Сборник тезисов 9-ой Международной научной конференции «современные достижения физики и фундаментальное физическое образование»
ИССЛЕДОВАНИЕ ПУЧКА ИОНОВ В ИМПУЛЬСНО-ПЛАЗМЕННОМ УСКОРИТЕЛЕ
жүктеу/скачать 11,53 Mb. Pdf көрінісі
|
- Бұл бет үшін навигация:
- , М.К.Досболаев 1 , Т.С.Рамазанов 1 , М.И.Кайканов 2 , А.В.Тихонов 3
- ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ПЛАЗМЕННОГО ПОТОКА И ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЕГО С МАТЕРИАЛАМИ ТЕРМОЯДЕРНОГО РЕАКТОРА
- ВАКУУМДЫҚ ДОҒАЛЫҚ ҮДЕТКІШ ЗЕРТХАНАЛЫҚ ЖҰМЫСЫНЫҢ ВИРТУАЛЬДІ ЗЕРТХАНАЛЫҚ ЖҰМЫСЫН ЖАСАҚТАУ А.М. Жүкешов, А.Т. Габдуллина, А.У. Амренова
- Қ. Фермахан, Г.А. Адамбек, С. Жұмабек
- ВРЕМЕН ТЕРМОЯ Н.Х. Баст
- ННАЯ ЭВО ЯДЕРНОГО тыкова, С.
- ОЛЮЦИЯ О РЕАКТО К. Кодано
- ПЫЛЕВО ОРА ова, Т.С. Ра
- ОЙ ЧАСТИ амазанов
ИССЛЕДОВАНИЕ ПУЧКА ИОНОВ В ИМПУЛЬСНО-ПЛАЗМЕННОМ УСКОРИТЕЛЕ С ПОМОЩЬЮ ЦИЛИНДРА ФАРАДЕЯ А.Б.Тажен 1 , А.У.Утегенов 1 , М.К.Досболаев 1 , Т.С.Рамазанов 1 , М.И.Кайканов 2 , А.В.Тихонов 3 1 НИИЭТФ, КазНУ им. аль-Фараби, Казахстан, 050040 Алматы 2 Национальная лаборатория, Казахстан 010000 Астана 3 Назарбаев университет, Казахстан 010000 Астана В настоящее время изучение импульсной плазмы направлено на исследование процесса ин- тенсивного взаимодействия ускоренных мощных импульсных потоков плазмы на дивертор- ную область и внутрикамерные компоненты токамака, вследствие которых, происходит эро- зия материалов и уменьшение их рабочих ресурсов. Но, самая главная проблема – это влия- ние пылевой компоненты (продукт эрозии) на свойства плазменного шнура (срыв плазмен- ного шнура, резкое уменьшение температуры плазмы) [1]. Таким образом много внимания уделялось определению энергетических характеристик частиц разного сорта образовавшихся во время зажигания плазмы при импульсном напуске газа, таким образом, полученные данные используются для выяснения характера взаимодей- ствия плазмы с защитными материалами. На основе модельного эксперимента, импульсно- плазменного ускорителя заряженных частиц можно использовать как установку, которым можно будет обрабатывать поверхности материалов для того, чтобы изучить, изменяются ли свойства этих материалов и проверить их на прочность при взаимодействии с плазменным потоком, как и в токамаках во время срыва плазмы. В связи с этим на лаборатории НИИЭТФ при КазНУ был собран модельный плазмен- ный ускоритель ИПУ- 30. Для получения всех данных, которые нужны для того, чтобы экс- периментально определить концентрацию и энергию заряженных частиц плазмы нами было сконструировано диагностическое устройство цилиндр Фарадея (ЦФ). ЦФ состоит из двух электродов. Внутренний электрод сделан из углерода и смещен под отрицательным потен- циалом, то есть работает для собирания ионов, в то время как внешний медный электрод за- землен и имеет отверстие, для регулировки потоков ионов [2]. Расчеты проводятся с использованием следующих основных формул: i i U n Rqv S (1) Здесь U – напряжение на нагрузочном резисторе, R – сопротивление нагрузки, q – электрический заряд иона, S – площадь поперечного сечения отверстия, i v - скорость ионов. 2 1 2 i i i E M v (2) Здесь i M - атомная масса иона плазмообразующего газа. В эксперименте был использован водород. В ходе данного эксперимента для исследо- вания пучка ионов цилиндр Фарадея был установлен на расстоянии 16 см от системы элек- тродов. При соударении заряженных частиц плазмы с внутренним электродом ЦФ, в цепи появляется ток, которую мы регистрируем с помощью осциллографа, один из примеров по- казан на рисунке 1. The 9 th International Conference «Modern achievements of physics and fundamental physical education» October , 12-14, 2016, Kazakhstan, Almaty ______________________________________________________________________________________________________ 106 0,0 5,0x10 -5 1,0x10 -4 1,5x10 -4 2,0x10 -4 2,5x10 -4 -0,25 -0,20 -0,15 -0,10 -0,05 0,00 I[A ] t[сек] i, Ud=6 кВ; р=2 торр e, Ud=6 кВ; р=2,1 торр токи рентгеновских излучений Рисунок 1. Осциллограммы электронного и ионного тока Анализируя график на рисунке 1, было установлено, что первый положительный им- пульс (пик) соответствует току рентгеновского излучения. Во время зажигания плазмы в ИПУ ускоренные в электрическом поле электроны тормозятся при сближении к отрицатель- ному заряженному электроду плазменного ускорителя, тем самым испускают рентгеновские излучения. Рентгеновские лучи, опережая ионных и электронных пучков, притягивающиеся к внутреннему электроду ЦФ при разном напряжении смещения, взаимодействуют с элек- тродом, и на экране осциллографа мы увидим первый сигнал. Этот сигнал принимается как время возникновения газового разряда, то ест начало отсчета. Воспользовавшись формулами (1) и (2) рассчитывались концентрации, энергии ионов и получены зависимости их от напряжения разряда (рисунок 2). 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 Ud, кВ Е i , эВ 2 4 6 8 10 12 14 n i х 10 12 , см -3 p=2 торр Рисунок 2. Зависимость концентрации (квадратики) и энергии (круги) ионов от напряжения разряда Данная работа была выполнена при поддержке МОН РК, программа № 011503029. 1. Flanagan J.C., Sertoli M., Bacharis M. et al. Characterising dust in JET with new ITER- like wall // Plasma physics and controlled fusion. – 2015. – Vol.57. – P. 014037. 2. Тажен А.Б., Досболаев М.К., Рамазанов Т.С., Контактная диагностика импульсной плазмы // Сборник тезисов международной конференции «Студент и научно технический прогресс». -2016. – стр. 24. 9-ші Халықаралық ғылыми конференция «Физиканың заманауи жетістіктері Алматы, Қазақстан, 12-14 қазан,2016 жəне іргелі физикалық білім беру» ______________________________________________________________________________________________________ 107 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ПЛАЗМЕННОГО ПОТОКА И ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЕГО С МАТЕРИАЛАМИ ТЕРМОЯДЕРНОГО РЕАКТОРА А.У. Утегенов, А.Б. Тажен, М.Қ. Досболаев, Т.С. Рамазанов НИИЭТФ, КазНУ имени аль-Фараби, Алматы, 050040, Казахстан Одной из задач физики управляемого термоядерного синтеза, относящихся к управлению потоками плазмы, является минимизация эрозии внутрикамерных деталей, в частности пер- вой стенки реактора, что приводят к образованию пыли (частицы микронного размера) и на- ноструктурных продуктов. Накопление пыли в объеме реактора в основном играет отрицательную роль. Во пер- вых, это приводит к неустойчивости горения высокотемпературной плазмы и зарождению срывов, во вторых, к захвату и накоплению трития, что представляет проблему для безопас- ности реактора и его экономичности [1-5]. На сегодняшний день в качестве кандидатных материалов, обращённых к плазме, при- нят углеродный материал, или его композит для облицовки в области сепаратрисы в дивер- торе. Кандидатными материалами называют те материалы, которые могли бы охарактеризо- вать процессы, происходящие с материалами из которых сделан реактор и для нахождения наилучшего композита, которые могли бы заменить материал реактора. Данная работа посвящена изучению формирования пыли при взаимодействии ускорен- ного импульсного плазменного потока с графитными пластинами. Для имитаций и исследо- вания данного процесса был использован плазменный ускоритель коаксиального типа. Уско- рители коаксиального типа являются универсальными установками для генерации плазмен- ного потока и для изучения взаимодействия его с кандидатными материалами