ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ СО РАН

"Время собирать научный урожай"

В. Койдан
"Построив установку ГОЛ-3-II, мы сделали очень хороший технический задел на несколько лет вперед, по меньшей мере, на ближайшие пять лет. Есть много интересных физических задач, которые мы можем и должны решать на этой установке."
Три года назад, весной 1996 года, в "Энергии-Импульс" были опубликованы материалы, рассказывающие об исследованиях на установке ГОЛ-3. Это был период, когда только что завершилась очень большая работа по модернизации установки. Сегодня наш корреспондент беседует с доктором физико-математических наук, заведующим десятой лабораторией Василием Семеновичем Койданом.
Василий Семенович, установка ГОЛ-3-II в марте 1996 года еще только начинала работать. Удалось ли в полной мере использовать высокие параметры пучка, полученные на этой установке, для достижения более высоких физических параметров плазмы?
Если кратко, то да. Действительно, на новой установке, которая вступила в строй в конце 1995 года, уже получены новые интересные результаты. Я напомню, что новая установка, нацеленная на получение плотной горячей плазмы, отличается от предыдущей следующими важными параметрами. Во-первых, существенно, почти в два раза - до 12 метров, увеличена длина плазменного столба и соответственно магнитной системы. Во-вторых, на этой установке стал использоваться другой генератор пучка, У-2, созданный группой А.В. Аржанникова, который обеспечивает энергозапас инжектируемого пучка около 200 КДж, что примерно в три раза больше, чем было раньше на первой очереди установки ГОЛ-3. Такие существенные изменения в установке привели к необходимости решать заново некоторые <научно-технические> задачи.
Какие проблемы были решены за эти три года?
Первая - создание предварительной плазмы на длине 12 м. Был получен шнур плазмы длиной 12 м с плотностью от 1014 до 3,5?1015 см-3. Никто до нас этого не делал. Создание такой плазмы было крайне необходимо для экспериментов с инжекцией пучка. При упомянутых параметрах инжектировать пучок на длину 12 метров можно только при наличии заранее приготовленной плазмы. Здесь же была решена и вторая проблема - транспортировка сильноточного пучка на столь значительную длину. Известно, что если пучок с токами в десятки килоампер инжектируется в плазму на большую длину, то может развиться довольно опасная макроскопическая неустойчивость пучка (неустойчивость .Крускала- Шафранова). Опасность заключается в том, что если не создать условий для макроскопически устойчивой транспортировки пучка, то возникает винтовая неустойчивость и пучок может оказаться выброшенным на стенки. Если энергосодержание пучка невелико, то это не так уж страшно. Но при том энергосодержании пучка, с которым мы работаем, это может привести просто к разрушению стенки вакуумной камеры, в лучшем случае - внутрикамерного диагностического оборудования. В определенном смысле это аварийная ситуация. Чтобы этого не происходило, нужно создать условия, не допускающие развития такой неустойчивости. Эта задача была решена следующим образом. Система создания предварительной плазмы устроена таким образом, что ток предварительного разряда в момент инжекции пучка течет навстречу пучку, кроме того есть еще некоторые особенности выходной системы приема пучка - и, в результате, осуществляется интенсивная компенсация тока пучка. При инжектируемом токе пучка порядка 30 кА суммарный ток, состоящий из тока пучка и встречного тока в плазме составляет всего несколько килоампер, что существенно меньше порога неустойчивости, который для нашей установки составляет около 15 кА. Таким образом, были созданы условия для макроскопически стабильной транспортировки пучка на длину 12 м.
