Диагностика турбулентных пульсаций плазмы методом рассеяния излучения мощных гиротронов при электронно-циклотронном нагреве плазмы

2
Содержание:
Введение: актуальность, постановка задачи, защищаемые
положения, научная новизна, практическая ^
значимость, апробация работы.
Глава 1. Реакция излучения гиротрона, вызванная рассеянием 11
излучения на пульсациях плотности плазмы при электронно-циклотронном (ЭЦ) нагреве плазмы.
1.1 Квазиоптическая система регистрации мощности 11
излучения гиротрона и отражённого излучения.
1.2 Экспериментальное наблюдение модуляции 13
излучения гиротрона при ЭЦ нагреве на стеллараторе Л2-М
1.3 Моделирование влияния амплитудной и фазовой 20
модуляции отраженного излучения на низкочастотный спектр излучения гиротрона на стеллараторе Т1-П.
1.4 Выводы к главе 1. 30
Глава 2. Диагностика длинноволновых пульсаций плотности 31
плазмы на стеллараторе Л2-М методом малоуглового рассеяния.
2.1 Описание методики и схемы измерений 31
2.2 Экспериментальные результаты. Построение Фурье 34
и вэйвлет спектров.
2.3 Примеры регистрации сигналов малоуглового 38
рассеяния и их спектров при изменении условий ЭЦ нагрева и удержания плазмы в стеллараторе Л-2М
2.4 Выводы к главе 2. 43
Глава 3
3.1
3.2
3.3
Глава 4.
4.1
4.2
4.3
Диагностика коротковолновых пульсаций плотности на стеллара горе Л2-М методом «брэгговского» рассеяния.
Описание схемы измерений и условий эксперимента.
45
Диагностика коротковолновых пульсаций плотности на стеллараторс ЬНО методом «брэгговского» рассеяния.
Описание схемы измерений и условий эксперимента Результаты измерений.
Выводы к главе 4.
Заключение.
Приложение 1. Листинг программы расчета объема пересечения двух гауссовых пучков для диагностики рассеяния излучения гиротрона установки ЬНГ) Список литературы.
45
48
Результаты измерений рассеянного излучения для различных условий ЭЦ нагрева плазмы.
Выводы к главе 3. 53
55
56
61
66
67
69
75
4
Введение: актуальность, постановка задачи, защищаемые положении, научная новизна, практическая значимость, апробация работы.
Проблемы аномального транспорта в тороидальных ловушках с высокотемпературной плазмой в последние годы приобретают все большую актуальность. Большой интерес в этой связи представляют вопросы взаимосвязи процессов переноса с характеристиками турбулентных пульсаций плотности, электрических и магнитных полей, а также вопросы природы турбулентных пульсаций в режимах улучшенного удержания и в режимах с предельными значениями давления) плазмы[1]. В связи с этим вопросам диагностики турбулентности, особенно коротковолновых колебаний, уделяется все большее внимание.
Между тем использование в современных токамаках и стеллараторах мощных источников микроволнового излучения для нагрева плазмы создает серьезные трудности при работе диагностической аппаратуры, вызванные интенсивными электромагнитными наводками. Одновременно возникает соблазн использовать излучение, предназначенное для нагрева плазмы, и в целях диагностики турбулентности. Особенно интересно применить в целях диагностики излучение миллиметрового диапазона длин волн мощных гиротронов [2-3], используемых для электронно-циклотронного нагрева (ЭЦН) плазмы [5-7], т.к. в этом случае, как правило, используются сфокусированные гауссовские пучки излучения.
Впервые регистрация спектров рассеянного излучения при ЭЦ-нагреве плазмы, необыкновенной волной на первой гармонике гирочастоты электронов была осуществлена в работе [8-10]. При этом регистрировалось рассеянное излучение, возникающее при многократном отражении греющей волны от стенок вакуумной камеры. В настоящей работе представлена разработка диагностики турбулентных пульсаций плотности при приеме рассеянного излучения непосредственно из области распространения нагревающего плазму сфокусированного пучка гиротрона при его первом проходе поперечного сечения плазменного шнура.