первой стенки термоядерных установок. В экспериментах в качестве плазмообразующего газа был исполь- зован водород и аргон, напряжение зарядки конденсаторной батареи ускорителя варьирова- лось от 3 до 14 кВ. Для определения энергетических характеристик плазмы были использо- ваны цилиндра Фарадея и конусообразный калориметр. Заранее обработанные графитовые пластины при взаимодействии с плазмой подтверждали образование пленок и частиц с силь- норазвитыми поверхностями типа «цветной капусты» и фрактальными структурами, точно такие же, как и в термоядерных установках (Рисунок 1). По результатом предварительных исследовании предполагается, что рост таких структур может быть связан с процессом осаж- дения и диффузии адатомов [6]. Рисунок 1.Фрактальная структура графитовой поверхности The 9 th International Conference «Modern achievements of physics and fundamental physical education» October , 12-14, 2016, Kazakhstan, Almaty ______________________________________________________________________________________________________ 108 Далее были проведены эксперименты по изучению плазменного потока образованного в ИПУ-5 с помощью высокоскоростной камеры Phantom версии v2512 с максимальной ско- ростью съемки 677000 кадров в секунду. Для изучения динамики плазменного потока на на- шем эксперименте были произведены съемки со скоростью 470000 кадр/сек. Результаты оп- ределения скорости потока показаны на рисунке 2. Скорость плазменного потока при напря- жении 8 кВ составила ~23 км/сек. Рисунок 2. Снимок плазменного пучка направленного от системы электродов (справа) к мишени из графита (слева) который расположен на расстоянии 16 см Также по результатам видеосъемки был определен диаметр плазменного шнура, кото- рый составил ~4 см (рисунок 3): Рисунок 3. Фотоснимок плазменного шнура Данная работа была выполнена при поддержке МОН РК, № гранта 3112/ГФ4. 1. J.C. Flanagan, M. Sertoli, M. Bacharis et al. 2015 Characterising dust in JET with new ITER-like wall // Plasma physics and controlled fusion, 57, 014037 2. V.I. Crauz., Yu.V. Martinenko, N. Yu. Svechnikov, V.P. Smirnov, V.G. Stankevich, L.N. Khimchenko // Uspekh. Phys. Nauk., 180, 1055-1080 3. G. Federici, C.H. Skinner et al. 2001 Plasma-material interactions in current tokamaks and their implications for next step fusion reactors // Nuclear Fusion, 41, 1967-1979 4. Yu.V. Martinenko, M. Yu. Nagel 2009 Formation of dust in TOKAMAK (ser. Thermonuclear fusion.), 65-72 5. H-W. Bartels et al. // Safety, Environment and Health Group. Garching ITER Joint Cen- tral Team, 2000 6. A.U. Utegenov, A.B. Tazhen, M.K. Dosbolayev, T.S. Ramazanov. // 21st International Symposium on Heavy Ion Fusion. Book of abstracts, 53. 9-ші Халықаралық ғылыми конференция «Физиканың заманауи жетістіктері Алматы, Қазақстан, 12-14 қазан,2016 жəне іргелі физикалық білім беру» ______________________________________________________________________________________________________ 109 ВАКУУМДЫҚ ДОҒАЛЫҚ ҮДЕТКІШ ЗЕРТХАНАЛЫҚ ЖҰМЫСЫНЫҢ ВИРТУАЛЬДІ ЗЕРТХАНАЛЫҚ ЖҰМЫСЫН ЖАСАҚТАУ А.М. Жүкешов, А.Т. Габдуллина, А.У. Амренова, Қ. Фермахан, Г.А. Адамбек, С. Жұмабек əл-Фараби атындағы Қазақ Ұлттық Университеті,Қазақстан, Алматы Бұл жұмыстың өзектілігі вакуумдық доғалық тозаңдатудың жаңа жəне заманауи əдістерін оқып- үйренумен тығыз байланысты. Вакуумдық тозаңдату əдісі бөлшектердің, құралдардың жəне құрал- жабдықтардың бетіне функционалдық төсемдерді қондыру үшін жəне өткізгіштік, изоляторлық, тот басуға тұрақты, эрозияға тұрақты жəне т.