ФИЗИКА ПЛАЗМЫ

ЭКРАНИРОВКА ПЛАЗМЫ В АДИАБАТИЧЕСКИХ ЛОВУШКАХ ПРИ ЭЦР НАГРЕВЕ

ТИМОФЕЕВ А. В.

1. Конфигурация магнитного поля адиабатических ловушек такова, что силовые линии пересекают стенки вакуумной камеры. Высокоэнерге­тические частицы, уходящие из ловушки, попадают на стенки, вызывая эмиссию электронов. Это явление, как известно, может приводить к ин­тенсивному охлаждению плазмы. Так, в экспериментах с напуском газа для стабилизации ионной циклотронной неустойчивости на установке 2X1 IB при вводимой в электроны мощности W&2 МВт их температура Те Оказалась равной всего лишь «60 эВ (F«4,5 л, /i0«10u см'3) [1].

Покажем, что с помощью электронных циклотронных колебаний адиа­батические ловушки могут быть экранированы от вторично-эмиссионных электронов. Предположим, что в запробочной области возбуждены элек­тромагнитные колебания, частота которых в точке Ъл совпадает с электронной циклотронной (рисунок). Попадая в точку Za, электрон из­меняет поперечную по отношению к магнитному полю компоненту скоро­сти z;±-^i;±4-Ayx. Для электронов, останавливающихся в точке резонанса,

2пеЕ ( 4L2 7* ^

------ - I cos Ф„ где Е — амплитуда циркулярно поляризован -

“ ' 0)У. 7

M

Ноіі составляющей ВЧ поля, вращающейся в электронную сторону; Ь — характерный масштаб изменения магнитного поля; Ф. — фаза циклотрон­ного вращения электрона в точке 2«, отсчитываемая от фазы ВЧ колеба­ний (см., например, [2]). Если АИ± значительно превышает начальную скорость холодных электронов 17е, то при оценках &и± в приведенном выше выражении следует положить При этом условие можно при­

Вести к виду

£>2Ї»-ТШ'-

Где рс — ларморовскии радиус холодных электронов. Если оно выполняется, то у электронов, движущихся от стенки, в окрестности точки 2, магнитный мо­мент возрастает настолько, что они ос­танавливаются и затем выталкиваются в область меньшего магнитного поля.

Иными словами, область электронного

Циклотронного резонанса действует как затвор, не пропускающий холод­ные электроны в ловушку.

Часто в экспериментах ВЧ антенны не направлены на область запро - бочного ЭЦ резонанса. Однако за счет рассеяния и отражения от стенок камеры некоторая доля ВЧ энергии в эту область может проникнуть (см., например, [5]). Отметим, что при характерных значениях параметров 2?о~10 кГс. 7~1 эВ, Ь~ 1 м условие (1) выполняется, начиная с Е~ 1 В/см.

Предположим теперь, что вторично-эмиссионные электроны все-таки попадают в ловушку. Если условие (1) выполняется в точке циклотрон­ного резонанса г/, то большая часть электронов захватится в ловушку. Однако плазма в ловушке должна быть квазинейтральной и, следователь­но, число захваченных электронов не может быть слишком большим. При достаточно большом потоке вторично-эмиссионных электронов потенциал плазмы понизится, что приведет к электростатической экранировке плаз­мы. Отметим, что падение потенциала в окрестности точки циклотронного резонанса наблюдалось в экспериментах [3, 4].

Возможно, что рассматриваемые явления обусловили высокую эффек­тивность ФДР нагрева в адиабатических ловушках, когда введение срав­нимой и даже меньшей мощности, чем в экспериментах [1], позволило под­нять энергию электронов до значений 10—100 кэВ [5—7]. Эффективность нагрева удобно характеризовать величиной т=7,вПоУ/И^, имеющей смысл времени удержания вводимой энергии. В [1], где электроны получали энергию от ионов посредством кулоновских соударений, т~10_в с, в то время как при ЭЦР нагреве т^Ю-3 с [5—7].

2. Присутствие горячей плазмы может ослабить описываемые явления. Так, если ВЧ колебания распространяются вдоль магнитного поля, то при подходе к резонансной точке 2, их длина волны уменьшается. Для высоко­энергичных электронов за счет эффекта Доплера условие резонанса <о= =й).+А:||У|, будет выполняться перед точкой 2,((о—©.(г.)). В результате колебания могут поглотиться, не доходя до точки гв, и, следовательно, ЭЦР взаимодействие холодных электронов с колебаниями прекратится.

При приближенном рассмотрении примем, что горячие электроны име­ют максвелловское распределение по скоростям. В этом случае дисперси­онное соотношение для колебаний, распространяющихся вдоль магнитного поля, имеет вид

** _ ( « V* ( ! + 1^12( ) .

'С' х со (со*—со) Щ (дкин ' Кин 11

Здесь К — волновое число колебаний, (оР. — электронная ленгмюровская ча­стота, Ун — тепловая скорость горячих электронов, Пн — их плотность, Z — интеграл вероятности от комплексного аргумента.

Вдали от точки циклотронного резонанса, в области, где выполняется

TOC o "1-5" h z СОр, / со /а

Условие [со—(дв^>кин, имеем Лек =------- ----------- ) ,

С ' (О.—(О '

тк = д Д Пн (сОе-со) с„ / (<о.-<о)3 / С 2

Ш 2 По ин 6ХР' (д(дрвг '

При подходе к точке г, амплитуда колебаний уменьшается в ЕГ раз *:

_'/:Г ( ^

■ -3-—

6 ' С / 'а' По

ГВ

Здесь считается, что в окрестности Хш магнитное поле меняется по линей­ному закону. При Г>1 амплитуда колебаний в точке Ъ» будет пренебре­жимо мала.

Если ВЧ колебания вводятся в ловушку под углом к магнитному полю,

—V —

С I По

(см., например, [2]). Однако одновременно уменьшается и амплитуда правополяризованной составляющей электрического поля колебаний, с ко­торой особенно интенсивно взаимодействуют холодные электроны

Е г----- 1 &ш & — амплитуда полного ВЧ поля.

С

За обсуждение работы автор благодарен В. В. Арсенину, А. В. Звон­кову, А. А. Сковороде.