Том 49, № 10 (2023)

Термоядерная реакция между быстрыми частицами, поступающими в плазму с нейтральным пучком, и ионами основной плазмы, может стать основным источником нейтронов синтеза в проектируемых установках ТИН (термоядерных источниках нейтронов) на базе токамака. Величина вклада пучка в термоядерный синтез и суммарный выход нейтронов зависят от относительной доли ионов высокой энергии в энергетической функции распределения (ЭФР) ионов. С помощью программного модуля NESTOR ([1], 2022) проведены расчеты распределения интенсивности реакций синтеза в объеме плазмы ТИН с учетом внешнего источника быстрых ионов. Модель инжекции детально воспроизводит пространственно-угловую структуру пучка в сечении порта инжекции, а распределения быстрых ионов в замагниченной плазме рассчитываются с применением классических формул торможения и с учетом трехмерной конфигурации магнитного поля в камере токамака. Рассмотрено влияние различных факторов на генерацию нейтронов синтеза с участием быстрых ионов, анализируется вклад пучка в общий выход термоядерных нейтронов.

Рассмотрен новый подход к решению задачи о прохождении необыкновенной волны через область электронного циклотронного резонанса в неоднородной плазме в рамках полной системы уравнений Максвелла с учетом эффектов пространственной дисперсии и резонансной диссипации. Для модельной одномерной геометрии вычислены распределения полей в окрестности циклотронного резонанса на второй гармонике при нормальном падении необыкновенной волны, найдены коэффициенты отражения, прохождения и поглощения в зависимости от параметров резонансной области. В результате удалось описать тонкий эффект отражения электромагнитного излучения от области циклотронного резонанса в прозрачной плазме; проведено сравнение с наблюдениями этого эффекта в экспериментах по СВЧ-нагреву плазмы на стеллараторе Л‑2М.

Инжекция атомарных пучков является одним из основных способов нагрева плазмы в термоядерных установках. В Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН разрабатывается инжектор пучка атомов водорода высокой энергии для нагрева плазмы, основанный на ускорении и нейтрализации пучка отрицательных ионов водорода. В инжекторе используется высокочастотный поверхностно-плазменный источник, в котором поток плазмы создается с помощью высокочастотного драйвера – индукционного высокочастотного (ВЧ) разряда, поджигаемого внутри цилиндрической керамической камеры при подаче ВЧ-напряжения на внешнюю трехвитковую антенну. В рамках этих работ разрабатывается новая версия высокочастотного драйвера. Для предотвращения перегрева и эрозии керамической стенки драйвера используется защитный экран. Исследуется работа нескольких конфигураций ВЧ-драйвера с разными защитными экранами. Предложенные экраны в разной степени уменьшают эффективность передачи ВЧ-мощности в разряд, но при этом позволяют реализовать работу ионного источника в многосекундных или стационарных импульсах.

С использованием уравнения Кортевега и Де Вриза выполнен расчет функций распределения фоновой плазмы, возмущенных ионно-звуковыми солитонами. Получена явная формула для описания возмущенных функций распределения, пригодная для практических применений. Проведено сравнение результатов с ранее полученными аналитическими расчетами и результатами моделирования.

Представлены результаты численных исследований по влиянию испарения материала анода на основные характеристики дугового разряда. Расчеты проведены для дуги в буферном инертном газе – гелии с тугоплавким (на примере графита) и нетугоплавким (на примере меди) анодом. Представлены зависимости основных параметров дугового разряда от плотности тока. Показано, что при достижении температуры плавления поверхности анода наблюдается интенсивное испарение частиц анода в разрядный промежуток. Происходит смена плазмообразующего иона, т.е. доминирующим сортом ионов становится ион углерода в случае графитового анода, или ион меди – в случае медного. При этом на зависимости напряжения от плотности тока (ВАХ) разряда наблюдается скачок потенциала. Для различных значений точек на ВАХ представлены распределения основных параметров плазмы вдоль разрядного промежутка.

