Работа посвящена экспериментальному исследованию тангенциального ускорения и нагрева плазмы в токовых слоях, формируемых в магнитных полях с X линией при разряде в криптоне. На основе данных оптической спектроскопии были определены энергии направленного движения и температуры однозарядных и двухзарядных ионов криптона и электронов в различные моменты времени существования токового слоя. Температуры и энергии ускоренного движения ионов рассчитывалась по доплеровскому уширению спектральных линий ионов криптона: Kr II 473,9 нм и Kr III 501,6 нм, которые измерялись одновременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях по отношению к токовому слою. Температура электронов оценивалась из сопоставления времен разгорания тех же спектральных линий с временами ионизации соответствующих ионов, рассчитанными на основе экспериментальных данных о сечениях ударной ионизации, взятых из работ [20–22].
Установлено, что нагрев плазмы токового слоя начинается в начальной плазме, и продолжается в процессе формирования токового слоя. Определены максимальные температуры ионов криптона Kr II и Kr III в токовом слое: 125–95 эВ, и электронов: 5–7 эВ, при формировании токового слоя в 2D и 3D магнитных конфигурациях, соответственно. Различие в температурах электронов и ионов связано, по всей видимости, с разными механизмами нагрева. Также показано, что температуры электронов и ионов характеризуются раз-ной зависимостью от времени и от величины продольного магнитного поля. Таким образом, двухжидкостные свойства плазмы токового слоя [23, 31–33] проявляются в тепловых процессах.
Обнаружены быстрые, сверхтепловые потоки плазмы, направленные вдоль ширины токового слоя, наибольшего из поперечных размеров слоя (ось x). Ускорение плазмы происходит под действием сил Ампера, от центра слоя (x = 0) к его боковым краям. Энергия, которую могут приобрести ускоренные ионы, определяется работой сил Ампера на расстоянии, равном половине ширины токового слоя. Оценки показывают, что кинетическая энергия ионов криптона у боковых концов слоя может достигать 120 эВ, что согласуется с экспериментально измеренными энергиями ионов Kr II и Kr III в токовых слоях, формируемых в 3D магнитных конфигурациях.
При формировании токовых слоев в 2D магнитных конфигурациях энергия ускоренных ионов Kr II оказалась в 3,5 раза больше той, которую могут обеспечить силы Ампера и достигала величины 420 эВ (при температуре ионов Ti 70 эВ). Это противоречие разрешается, если учесть, что в процессе эволюции токового слоя, вследствие роста температуры электронов, ионы Kr II со временем смещаются в более холодные периферийные области слоя, где ускорение оказывается более эффективным. Связано это с тем, что силы Ампера в периферийных областях токового слоя еще достаточно велики, а концентрация ионов уже гораздо меньше, чем в центральной плоскости слоя, y = 0 [34, 35, 37]. Ионы Kr III, напротив, локализованы в центральной области токового слоя, в плотной и относительно горячей плазме, поэтому ионы Kr III ускоряются до меньшей энергии Wx 130 эВ. Таким образом, тангенциальное ускорение плазмы под действием сил Ампера при формировании токового слоя в 2D магнит-ной конфигурации в криптоне, по всей видимости, пространственно неоднородно по оси y.
Установлена последовательность процессов ускорения и нагрева в плазме с тяжелыми ионами криптона, когда токовые слои формируются с большей задержкой и гораздо медленнее, чем в более легких благородных газах (He, Ar). При формировании токового слоя в 2D магнитной конфигурации одновременно с началом про-хождения тока начинается нагрев электронной компоненты плазмы, затем происходит ускорение плазмы, и в те моменты времени, когда энергия направленного движения ускоренной плазмы достигает максимума, начинается нагрев ионной компоненты плазмы. Ионы криптона достигают максимальной температуры к моменту завершения формирования токового слоя, когда плотность плазмы в слое достигает максимальной величины.
Эти временные зависимости качественно свидетельствуют о том, что в токовом слое электроны нагреваются за счет джоулевой диссипации, а ионы – благодаря термализации скоростей плазменных течений, сгребающих начальную плазму в пределы слоя. При формировании токового слоя в 3D магнитной конфигурации ускорение и нагрев плазмы происходят в другой последовательности, которой соответствует, по всей видимости, другой механизм нагрева ионов, изучение которого – задача будущих экспериментов.
