Механизм развития пучково-плазменного разряда в газодинамической ловушке

В работе изучается механизм зажигания плазменного разряда в газодинамической ловушке (ГДЛ) в объеме, сечение которого значительно превышает сечение инжектируемого электронного пучка. Это свойство пучково-плазменного разряда делает привлекательным использование относительно маломощных электронных пучков для создания в открытых ловушках стартовой плазмы с параметрами, достаточными для ее дальнейшего эффективного нагрева с помощью нейтральной инжекции. Несмотря на то что эффективная ионизация плазмы далеко за пределами электронного пучка в открытых ловушках экспериментально наблюдается уже более 60 лет, детальный механизм этого явления до сих пор не ясен. Особенно много вопросов возникает в режимах, которые реализуются в таких больших термоядерных установках, как ГДЛ, где длина релаксации пучка оказывается существенно меньше длины ловушки, а возбуждаемые пучком плазменные колебания локализованы вблизи входной магнитной пробки. На основе недавних экспериментов [E. I. Soldatkina et al. Nucl. Fusion 62, 066034 (2022)] был предложен сценарий развития разряда в ГДЛ, согласно которому компактная область интенсивных плазменных колебаний сначала быстро расширяется по радиусу, ионизируя газ в окресности магнитной пробки за пределами магнитной силовой трубки, по которой двигается пучок, а затем начинается более медленный процесс ионизации в остальном объеме ловушки. Этот процесс реализуется как за счет хвоста надтепловых электронов, которые формируются в зоне турбулентности, так и благодаря тепловым электронам, которые получают энергию из области накачки по каналу продольной электронной теплопроводности. Чтобы оценить, насколько хорошо предложенный сценарий объясняет наблюдаемую в экспериментах динамику роста плотности плазмы в разных частях установки, в работе проводится PIC-моделирование радиального расширения зоны мелкомасштабной плазменной турбулентности и предлагается упрощенная модель ударной ионизации во всем объеме ловушки как тепловыми, так и надтепловыми электронами.

1. Харченко И. Ф., Файнберг Я. Б., Николаев Р. М., Корнилов Е. А., Луценко Е. И., Педенко Н. С. Взаимодействие пучка электронов с плазмой в магнитном поле // Ядерный синтез: Дополнение. 1962. Ч. 3.

2. Smullin L. D., Getty W. D. Generation of a Hot, Dense Plasma by a Collective Beam-Plasma Interaction // Phys. Rev. Lett. 1962. Vol. 9. P. 3. DOI: 10.1103/PhysRevLett.9.3

3. Getty W. D., Smullin L. D. Beam-Plasma Discharge: Buildup of Oscillations // J. Appl. Phys. 1963. Vol. 34. P. 3421 3429. DOI: 10.1063/1.1729220

4. Alexeff I., Neidigh R. V., Peed W. F., Shipley E. D. and Harris E. G. Hot-Electron Plasma by Beam-Plasma Interaction // Phys. Rev. Lett. 1963. Vol. 10. P. 273. DOI: 10.1103/PhysRevLett.10.273

5. Закатов Л. П., Плахов А. Г., Рютов Д. Д., Шапкин В. В. Высокотемпературная электронная компонента в пучково-плазменном взаимодействии // ЖЭТФ. 1968. Т. 54.

6. Ryutov D. D. Contribution to the theory of beam heating of a plasma in an open trap // Nucl. Fusion. 1969. Vol. 9. P. 297. DOI: 10.1088/0029-5515/9/4/003

7. Soldatkina E. I., Pinzhenin E. I., Korobeynikova O. A., Maximov V. V., Yakovlev D. V., Solomakhin A. L., Savkin V. Ya., Kolesnichenko K. S., Ivanov A. A., Trunev Yu. A., Voskoboynikov R. V., Shulzhenko G. I., Annenkov V. V., Volchok E. P., Timofeev I. V. and Bagryansky P. A. Electron beam-plasma discharge in GDT mirror trap: experiments on plasma start-up with electron gun // Nucl. Fusion. 2022. Vol. 62. P. 066034. DOI: 10.1088/1741-4326/ac3be3

8. Timofeev I. V., Annenkov V. V., Volchok E. P. and Glinskiy V. V. Electron beam–plasma discharge in GDT mirror trap: particle-in-cell simulations // Nucl. Fusion. 2022. Vol. 62. P. 066033. DOI: 10.1088/1741-4326/ac3cdc

9. Boris J. P. Relativistic plasma simulation-optimization of a hybrid code // Proc. of 4th Conf. on Numerical Simulations of Plasmas (Washington, DC, USA 2–3 November 1970). Washington, DC, USA: Naval Research Laboratory, 1970. P. 3–67. URL: https://books.google.ru/books?id=zqxSAQAACAAJ

10. Yee K. Numerical solution of initial boundary value problems involving maxwell’s equations in isotropic media // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1966. Vol. 14. P. 302. DOI: 10.1109/TAP.1966.1138693

11. Esirkepov T. Zh. Exact charge conservation scheme for Particle-in-Cell simulation with an arbitrary form-factor // Computer Physics Communications. 2001. Vol. 135. P. 144. DOI: 10.1016/ S0010-4655(00)00228-9

12. Annenkov V. V., Berendeev E. A., Timofeev I. V., Volchok E. P. High-power terahertz emission from a plasma penetrated by counterstreaming different-size electron beams // Phys. Plasmas. 2018. Vol. 25. P. 113110. DOI: 10.1063/1.5048245

13. Kim Y.-K. and Rudd M. E. Binary-encounter-dipole model for electron-impact ionization // Phys. Rev. A. 1994. Vol. 50. P. 3954. DOI: 10.1103/PhysRevA.50.3954

14. Брагинский С. И. Явления переноса в плазме // Вопросы теории плазмы / Под ред. М. А. Леонтовича. М.: Гос-атомиздат, 1963. Вып. 1. 183 с.