Alushta-2012 International Conference-School on Plasma Physics and Controlled Fusion and The Adjoint Workshop


Download 3.89 Mb.
Pdf ko'rish
bet1/28
Sana15.12.2019
Hajmi3.89 Mb.
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   28

 
 
Alushta-2012 
International Conference-School on  
Plasma Physics and Controlled Fusion 
and 
The Adjoint Workshop  
"Nano- and micro-sized structures in plasmas" 
Alushta (Crimea), Ukraine, September 17-22, 2012 
 
 
This Conference is sponsored by: 
 
 
 
 
 
European Physical Society
 
 
 
 
National Academy of Sciences of Ukraine 
 
 
 
National Science Center “Kharkov Institute of 
Physics and Technology” 
 
 
Science and Technology Center in Ukraine 
The Adjoint Workshop 
is sponsored by: 

 
International Advisory Committee: 
O.Agren – Uppsala University, Sweden 
V.Astashynski – IMAF, Minsk, Belarus  
I.G.Brown – LBNL, Berkeley, USA 
R.Galvao – CBPF, Rio de Janeiro, Brazil 
M.Gryaznevich – Culhem Lab. Abingdon, UK 
C.Hidalgo - CIEMAT, Madrid, Spain 
A.Hassanein – Purdue University, USA 
T. Komori        - NIFS, Japan 
E.P.Kruglyakov – INF, Novosibirsk, Russia 
I.S.Landman – KIT Karlsruhe, Germany 
J.Linke – FZJ, Juelich, Germany 
O.Motojima – ITER 
K.Nakajima – Tsukuba Univ., Ibaraki, Japan 
I.M.Neklyudov – NSC KIPT, NASU, Kharkov, 
Ukraine 
M.P.Petrov – Ioffe Phys.-Tech. Institute,  
                                     St.Petersburg, Russia 
A.A.Rukhadze – Inst. of General Phys., Russia 
M.J.Sadowski – SINS, Warsaw, Poland 
V.P.Smirnov – Kurchatov Inst., Moscow, Russia 
J.Stockel – IPP, Prague, Czech Republic 
G.Van Oost - Ghent University, Belgium 
F.Wagner – IPP, Greifswald, Germany          
J. Winter    - Ruhr-University, Bochum, Germany 
A.G.Zagorodny–Bogolyubov Inst. for Theor.   
                             Phys. (NASU), Kiev, Ukraine
 
 
Program Committee: 
K.N.Stepanov (IPP NSC KIPT, NASU)- Chairman 
V.A.Makhlaj (IPP NSC KIPT, NASU) – Scientific 
Secretary 
N.A.Azarenkov (Karazin National Univ., Kharkov) 
I.A.Anisimov (T.Shevchenko National Univ., Kiev)  
V.A.Buts (IPENMA NSC KIPT, NASU) 
I.E.Garkusha  (IPP  NSC  KIPT, NASU, Kharkov) 
I.A.Girka (Karazin National Univ., Kharkov) 
A.A.Goncharov (Inst. of Phys., NASU, Kiev) 
D.L. Grekov - IPP NSC KIPT, NASU, Kharkov 
V.I.Karas‟ (IPENMA NSC KIPT, NASU) 
V.F.Klepikov – IERT, NASU, Kharkov, Ukraine 
 
 
Ya.I.Kolesnichenko (KINR, NASU, Kiev) 
I.N.Onishchenko  (IPENMA NSC KIPT, NASU) 
O.S.Pavlichenko   (IPP NSC KIPT, NASU, Kharkov)  
K.P.Shamrai (KINR, NASU, Kiev) 
V.S.Taran (IPP NSC KIPT, NASU, Kharkov) 
V.T.Tolok     (NSC KIPT, Kharkov)                 
V.S.Voitsenya (IPP NSC KIPT, NASU, Kharkov) 
A.M.Yegorov (IPENMA NSC KIPT, NASU, 
Kharkov) 
K.A.Yushchenko(Paton Inst. for Welding, NASU,Kiev)  
A.G.Zagorodny (Bogolyubov Inst. for Theor.  Phys., 
NASU, Kiev)  
V.A.Zhovtyanski (Inst. of Gases, NASU, Kiev)
 