После решения этих двух задач были проведены эксперименты по изучению коллективного взаимодействия пучка с плазмой в новых условиях. Новым результатом стало то, что получена очень сильная релаксация пучка. Увеличенная длина плазменного столба сыграла свою роль: мы наблюдаем настолько сильную коллективную релаксацию пучка, что на выходе из плазмы пучка как такового фактически нет, он превращается в поток электронов с очень широким спектром, с интегральной потерей энергии пучка в плазме до 40%. Такого результата ранее не наблюдалось. Следующим важным результатом явилось, вследствие такой интенсивной релаксации пучка, получение существенно более высоких параметров плазмы. Впервые на открытых ловушках была получена электронная температура на уровне 2 кэВ (20 млн градусов). На первый взгляд, такая температура не должна была быть получена. В открытой системе при нагреве плазмы есть большие продольные потери энергии, и чем выше электронная температура, тем интенсивнее потери. Но в наших экспериментах проявился эффект подавления (на 2-3 порядка) продольной электронной теплопроводности в турбулентной плазме. Суть этого эффекта заключается в том, что пучок при взаимодействии с плазмой возбуждает в ней интенсивные ленгмюровские колебания, которые переводят плазму в состояние с высоким уровнем турбулентности. В результате эффективная частота столкновений плазменных электронов возрастает на два-три порядка и резко уменьшается теплопроводность плазмы вдоль магнитного поля, вдоль системы. Потери энергии из плазмы сильно замедляются, в результате интенсивность нагрева резко возрастает и температура плазмы получается очень высокой. Это тот редкий случай, когда турбулентность в плазме является весьма положительным фактором. Заметим, что речь идет о нагреве плазмы с плотностью 1015 см-3 и даже несколько большей. В получении этих результатов большая заслуга прежде всего группы А.В. Бурдакова. Это наиболее важные результаты, которые получены на новой установке. Возвращаясь к вопросу о том, какие еще эксперименты проведены на установке ГОЛ-3-II, хочу добавить следующее. После того, как мы получили хорошие результаты по нагреву плазмы при плотности 1015 см-3 в однородной плазме длиной 12 метров, мы вернулись к экспериментам по двухступенчатому нагреву плазмы. Напомню суть этого метода. Пучок за счет коллективного торможения может нагревать плазму с плотностью только порядка 1015 см-3. Для получения более плотной горячей плазмы (с плотностью 1016ё1017 см-3) нужно использовать метод двухступенчатого нагрева. При большой плотности плазмы пучок перестает релаксировать и начинает свободно проходить через плотную плазму, не теряя энергии. Такова особенность бесстолкновительной релаксации пучка за счет возбуждения турбулентности. Плотная горячая же плазма нам необходима, чтобы подойти к экспериментам по изучению многопробочного удержания плотной плазмы, в том числе и плазмы с большим b (большим давлением). Таким образом, нужно научиться получать горячую плазму с плотностью 1016ё1017 см-3 и температурой до 1 кэВ. Такую плазму можно получить, если в первоначально нагретой <редкой> (1015 см-3) плазме создавать сгустки плотной плазмы, в которой горячие электроны <редкой> плазмы, распространяясь вдоль магнитного поля, тормозились бы уже за счет обычных парных столкновений и нагревали бы плотный сгусток. Такие эксперименты мы уже проводили на первой очереди установки. Теперь же на новой установке нам удалось сгусток с плотностью ~1016 см-3 нагреть до электронной температуры >0,5 кэВ и, что очень существенно, нагреть ионную компоненту этой плазмы до температуры в несколько сот электрон-вольт (100ё200 эВ). Это существенный шаг. Нужно двигаться дальше, по оптимизации этого нагрева, и получению еще более высоких параметров, чтобы можно было начинать эксперименты по изучению поведения такой плазмы в многопробочном магнитном поле. Мы как раз подошли к этим экспериментам и сейчас начинаем работать в этом направлении.
Параллельно за эти годы мы выполнили еще несколько работ. Проведено несколько экспериментов по взаимодействию горячего электронного потока с твердым телом. Это сделано в рамках контракта с ядерным центром в Карлсруэ (Германия), в связи с проблемой материалов для будущих токамаков, в частности, в связи с проблемой <большого срыва>, когда возможно выбрасывание горячей плазмы на твердые материалы дивертора. Здесь мы получили несколько интересных результатов, в частности, по механизму эрозии графита, по его распылению, размерам и массе графитовых пылинок, которые возникают при таком взаимодействии. Это очень важно с точки зрения будущих технологий термоядерных реакторов. Результаты докладывались на нескольких международных встречах и вызвали большой интерес. Значительно продвинулась еще одна из работ, которую мы выполняем в рамках гранта РФФИ в течение многих лет, а именно по исследованию возможности применения сгустка плотной горячей плазмы для получения мощной вакуумно-ультрафиолетовой вспышки и, в перспективе, создания импульсного ультрафиолетового лазера.
