УДЕРЖАНИЕ ПЛАЗМЫ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ В ТЕХНИЧЕСКИХ ПРИЛОЖЕНИЯХ
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 хаpaктеристики 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 пpaктически 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.
Статья в формате PDF 139 KB...
27 03 2024 19:28:12
Статья в формате PDF 112 KB...
26 03 2024 20:20:57
Статья в формате PDF 263 KB...
24 03 2024 15:47:41
Ободочная кишка крысы напоминает растянутую спираль, внедренную в петли тонкой кишки. У человека подобное состояние определяется как поздняя остановка поворота кишечника или мальротация. ...
23 03 2024 17:53:43
Статья в формате PDF 119 KB...
22 03 2024 10:30:10
Статья в формате PDF 106 KB...
21 03 2024 11:15:31
Статья в формате PDF 324 KB...
20 03 2024 3:11:12
Статья в формате PDF 249 KB...
18 03 2024 18:57:12
Статья в формате PDF 145 KB...
17 03 2024 14:43:50
Статья в формате PDF 161 KB...
16 03 2024 22:36:22
В работе приводятся сведения относительно возможности применения тестовых заданий и биологических задач для исследования личностных особенностей учащихся и выявления одаренных детей. Показано, что использование этого подхода может способствовать повышению эффективности выявления школьников с повышенным уровнем интеллекта. ...
14 03 2024 14:29:28
Статья в формате PDF 125 KB...
13 03 2024 18:16:14
Статья в формате PDF 148 KB...
12 03 2024 5:13:33
Статья в формате PDF 193 KB...
10 03 2024 9:37:20
Статья в формате PDF 121 KB...
09 03 2024 0:21:50
Статья в формате PDF 121 KB...
08 03 2024 20:13:54
07 03 2024 21:45:14
Статья в формате PDF 108 KB...
06 03 2024 23:10:23
Предлагается феноменологическое описание фазовых переходов в полигональных квазикристаллах, учитывающее собственную симметрию линейных фазонных и фононных деформаций. Определено представление группы этой симметрии, рассчитан базис инвариантов, построен типичный термодинамический потенциал и проведена симметрийная классификация решений уравнений состояния. ...
05 03 2024 5:53:35
Статья в формате PDF 161 KB...
04 03 2024 19:20:55
02 03 2024 4:17:24
Статья в формате PDF 134 KB...
01 03 2024 23:30:16
Статья в формате PDF 119 KB...
29 02 2024 10:46:39
Статья в формате PDF 103 KB...
28 02 2024 5:51:30
Статья в формате PDF 396 KB...
26 02 2024 4:31:50
Статья в формате PDF 317 KB...
25 02 2024 10:16:59
Статья в формате PDF 103 KB...
24 02 2024 8:34:54
Статья в формате PDF 111 KB...
23 02 2024 22:53:26
Статья в формате PDF 304 KB...
22 02 2024 6:17:15
Статья в формате PDF 130 KB...
21 02 2024 23:17:31
Статья в формате PDF 415 KB...
20 02 2024 14:19:44
Статья в формате PDF 118 KB...
19 02 2024 13:55:40
Статья в формате PDF 228 KB...
18 02 2024 1:43:12
Статья в формате PDF 100 KB...
17 02 2024 20:26:16
Еще:
Поддержать себя -1 :: Поддержать себя -2 :: Поддержать себя -3 :: Поддержать себя -4 :: Поддержать себя -5 :: Поддержать себя -6 :: Поддержать себя -7 :: Поддержать себя -8 :: Поддержать себя -9 :: Поддержать себя -10 :: Поддержать себя -11 :: Поддержать себя -12 :: Поддержать себя -13 :: Поддержать себя -14 :: Поддержать себя -15 :: Поддержать себя -16 :: Поддержать себя -17 :: Поддержать себя -18 :: Поддержать себя -19 :: Поддержать себя -20 :: Поддержать себя -21 :: Поддержать себя -22 :: Поддержать себя -23 :: Поддержать себя -24 :: Поддержать себя -25 :: Поддержать себя -26 :: Поддержать себя -27 :: Поддержать себя -28 :: Поддержать себя -29 :: Поддержать себя -30 :: Поддержать себя -31 :: Поддержать себя -32 :: Поддержать себя -33 :: Поддержать себя -34 :: Поддержать себя -35 :: Поддержать себя -36 :: Поддержать себя -37 :: Поддержать себя -38 ::