Взаимодействие плазмы с нейтральным газом
Амбиполярная теория предусматривает течение плазмы в расширитель в режиме, близком к бесстолкновительному, что накладывает жесткие ограничения на вакуумные условия в расширителе. При этом неясно, какое давление остаточного газа допустимо и что происходит при наличии существенного количества нейтралов. Представляется вполне возможной ионизация остаточного газа, за счет которой популяция запертых электронов в расширителе увеличится и начнет существенно влиять на плазму в ловушке. Очевидно также, что будет очень трудно удовлетворить требованиям высоких вакуумных условий в расширителе действующего нейтронного источника или реактора синтеза. Простые оценки для типичных параметров плазмы в установке ГДЛ показывают, что в области расширителя вблизи пробки (K=10, диаметр плазмы 15 см, n = 1012 см-3) вероятность ионизации нейтрального газа близка к единице, поэтому ток ионов на приемник плазмы должен существенно увеличиваться при наличии газа в расширителе. Если каждая молекула газа отдает электрон при столкновении с плазмой и ток образовавшихся «холодных» электронов равен току ионов из ловушки, то предельно допустимая плотность газа оказывается равной ncrit = 1012 см-3. При плотностях выше этой параметры плазмы в ловушке должны существенно снижаться за счет проникновения туда образующихся холодных электронов. Однако измеренные параметры плазмы в центре ловушки остаются постоянными вплоть до плотностей газа n = 1014 см-3 (рис. 1).
Рис. 1. Поток нейтронов и температура электронов в центральной части ГДЛ при разной плотности нейтрального газа в расширителе
Прямое измерение профилей плотности ионного тока на плазмоприемник датчиками потока ионов показало, что эти профили слабо меняются даже при больших плотностях атомарного газа (рис. 2). Полный ток на плазмоприемник остается постоянным. Таким образом, критическая плотность нейтрального газа в расширителе ловушки оказалась в 100 раз больше, чем показывали грубые оценки. Эти результаты изложены в статье [E.I. Soldatkina, et al. Plasma and Fusion Research Volume 14, 2402006 (2019) DOI: 10.1585/pfr.14.2402006].
Рис. 2. Распределение плотности тока ионов по радиусу при разной плотности нейтрального газа в расширителе
Первые результаты измерений при помощи системы оптической томографии показывают, что концентрация нейтральной компоненты внутри плазмы в расширителе оказывается существенно меньше ожидаемой с учетом инжекции большого количества газа перед рабочим импульсом (рис. 3). Видно, что при различии количества газа в 100 раз, интенсивность свечения в расширителе растет только в 10 раз.
Рис. 3. Интенсивность свечения атомарного газа в расширителе ГДЛ:
а – плотность газа n = 1012 см-3, б – плотность газа n = 1014 см-3