ПРИСТЕНОЧНАЯ ТУРБУЛЕНТНОСТЬ В ТОКАМАКЕ (ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ)

Недоспасов А.В.

ИВТ РАН, Москва. Россия

Содержание

1. Основные экспериментальные данные 70х-80х годов о пристеночной турбулентности.
2. Природа турбулентности в лимитерном (диверторном) слое. Роль пристеночной диссипации энергии. Эффективный коэффициент диффузии, полоидальная асимметрия.
3. Управление уровнем турбулентности с помощью дополнительного тока.
4. Новые закономерности в турбулентности в холодной плотной пристеночной плазме.
5. Токовая конвекция и роль примесей в формировании градиента эффективного Z.
6. Макроскопические масштабы турбулентности. Необходимость решения краевых задач.
7. Заключение.

Плазменные процессы в микро- и наноэлектронике

А.А.Орликовский

Физико-технологический институт РАН, Москва, Нахимовский пр., 36/1

    Доклад посвящен применению плазмы в новых технологических процессах субмикронной технологии микро- и наноэлектроники. Это процессы травленияотдельных слоев субмикронных и наноструктур, процессы нанесения тонких пленок диэлектриков и широкопучковой ионной имплантации для формирования супермелкозалегающих p-n переходов и др. Обсуждаются требования к источникам плотной плазмы (ЭЦР, СВЧ, геликонным и источникам с индуктивным возбуждением плазмы) и их применение в современных технологических установках.

КОРОТКИЕ МОЩНЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ ИМПУЛЬСЫ В ПЛАЗМЕ И ВАКУУМЕ

Л.М.Горбунов
Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН, Москва, Россия

     В последние годы достигнут значительный прогресс в исследовании различных эффектов, возникающих под действием коротких (пикосекунда и менее) мощных (тераватт и более, интенсивность 10¹⁸ Вт/см² и более) лазерных импульсов. В докладе представлен краткий обзор основных результатов, полученных в экспериментах, проведенных в вакууме (рождение позитронов, ускорение электронов, распространение в капиллярах), в разреженной плазме (кильватерные поля, плазменные каналы, ускорение электронов, быстрые ионы и т.д.) и в плотной плазме (взаимодействие с твердотельной мишенью, сверхсильные магнитные поля, быстрые электроны, ядерные реакции, нейтроны).

ИССЛЕДОВАНИЯ БЫСТРЫХ Z- ПИНЧЕЙ НА УСТАНОВКЕ “С- 300”

А.С.Кингсеп, Ю.Л.Бакшаев, А.В.Бартов, П.И.Блинов, А.В.Гордеев, Е.М.Гордеев, С.А.Данько, Ю.Г.Калинин, В.Д.Королев, В.И.Косарев^*, А.И.Лобанов^*, В.И.Мижирицкий, Л.И.Рудаков, Е.А.Смирнова, В.И.Туманов, А.С.Черненко, К.В.Чукбар, А.Ю.Шашков

Российский научный центр “Курчатовский институт”, Москва, Россия
^*Московский физико-технический институт, Долгопрудный, Россия

