ГОЛОГРАФИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ПЛАЗМЫ И ЕЕ
ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТОКОВЫХ СЛОЕВ
1, 2
1Физико-технический институт им. РАН, Россия, 194021, Санкт-Петербург, Политехническая ул., д. 26, e-mail: *****@***ru
2 Институт общей физики им. РАН, Россия, 119991, Москва,
Ул. Вавилова, д. 38, e-mail: *****@***gpi. ru
Голографическая диагностика плазмы явилась одним из первых научных применений голографии. Первая работа по голографическому исследованию лазерной искры [1] была выполнена в лаборатории оптики плазмы ФТИ и опубликована в 1966 году, на год раньше аналогичных работ американских ученых. В обзорных статьях и книгах [2-6] рассмотрены возможности и особенности голографических методов диагностики плазмы.
Примерно в те же годы в ИОФАН были начаты работы по исследованию токовых слоев. Возможность формирования токовых слоев в магнитных полях с нулевой линией Х-типа была предсказана в 1966 г. [7]. В работах [8,9] описана экспериментальная установка и первые результаты лабораторных исследований токовых слоев, формирующихся в 2D магнитных полях с нулевой линией. В 1975 г. сотрудниками ИОФАН и ФТИ были начаты совместные исследования структуры и динамики токовых слоев методами голографической интерферометрии и киноголографии [10-13]. Уже в первых работах [10-11] была продемонстрирована возможность за один импульс лазера получить двумерную картину распределения электронов в плазме токового слоя в момент времени, соответствующий задержке лазерного импульса относительно начала импульса тока, протекающего через плазму. Обнаружено эффективное сжатие плазмы и формирование плазменного слоя. Для более детальных исследований процессов формирования и взрывного разрушения токовых слоев была создана киноголографическая установка [12-13], позволяющая получать пять голографических интерферограмм, сдвинутых во времени относительно друг друга на 60 нс, за один импульс плазменной установки.
Следующая серия наших работ [14-18] была посвящена голографическим исследованиям формирования токовых слоев в трехмерным (3D) магнитных полях. Эксперименты проводились на установке ТС-3D [19-20] (рис.1), позволяющей создавать, как двумерное (2D) магнитное поле с нулевой линией вида: B=(BX, BY, BZ) =(hy, hx, 0), так и трехмерное (3D) магнитное поле:
B=(BX, BY, BZ) =(hy, hx, BZ). Здесь h- градиент поперечного поля и BZ=const.
Характерной особенностью плазменных слоев, формирующихся в присутствии поля BZ, являются их наклон и асимметрия относительно осей x,y, особенно ярко проявляющиеся при формировании слоев в плазме тяжелых газов (Kr, Xe) (рис.2). Возникновение наклонных слоев было интерпретировано нами [17, 18], как результат взаимодействия продольного поля BZ с токами Холла, текущими в плоскости x,y, перпендикулярной основному импульсному току JZ.
Рис.1.Экспериментальная установка ТС-3D и голографический интерферометр.
а – вид сверху; b – поперечное сечение плазменной камеры.
 |
Рис.2. Распределение концентрации в слое, cформированном в криптоне в присутствии BZ, t≈3 мкс (а), и изменение наклона плазменных слоев, формирующихся в плазме инертных газов, со временем (b).
В дальнейшем [21], на основе магнитных измерений была исследована структура и эволюция токов Холла, возникающих в 2D магнитном поле, при BZ=0. На основе голографической интерферометрии было обнаружено, что в присутствии поля BZ происходит уменьшение концентрации электронов в плазменных слоях при одновременном увеличении их толщины, а также замедление процесса сжатия плазмы в слой [14-16]. Эти эффекты были интерпретированы нами как усиление компоненты BZ в слое за счет ее увлечения течениями плазмы, что в дальнейшем было подтверждено магнитными измерениями [22-23].
В большинстве цитированных выше работ, токовые слои формировались в плотной плазме (Ne0=1014÷1015см-3), предварительно ионизованной θ-разрядом. Однако в ряде работ [17,18] эксперименты проводились в слабо ионизованной плазме (Ne0≈1011 см-3), в отсутствие θ-разряда. Особенностями развивающихся в этом случае плазменных слоев является ярко выраженная двугорбая структура распределения Ne(x) и быстрое перемещение боковых максимумов Nemax от центра к периферии (рис.3).
Рис.3. Продольное распределение электронной плотности (а) в двугорбом слое, формирующемся в Ar (t=1,6μs), и зависимость скорости перемещения боковых максимумов от градиента поперечного магнитного поля (b).
