SMOLA螺旋磁镜装置中电势分布调控等离子体形成与约束新机制

本刊推荐：为解决开放式磁镜装置中等离子体约束难题，俄罗斯团队在SMOLA装置上通过LaB6阴极磁控放电源实现等离子体参数精准调控。研究表明通过阳极几何构型与偏压调控可有效控制径向电场Er分布，使旋转坐标系中轴向磁镜速度VZ≥离子热速度VTi，为螺旋场约束概念提供关键实验验证，对GDMT项目发展具有重要意义。

　　

在追求可控核聚变的道路上，科学家们一直在探索各种磁约束装置的设计方案。开放式磁镜装置因其结构特点，理论上能够使用非氚燃料且避免中子辐射，显著延长装置寿命并降低维护成本。然而传统磁镜装置存在终端损失问题，等离子体沿磁力线从两端逃逸导致约束时间有限。为克服这一难题，俄罗斯Budker核物理研究所提出气体动力学多镜阱（GDMT）概念，通过中央气体动力学室与多镜节段组合提升轴向约束能力。

近年来，螺旋场约束新概念（Beklemishev 2013）为开放式磁镜装置带来突破性思路。该方案利用具有螺旋对称性的静磁场，在ExB旋转等离子体参考系中产生轴向运动的磁镜。理论预测表明，当旋转坐标系中轴向磁镜速度V_Z达到或超过离子热速度V_Ti时，等离子体约束时间将随磁场系统长度呈指数增长，远优于传统线性或二次方约束效果。更引人注目的是，该理论还预言当等离子体轴带正电时将出现径向膨胀，而带负电时则会产生径向收缩效应。

为验证这一革命性概念，Budker研究所于2017年建造了SMOLA螺旋磁镜装置。该装置由输入膨胀段（约束区CZ）、带螺旋线圈的传输节段（TS）以及输出膨胀段组成，其轴对称磁场强度可在0.04-0.15 T间调节，平均磁镜比达12.5。前期实验已证实螺旋节段对轴向等离子体流的抑制效果（Sudnikov et al. 2019），并观察到磁场强度、波纹比和等离子体旋转速度对约束性能的增强作用（Sudnikov et al. 2020）。

本次研究聚焦于等离子体源对碰撞机制和径向电场分布的控制能力，这是实现有效螺旋约束的关键前提。理想情况下，装置需要同时满足两个核心条件：离子碰撞机制以库仑碰撞为主而非电荷交换碰撞，且旋转坐标系中的轴向磁镜速度V_Z需与离子热速度V_Ti相当。若V_Z远小于V_Ti，等离子体泵送力过弱；而V_Z远大于V_Ti时又难以俘获足够离子。

研究人员采用的关键技术方法包括：1）基于LaB₆热阴极的磁控放电等离子体源系统，可产生高度电离的稳态等离子体流；2）可切换的短阳极（SA）与长阳极（LA）两种几何构型；3）通过独立控制的阳极偏压系统（-200至200 V）调控径向电场；4）双探针与发射探针组合诊断技术，精确测量等离子体参数径向分布；5）多普勒光谱仪监测等离子体旋转特性；6）霍尔探头电极电流测量系统。

等离子体密度与离子碰撞性

通过安装浮动隔膜（FD），等离子体源的气体利用效率显著提升，工作气体流量从≥100等效安培降低至50等效安培。在放电功率＞30 kW时，约束区（z=0.4 m）离子密度与气体流量呈线性关系，密度可达10¹⁹ m^-3。传输段（z=2.04 m）密度为约束区的1/3，即(1-3)×10¹⁸ m^-3。通过调节阴极-阳极磁场比（B_c/B_a=1.15-3.3）可改变等离子体径向分布轮廓，B_c/B_a=2.06时中心区密度均匀性提升至85%。

离子平均自由程λ_i=0.5-3 m，与螺旋波纹周期h=0.18 m的比值λ/h=0.3-12，意味着碰撞机制可从碰撞主导区（λ/h~0.3）过渡到无碰撞区（λ≈3h）。更重要的是，离子-离子碰撞频率ν_ii与电荷交换碰撞频率ν_i,ex的比值达2.4-10，证实库仑碰撞确实占据主导地位，满足螺旋约束的首要条件。

径向电场与系统电流平衡

短阳极（SA）模式下，约束区等离子体轴心呈负电位（φ≈(1.5-3)·T_e），导致等离子体向轴心收缩。径向电场在等离子体核心区（r=50-60 mm）呈线性分布，对应刚体旋转模式。多普勒测量显示角向旋转速度ω达(0.8-1.1)×10⁶ s^-1，计算得轴向磁镜速度V_Z=h·ω/(2π)=(2.9-3.4)×10⁴ m/s，超越离子热速度V_Ti≈2×10⁴ m/s，满足V_Z≥V_Ti的临界条件。

长阳极（LA）模式的突破性在于通过阳极偏压实现了电场分布主动调控。负偏压（-200 V）使等离子体边界外移15-20 mm，鞘层处径向电场增强2-3倍达1.5 kV/m，显著扩大了高速旋转的等离子体区域。电流分布测量揭示：接地阳极模式下仅50%电流经阳极传导，20-30%流向限制器；负偏压模式下电流主要流向限制器与室壁，阳极电流近乎为零。这种电流重分布为等离子体旋转提供了更充分的安培力力矩（j_rB_z）。

研究结论表明，SMOLA装置的等离子体源成功实现了对碰撞机制与旋转特性的双重控制：通过浮动隔膜将气体流量降低50%，使传输段离子碰撞性可在λ/h=0.3-12范围内精确调控；短阳极与长阳极模式分别提供了基础与增强型的电场控制方案，其中负偏压长阳极模式能将径向电场提升至1.5 kV/m，使更大范围的等离子体参与刚体旋转。特别重要的是，在所有运行模式下均满足V_Z≥V_Ti的关键条件，且离子-离子碰撞始终主导碰撞过程。

这些突破为螺旋场约束概念的实验验证奠定了坚实基础：首先证实了通过等离子体源参数调控可实现理想的碰撞条件；其次证明了阳极几何构型与偏压对径向电场的控制能力；最后验证了旋转速度与离子热速度的匹配关系。该研究成果对GDMT项目发展具有指导意义，为解决开放式磁镜装置的等离子体约束难题提供了切实可行的技术路径，为未来建造基于螺旋约束原理的聚变装置提供了关键实验依据。