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Characteristics of the Beam-Plasma Discharge; Caracteristiques de la 'Decharge Faisceau-Plasma'; ХАРАКТЕРИСТИКИ РАЗРЯДА ПУЧКА В ПЛАЗМЕ; Caracteristicas de la Descarga Haz-Plasma

Abstract

In this paper we summarize recent work done at M.I.T. on the study of the electron-beam/plasma interaction. When an electron beam passes through a plasma, it excites oscillations at the plasma frequency. These microwave oscillations sustain a microwave discharge, and we have named the entire process the ''beam-plasma discharge''. Ionization of the ambient gas is carried on by energetic plasma electrons that have been accelerated by the oscillatory fields. The result is the production of a hot-electron plasma inside the magnetic mirror. Since the parameters of the beam plasma discharge appear to be unfavorable for direct ion heating by a beam-plasma interaction, we have begun experiments in which additional RF energy is applied in order to excite ion cyclotron oscillations for ion heating. Results to be discussed are plasma stability, density, average energy, and peak energy of the plasma electrons; and preliminary results on ion heating. Experiments are carried out with pulsed 10 to 15-kV, 10 to 15-A electron beams injected along the axis of a magnetic mirror into a drift region containing H2 at 10{sup -5} to 10{sup -4} Torr. The electron density of the 1-liter plasma is typically 10{sup 12} to 10{sup 13} cm{sup -3}, and the transverse  More>>
Authors:
Smullin, L. D.; Getty, W. D. [1] 
  1. Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA (United States)
Publication Date:
Apr 15, 1966
Product Type:
Conference
Report Number:
IAEA-CN-21/122
Resource Relation:
Conference: Conference on Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion Research, Culham (United Kingdom), 6-10 Sep 1965; Other Information: 10 refs., 8 figs.; Related Information: In: Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion Research. Vol. II. Proceedings of a Conference on Plasma Physics and Controlled Physics Research Nuclear Fusion Research| 1017 p.
Subject:
70 PLASMA PHYSICS AND FUSION TECHNOLOGY; AFTERGLOW; BEAM-PLASMA SYSTEMS; ELECTRON BEAMS; ELECTRON DENSITY; ELECTRON TEMPERATURE; HIGH-FREQUENCY DISCHARGES; IONIZATION; LANGMUIR FREQUENCY; MAGNETIC FIELD CONFIGURATIONS; MAGNETIC MIRRORS; MICROWAVE RADIATION; OSCILLATIONS; PLASMA DENSITY; PLASMA INSTABILITY; PRESSURE GRADIENTS; PRESSURE RANGE; PUMPING; TRANSVERSE ENERGY; X RADIATION
OSTI ID:
22178076
Research Organizations:
International Atomic Energy Agency, Vienna (Austria)
Country of Origin:
IAEA
Language:
English
Other Identifying Numbers:
Other: ISSN 0074-1884; TRN: XA13M2296002520
Submitting Site:
INIS
Size:
page(s) 815-827
Announcement Date:
Jan 09, 2014

Citation Formats

Smullin, L. D., and Getty, W. D. Characteristics of the Beam-Plasma Discharge; Caracteristiques de la 'Decharge Faisceau-Plasma'; ХАРАКТЕРИСТИКИ РАЗРЯДА ПУЧКА В ПЛАЗМЕ; Caracteristicas de la Descarga Haz-Plasma. IAEA: N. p., 1966. Web.
Smullin, L. D., & Getty, W. D. Characteristics of the Beam-Plasma Discharge; Caracteristiques de la 'Decharge Faisceau-Plasma'; ХАРАКТЕРИСТИКИ РАЗРЯДА ПУЧКА В ПЛАЗМЕ; Caracteristicas de la Descarga Haz-Plasma. IAEA.
Smullin, L. D., and Getty, W. D. 1966. "Characteristics of the Beam-Plasma Discharge; Caracteristiques de la 'Decharge Faisceau-Plasma'; ХАРАКТЕРИСТИКИ РАЗРЯДА ПУЧКА В ПЛАЗМЕ; Caracteristicas de la Descarga Haz-Plasma." IAEA.