    Эксперименты выполнялись на установке “С-300” (4 МА, 100 нс). Изучались возможности схемы “лайнер-мишень” на предмет создания мощного рентгеновского источника с энергией квантов 10ё40 кэВ, а также возможность получения параметров плазмы, соответствующих зажиганию DT реакции в перетяжке плотного Z-пинча.
    Проведены систематические исследования динамики сжатия лайнеров различных масс и химического состава при токах до 3,5 МА. Использовались газовые, пластиковые и комбинированные лайнеры различных конструкций; варьировалось также начальное аспектное отношение. Быстрые неустойчивости, сопровождающие начальную стадию сжатия, были в наших экспериментах идентифицированы как холловские (или ЭМ Г) неустойчивости. В результате данной серии экспериментов нами впервые получено устойчивое 8ё10-кратное сжатие “толстого” гелиевого лайнера при конечных скоростях 5Ч10⁷ см/с.
    Теория, а равно и численное моделирование предсказывают увеличение электронной температуры и теплового потока на конвертор в гетерогенных Z-пинчах при условии пространственного разделения области эффективного энергообмена (плазма со средними Z) и области эффективной теплопроводности (водородная плазма). В первых экспериментах такого рода вводились посредством размещения в области гелиевой струи тонких стеклянных нитей. С поверх примеси ности конвертора, размещенного на катоде, зарегистрированы линии гелиеподобного хлора, интенсивность которых свидетельствовала об увеличении теплового потока на конвертор. Кроме того, зарегистрированы спектральные линии многозарядных ионов Al, Si, Ca, O, образовавшихся в ударной волне.
    Реализация схемы “лайнер-конвертор” может быть затруднена проник -новением в плазму, как следствие неустойчивостей, токового магнитного поля. Численное моделирование этого класса явлений проводилось на базе 2,5-мерного 2-температурного кода, созданного в рамках нашей программы. Показано, что в процессе развития неустойчивости токовое поле остается запертым в скин-слое и не может влиять на процессы транспортировки тепла.
    Эксперименты по формированию перетяжки проводились с профилированной нагрузкой из насыщенного углеродом агар-агара с линейной плотностью 0,1ё5 мг /см, диаметром 3ё5 мм и длиной 8ё10 мм. В перетяжке получены следующие параметры плазмы:n_e= 10²² см, T_e=1ё1.5 кэВ, мощность и полная энергия излучения в диапазоне кэВ составляли, соответственно, 5Ч10⁹ Вт и 20ё50 Дж. Наименьший доступный измерению диаметр шейки составлял 40ё70 мкм.
    Проводились теоретические исследования динамики сильноизлучающего лайнера. Показано, что в токовой оболочке такого лайнера возможны эффекты типа перегревной неустойчивости или магнитоприжатого разряда, приводящие к хорошо наблюдаемым экспериментальным следствиям - большому значению интегрального сопротивления (до 1 Ом), развитию мелкомасштабной неустойчивости Рэлея-Тэйлора, внутреннему пробою и образованию предвестников, и в конечном счете - к сохранению наблюдаемых по излучению значений температур при модификации состава плазмы от Ar до Xe. Вместе с тем теоретически рассмотрено влияние эффекта Холла на неустойчивость Рэлея-Тэйлора и показано, что в холловской плазме универсальный инкремент w² = -Ѕk_zЅa₀ не зависит ни от профиля концентрации, ни от профиля давления. Исследовано развитие быстрой чисто электронной неустойчивости, вызывающей филаментацию тока в цилиндрической оболочке толщиной менееc/w_pi, и приводящей к нарушению аксиальной симметрии сжатия. Теоретически рассмотрено самосогласованное ЭМГ проникновение магнитного поля в плазму и обнаружен эффект разрушения КМС волны при превышении флуктуациями плотностиdn₀ некоторого критического значения.

    Работа поддержана грантами РФФИ 96-02-19534, 98-02-17616, 98-01-00225, а также INTAS 97-0021.

О КЛАССИЧЕСКОМ И КВАНТОВОМ ОПИСАНИИ БЕССТОЛКНОВИТЕЛЬНОЙ ПЛАЗМЫ

^*Кузелев М.В., Рухадзе А.А.