Organizing Committee of Adjoint Workshop on Nano- and Micro- sized 
Structures in Plasma 
 
I.Denysenko -KhNU, Kharkov, Ukraine - Co-Chairman 
I.Garkusha - IPP NSC KIPT, Kharkov Ukraine-Co-Chairman  
 
Local Organizing Committee: 
 
I.M. Neklyudov (NSC KIPT) - Co-Chairman 
I.E. Garkusha (IPP NSC KIPT) - Co-Chairman 
V.S. Voitsenya (IPP NSC KIPT) - Vice 
Chairman 
M.E. Maznichenko (IPP NSC KIPT) - Vice 
Chairman 
V.A. Mikhailov (NSC KIPT) - Vice Chairman 
A.M. Yegorov (IPENMA NSC KIPT) - Vice 
Chairman 
 
 
 
 
 
V.A. Makhlaj (IPP NSC KIPT) - Scientific 
Secretary  
V.V. Garkusha (IPP NSC KIPT)- Secretary 
V.P. Chizhov  (NSC KIPT) 
S.M. Maznichenko   (IPP NSC KIPT) 
L.K. Tkachenko (IPP NSC KIPT) 
S.V. Urvantseva (IPP NSC KIPT) 
A.V. Volobuev (NSC KIPT) 
V.V. Yakovleva (IPP NSC KIPT) 
K.N.Stepanov 
 

 

 
CONTENTS 
 
Preface 
Invited Lectures……………………………………………………….. 
Contributed Papers …………………………………………………. 
Topics: 
1.  Magnetic Confinement Systems: Stellarators, Tokamaks, 
Alternative Conceptions………..……………………………... 
2.  Plasma Heating and Current Drive…………………………… 
3.   ITER and Fusion Reactor Aspects..………………………….. 
4.  Basic Plasma Physics …………………………………………... 
5.  Space Plasma………………………………………………….... 
6.  Plasma Dynamics and Plasma–Wall Interaction ……………. 
7.  Plasma Electronics ……………………………………………. 
8.  Low Temperature Plasma and Plasma Technologies ……….. 
9.  Plasma Diagnostics …………………………………………….. 
Contributed Papers of Adjoint Workshop
………………………. 
Post Deadline reports…………………………………………………. 
Index of authors………………………………………………….……. 
 
 
 

23 
 
 
23 
59 
67 
82 
101 
105 
125 
148 
195 
216 
229 
231 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

 
International  Conference  and  School  on  Plasma  Physics  and  Controlled 
Fusion  ALUSHTA-2012 combined  with Adjoint  Workshop "Nano-  and  micro-
sized  structures  in  plasmas"  follows  the  previous  International  Conferences  , 
which  were  held  in  Alushta  in  1998,  2000,  2002,  2004,  2006,  2008,  2010  and 
were  organized  by  the  National  Science  Center  “Kharkov  Institute  of  Physics 
and Technology” and Bogolyubov Institute for Theoretical Physics
 
. More than 
100  Ukrainian  scientists  and  70  foreign  participants  (from  16  countries) 
presented about 200 reports during previous Alushta-2010 Conference. 
Alushta-2012  is  sponsored  by  the  National  Academy  of  Science  of 
Ukraine,  National  Science  Center  “Kharkov  Institute  of  Physics  and 
Technology”, Bogolyubov Institute for Theoretical Physics, European Physical 
Society  (EPS)  and  Science  and  Technology  Center  in  Ukraine  (STCU).  More 
than 220 abstracts were submitted by Ukrainian and foreign authors and selected 
by the Program Committee for presentation at the Alushta-2012 Conference. All 
the  abstracts  have  been  divided  into  9  groups  according  to  the  topics  of  the 
Conference Program. 
The Adjoint Workshop "Nano- and micro-sized structures in plasmas"  is 
supported in part by the Alexander von Humboldt Foundation. 16 abstracts have 
been  submitted  by  Ukrainian  and  foreign  authors  and  selected  by  the  Program 
Committee for presentation at the Adjoint Workshop sesions.  
 