@misc{etde_22178076,
title = {Characteristics of the Beam-Plasma Discharge; Caracteristiques de la 'Decharge Faisceau-Plasma'; ХАРАКТЕРИСТИКИ РАЗРЯДА ПУЧКА В ПЛАЗМЕ; Caracteristicas de la Descarga Haz-Plasma}
author = {Smullin, L. D., and Getty, W. D.}
abstractNote = {In this paper we summarize recent work done at M.I.T. on the study of the electron-beam/plasma interaction. When an electron beam passes through a plasma, it excites oscillations at the plasma frequency. These microwave oscillations sustain a microwave discharge, and we have named the entire process the ''beam-plasma discharge''. Ionization of the ambient gas is carried on by energetic plasma electrons that have been accelerated by the oscillatory fields. The result is the production of a hot-electron plasma inside the magnetic mirror. Since the parameters of the beam plasma discharge appear to be unfavorable for direct ion heating by a beam-plasma interaction, we have begun experiments in which additional RF energy is applied in order to excite ion cyclotron oscillations for ion heating. Results to be discussed are plasma stability, density, average energy, and peak energy of the plasma electrons; and preliminary results on ion heating. Experiments are carried out with pulsed 10 to 15-kV, 10 to 15-A electron beams injected along the axis of a magnetic mirror into a drift region containing H2 at 10{sup -5} to 10{sup -4} Torr. The electron density of the 1-liter plasma is typically 10{sup 12} to 10{sup 13} cm{sup -3}, and the transverse energy density is typically 10{sup 15} eV cm{sup -3}, corresponding to transverse electron ''temperatures'' of 10{sup 2} to 10{sup 3} eV. Measured X-ray energies indicate the existence of electrons with energies of 50 to 100 keV. The decay of the plasma after beam turn-off is in two stages: a relatively rapid loss of low-energy electrons, {tau}{<=} 1000 {mu}sec, and a slow decay of high-energy electrons with {tau}= 10 to 50 msec. A second experiment is carried out with the same electron beam parameters, magnetic field configuration and pressure range. The plasma dimensions are twice as large. Remarkably different plasma energy parameters are obtained by introducing gas with a fast, pulsed gas valve, thereby establishing a pressure gradient. Gas pumping by the plasma is greatly reduced at the same plasma density and energy. Average and peak electron energies are increased tenfold over their values with uniform gas density. Occasionally an instability ''break'' is observed in the afterglow that corresponds to a loss of the low-energy plasma. (author) [French] Les auteurs donnent un apercu des travaux recemment effectues a l'Institut de technologie du Massachusetts en vue d'etudier l'interaction d'un faisceau d'electrons et d'un plasma. Lorsqu' un faisceau d'electrons traverse un plasma, il excite des oscillations a la frequence du plasma. Comme ces oscillations a micro-ondes entretiennent une decharge a microondes, les auteurs ont appele l'ensemble du processus 'decharge faisceau-plasma'. Le gaz ambiant est ionise par les electrons de haute energie du plasma, prealablement acceleres par les champs oscillants. Il en resulte la formation d'un plasma d'electrons chauds a l'interieur de la machine a miroirs. Etant donne que les parametres de la 'decharge faisceau-plasma' ne semblent pas favoriser le chauffage direct des ions par une interaction du faisceau et du plasma, les auteurs ont entrepris des experiences au cours desquelles ils appliquent une energie H.F. supplementaire en vue de provoquer des oscillations cyclotroniques des ions pour le chauffage de ceux-ci. La discussion porte sur la stabilite du plasma, la densite, l'energie moyenne et