Институт общей физики РАН,
^*МГИП

    Показано, что описание бесстолкновительной квантовой плазмы возможно на языке, близком к используемому при описании классической плазмы без столкновений.  И в квантовом случае оказываются справедливыми, с соответствующими поправками, уравнения холодной гидродинамики в эйлеровой и в лагранжевой формах и уравнения, эквивалентные кинетическому уравнению Власова для функции распределения. Кроме того, и в квантовом пределе сохраняет смысл представление о движении частиц по индивидуальным траекториям, если в правых частях уравнений движения частиц учесть, наряду с силой Лоренца, добавочную квантовую силу, обусловленную принципом неопределенности Гейзенберга. Вычисление квантовой силы требует усреднения траекторий частиц плазмы по их начальному распределению в конфигурационном пространстве. В случае же плазмы с тепловым разбросом необходимо, как и в классическом случае, еще и усреднение по функции распределения в пространстве скоростей. Приведены примеры применения сформулированных моделей к решению ряда задач электродинамики квантовой плазмы. Получено общее соотношение, выражающее квантовую диэлектрическую проницаемость через соответствующую классическую диэлектрическую проницаемость для бесстолкновительной плазмы с произвольными анизотропией и равновесной функцией распределения.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАЗМЕННОЙ ТУРБУЛЕНТНОСТИ И ИОННОЙ ФУНКЦИИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ В ТЕРМОЯДЕРНОЙ ПЛАЗМЕ МЕТОДОМ КОЛЛЕКТИВНОГО РАССЕЯНИЯ МОЩНОГО МИКРОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Е.В. Суворов

Институт прикладной физики РАН, Н.Новгород, Россия

 Коллективное рассеяние на квазиравновесных флюктуациях электронной плотности, в принципе, позволяет получать информацию об ионной функции распределения. Это обусловлено наличием «электронной шубы», участвующей в дебаевском экранировании квазиэлектростатического поля каждого иона в плазме. В связи с чрезвычайно низким уровнем флюктуаций для реализации такого рода диагностики необходимы зондирующее излучение большой мощности и чувствительная регистрирующая аппаратура.
 В настоящем сообщении приводится обзор экспериментальных исследований по коллективному рассеянию, выполненных на стеллараторе W7-AS (Гархинг, Германия). В качестве источников зондирующего излучения использовались гиротроны диапазона 140 ГГц, разработанные и изготовленные в России для электронно-циклотронного нагрева плазмы. Высокочувствительная регистрирующая аппаратура с необходимым спектральным разрешением была разработана и изготовлена в ИПФ РАН. Обсуждаются основные характеристики регистрирующей аппаратуры и специфика ее калибровки, приводятся результаты исследования гиротронов с точки зрения их применимости в экспериментах по коллективному рассеянию.
Эксперименты проводились с использованием двух основных геометрий рассеяния - в одной рассеяние было близко к обратному практически без какого-либо пространственного разрешения, но зато с возможностью сканирования в горизонтальной и вертикальной плоскостях; в другой угол рассеяния был близок к 90 градусам, что обеспечивало хорошую пространственную локализацию рассеивающего объема, но при фиксированном положении диаграммы направленности приемной антенны. Основным результатом работы является факт демонстрации в так называемом «proof-of-principle» эксперименте возможности использования современных гиротронов в качестве источников зондирующего излучения при коллективном рассеянии. Зарегистрированные спектры коллективного рассеяния на тепловых флюктуациях плотности позволили определить локальные значения ионной температуры, подтвержденные данными независимых измерений, что открывает хорошие перспективы для разработки рутинной диагностики профиля ионной температуры в термоядерной плазме. Помимо этого, высокое соотношение сигнал/шум, достигнутое благодаря накоплению рассеянного сигнала в течение длительного времени, позволяет надеяться на разработку аналогичной системы для диагностики альфа-частиц в условиях горения D-T реакции.
Помимо этого основного результата, на который с самого начала были ориентированы исследования, удалось, по существу, случайно обнаружить нижнегибридную турбулентность явно нетеплового характера. Подробное исследование ее характеристик позволило предложить теоретическую интерпретацию наблюдаемого явления, основанную на инициации неустойчивости нижнегибридных волн энергичным ионным пучком в условиях двойного резонанса (совпадение нижнегибридной частоты с одной из высших гармоник гирочастоты ионов пучка). Можно отметить, что в силу высокого уровня турбулентности по сравнению с уровнем квазиравновесных флюктуаций электронной плотности потенциал диагностического комплекса при этих исследованиях был явно избыточен.

