревом и положительным магнитным широм остается открытым. Для прояснения существования таких ВТБ были проведены эксперименты с запрограммированным линейном по времени сдвиге плазменного шнура, при котором позиции измерения электронной температуры T_e по излучению на второй гармонике ЭЦР сдвигаются относительно плазменного шнура, что позволяет изучить детали профиля T_e. На токамаке Т-10 были проведены серии экспериментов с перпендикулярным вводом ЭЦ-излучения мощностью 0.4 и 0.85 МВт при центральном ЭЦРН и быстрым сдвигом шнура на 0.13а (малого радиуса плазмы а) за 60 мс в плазме с углеродным лимитером. В обоих случаях снаружи поверхности q = 1 обнаружены узкие (шириной около 0.03а) и слабые (спад коэффициента электронной теплопроводности χ_е примерно вдвое) ВТБ, исчезающие при изменении параметров разряда. Эти ВТБ в 2–3 раза уже и на порядок слабее, чем ВТБ около поверхности q = 1, предложенные ранее для объяснения результатов токамака RTP. ВТБ не обнаружены в L-моде в экспериментах с одновременной генерацией кo-тока и контртока в центре плазмы двумя гиротронами общей мощностью 1.5 МВт в плазме с вольфрамовым лимитером (сдвиг шнура на 0.1а за 30 мс). По-видимому, данная статья является первой журнальной публикацией про исследование деталей профиля T_e при быстром сдвиге плазменного шнура.

Продемонстрирована возможность применения метода двухдлинноволновой цифровой голографической интерферометрии для оценки износа защитных элементов сферического токамака Глобус-М2 после рабочих плазменных разрядов. На данном этапе работ защитные элементы были извлечены из разрядной камеры токамака и использовались в качестве образцов в голографическом комплексе. Представлена схема голографического интерферометра для регистрации первичных голографических изображений, в котором управление системами регистрации и контроля длины волны излучения осуществляется через программно-аппаратный комплекс в реальном масштабе-времени. Представлены результаты измерений формы элементов токамака. Показано, что при изменении разности длин волн меняется чувствительность метода измерений, а в предложенной конфигурации оптической схемы возможно определить минимальное значение изменения формы на уровне 10–30 мкм. При этом ошибка определения разности фаз, по которой проводится оценка профиля поверхности, в цифровом методе может достигать порядка 2π/40.

Проанализированы возможные сценарии дополнительного электронного циклотронного нагрева плазмы в различных конфигурациях проектируемой в ИЯФ СО РАН открытой магнитной ловушке следующего поколения ГДМЛ (газодинамическая многопробочная ловушка). Для этого был применен полноволновой импедансный подход к моделированию взаимодействия электромагнитных волн с субтермоядерной плазмой, позволяющий учитывать взаимодействие электромагнитных и квазиэлектростатических мод в окрестности электронного циклотронного резонанса в осесимметричной магнитной конфигурации. Рассмотрены схемы нагрева на первой гармонике гирочастоты обыкновенной электромагнитной волной и на второй гармонике необыкновенной волной. Для каждого случая определены диапазоны параметров установки, в которых такая схема нагрева может быть эффективной; проанализированы оптимальные с точки зрения эффективности нагрева параметры фокусировки вводимого квазиоптического СВЧ-пучка.

В ряде экспериментов поверхности конденсированного вещества, например, электроды электрофизических установок, подвергаются воздействию мощного импульсного рентгеновского излучения с плотностью потока энергии ~1 ТВт/см². Источником этого излучения могут быть, например, Z-пинчи, образованные при токовом сжатии многопроволочных лайнеров. Под действием этого излучения на поверхности электродов могут идти процессы испарения и плазмообразования. В работе проведено теоретическое рассмотрение этих процессов. В случае когда толщина слоя плазмы мала по сравнению с характерными размерами электродов, плазмообразование можно описывать одномерными уравнениями магнитной гидродинамики с учетом переноса излучения. Одномерные расчеты, проведенные для условий экспериментов, проведенных на установке Ангара-5-1 (плотность потока энергии, приходящая от пинча, ~0.2 ТВт/см², время действия излучения ~15 нс, материал электродов Fe), показали, что характерная температура плазмы составляет в этом случае ~40 эВ, плотность ~3 мг/см³, а ее скорость разлета ~60 км/с. Интересно, что магнитные поля в этих экспериментах, сами по себе небольшие (~0.8 МГс) и неспособные привести к плазмообразованию, своим давлением сдерживают разлет плазмы и влияют на ее характерные величины и скорость разлета. Полученная в расчете скорость оказалась несколько меньше измеренной экспериментально с помощью рентгеновского электронно-оптического преобразователя (~90 км/с), что, возможно, связано с неодномерным турбулентным разлетом плазмы или погрешностями эксперимента.

Изучено взаимодействие циркулярно поляризованной электромагнитной волны со слоем фотоионизованной плазмы инертного газа, находящегося в магнитном поле. Дан детальный анализ коэффициентов отражения и прохождения волны в условиях, когда частота волны совпадает с циклотронной частотой фотоэлектронов. Выявлена возможность сильного увеличения коэффициентов отражения и прохождения при отрицательных малых по абсолютной величине значениях мнимой части диэлектрической проницаемости фотоионизованной плазмы. Показано, что в слое фотоионизованной плазмы, полученной в процессе быстрой многофотонной ионизации атомов ксенона при атмосферном давлении, существует возможность усиления напряженности поля терагерцового излучения более чем на два порядка.

Приведены результаты исследования взаимодействия мощного потока водородной плазмы со сверхзвуковой газовой струей перед вольфрамовой мишенью. Азот или неон, инжектированные перед поверхностью мишени, служат надежным способом защиты от прямого воздействия водородной плазмы на вольфрам. Экспериментально показано, что образующаяся плазма газовой струи является мощным источником коротковолнового линейчатого излучения. Плотность поглощаемой вольфрамовой мишенью энергии ≈ 25 Дж/см² оказывается вдвое меньше энергии, поглощаемой вольфрамом при импульсном воздействии потока водородной плазмы без газовой струи ≈ 50 Дж/см². Максимально достигаемая поверхностью вольфрама температура составляет ≈ 3700 К с применением газовой струи и ≈ 5800 К – без газовой струи. Наличие газовой струи-завесы перед вольфрамом приводит к локализации испаренного вольфрама вблизи мишени на расстояниях до 1 см от поверхности.

С помощью приближенного подхода, справедливого при большом отношении массы иона к массе нейтральной частицы, вычислена подвижность ионов ${\mathrm{O}}_2^{+}$, ${\mathrm{N}}_2^{+}$, ${\mathrm{O}}_2^{-}$ и ${\mathrm{O}}_4^{-}$ в гелии и получено хорошее согласие с имеющимися результатами расчетов методом Монте-Карло и экспериментальными данными при высоких значениях приведенного электрического поля. Этот упрощенный подход использован для определения средней энергии ионов ${\mathrm{O}}_4^{-}$ и константы скорости диссоциации этих ионов в гелии. Проведено сравнение полученных характеристик ионов с результатами более точных расчетов методом Монте-Карло. Получено хорошее согласие между этими двумя подходами для средней энергии ионов, но для константы скорости диссоциации различие оказывается достаточно серьезным, достигающим порядка величины и более. Показано, что это различие связано с особенностями энергетического распределения ионов в случае большого отношения массы иона к массе нейтральной частицы.