l'energie maximum des electrons du plasma ainsi que sur les resultats preliminaires relatifs au chauffage des ions. Des experiences sont en cours a l'aide de faisceaux d'electrons puises de 10 a 15 keV et de 10 a 15 A, injectes le long de l'axe d'un miroir magnetique dans la region de derive contenant H{sub 2} a une pression de 10{sup -5} a 10{sup -4} Torr. La densite des electrons d'un plasma de 1 l est normalement de 10{sup 12} a 10{sup 13} cm{sup -3} et la densite d'energie transversale de 10{sup 15} eV cm{sup -3}, ce qui correspond a une energie electronique transversale de 10{sup 2} a 10{sup 3} eV. Les energies des rayons X mesurees permettent de conclure a l'existence d'electrons d'une energie de 50 a 100 keV. La decroissance du plasma apres la coupure du faisceau s'opere en deux etapes: perte relativement rapide en electrons de faible energie, {tau} Less-Than-Or-Equal-To 1000 {mu}s, et decroissance lente des electrons de haute energie, {tau} = 10 a 50 ms. Les auteurs font une deuxieme experience en utilisant les memes valeurs des parametres du faisceau d'electrons et la meme configuration du champ magnetique, dans le meme intervalle de pressions; les dimensions du plasma sont doubles. Ils obtiennent, pour l'energie du plasma, des parametres qui presentent des differences remarquables en introduisant un gaz par une vanne a gaz puise et en creant ainsi un gradient de pressions. Le pompage du gaz par le plasma est sensiblement diminue, la densite et l'energie du plasma etant les memes. Les energies maximum et moyenne des electrons sont decuples par rapport aux valeurs qu'elles atteignent lorsque la densite du gaz est uniforme. On observe parfois une rupture d'instabilite dans le trainage, qui correspond a une perte du plasma a basse energie. (author) [Spanish] En esta memoria se resumen los trabajos reciente- ' mente realizados en el 041C 041B . 0422 . con miras a estudiar la interaccion de un haz electronico con un plasma. Cuando un haz de electrones atraviesa un plasma, excita oscilaciones a la frecuencia del plasma. Estas oscilaciones de micro-ondas mantienen una descarga de micro-ondas; los autores han denominado el proceso completo 'descarga haz-plasma'. La ionizacion del gas ambiental es realizada por los electrones plasmaticos . de alta energia, previamente acelerados por los campos oscilatorios. El resultado es la formacion de un plasma de electrones calientes dentro del espejo magnetico. Puesto que los parametros de la descarga haz-plasma no parecen favorecer el calentamiento directo de los iones por una interaccion haz-plasma, los autores han emprendido experimentos en los cuales se aplica energia de radiofrecuencia suplementaria con objeto de provocar oscilaciones ionico-ciclotronicas para el calentamiento de los iones. La discusion se refiere a la estabilidad del plasma, a la densidad, energia media y maxima de los electrones del plasma y a resultados preliminares sobre el calentamiento de los iones. Se estan realizando experimentos con haces electronicos pulsados, de 10 a 15 keV y de 10 a 15 A, que se inyectan a lo largo del eje de un espejo magnetico, en una region de deriva que contiene H{sub 2} a una presion de 10{sup -5}-10{sup -4} Torr. El valor tipico de la densidad electronica en un plasma de 11 es 10{sup 12}-10{sup 13} cm{sup -3} y la densidad de energia transversal asciende a 10{sup 15} eV cm{sup -3}, lo que corresponde a 'temperaturas' electronicas transversales de 10{sup 2} a 10{sup 3} eV. Las energias medidas de los rayos X indican la existencia de electrones con energias de 50 a 100 keV. Despues de interrumpir el haz, el plasma decrece en dos fases: una perdida relativamente rapida de electrones de pequena