ПРОБОЙ НА УБЕГАЮЩИХ ЭЛЕКТРОНАХ И ВЛИЯНИЕ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ НА ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ГРОЗОВОЙ АТМОСФЕРЕ

А.В. Гуревич

Физический институт РАН, Отделение теоретической физики 117924 Москва ГСП-1, Ленинский пр., 53

    Наблюдения, проведенные в последние годы на самолетах, шарах-зондах и спутниках выявили, что грозовая активность в атмосфере сопровождается интенсивным квазистационарным рентгеновским излучением и мощными импульсами гамма излучения. Теория, объясняющая эти явления, получила название "пробой на убегающих электронах". Суть явления — в лавинообразном экспоненциальном нарастании в воздухе числа быстрых электронов с энергией (0.1ё1) МэВ в грозовых электрических полях, которые в несколько раз (почти на порядок) меньше критического поля обычного пробоя воздуха. Как наблюдения, так и теория указывают, что пробой на убегающих электронах, по-видимому, играет важную роль в развитии грозовых процессов и связи атмосферного электричества с космическими лучами. Однако, эксперименты в  грозовой атмосфере затруднены из-за случайного, спорадического характера явлений и  невозможности  наблюдать из-за поглощения жесткое излучение на Земле
    Экспериментальное осуществление этого эффекта в лабораторных условиях осложнено очень большой величиной характерной длины пробега электронов (~100 м), определяющей нарастание лавины. В самое последнее время эти трудности удалось преодолеть в специально созданной магнитной ловушке с изменяющимся во времени магнитным полем. Пробой и ускорение осуществляются СВЧ полем с использованием релятивистского эффекта циклотронного резонанса в нарастающем магнитном поле. В этой лабораторной установке удалось наблюдать  мощные импульсы гамма излучения с энергией до 400 кэВ, возникающие как следствие пробоя на убегающих электронах в воздухе.
    Пробой сопровождается:

1. Лавинным нарастанием числа быстрых электронов с энергиями от 1 кэВ до нескольких МэВ.
2. Мощным импульсом рентгеновского и гамма излучения с энергией до 400 кэВ и длительностью от 10 мкс до 5 мс.
3. Мощным импульсом оптического излучения.

Л.А. Арцимович и проблема УТС (к 90-летию академика Льва Андреевича Арцимовича)