Исследуются объемные плазменно-пылевые образования, в составе которых находились калиброванные пылевые частицы, различные по размеру и плотности материала. Изучались особенности формирования структур в стратифицированном тлеющем разряде, а также их форма и динамика во внешнем магнитном поле. Из нескольких видов порошков получены разделенные в пространстве двойные структуры, которые заполняют пылевую ловушку, находясь в разных фазах страты. Получены зависимости средней угловой скорости вращения для каждой части структуры в магнитном поле. В диапазоне, где механизм вращения зависит от размера частиц и доминирует сила ионного увлечения, проведены численные оценки скорости вращения с учетом изменения параметров вдоль страты.

Экзосфера Меркурия, имеющая много общего с экзосферой Луны, также может содержать взвешенные пылевые частицы, которые под действием интенсивного солнечного излучения приобретают положительные заряды и являются одной из составляющих плазменно-пылевой системы. Кроме пылевых частиц, над поверхностью планеты присутствуют фотоэлектроны, образованные в результате взаимодействия солнечного излучения с поверхностью планеты, а также с взвешенными пылевыми частицами. Меркурий, в отличие от Луны, имеет свою магнитосферу, что отражается на параметрах плазменно-пылевой системы. Параметры пылевой плазмы у поверхности Меркурия могут изменяться в зависимости от расстояния планеты до Солнца, которое заметно меняется при движении по вытянутой орбите, а также в зависимости от локализации рассматриваемой области на поверхности планеты. Так, вблизи магнитных полюсов солнечный ветер может достигать поверхности планеты, что необходимо учитывать при определении параметров плазмы. Вне магнитных полюсов влиянием солнечного ветра можно пренебречь. В пылевой плазме у поверхности Меркурия можно ожидать развития линейных и нелинейных волновых процессов. В данной работе рассматриваются нелинейные волны – пылевые звуковые солитоны и нелинейные периодические волны. Получены профили потенциала солитонов большой амплитуды и нелинейных периодических волн, получены зависимости амплитуды солитонов от высоты над поверхностью планеты и скорости солитонов.

Полуэмпирический квазиклассический метод аппроксимации потенциалов ионизации, используемый ранее для многозарядных ионов элементов со средними и высокими атомными номерами Z, применяется к ионам элементов с атомными номерами в диапазоне \(85 \leqslant Z \leqslant 110\) и числом электронов \(1 \leqslant {{N}_{e}} \leqslant 78\). Выявленные простые закономерности дают возможность полиномиальной, достаточно точной (в пределах одного-двух процентов) аппроксимации имеющихся и оценки недостающих данных по потенциалам ионизации в таблицах NIST для всех многозарядных ионов исследованного диапазона на основе двух небольших таблиц. Продемонстрировано улучшение условий применимости квазиклассического приближения с ростом атомного номера.

Приводятся результаты экспериментального исследования инициации, развития и поддержания плазменного поверхностного разряда, инициируемого микроволновым (СВЧ) излучением гиротрона (75 ГГц, 300 кВт, 6 мс) в воздушной среде при нормальных условиях на поверхности кварцевой подложки с наличием металлических включений. Показано, что скорость распространения фронта ионизации разряда достигает 40 м/c, что соответствует теплопроводностному механизму распространения. При этом максимальная рассчитанная газовая температура плазмы достигает 5500 К, что приводит к сублимации металлических включений. Впервые приведены параметры плазмы поверхностного микроволнового разряда на металлодиэлектрических мишенях, который использовался в различных аэроплазменных и плазмохимических приложениях.

Построена количественная методика интерпретации сигнала спектроскопии пиков упруго отраженных электронов, позволяющая осуществлять послойный анализ содержания изотопов водорода в конструкционных материалах, применяемых в сооружаемом международном экспериментальном термоядерном реакторе ITER. Определены относительные концентрации содержания протия и дейтерия в углеводородных образцах. Определены относительные концентрации содержания дейтерия в бериллиевом образце.

Дан обзор новых наиболее интересных результатов, представленных на юбилейной L Международной Звенигородской конференции по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу, состоявшейся с 20 по 24 марта 2023 г. в Звенигороде Московской области. Проведен анализ достижений в основных направлениях развития исследований в области физики плазмы в России и их сравнение с работами за рубежом.