При использовании для диагностики мощного гиротрона, нагревающего плазменный шнур, возникает ряд специфических особенностей при проведении экспериментов. Обычно при ЭЦ нагреве плазмы в тороидальных системах используется либо нагрев с помощью обыкновенной волны на первой гармонике гирочастоты, либо с помощью необыкновенной волны на второй гармонике гирочастоты. И, как правило, используется линейно поляризованное излучение. Поскольку для стеллараторов характерно существование радиальной компоненты магнитного поля на граничной поверхности, то это приводит к расщеплению линейно поляризованной волны на обыкновенную и необыкновенную с эллиптической поляризацией [11]. В случае ЭЦ нагрева на первой гармонике гирочастоты это означает возникновение необыкновенной волны, которая может проникать в слой плотной плазмы только со стороны сильного поля, тогда как со стороны слабого поля необыкновенная волна испытывает отсечку, как правило, на периферии плазменного шнура. При ЭЦ нагреве на второй гармонике гирочастоты электронов образование обыкновенной волны ведет к возникновению двух рассеянных волн различной поляризации.
Второй особенностью использования излучения, нагревающего плазму в области ЭЦ резонанса, является сильное ослабление (более чем на порядок величины) греющей волны после прохождения области ЭЦ резонанса. Таким образом, в отличии от обычных способов диагностики рассеянного излучения, в которых поглощением зондирующей волны можно пренебречь, в пашем случае необходим прием рассеянного излучения из области распространения пучка в плазменном шнуре до области ЭЦ резонанса.
В стеллараторе Л-2М ЭЦ нагрев осуществляется необыкновенной волной на второй гармонике гирочастоты (75,3 ГГц). Это позволило нам для диагностики флуктуаций плотности использовать обыкновенную волну, возникающую при расщеплении линейно поляризованного излучения гиротрона. Использование обыкновенной волны позволяет пренебречь поглощением из-за малости коэффициента поглощения в окрестностях
■ 6 резонанса частоты излучения со второй гармоникой гирочастоты электронов. Для изучения длинноволновых колебаний см'1) нами был использован метод малоуглового рассеяния [12,13], а для изучения коротковолновых флуктуаций (к^»20 см"1) метод коллективного рассеяния на угол ~7г/2 [14,15].
В стеллараторе ВНЕ) ЭЦ нагрев осуществлялся обыкновенной волной на первой гармонике гирочастоты электронов (82,7 ГГц) [16]. Возникающая-при; рассеянии? линейно поляризованного' излучения гиротрона
необыкновенная* волна испытывала отсечку во внешних слоях плазмы,, и поэтому в качестве рассеиваемой волны была использована обыкновенная волна; нагревающая плазму в ЭЦ резонансе.
Одним из первых вопросов, возникающих при использовании высоких мощностей излучения является-, вопрос о нелинейных эффектах в поле интенсивной волны. Один из первых анализов (см. обзор [17]) показал, что нелинейные эффекты-несущественны при мощностях менее 10 МВт.
Более существенным является вопрос о: влиянии офаженного» или рассеянного излучения на режим работы гиротрона. Этот вопрос до наших исследований не был изучен. В диагностических схемах с маломощными-истрчниками для:, защиты генераторов; 'от отраженного излучения-, используются ферритовые циркуляторы или вентили. Такие устройства отсутствуют для пучков в сотни кВт в миллиметровом.диапазоне длин волн. Поэтому одной из первых задач данной работы было изучение влияния! офаженного или рассеянного излучения при, ЭЦ нагреве на спектр излучения, гирофона.
Результатом. наших исследований было обнаружение эффектов низкочастотной модуляции излучения гиротрона в области частот 1 ~=-100 кГц из-за воздействия слабого рассеянного назад из плазмы, излучения; возникающего в процессе ЭЦ нагрева. Было показано, что величина модуляции излучения гирофона составляет не более 5% и ею можно пренебречь при изучении спектров рассеянного излучения [18,19].