Усиление ионно-звуковой турбулентности при электронно-циклотронном нагреве плазмы

УДК 533.9...15

УСИЛЕНИЕ ИОННО-ЗВУКОВОЙ ТУРБУЛЕНТНОСТИ ПРИ ЭЛЕКТРОННО-ЦИКЛОТРОННОМ НАГРЕВЕ

ПЛАЗМЫ

Г. М. Батанов, Л. В. Колик, Д. В. Малахов1, А. Е. Петров, К. А. Сарксян,

Н. Н. Скворцова, К. Н. Харчев

В статье представлены результаты исследования ионно-звуковой турбулентности при электронно-циклотронном нагреве низкотемпературной плазмы в модельной установке ТАУЛ. В качестве СВЧ источников использовались два магнетрона МИЛЫ. Пиковая мощность каждого магнетрона достигала 1 кВт, а длительность импульса составляла 7.5 мкс. В экспериментах наблюдался рост температуры основной массы электронов и рост энергии нетепловых электронов. Включение микроволнового поля вызывало увеличение спектральной плотности ионно-звуковых шумов во всем изучаемом интервале частот от 0.3 до 3 МГц на порядок величины.

В исследованиях на тороидальных установках за последние десятилетия было установлено образование транспортных барьеров с ростом мощности дополнительного электронно-циклотронного (ЭЦ) нагрева. Было также показано подавление МГД активности при локализации ЭЦ-нагрева в области неустойчивости.

В связи с этим представляло интерес изучить влияние нагрева плазмы в окрестностях электронно-циклотронного резонанса (ЭЦР) на ионно-звуковую турбулентность на таком классическом объекте как пучково-плазменный разряд.

Е-таП: malakhov@gpi.ru

Принципиальная схема эксперимента представлена на рис. 1. Пучково-плазменный разряд создавался в аргоне в однородном магнитном поле, индукция которого составляет около 60 мТ, при энергии пучка 60...120 эВ и токе около 0.1 А. Давление аргона 3 • Ю-4 Topp. Плотность плазмы в максимуме цилиндрического столба диаметром 4 см составляла ~2 -1010 см-3, температура электронов ~4.0 эВ, Т, < Те. Потенциал плазмы относительно стенок вакуумной камеры лежал около 0 В. Его величина определялась уходом электронов на торцы камеры вдоль магнитного поля и уходом ионов поперек магнитного поля на боковые стенки камеры. При этих условиях в плазме параллельно с пучковой неустойчивостью развиваются ионно-звуковые и дрейфово-диссипативные неустойчивости. Характеристики турбулентного состояния плазменного шнура с развитыми ионно-звуковыми и дрейфовыми колебаниями описаны в работах [1, 2]. Микроволновое излучение от двух магнетронов МИ-167 подводилось через ферритовые вентили с помощью коаксиальных кабелей к петлевым антеннам, расположенным вблизи стенок камеры. Имелась также возможность возбудить микроволновое поле в плазме с помощью двух параллельных пластин длиною 40 см, расположенных параллельно оси камеры. Пиковая мощность каждого магнетрона достигала 1 кВт, а длительность импульса составляла 7.5 мкс.

Для регистрации колебаний использовались цилиндрические ленгмюровские зонды, штыри которых были ориентированы вдоль магнитного поля. В качестве нагрузок для зондов служили сопротивления различного номинала. Сигналы с нагрузок подавались коаксиальными кабелями на вход регистрирующей аппаратуры. Эти же зонды использовались как штыревые антенны для регистрации микроволнового поля.

Мощность электронного пучка, создающего плазму, составляет ~10 Вт. Поэтому даже при слабом согласовании плазменного столба с петлевыми антеннами при поглощении нескольких процентов мощности магнетронов можно было бы ожидать повышения энергосодержания плазменного шнура в несколько раз.

Для измерения нагрева электронов импульсами микроволнового излучения была применена упрощенная процедура определения энергии электронов. Для этого использовались измерения зондового тока при различных значениях активного сопротивления в цепи зонда. Меняя величину активного сопротивления, удается регистрировать ток электронов с энергией выше потенциала зонда. Принимая экспоненциальную за висимость электронного тока от потенциала зонда из значений токов при различных нагрузках, оценивается величина температуры электронов Те. Измеренные таким образом значения потенциала составляли примерно -1 В при нагрузке 1 кОм, -5 В при

Рабочий газ <Аг>

Система инжекции

Катод

Пластины

Одиночный зонд

В Iii й

й

Блок регистрации Блок синхронизации

Блок диагностики Система СВЧ ввода

Тройной зонд

- - - 8—8- -

Ш

0

/

й И

щ

А Б I Петлевые антенны

Вакуумная система

Система управления параметрами установки

Рис. 1. Принципиальная схема установки ТАУ-1. Показана система петлевых антенн (использовалась секция Б) и плоские антенны (пластины).

