ГЛАВА 2
Низкочастотная электростатическая турбулентность граничной плазмы и её роль в переносе частиц в торсатроне "Ураган-3М"
2.1. Введение
Как уже отмечалось в обзорной части диссертационной работы (Разд. 1.1), поперечный перенос частиц и энергии плазмы вблизи границы области удержания в замкнутых магнитных ловушках (токамаках, стеллараторах, пинчах с обращенным полем) значительно превышает перенос, который следует из неоклассической теории, учитывающей парные столкновения частиц в тороидальной геометрии [2,3]. Выяснение природы аномально большого переноса в граничной плазме остается одной из главных задач исследований по УТС. Известно также из многочисленных работ (см. Разд. 1.1), что вблизи границы области удержания из-за больших поперечных градиентов плотности плазмы и температуры частиц всегда существуют интенсивные флуктуации плотности и электрического поля дрейфового типа. Многочисленные эксперименты, которые выполнялись в условиях либо омического нагрева, либо с использованием электронного циклотронного нагрева (ЭЦН) и инжекции пучка нейтральных атомов (ИН) в качестве основного или дополнительного нагрева, подтвердили [26], что перенос частиц и энергии плазмы на границе обусловлен главным образом такой электростатической турбулентностью.
Ранее [21] на предшественнике торсатрона У-3М установке У-3 в условиях ВЧ (? ? ?ci) нагрева с помощью подвижных ленгмюровских зондов уже проводились исследования низкочастотных флуктуаций плотности и потенциала периферийной плазмы (основные результаты кратко изложены в Разд. 1.1).
Целью описанных в настоящей главе исследований, проведенных в условиях ВЧ создания и нагрева плазмы в торсатроне У-3М с использованием современных методов регистрации и обработки флуктуационных сигналов, является:
(1) нахождение спектральных и дисперсионных характеристик флуктуаций плотности и потенциала плазмы вблизи границы области удержания;
(2) оценка величины поперечного турбулентного потока частиц вблизи границы области удержания и сравнение этой величины с полным потоком частиц, вычисленным по профилю плотности плазмы;
(3) исследование временной функции турбулентного потока частиц.
Изложению перечисленных выше вопросов предшествует краткое описание торсатрона У-3М.
2.2. Установка "Ураган-3М". Общие сведения
Тороидальная магнитная ловушка стеллараторного типа "Ураган-3М" (У-3М, рис. 2.1) представляет собой трехзаходный (l = 3) торсатрон с 9 периодами (m = 9) винтового магнитного поля. Большой радиус тора Rо = 1 м, средний радиус расчетной крайней замкнутой магнитной поверхности (КЗМП) ?0,1 м. Угол вращательного преобразования на границе области удержания ?()/2? ? 0,4. Эта установка представляет собой усовершенствованную модификацию торсатрона "Ураган-3" [37,51]. В установке У-3 из-за недостаточной жесткости механической системы поддержки винтовой обмотки величина тороидального магнитного поля не могла превышать B? ~ 1 Т. Кроме того, неточности в изготовлении магнитной системы и низкая мультиполярность компенсирующей обмотки ограничивали радиус КЗМП величиной < 0,09 м. В 1989 г. для улучшения структуры магнитного поля была изготовлена новая винтовая обмотка с 9 упрочняющими кольцами и были установлены две дополнительных катушки компенсирующего (вертикального) магнитного поля.
Рис. 2.1. Схематическое изображение катушек I, II, III винтового магнитного поля (вид сверху) с указанием положений антенн и средств диагностики.
Эти меры позволяют в принципе поднять в торсатроне У-3М магнитное поле до B? ~ 2 Т. С помощью дополнительного поперечного магнитного поля B? можно изменять горизонтальное положение магнитной оси. Характерной особенностью установок У-3 и У-3М является то, что у них вся магнитная система, включая винтовые катушки I, II, III (см. рис. 2.1) и катушки поперечного магнитного поля, помещена в большую вакуумную камеру диаметром 5 м (при внутреннем и наружном радиусах кожухов винтовых катушек соответственно 0,19 и 0,34 м).
Во всех описанных ниже исследованиях на У-3М в качестве рабочего газа используется водород, который непрерывно напускается в вакуумную камеру при давлении 10-5 ? 10-4 Тор. Плазма с усредненной по центральной хорде плотностью электронов ? 1019 м-3 создается и нагревается ВЧ полями в режиме многомодового альфвеновского резонанса [52] в диапазоне частот ? ? ?ci (?/2? = 5,4 МГц при B? = 0,45 Т и ?/2? = 8,8 МГц при B? = 0,7 Т в разных экспериментальных кампаниях). Для ввода ВЧ мощности в плазму могут использоваться две антенны А1 и А2, установленные на внешней стороне тора. Антенна А1 [53] представляет собой неэкранированную рамочную антенну, которая охватывает плазменный шнур вдоль винтовой линии на протяжении одного периода поля и удалена от расчетной КЗМП на расстояние ~ 3 см. (При установке антенны положение КЗМП рассчитывалось в приближении трехзаходной винтовой обмотки, навитой на бесконечный цилиндр.) Эта антенна предназначена для осуществления ВЧ пробоя и создания и нагрева начальной плазмы с относительно низкой плотностью ( ? 5?1018 м-3). Начальный пробой газа, или фаза "предионизации", производится ближним электрическим полем антенны [54]. Как показано в работе [54], в определенном диапазоне значений напряженности этого поля имеет место эффект накопления электронов под антенной, которые ионизуют нейтральный газ и доводят плотность плазмы до величины, при которой начинают возбуждаться плазменные волны. После возрастания плотности до величины ~ 1017 м-3 на границе плазменного шнура начинает возбуждаться электромагнитная волна (быстрая мода с ? < ?ci) [53], которая трансформируется в медленную моду в слое, где выполняется условие локального альфвеновского резонанса ? = k???A (k?? - составляющая спектра продольных волновых чисел, генерируемых антенной, ?A = B/). При этом большая часть энергии волны поглощается электронами. Для осуществления такого режима минимальная необходимая амплитуда ВЧ напряжения на антенне должна была составлять ? 6 кВ. При выходе плотности плазмы на квазис
- Киев+380960830922