В.С. Стрелков

Российский научный центр “Курчатовский институт”, Москва, Россия

    Имя выдающегося физика наших дней академика Л. А. Арцимовича связывается в первую очередь с физикой плазмы и проблемой УТС. Примерно половину своей активной деятельности Лев Андреевич являлся руководителем термоядерной программы в СССР и признанным лидером мировой термоядерной программы.
    В тридцать лет Л.А. Арцимович защитил докторскую диссертацию, а двумя годами раньше кандидатскую. Причем если тематика кандидатской была связана с изучением прохождения нейтронов через вещество, то тема докторской - взаимодействие быстрых электронов с веществом.
    В годы войны Арцимович работал над созданием усилителей света, что впоследствии привело к созданию ЭОП’ов. В будущем Институте Атомной Энергии Л.А. Арцимович создал отдел, который выполнял работы по электромагнитному разделению изотопов, плазменным двигателям и управляемому термоядерному синтезу. Начиная с шестидесятых годов, Л.А. уделял большое внимание симметричным тороидальным системам - токамакам. Глубина физического мышления Л.А. существенно сказалась на работе коллектива. С именем Л.А. Арцимовича связаны постановкой вопроса о влиянии магнитных полей на равновесие плазменного шнура в токамаке, исследование процессов термоизоляции плазмы при омическом нагреве. Он первым обратил внимание на несоответствие результатов, полученных на токамаках, принятому в то время представлению о бомовском характере диффузии плазмы в тороидальных системах. Организовал проведение первого в истории УТС международного эксперимента, который убедительно подтвердил вывод о том, что формула Бома к токамаку не применима. Это снимало принципиальные ограничения на реализуемость токамака-реактора. Тщательный анализ экспериментальных фактов и контрольных опытов позволил в 1970 г. Л.А. Арцимовичу сделать вывод, что в установке токамак Т-3а впервые в мире зарегистрировано устойчивое термоядерное излучение плазменного витка. Мощность термоядерной реакции в Т-3а составляла несколько десятков микроватт. Полученная Л.А. Арцимовичем формула для ионной температуры в центральных областях плазмы при омическом нагреве хорошо соответствовала экспериментам.     Предложение о токамаке с вытянутым сечением и постановка первых экспериментов в этом направлении так же связаны с именем Льва Андреевича.
    Л.А. Арцимович придавал исключительно важную роль международному сотрудничеству, обмену информацией и совместным исследованиям. Еще в 1958 году в    своем докладе на 2-ой Женевской конференции он подчеркивал, что первое открытое обсуждение результатов работ на УТС по своему значению является наиболее существенным результатом конференции.
    Мощность термоядерных реакций в тороидальных установках, запущенных в различных странах за последние 30 лет, непрерывно росла примерно в тысячу раз за каждые 7 лет. Так, полученная в установке JET на d+T смеси мощность в 16 Мвт превышает мощность термоядерных реакций в Т-3а почти на двенадцать порядков. А коэффициент умножения мощности Q (отношение мощности термоядерных реакций к мощности расходуемой на нагрев плазмы) в JET вплотную приблизилось к единице (Q=0,95).
    Обсуждая перспективы других направлений исследований по программе УТС, Лев Андреевич не отрицал возможности и преимуществ создания реактора на базе других подходов, но считал, что в настоящее время токамак - кратчайший путь к реактору. Результаты экспериментов свидетельствуют, что он был прав.
17-я конференция МАГАТЭ, состоявшаяся в 1998 году, открылась мемориальной лекцией памяти Л.А. Арцимовича. В этой лекции, которая называлась "Наследие Арцимовича для ИТЭРа", директор проекта ИТЭР Р. Аймар говорил о выдающемся вкладе Л.А. Арцимовича в мировую термоядерную программу. Это, первое- осознание необходимости и реализация широкого международного сотрудничества, и второе - тороидальные системы токамак, которые лежат сегодня в основе проекта ИТЭР.
    Следует к этим двум несомненным заслугам Льва Андреевича добавить - создание школы физиков в области управляемого термоядерного синтеза. Все, кому посчастливилось работать под руководством Льва Андреевича, помнят его умение из разрозненных экспериментальных фактов создать четкую картину явления, не противоречащую общим законам природы. Его заключения всегда основывались на проверенных фактах и результатах контрольных опытов.

Современное состояние исследований по ЛТС

А.Ю. Гольцов, Н.Г. Ковальский

ТРИНИТИ, Троицк, Моск. обл., 142092

    Приводится обзор экспериментальных исследований, проводимых в настоящее время в рамках программы ЛТС в ведущих научно-исследовательских центрах мира. Одним из наиболее значительных событий  является  завершение  проектирование  и  начало строительства крупнейших лазерных установок мегаджоульного диапазона, предназначенных для постановки и проведения демонстрационного эксперимента по зажиганию с коэффициентом усиления 10-20 (LMJ, Бордо, Франция и NIF, Ливермор, США). Экспериментальные исследования основных физических аспектов ЛТС, которые проводятся на установках сравнительно умеренного масштаба, направлены на изучение наиболее принципиальных вопросов, связанных с обеспечением равномерного облучения мишеней и достижением устойчивого сжатия термоядерного топлива. В частности, обсуждаются эксперименты, целью которых является изучение  физических процессов при облучении низкоплотных гетерогенных сред, рассматриваемых как в качестве компонента перспективных мишеней ЛТС типа «лазерный парник», а также в схемах с прямым облучением мишени и непрямым воздействием.  Рассмотрен ряд экспериментов, выполненных в Военно-морской лаборатории (США) на мощной KrF-лазерной системе. Приведены результаты экспериментальных исследований по взаимодействию сверхкоротких субпикосекундных импульсов лазерного излучения с плазмой, направленных на изучение физических процессов в мишенях ЛТС в схеме с так называемым «быстрым поджигом».    Обсуждаются применения мощных сверхкоротких лазерных импульсов для решения ряда научных и прикладных задач.