Since the abstracts presented in this volume were prepared in camera-ready 
form, and the time for the technical editing was very limited, the Editors and the 
Publishing  Office  do  not  take  responsibility  for  eventual  errors.  Hence,  all  the 
questions  referring to  the  context  or  numerical  data should be addressed  to the 
authors directly. 
We hope that the contributed papers and invited talks, to be given at the 
Conference and Adjoint Workshop, will supply new valuable information about 
the  present  status  of  plasma  physics  and  controlled  fusion  research.  We  also 
hope  that  the  Conference  will  promote  further  development  of  plasma  physics 
and  fusion  oriented  research  as  well  as  the  scientific  collaboration  among 
different plasma research groups in Ukraine and abroad. 
 
Program and Local Organizing 
Committees
 
 

INVITED LECTURES 

I-01 
MODELLING OF MATERIAL DAMAGE AND HIGH ENERGY IMPACTS ON 
TOKAMAK PFCs DURING TRANSIENT LOADS 
 
B. Bazylev
1
, I. Landman
1
, S. Pestchanyi
1
, Yu. Igitkhanov
1
, R.A. Pitts
2
, S. Putvinski
2
, S. 
Brezinsek
3
, M. Lehnen
3
, J.W. Coenen
3
, V. Philipps
3
 
1
Karlsruhe Institute of Technology, IHM, P.O. Box 3640, 76021 Karlsruhe, Germany 
2
 ITER Organization, Route de Vinon sur Verdon, 13115 Saint Paul Lez Durance, France 
3
 Institute of Energy and Climate Research – Plasma Physics, Forschungzentrum Jülich 
EURATOM-FZJ, Partner of Trilateral Euregio Cluster, 52425 Jülich, Germany 
 
Tungsten  (W)  is  planned  in  the  nuclear  phases  (and  even  now  possibly  from  the 
beginning  of  non-active  operations)  as  the  armour  material  for  plasma-facing  components 
(PFCs)  in  the  ITER  divertor  and  as  the  main  PFC  material  of  future  tokamak  reactors. 
Beryllium  (Be)  will  be  used  as  first  wall  (FW)  plasma-facing  material  on  ITER  [1]  and  is 
currently  being  used  as  FW  in  the  new  JET  ITER-like  Wall  (ILW)  configuration. 
Uncontrolled off-normal and transient events, such as ELMs (Edge Localized Modes), VDEs 
(Vertical  Displacement  Events)  and  disruptions  on  ITER  have  the  potential  to  drive 
significant erosion of PFC surfaces by vaporization and melting [2]. In particular, melt motion 
followed  by  melt  splashing  of  metallic  armour  components  can  be  very  serious,  leading  to 
deterioration  of  PFC  surface  topology  (and  possible  consequences  for  subsequent  plasma 
operation),  a  decrease  in  PFC  lifetime  production  of  Be  and  W  dust  in  the  form  of  re-
solidified droplets. 
Scaling from today‟s experiments to ITER predicts [1-2] that due to the high thermal 
energy  of  the  confined  burning  plasma  (>0.3 GJ),  uncontrolled  transient  heat  fluxes  on  the 
PFCs  could  reach  values  in  the  following  range:  I)  Divertor  target:  Type  I  ELMs:  0.5  –  4 
MJ/m
2
 on the timescale of 0.3-0.6 ms; disruption thermal quench (TQ): 2-25 MJ/m
2
 (1-5 ms). 
II) FW: Type I ELMs 0.5 – 2 MJ/m
2
 (0.3-0.6 ms); TQ: up to 13 MJ/m
2
 for major disruptions 
and up to 30 MJ/m
2
 for upward and downward VDEs (few ms). During disruptions mitigated 
with massive gas injection (MGI), photon fluxes in the range 0.1 – 2 MJ/m
2
 (2-5 ms) can be 
deposited on the FW. The runaway electron fluxes, which are expected to be generated during 
the  current  quench  (CQ)  of  mitigated  and  unmitigated  disruptions,  can  exceed  35-70  MJ/m
2
 