б. қабат жасау үшін қолданылады. Сонымен қатар бұл процесс сəнді төсемдерді қондыру үшін қолданылады. Микроэлектроникада қолданылатын ең басты процесстердің бірі – бұл өткізгіш қабаттарды қондыру (металдандыру). Бұдан басқа, вакуумдық тозаңдату əдісі оптикалық қабаттарды алу үшін де қолданылады: жарықтандырғыш, шағылдырғыш, тазартқыш [1]. Берілген жұмыста əртүрлі құрылымдық материалдардың қабаттарын алу мақсатымен ВДҮ-1 құралымен жасалған вакуумдық доғалық тозаңдату əдісі арқылы алынған тəжірибелік мəліметтер қолданылған. Осы мəліметтер вакуумдық тозаңдату бойынша виртуалдық зертханалық жұмысты өңдеу үшін қолданылды. Құрылымдық материалдарды қабаттаудың əр түрлі режимдері қарастырылған. Виртуалды зертханалық жұмысты жасақтауда Unity бағдарламасы қолданылды [2]. Unity- бұл екі жəне үш өлшемді қосымшалар жəне ойын қозғалыстары арқылы жасайтын құрылғы, ол Windows, OS X операциялық жүйе бойынша жұмыс істейді. Қондырғыны үлкен өңдеушілер (Blizzard, EA, QuartSoft, Ubisoft) мен қатар Indie ойын жасаушылар қолданады тегін версияның, ыңғайлы интерфейс жəне қондырғымен жұмыс істеу оңай болуының арқасында виртуальді зертханалық жұмыс жасау үшін ең оң қондырғылар жəне осы мақсатты орындауға ыңғайлы- Unity 3D бағдарламасы таңдалды. Ол ақпараттың қол жетімділігімен, оңай қолданылуымен жəне графикалық мүмкіндіктеріне сай болды. Бұдан басқа жұмыста доғалық разрядты жасау үшін газда жүретін физикалық процестерді зерттеу бойынша оқу –əдістемелік құралды жасақтаудың нəтижелері көрсетілген. Оқу құралы негізінде тəжірибелік мəліметтерде қолданылды. Жұмыс №3111 ГФ 4/2016 гранттың аясында орындалды. Əдебиеттер: 1. Миначев В.Е. Нанесение пленок в вакууме. // Серия «Технология полупроводниковых приборов и изделий микроэлектроники». – Кн. 6. - Издательство: Высшая школа, 1989. 2. Zhukeshov A.M., Gabdullina A.T., Amrenova A.U., Moldabekov Zh.M., Fermakhan K. Development of a Virtual Laboratory for Investigating the Interaction of Materials with plasma. //J. Lecture Notes in Computer Science, 2015. - AVR2015, LNCS9254, Italy, Published: Springer In- ternational Publishing Switzerland, - Iss.1. - No 9254. - P. 475 – 481 The 9 th Interna achievements ____________ ВРЕМЕН ТЕРМОЯ Н.Х. Баст НИИЭТФ, Исследова ным напр плазмой [ пылинок с их влияни просы зан моядерног В д пристеноч метров пл тральных предполаг ка не осаж Рису для вольф 0.2 a T eV тельных э пылинки д туре (3965 ние пылин менились, чинается п К. Это ра потоком в ком энерги Рисунок (сплошна ния) пы ational Confere of physics and f _____________ ННАЯ ЭВО ЯДЕРНОГО тыкова, С. , КазНУ им ание влиян равлением [1-5]. Опре с плазмой ия на харак нимают бол го синтеза. данной раб чной плазм лазмы, , e T атомов, e n гается дейт ждается пла унок 1 пока фрама в о V , e i n n этапов в эв до точки п 5 К) от 20 μ нки при теп , как показ примерно с авновесная выходной э ии на пыли к 1 – Распр ая линия) и ылинки в од п ence «Modern fundamental ph _____________ ОЛЮЦИЯ О РЕАКТО К. Кодано м. Аль-Фара ния пыли в в ходе реа еделение м и с поверх ктеристики льшое мес оте рассма ме термояд 0.3 a i T T , e и i n пло териевой пл азменными азывает, вр однородной 14 2 10 cm волюции т плавления в μs до 100 μ пловом рав зано на рис с 100 μs, те температу энергии за инку из окр ределения т радиуса (п днородной плазме hysical educatio _____________ ПЫЛЕВО ОРА ова, Т.