10 кОм, -12...14 В при 100 кОм. Полученное из этих величин потенциалов значение Те равно ~5.5 эВ, что соответствует значениям температуры, полученным ранее по вольт-амперным характеристикам плоских зондов.

При включении микроволновой мощности на петлевые антенны или пластины отчетливо регистрируется увеличение отрицательного потенциала зондов (рис. 2). В случае возбуждения микроволнового поля в плазме петлевыми антеннами абсолютные значения потенциала вырастают на 20...40% от его стационарного значения. При возбуждении поля с помощью пластин увеличение потенциала во время микроволнового импульса несколько превышало его стационарное значение.

Оценки температуры электронов во время импульса дают незначительное приращение Те (в пределах ошибок измерений) при использовании петлевых антенн. В случае использования пластин приращение температуры составляло около 3 эВ. Рост зондово-го тока в импульсе при слабом изменении Те означает рост плотности плазмы. Быстрый рост плотности плазмы в данном случае неизбежно сопровождает процесс нагрева, т.к. при давлении аргона 3  10~4 Topp частота ионизационных столкновений составляет щ — 106 Гц. А отсутствие существенного повышения температуры электронов означает, по-видимому, рост энергии нетепловых электронов. По приросту плотности можно

GND

Рис. 2. Вид зондовых сигналов при нагрузке 1 кОм (с двух зондов). Слева - сигнал магнетронов подан на петли (0.2 В/дел). Справа - сигнал магнетронов подан на пластины (0.5 В/дел). Временной масштаб - 2 мкс/дел.

сделать оценку поглощенной в плазме энергии микроволн:

AW = ANeAE^a2L = \-2- Ю10 • 30 • тг  4 • 102 = 2.5 • 1014 эВ = 4 • Ю-5 Дж.

¿j

Здесь ANe - прирост плотности плазмы, составляющий 1/3 от начальной плотности, АЕг — 30 эВ - энергия, идущая на образование пары электрон-ион, а - радиус плазменного шнура, а L - его длина. Как видно из зондовых сигналов на рис. 2, постоянная времени установления стационарного значения сигнала г и 2 мкс. Отсюда может быть оценена мощность нагрева: AW/t = 20 Вт. Эта оценка сделана при возбуждении поля петлевыми антеннами. Для случая возбуждения поля пластинами поглощаемая в плазме мощность возрастает в несколько раз.

Существенным является вопрос о механизме нагрева электронов. Частота электрон-нейтральных столкновений в аргоне при 3 • Ю-4 Topp и Ге ~ 5 эВ равна vea = 3  10' с-1 При 10% отстройке от гирорезонанса мощность потерь за счет столкновений равна:

= Nee2ElueaV/m{u20 - Ü2e) ~ 0.7 Вт.

При этом для оценок jЕ2 мы предположили, что полная мощность двух магнетронов сосредоточена в объеме конденсатора, создаваемого пластинами. Это дает максимальную оценку поля, из которой следует результат на порядок меньший, чем дают зондовые измерения.

0.05 га о

^-0.05 -0.1

О 0.005 0.01

iSS-^3 1080 р

0 12 3 /МГц

0 12 3 /МГц

0 12 3 /МГц

0 12 3 /МГц

Рис. 3. На рисунке представлены (сверху вниз): (а) Временная реализация импульса УУ 31080. (б) Усредненные по серии импульсов энергии звуковых шумов до, во время и после импульса, а - среднеквадратичная величина шума. Времена выборки показаны на (а) жирными отрезками, (в) Усредненные по серии импульсов амплитудные спектры. Сопротивление на зонде Я = 100 кОм, энергия электронного пучка Ее = 120 эВ, магнитное поле Н « 56 мТл. Усреднение по 5 импульсам.

При fie > шо очевидно, что механизм поглощения резонансный. Показатель преломления N = {1 + Ne/Nc(Qe/ujo — l)}1/2 > 1. Волна из области возбуждения может распространяться вдоль магнитного поля и поглощается при гирорезонансе в области слабого магнитного поля. При fie < ujq в области петлевых антенн или пластин (в ближней волновой зоне) возможно возбуждение плазменных волн в верхнем гибридном резонансе. Таким образом достигается бесстолкновительное поглощение энергии микроволнового поля во всем рассматриваемом диапазоне магнитных полей.

