Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

УДЕРЖАНИЕ ПЛАЗМЫ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ В ТЕХНИЧЕСКИХ ПРИЛОЖЕНИЯХ

Гура П.С. Сысун В.И.

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:

f,             (1)

где vφ  - азимутальная холловская скорость электронов, уравнением для которой будет:

f,                  (2)

где νe - частота электронных столкновений, f- радиальная составляющая МП.

При постоянном Br уравнение (2) есть линейное уравнение для vφ и оно имеет решение:

f (3)

Отсюда видно, что vφ  пропорционально f, тогда можно положить:

f,  (4)

где коэффициент А зависит от отношения f и параметров модуляции МП. Решением уравнения (4), при слабом изменении температуры электронов, будет:

f,                    (5)

где n0 - концентрация на оси.

Формула (5) даёт резкий спад концентрации по радиусу и, предполагая её значение на границе f, можно определить необходимое для удержания значение  АDВ2 :

f.                  (6)

Рассмотрим конкретное значение коэффициента А.

При отсутствии столкновений, согласно (2), vφ  определяется локальным значением магнитного поля (известная теорема Буша):

f.

Тогда

f  и  f

Согласно (6) будем иметь: f; f.

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 f;  f        .

f  на участках нарастания и спада магнитного поля равен f 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:

f;

f

f

f.       (7)

И условие vφ max <  vT    на первом участке равносильно условию:

4 r < r гр                                                                     (8)

где vT    тепловая скорость электронов; f- ларморовский радиус электрона в постоянной составляющей магнитного поля.

Таким образом, для удержания плазмы необходимо выполнение условий:

L1 >> L2f;   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.

 p

Рисунок 1. Распределение индукции магнитного поля, модулированного отрезками прямых, вдоль оси продольного разряда

p

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:

  1. 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.

Библиографическая ссылка

Гура П.С., Сысун В.И. УДЕРЖАНИЕ ПЛАЗМЫ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ В ТЕХНИЧЕСКИХ ПРИЛОЖЕНИЯХ // Успехи современного естествознания. – 2004. – № 4. – С. 65-67;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=12497 (дата обращения: 16.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074