energia, {tau} Less-Than-Or-Equal-To 1000 {mu}s, y decrecimiento lento de electrones de gran energia, {tau}= 10 a 50 ms. Se describe otro experimento ejecutado con iguales parametros de haz electronico, configuracion de campo magnetico y gama de presiones. Las dimensiones del plasma son dobles que en el caso anterior. Inyectando gas a traves de una valvula rapida pulsada, para crear un gradiente de presion, se obtienen parametros de la energia del plasma sensiblemente diferentes. El bombeo del gas por el plasma se reduce en forma considerable a la misma densidad y energia plasmaticas. Las energias electronicas medias y maximas son diez veces mayores que las observadas cuando la densidad del gas es uniforme. A veces se registra una inestabilidad 'disruptiva' en la luminiscencia residual, que corresponde a una perdida de plasma de baja energia. (author) [Russian] V dannoj annotacii my podvodim itog nedavnej raboty po izucheniju vzaimodejstvija jelektronnogo puchka s plazmoj, prodelannoj v Massachuzetskom tehnologicheskom institute. Kogda jelektronnyj puchok prohodit cherez plazmu, on vozbuzhdaet kolebanija na plazmennoj chastote. Jeti mikrovolnovye kolebanija podderzhivajut mikrovolnovyj razrjad, i my nazvali ves' process ''puchkovym razrjadom'. Ionizacija okruzhajushhego gaza osushhestvljaetsja jelektronami vysokoj jEhnergii iz plazmy, kotorye uskorjajutsja poljami kolebanij. Rezul'tatom javljaetsja obrazovanie gorjachej jelektronnoj plazmy vnutri ustanovki s magnitnymi probkami. Poskol'ku parametry razrjada puchka v plazme predstavljajutsja neblagoprijatnymi dlja neposredstvennogo ionnogo nagreva vzaimodejstviem puchka s plazmoj, my pristupili k jeksperimentam, v kotoryh dopolnitel'naja radiochastotnaja jenergija nakladyvaetsja s cel'ju vozbuzhdenija ciklotronnyh kolebanij ionov dlja ionnogo nagreva. Rassmotreniju podlezhat ustojchivost' plazmy; plotnost', srednjaja jenergija i maksimal'naja jenergija jelektronov plazmy; i predvaritel'nye rezul'taty po ionnomu nagrevu. Provodjatsja jeksperimenty s pul'sirujushhim jelektronnym puchkom v 10-15 kv i 10 - 15 A, kotoryj inzhektiruetsja vdol' osi magnitnyh probok v'oblast' drejfa, soderzhashhuju H{sub 2} np 10{sup -5}-10{sup -4} torr. Plotnost' jelektronov plazmy ob{sup e}mom v 1 litr obychno sostavljaet 10{sup 12}-10{sup 13} sm{sup -3} i plotnost' poperechnoj jEhnergii obychno sostavljaet 10{sup 15} jev/sm{sup 3}, chto sootvetstvuet temperature poperechnyh jelektronov v 10{sup 2}-10{sup 3} jev. Izmerenie jenergij rentgenovskih luchej ukazyvaet na sushhestvovanie' jelektronov s jenergiej 50-100 kjev. Spad plazmy posle vykljuchenija puchka proishodit v dva jetapa: otnositel'no bystraja poterja jelektronov nizkoj jEhnergii, {tau} Less-Than-Or-Equal-To 1000 mksek, i medlennyj spad jelektronov vysokoj jEhnergii s {tau} = 10-50 msek. Vtoroj jeksperiment provoditsja s temi zhe parametrami jelektronnogo puchka, konfiguraciej magnitnogo polja i diapazonom davlenija. Razmery plazmy okazalis' vdvoe bol'she. Putem vvedenija gaza s pomoshh'ju bystrogo pul'sirujushhego gazovogo klapana polucheny sovershenno razlichnye parametry jEhnergii plazmy, chto takim obrazom opredeljaet gradient davlenija. Gaz, nakachennyj s pomoshh'ju plazmy, sushhestvennym obrazom sokrashhen pri toj zhe samoj plotnosti i jEhnergii plazmy. Desjatikratno vozrastajut srednie i pikovye jelektronnye jEhnergii po otnosheniju k ih ob{sup e}mam pri odinakovoj gazovoj plotnosti. V otdel'nyh sluchajah v poslesvechenii nabljudaetsja ''razryv'' neustojchivosti, chto sootvetstvuet potere nizkoj jEhnergii plazmy. (author)}
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month = {Apr}
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