Для зондовых измерений ионно-звуковой турбулентности были использованы АЦП с тактовой частотой 40 МГц. Интенсивность шумов в области ниже 0.3 МГц была на два порядка выше интенсивности ионно-звуковых шумов и определялась развитой

3.40е-005

0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05

t, мс

xlO^1 х10~5 х10~5

ст =

ст = 2.51е-005

дрейфово-диссипативной неустойчивостью. Поэтому была использована ЛС-цепочка как фильтр высоких частот. Постоянная времени измерительной цепи составляла 0.5 мкс. Таким образом, была подавлена регистрация колебаний с частотами ниже 0.3 МГц.

На рис. 3 представлена временная выборка зондового сигнала до включения микроволнового импульса, во время импульса и после него. Представлены также фурье-спек'тры колебаний и значения энергии шумов (интеграл по спектру) при энергии электронного пучка 120 эВ и при сопротивлении нагрузки 1 кОм. На рисунке представлены усредненные спектры по 3-5 отдельным импульсам. Сопоставление зондовых сигналов, их фурье-спектров и энергий показывает, что они идентичны во всем диапазоне использованных магнитных полей. Включение микроволнового поля вызывает увеличение спектральной плотности ионно-звуковых шумов во всем изучаемом интервале частот от 0.3 до 3 МГц. Общая энергия шумов возрастает на порядок величины. Ниже в табл. 1 приведены средние значения энергии шумов при разных магнитных полях при нагрузках 1 кОм и 100 кОм и при энергиях пучка электронов 90 эВ и 120 эВ.

Таблица 1

Средние значения энергии шумов. В скобках указаны значения энергии шумов _до включения микроволнового импульса_

Ее Магнитное поле

~56 мТл ~61 мТл ~68 мТл

1 кОм

90 эВ 5.36 • Ю-4

120 эВ 1.08 • Ю-З

100 кОм

90 эВ 3.54- 10_4

120 эВ 2.55 • 10_4

Как видно из табл. 1, энергия шумов падает при большей нагрузке зондов, то есть с ростом энергии регистрируемых зондом электронов. Эта закономерность сохраняется и при включении микроволнового импульса.

При токах в пучке 0.1 А мы имеем сильную ионно-звуковую турбулентность с низкими значениями взаимно корреляционной функции (ВКФ) на размерах порядка длины волны ионного звука. Такая турбулентность, как показано в работе [2], состоит из газа ионно-звуковых солитонов, а стационарный уровень энергии турбулентных пульсаций

обеспечивается их выносом на периферию плазменного шнура. Характерный масштаб флуктуаций 0.3...1 см.

Таким образом, микроволновый нагрев вызывает десятикратное увеличение энергии мелкомасштабных ионно-звуковых возмущений.

В настоящее время трудно указать механизм усиления ионно-звуковых флуктуаций в поле микроволновой накачки. Вряд ли мы имеем заметное изменение условий развития пучковой неустойчивости и изменение условий развития ионно-звуковой неустойчивости. Можно предположить, что в данном случае мы имеем дело с процессами типа резонансной неустойчивости электромагнитных волн в ^-слое ионосферы [3]. Действительно, в случае си0 > мы имеем резонанс волны накачки (и?о) с локальным значением верхнегибридной частоты + Ионно-звуковые возмущения в магнитном поле

вытянуты вдоль магнитного поля и имеют малый размер в поперечном направлении. Это создает благоприятные условия для развития резонансной неустойчивости, рассмотренной в работе [3]. При этом помимо учета эффекта нагрева при возбуждении верхнегибридых колебаний на возмущениях плотности нужно учесть и аналогичное тепловому влияние высокочастотного квазипотенциала. Можно также предположить, что в области гирорезонанса и при Пе > и>0 мы имеем аналогичные явления.

Авторы признательны А. С. Сахарову за полезные обсуждения результатов работы. Работа поддержана РФФИ - проект N 07-02-00455.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Г. М. Батанов, Л. М. Коврижных, Л. В. Колик и др., Исследование индуцированного 1-э рассеяния вблизи нижнего гибридного резонанса, В сб.: Вопросы физики плазмы и плазменной электроники (Труды ФИАН, 160, М., Наука, 1985) с. 160.

[2] К. А. Сарксян, Н. Н. Скворцова, Н. К. Харчев, Б. Ф. Миллиген, Физика плазмы 25(4), 346 (1999).

[3] В. В. Васьков, А. В. Гуревич, Самофокусировка и резонансная неустойчивость в области ионосферы. В сб.: Тепловые нелинейные явления в плазме (Горький. ИПФ АН СССР, 1979), с. 81; А. В. Гуревич, УФН 177(11), 1145 (2007).

Учреждение Российской академии наук Институт общей физики

им. А. М. Прохорова РАН Поступила в редакцию 11 сентября 2009 г.