Удержание плазмы магнитным полем (МП) является ключевым вопросом проблемы управляемых термоядерных реакций, неистощимого источника энергии. Однако и в других технических приложениях (лазеры, источники света, плазменные источники для покрытия и обработки поверхностей) удержание и отрыв плазмы от стенок позволяет существенно повысить параметры плазмы и технические характеристики устройств. При этом отсутствие необходимости полной изоляции плазмы от стенок в этих приложениях и существенно более низкие параметры плазмы снимают проблему появления большей части плазменных неустойчивостей и снижают требования к параметрам удержания. Часто достаточно лишь достичь значительного уменьшения концентрации вблизи стенки. В настоящей работе рассматривается возможность удержания плазмы модулированным продольным МП при наличии осевого разрядного тока в плазме [1].
Пусть продольное МП модулировано отрезками прямых (рис.1). Разрядный электронный ток направлен вдоль оси Z с электронной скоростью Vz . Рассмотрим равновесие плазмы в поперечном направлении r , считая изменение радиуса плазмы малым на периоде модуляции. Для удержания плазмы в среднем за период модуляции должно выполнятся соотношение:
, (1)
где vφ - азимутальная холловская скорость электронов, уравнением для которой будет:
, (2)
где νe - частота электронных столкновений, 
- радиальная составляющая МП.
При постоянном Br уравнение (2) есть линейное уравнение для vφ и оно имеет решение:
(3)
Отсюда видно, что vφ пропорционально 
, тогда можно положить:
, (4)
где коэффициент А зависит от отношения 
и параметров модуляции МП. Решением уравнения (4), при слабом изменении температуры электронов, будет:
, (5)
где n0 - концентрация на оси.
Формула (5) даёт резкий спад концентрации по радиусу и, предполагая её значение на границе 
, можно определить необходимое для удержания значение АDВ2 :
. (6)
Рассмотрим конкретное значение коэффициента А.
При отсутствии столкновений, согласно (2), vφ определяется локальным значением магнитного поля (известная теорема Буша):
.
Тогда
и 
.
Согласно (6) будем иметь: 
; 
.
Таким образом, необходимая скорость превышает тепловую скорость, что приводит к бунемановской неустойчивости и турбулентности плазмы. При этом скорость vj ограничивается тепловой и удержание плазмы не достигается. Отметим, что постоянная составляющая магнитного поля В0 не влияет на эффект удержания.
При большой частоте столкновений 
; 
.
на участках нарастания и спада магнитного поля равен 
и противоположен по знаку, так что его среднее значение на периоде равно нулю и А → 0.
Однако, при L2 << L1 возможен вариант, когда ограничение vφ тепловой скоростью будет только на участке расширения L2 и тогда эффект сжатия на участке L1 будет превышать эффект расширения на участке L2 с суммарным сжимающим эффектом. Постоянная составляющая магнитного поля B0 в этом случае может увеличить этот эффект сжатия. Действительно:
;
. (7)
И условие vφ max < vT на первом участке равносильно условию:
4 r eл < r гр (8)
где vT тепловая скорость электронов; 
- ларморовский радиус электрона в постоянной составляющей магнитного поля.
Таким образом, для удержания плазмы необходимо выполнение условий:
L1 >> L2 ; 
; а также выполнение условий (7) и (8).
Экспериментальные исследования сжатия канала продольного разряда проводились нами для двух случаев распределения напряжённости магнитного поля вдоль оси трубки - модулированного магнитного поля с постоянной составляющей (рис.1) и знакопеременного магнитного поля (рис.2). Требуемая конфигурация и величина магнитного поля достигалась при протекании импульсного тока в плоских электромагнитных катушках, составляющих магнитную систему. Для обеспечения большей протяжённости участка нарастания магнитного поля по сравнению с участком уменьшения использовались ферромагнитные диски. Разряд зажигался в стеклянной трубке с внутренним диаметром 12мм в аргоне при давлении 0,05 ÷ 0.2 Торр.
Рисунок 1. Распределение индукции магнитного поля, модулированного отрезками прямых, вдоль оси продольного разряда
Рисунок 2. Распределение знакопеременного магнитного поля вдоль оси продольного разряда
Ток разряда имел прямоугольную форму, а магнитное поле практически постоянно во время горения разряда. Величина тока разряда варьировалась от 0,5А до 130А, а длительность импульсов от 0,2мс до 1мс. Максимальное значение индукции магнитного поля составляло 700Гс. Для регистрации эффекта сжатия канала разряда производилось фотографирование свечения канала разряда в промежутках меду катушками магнитной системы.
Полученные экспериментальные результаты можно свести к следующему:
- Особенно эффективно сжатие канала разряда в случае знакопеременного магнитного поля.
- Эффективность сжатия повышалась при уменьшении давления газа и с увеличением крутизны нарастания магнитного поля, которая определялась величиной тока в катушках и расстоянием между катушками.
- В плоскости прохождения Bz через нуль (реверс магнитного поля) наблюдалась яркая область свечения плазмы, достигающая стенок трубки. Воздействие плазмы в местах реверса магнитного поля на стенки усиливалось по направлению от катода к аноду.
- В режимах с эффективным сжатием в знакопеременном поле наблюдался существенный рост падения напряжения на разрядном канале, находящемся в магнитном поле.
- Сжатие канала разряда при тех же значениях тока в магнитных катушках проявлялось намного слабее в случае модулированного магнитного поля по сравнению с знакопеременным полем, однако, из-за локального выброса плазмы на стенку и наличия постоянной составляющей Bz , именно случай модулированного магнитного поля с постоянной составляющей представляется более перспективным.
Исследования, описанные в данной работе, были проведены в рамках проекта PZ-013-02, поддерживаемого совместно Американским фондом гражданских исследований и развития (АФГИР), Министерством образования РФ и правительством Республики Карелия.
Литература:
- Сысун В.И., Хромой Ю.Д., Яковлев Д.В. и др. Авторское свидетельство СССР, №280772, 01.03.88. Дополнительное авторское свидетельство №324404, 10.03.91.