(1-100 ms). The anticipated impact of these powerful ITER transients cannot be reproduced in 
existing  tokamaks.  Alternative  devices,  such  as  powerful  plasma  guns  are  thus  used  for 
armour  testing  under  extreme  conditions.  However,  the  transients  created  in  these  facilities 
cannot  simultaneously  match  all  characteristics  of  ITER  transients  and  estimates  of  the 
damage to be expected on ITER  must be supported by numerical simulations with using the 
codes, benchmarked against experiments. 
The 2D version of the melt motion code MEMOS has been successfully benchmarked 
against experiments on the plasma guns for the ELM-like heat loads (QSPA-T, QSPA-Kh50) 
and  on  TEXTOR  tokamak  for  long  pulse  heat  loads.  This  paper  describes  a  series  of 
applications of the codes MEMOS (in 2D and 3D versions), ENDEP and TOKES, developed 
at the Karlsruhe Institute of Technology, to specific ITER transient loading on both W and Be 
surfaces in the case of W divertor PFC melting due to disruptions (MEMOS), RE impact on 
Be  first  wall  panels  (MEMOS  and  ENDEP)  and  estimates  of  MGI  driven  photon  radiation 
flash first wall heating (TOKES). An account is also given of benchmarking studies in which 
these codes have been compared with results obtained on the JET and TEXTOR tokamaks. 
[1] R. Mitteau et al., Phys. Scr. T145 (2011) 014081, [2] A. Loarte, et al., Phys. Scr. 
T128 (2007) 222 
 

 

I-02 
RF DISCHARGE DYNAMICS WITH PASSING OVER L- AND H-LIKE MODE 
STATES IN THE URAGAN-3M TORSATRON 
 
V. V. Chechkin, I. M. Pankratov, L. I. Grigor‟eva, A. A. Beletskii, A. A. Kasilov,  
V. Ye. Moiseenko, V. K. Pashnev, P. Ya. Burchenko, A. V. Lozin, S. A. Tsybenko,  
A. S. Slavnyj, N. B. Dreval, A. P. Litvinov, A. Ye. Kulaga, R. O. Pavlichenko,  
N. V. Zamanov, Yu. K. Mironov, V. S. Romanov, S. M. Maznichenko, Ye. D. Volkov 
 
Institute of Plasma Physics NSC KIPT, Kharkov, Ukraine  
 
In the Uragan-3M (U-3M) torsatron with an open helical divertor (= 3, = 9, R

= 100 см,     
 12 см,  (а)/2π   0,3, В
 
≲ 1 Т) a hydrogen plasma with the average density 
e
n
≲ 2 10
12
 
cm
-3
 is produced and heated by RF fields in the Alfven range of frequencies (  ≲ 
сi
) with 
the  use  of  an  unshielded  frame-like  antenna  with  a  broad  spectrum  of  parallel  wavelengths. 
Parallel  with  linear  mechanisms  of  the  Alfven  wave  absorption,  turbulent  heating  and 
turbulent transport also strongly affect plasma parameters and its confinement.. 
     Time variations are considered of 
-  average electron density and electron cyclotron emission from the plasma at different 
values of RF power irradiated by the antenna; 
-  fast ion (FI) generation and loss; 
-  edge radial electric field E
r
 and edge turbulent transport. 
     The results having been obtained are important for a subsequent production and heating of 
a  denser  plasma.  At  the  heating  power  high  enough  and  a  certain  combination  of  plasma 
parameters where optimum conditions for plasma heating arise with local Alfven resonances 
for wavelengths generated by the antenna being present in the plasma, the transition to the H-
like confinement mode occurs. 
     The H-like mode transition is triggered by a short-time enhanced FI loss. Two such states 
separated by an L-like state are realized over the RF pulse. The H-like mode is characterized, 
in particular, by the reduced edge turbulent transport, this reduction correlates with a slowing-
down  of  the  mean  plasma  density  decay  and  an  enhanced  E
r
  shear  at  the  plasma  boundary. 
Some initial, weaker E
r
 shear has been already formed before the H-like mode transition and 
is  only  enhanced  after  the  transition,  thus  persisting  after  the  enhanced  FI  loss  termination. 
This prevents recovery of the initially high level of the edge turbulent transport.      
     