Детальному исследованию влияния начальной плотности плазмы на структуру и динамику токовых слоев посвящены работы [24,25]. Было показано, что, несмотря на различие начальной степени ионизации более, чем на 3 порядка, концентрация электронов в слое, формирующемся в слабо ионизованной плазме, была выше, чем в слоях, формирующихся в плотной плазме. Это указывает на определяющую роль ионизационных процессов, происходящих преимущественно в области протекания тока, т. е. в пределах слоя. В [26] были выполнены теоретические расчеты магнитных полей и сил Ампера, ответственных за динамику одногорбых и двугорбых токовых слоев. Было показано, что силы Ампера, ответственные за растяжение слоев вдоль оси x, в случае двугорбых слоев в 2÷4 раза превышают силы, действующие в одногорбых слоях, чем и обусловлено стремительное перемещение боковых максимумов от центра к периферии (рис.3b).
В ряде работ [27-29], выполненных в последние годы на установке ТС-3D, была обнаружена генерация направленных сверхтепловых потоков плазмы. На основе магнитных измерений [30-31] установлено, что в токовых слоях присутствует нормальная к поверхности слоя компонента магнитного поля, ответственная за появление сил Ампера, приводящих к генерации сверхтепловых потоков. На поздних стадиях эволюции, на удаленных от центра краях токовых слоев была обнаружена генерация токов обратного направления по отношению к основному току JZ в центральной области слоя [30,31]. При этом увеличивалась толщина токового слоя на его краях, что обусловлено постепенным уменьшением сил Ампера, обеспечивающих сжатие тока и плазмы, и последующим изменением направления этих сил в областях обратных токов. Аналогичные особенности, характерные для структуры и динамики плазменных слоев, были выявлены и при анализе голографических интерферограмм, полученных при близких экспериментальных условиях [32]. Кроме того, на интерферограммах слоев, формирующихся в 3D магнитных полях, наблюдалось изменение направления наклона плазменных слоев на поздних стадиях эволюции, что может свидетельствовать об изменении направления токов Холла в тех областях, где ток JZ течет в обратном направлении.
Таким образом, методы голографической интерферометрии внесли существенный вклад в исследования структуры и динамики токовых слоев.
Работа выполнена при поддержке РФФИ, проект № 12-02-00553а и Программой ОФН РАН-15 «Плазменные процессы в космосе и в лаборатории».
ЛИТЕРАТУРА
1. , . Письма ЖЭТФ. 4 (1966) 121.
2. , , . ЖТФ. 38(1968) 1405.
3. и . Лазерные методы исследования плазмы. Ленинград, Наука, 1977.
4. , и . Голографическая интерферометрия. Москва, Наука, 1977.
5. Ostrovskaya G. V., Ostrovsky Yu. I. Progress in Optics 22 (1986) 199.
6. , УФН.149 (1986) 105.
7. . Астр. Журн. 43 (1966) 340.
8. , , А. З. Ходжаев. Письма в ЖЭТФ. 15 (1972) 138.
9. . Тр. ФИАН. 43 (1974) 108.
10. , , и др. Письма в ЖТФ 1 (1975) 141.
11. , , и др. Физика плазмы 3 (1977) 45.
12. , , и др. Физика плазмы 3(1978) 14.
13. , , и др. ЖТФ 51 (1981) 1850.
14. ., и др. Физика плазмы 51 (2002) 594.
15. A. G. Frank, S. Yu. Bogdanov, et al. Physics of Plasmas 12(2005) 052316.
16. , , и др.Физика плазмы 32(2006)1121.
17. A. G.Frank, S. Yu. Bogdanov, G. V. Dreiden et al. Physics Letters A 348(2006) 318.
18. , , и др. Физика плазмы 33(2007)1014.
19. , , и др. Письма в ЖЭТФ 59 (1994) 510.
20.A. G. Frank. Plasma Phys. & Contr. Fusion. 41 3A (1999), A687.
21. A. G.Frank, S. G.Bugrov, V. S. Markov. Physics of Plasmas 15 (2008) 092102.
22. , , и др., Физика плазмы 33(2007) 483.
23. A. G.Frank, S. G. Bugrov, V. S. Markov. Phys. Lett. A. 373 (2009) 1460.
24. , , // ЖТФ 80 (2010) 24.
25. , . ЖТФ 82 (2012) 75.
26. . ЖТФ 83 (2013) Ч.1 59, Ч.2 69.
27. , , . Физика плазмы 36 (2010) 387.
28. , , . Письма в ЖЭТФ 95 (2012) 17.
29. , . Физика плазмы 38 (2012) 1042.
30. A. G. Frank, N. P.Kyrie, S. N Satunin. Physics of Plasmas 18 (2011) 111209.
31. , C. Н. Сатунин. Физика плазмы 33 (2011)889.
32. , . Физика плазмы 40 (2014) 24.