В какой стадии находятся исследования по стеночному удержанию горячей плотной плазмы?
Для проведения таких экспериментальных исследований мы стремимся, как я уже отмечал, получить плазму с большим давлением, с большим b, а затем и приступить к изучению механизма ее взаимодействия со <стенкой>.
В какой стадии находится проект использования ленточных пучков для генерации излучения миллиметрового диапазона?
Этот проект получил поддержку по нескольким линиям и активно развивается (занимается им в основном группа А.В. Аржанникова). Ранее эти работы велись на генераторе пучка У-2 при использовании маломасштабного ленточного пучка. Последние два года в связи с тем, что генератор пучка У-3, который раньше использовался на первой очереди установки ГОЛ-3, освободился, мы перевели работы по генерации миллиметрового излучения на этот генератор. Он был модернизирован специально для получения такого ленточного пучка, который был бы пригоден для проведения экспериментов по генерации излучения миллиметрового диапазона по схеме ЛСЭ. Эксперименты эти активно идут и есть очень интересные результаты. Сейчас работы ведутся с применением активного ондулятора и с использованием двух типов резонаторов: с одномерными и с двумерными дифракционными решетками. Решается много задач как в техническом, так и в физическом плане: формирование нужного электронного пучка и его транспортировка в щелевом канале, получение генерации излучения длительностью в несколько микросекунд на уровне сотен МВт, повышение КПД преобразования энергии электронного пучка в излучение, получение генерации в очень узком спектральном диапазоне на длине волны 4 мм. Такие работы имеют многие интересные применения и вызывают интерес и поддержку международной научной общественности.
Модернизация установки ГОЛ-3 была проведена три года назад. Как долго вы ее собираетесь использовать в этом виде и есть ли планы очередной модернизации?
Сейчас нет необходимости проводить новую модернизацию: то, что сделано, нужно освоить с максимальной научной эффективностью. Построив эту установку, мы сделали очень хороший научно-технический задел на несколько лет вперед, по меньшей мере, на ближайшие пять лет. Есть много интересных физических задач, которые мы можем и должны решить на этой установке. Кроме того, сейчас трудно сделать большую модернизацию.
Сейчас жизнь складывается так, что институт вынужден искать "дополнительные заработки". Я знаю, что и ваша лаборатория принимает участие в общеинститутских работах...
Да, это так, в прошлом году, например, одна из наших групп (группа В.В. Конюхова), занимающаяся электроникой и системами питания, много времени потратила на модернизацию системы питания для испытания магнитных катушек, которые делаются по заказу LHC. В свое время (1995 г.) эта система питания была сделана нами для выполнения контракта с BESSY. Сейчас же эта группа занимается усовершенствованием и расширением этой системы в связи с контрактом PSI. Здесь следует отметить особенно активную работу А.Г. Макарова и С.С. Перина. Хотелось бы отметить также надежную работу группы К.И. Меклера (15 МДж конденсаторная батарея) при проведении всех экспериментов. Нас постоянно и усиленно поддерживает также во всей нашей научно-технической деятельности конструкторское бюро В.С. Николаева.
Как изменился за последние три года кадровый состав коллектива Вашей лаборатории?
К сожалению, несколько высококвалифицированных сотрудников за это время ушло (главным образом, из-за низкого уровня зарплаты). К счастью, мы приняли на работу несколько молодых способных выпускников НГУ и НГТУ. Они сейчас еще аспиранты (это бывшие наши студенты, мы их отбирали, воспитывали), но уже очень активно и успешно работают у нас. Опыта у них еще не хватает, но главное, что есть интерес и желание работать. По количественному составу лаборатория осталась на том же уровне. Постоянно приходят к нам студенты, мы с ними работаем, многие остаются у нас. Мы рады, что есть студенты, молодые люди, которые интересуются наукой, хотят работать в науке, и нужно их всячески поддерживать - и морально, и материально.