 
 

 
 
 
I-03 
PHYSICS AND DESIGN OF WIDE-APERTURE BIPOLAR PARTICLE SOURCES 
 
 S.V. Dudin 
V.N. Karazin Kharkiv National University, 31 Kurchatov Ave., Kharkiv,61108,Ukraine  
 
 E-mail: stanislav_dudin@rambler.ru 
 
Wide aperture positive ion sources are in common use for years in different technologies 
and for electric propulsion in space.  In all these applications the neutralization of positive ion 
beam  space  charge  or  current  is  important  task,  which  is  usually  solved  with  use  of  a 
neutralizer emitting electrons. The neutralizer is a dedicated device requiring additional power 
supply and often degrading the overall system reliability due to limited lifetime. Thus the idea 
of bipolar particle source that is able to emit simultaneously the directed flows of particles of 
both polarities looks attractive in number of applications. 
In the present  paper a review of known designs  of bipolar particle sources  is  carried out 
for ion-electron sources  classifying them by  spatial or temporal  separation of the oppositely 
charged  particles.  Main  attention  is  paid  to  description  of  design,  research,  simulation  and 
technology approbation of the single-grid ICP bipolar ion-electron source developed in V.N. 
Karazin Kharkiv National University (KhNU). 
Another  possible  kind  of  bipolar  particle  source  is  ion-ion  source  which  is  capable  of 
simultaneous emission of both positive and negative ions. Possibilities of creating bipolar ion-
ion source are discussed basing on recent research results from Ecole Polytechnique (France) 
and  from  KhNU  (Ukraine),  particularly  on  comparative  study  of  positive  and  negative  ion 
flows extracted from downstream plasmas beyond magnetic and electrostatic electron filters. 
 

 
 
 
I-04 
PLASMODYNAMICAL  DEVICES  NEW GENERATION: REVIEW  OF  
FUNDAMENTAL RESULTS AND APPLICATIONS 
 
A.A.Goncharov  
 
Institute of Physics NASU, 252650 Kiev 
 
The paper is the review of current status investigations and development novel generation 
plasma devices based on the cylindrical plasma lens configuration. The fundamental concept 
of  the  novel  plasma  devices  are  based  on  application  plasma  optical  principles  of  magnetic 
insulation  electrons  and  equipotentialization  magnetic  field  lines  for  the  control  of  over 
thermal  electric  fields  introduced  into  the  plasma  medium  for  manipulating  non-magnetized 
ions.  The  electrostatic  plasma  lens  is  a  well-explored  device  for  focusing  and  manipulating 
high-current,  large  area,  heavy  ion  beams  [1].  The  crossed  electric  and  magnetic  fields 
inherent  plasma  lens  configuration  provides  the  attractive  method  for  establishing  a  stable 
plasma discharge at  low pressure. Using plasma  lens configuration in  this  way several  cost-
effective,  low  maintenance,  high  reliability  plasma  devices  using  permanent  magnets  and 
possessing  considerable  flexibility  towards  spatial  configuration  were  developed.  These 
devices can be applied both for fine ion cleaning, activation and polishing of substrates before 
deposition and for sputtering [2]. One particularly interesting result of this background work 
was observation of the essential positive potential at the floating substrate. This suggested to 
us the possibility of an electrostatic  plasma lens for focusing and manipulating high-current 
beams of negatively charged particles,  electrons and negative ions,  that is  based on the use 
of  the  cloud  of  positive  space  charge  in  conditions  of    magnetic  insulation  electrons.    The 
paper  describes  the  current  status  of  ongoing  research  and  development  of  the  electrostatic 
plasma  lens  for  focusing  and  manipulating  wide  aperture  high  current  electron  beams.  The 
results  carried out  collaboratively between  IP  NASU (Kiev) and HCEI  SB RAS  (Tomsk) in 
recent years of the first experimental and theoretical investigations of intense electron beams 
focusing  due  to  plasma  lens  with  positive  space  charge  cloud  produced  by  the  cylindrical 
anode  layer  accelerator  are  presented.  We  describe  also  the  novel  approach  for  effective 
additional  elimination  of  micro  droplets  in  a  density  flow  of  cathode  arc  plasma.  This 
approach  is  based  on  application  the  cylindrical  electrostatic  plasma  lens  configuration  for 
introducing  at  volume  of  propagating  along  axis‟s  dense  plasma  stream  convergent  radially  
fast energetic electron beam  produced by ion –electron secondary emission  from electrodes 
of  plasma  optical  tool.    The  calculations  show  the  energy  of  this  electron  beam  enough  for 
micro  droplet  elimination  during  propagating  plasma  flow  through  plasma  tool.  The 
experimental  scheme  of  the  new  plasma  device  was  elaborated  and  this  plasma-optical  tool 
for  effective  elimination  micro  droplets  in  a  passing  cathode  arc  plasma  flow  has  been 
produced. The presented experimental results and theoretical estimations clearly demonstrate 
an  attractive  possibility  suggested  approach  for  elaborated  an  effective  micro  droplets 
eliminators new generations. 
The work was supported in part by the Russian Foundation for Basic Research and State 
Foundation for Basic Researches of Ukraine due to joint Russian-Ukrainian research projects 
(RFBR Grant No 11-08-90405, SFBR Grant No F40.2/023-2011).  
References: 
1. Goncharov, I. Brown, IEEE Trans. Plasma Sci., Vol. 32 (1), 2004, p. 8083. 
2.Alexey Goncharov, Adv. Appl. Plasma Sci., Vol. 5, 2005, p. 295-300. 
 