С. Ра аби, Алмат в установка ализации к механизмов хностью ре реактора, то в совре атривается дерного реа e i n n где отность эле лазмы без п и примесям ременные э й дейтерие 3 . Как вид температур в 20 μs; (ii) μs; (iii) пере вновесии. Н сунке 1 (пу емпература ура определ счет испар ружающей температур пунктирная дейтериево on» _____________ 110 ОЙ ЧАСТИ амазанов ты, Казахс ах управля крупномасш в образован еактора, мо безопаснос еменных ис перенос, и актора. Рас е , e i T T и T ектронов и примесей. ми. эволюции т евой плазм дно, можно ы пылинки ) фаза плав еход к сост На (i- iii) эт унктирная а пылинки д ляется бал рения и ра плазмы. ры я ли- ой October , _____________ ИЦЫ В ПР стан яемого терм штабных э ния пыли, оделирован сть термоя сследовани и время жиз счеты пров a T температ ионов, соо В этом слу температур ме с парам о выделить и: (i) начал вления пыл тоянию теп тапах ради линия). На достигает п лансом энер адиационно Ри лин 12-14, 2016, K ____________ РИСТЕНО моядерного эксперимен исследова ние перенос дерных уст иях пробле зни индиви водились д туры элект ответствен учае во вре ры пылинки метрами: T следующи льное нара линки при п плового рав иус пылинк а последнем постоянног ргии, главн ого излучен исунок 2 – В нки в однор вой Kazakhstan, Alm _____________ ОЧНОЙ ПЛ о синтеза с нтов с терм ание взаим са пылинок тановок – в ем управля идуальной для следую тронов, ион нно. Фонов емя движен и и радиус 3.0 , e T eV T ие четыре п астание тем постоянной вновесия; (i ки практиче м этапе, ко го значения ным образ ния и вход Время жизн родной дей й плазме maty ________ ЛАЗМЕ стало важ- моядерной модействия к и оценка все эти во- емого тер- пылинки в ющих пара- нов и ней- вая плазма ния пылин- са пылинки 0.7 , i T eV последова- мпературы й темпера- iv) испаре- ески не из- оторый на- я при 4850 ом, между дным пото- ни пы- йтерие- - й я а - - в - - а - и - ы - - - - 0 у - 9-ші Халықаралық ғылыми конференция «Физиканың заманауи жетістіктері Алматы, Қазақстан, 12-14 қазан,2016 жəне іргелі физикалық білім беру» ______________________________________________________________________________________________________ 111 Время жизни является одним из самых важных характеристик динамики пылевых час- тиц в термоядерной плазме. Время жизни сильно зависит от многих параметров, например, (i) от свойств материала, таких как теплоемкость и давление насыщенного пара, (ii) от неко- торых сложных взаимодействий пылинки с плазмой, приводящих к потере массы, (iii) от свойств электронного и радиационного излучения. Значение заряда или плавающий потен- циал пылинки может также повлиять на время жизни, поскольку они заметно влияют на ионные и электронные потоки на пылинку.На рисунке 2 показано время жизни пылинки в однородной дейтериевой плазме в зависимости от различных значений температуры и плот- ности плазмы. Кривые построены для плотности плазмы в диапазоне 10 11 -10 14 см -3 и для множества различных температур электронов в диапазоне от 5-50 эВ, которые типичны для пристеночной плазмы термоядерного реактора. Как видно, при увеличении температуры электронов и плотности плазмы, время жизни пылинки монотонно уменьшается в основном из-за большой плотности энергии на пылинку, что увеличивает температуру пылинки и уси- ливает испарения пылинки. Работа выполнена при поддержкеМинистерства образования и науки Республики Казахстан в рамках гранта3112/ГФ4 2015(ЭП-6). 1 WinterJ. Dust: A new challenge in nuclear fusion research? // Physics of Plasmas. – 2000. – Vol. 7. – P. 3862. 2 Tsytovich V.N. and Winter J. On the role of dust in fusion devices // Physics Uspekhi.– 1998. – Vol. 41. – P. 815. 3 Winter J. Dust in fusion devices—a multi-faceted problem connecting high- and low- temperature plasma physics // Plasma Phys. Control. Fusion. –2004. – Vol. 46. – P. B583. 4 Vignitchouk, P. Tolias and S. Ratynskaia Dust–wall and dust–plasma interaction in the MIGRAINe code // Plasma Phys. Control. Fusion. – 2014. – Vol. 56. – P. 095005. 5 Brown B.T., Smirnov R.D., Krasheninnikov S. I. Dynamics and transport of dust par- ticles in tokamak edge plasmas // Phys. Plasmas. – 2014. – Vol. 21. – P. 024501. жүктеу/скачать 11,53 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|