 
 
 
I-05 
STABILITY IMPROVEMENT OF A LASER-ACCELERATED ELECTRON BEAM 
AND THE PULSE WIDTH MEASUREMENT OF THE ELECTRON BEAM 
 
H. Kotaki, M. Mori, Y. Hayashi, M. Kando, I. Daito, Y. Fukuda,  
A. Pirozhkov, J. K. Koga, and S. V. Bulanov 
 
Japan Atomic Energy Agency, 8-1-7, Umemidai, Kizugawa, Kyoto 619-0215, Japan 
 
Laser wakefield acceleration (LWFA) is regarded as a basis for the next-generation of 
charged particle accelerators [1]. In experiments, it has been demonstrated that LWFA is 
capable of generating electron bunches with high quality: quasi-monoenergetic, low in 
emittance, and a very short duration of the order of ten femto-seconds. Such femtosecond 
bunches can be used to measure ultrafast phenomena. In applications of the electron beam, it 
is necessary to generate a stable electron beam.  
The experiments have been performed with a Ti:sapphire laser. The laser pulse with 130 
mJ energy was focused onto a 3-mm-diameter gas jet. The pulse duration was 40 fs. The peak 
irradiance in vacuum was 7.3×10
17
 W/cm
2
. The electron energy is measured with a magnetic 
spectrometer composed of a dipole magnet, a scintillating screen, and a CCD camera. 
By using an argon gas target, we have succeeded in generating a stable electron bunch [2]. 
We conducted experiments for stable electron bunch generation by using nitrogen, argon, and 
helium gas targets. When we used a helium gas target, the stability of the electron position 
was unstable due to the short channel length. When the target was nitrogen, the position and 
the energy were stable due to the long channel length. We have succeeded in generating a 
stable 40 MeV electron bunch for optimum plasma density.  
The electron beam oscillates in the electric field of the laser pulse. In energy space, when 
the electron beam is in the acceleration or deceleration phase, the electron oscillation can be 
observed and the electron energy spectrum can be converted to the electron pulse width. We 
have succeeded a measurement of the electron oscillation. The wave structure of the energy 
spectrum depends on the laser frequency. The pulse width (FWHM) of the electron is 1.5-
cycles at a wavelength of 800 nm. The pulse width is 1.7 fs (rms). 
 
[1] T. Tajima and J. M. Dawson, Phys. Rev. Lett. 43, 267 (1979). 
[2] M. Mori, et al., Phys. Rev. ST Accel. Beams 12, 082801 (2009); M. Mori, et al., J. Phys. 
Soc. Jpn. 80, 105001 (2011). 
 
 

 
 
 


Download 3.89 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   28




Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©fayllar.org 2020
ma'muriyatiga murojaat qiling