Содержание:
Введение
Глава 1. Обзор исследований по влиянию микроволн в электронноциклотронном диапазоне частот на низкочастотные флуктуации плазмы
1.1 Характеристики низкочастотной турбулентности, связь с макропараметрами плазмы
1.2 Электронно-циклотронный резонансный нагрев в установках с высокотемпературной плазмой
1.3 Эксперименты по изучению параметров низкочастотной турбулентности в режиме ЭЦР в тороидальных установках
1.4 Эксперименты по влиянию волн накачки на низкочастотную турбулентность низкотемпературной плазмы
Глава 2. Описание экспериментальных установок, диагностик и алгоритмов обработки данных
2.1 Описание экспериментальных установок
2.2 Диагностики для измерения низкочастотных флуктуаций плазмы
2.3 Методы анализа временных выборок флуктуаций
2.3.1 Корреляционный и Фурье анализ
2.3.2 Алгоритмы обработки данных
Глава 3. Исследования низкочастотных флуктуаций плазмы при разных режимах ЭЦР нагрева в стеллараторе Л-2М
3.1 Исследования коротковолновых низкочастотных флуктуаций плотности плазмы во внутренней области шнура
3.2 Исследования длинноволновых низкочастотных флуктуаций и полоидального вращения плазмы методом доплеровской ре-флектометрии
3.2.1 Характеристики флуктуаций при модификации магнитного поля стелларатора дополнительным индукционным током
3.2.2 Характеристики флуктуаций в режиме с краевым транспортным барьером
3.2.3 Характеристики флуктуаций в стандартной конфиг7рации магнитного поля
3.3 Исследования длинноволновых низкочастотных флуктуаций плотности плазмы во внутренней области шнура
3.4 Локальные выводы
Глава 4. Исследование низкочастотных флуктуаций в поле электронно-циклотронных волн накачки в установке ТАУ-1
4.1 Увеличение ионно-звуковых шумов в поле двух волн накачки
4.2 Возникновение волны биения в поле двух волн накачки
4.3 Локальные выводы Заключение
Библиографический список
4
ВВЕДЕНИЕ
К настоящему времени существует множество экспериментальных фактов, которые указывают на влияние турбулентности на характеристики плазмы в замкнутых магнитных ловушках. Например, в тороидальных ловушках низкочастотная (НЧ) турбулентность определяет аномальный перенос на краю плазмы, на это указывают измерения турбулентных потоков частиц в стеллараторах TJ-I1, JI-2M, W7-AS [1]. В токамаках (Т-10, ФТ-2, TEXTOR и др. [2]) наблюдается изменение параметров турбулентности, согласованное с появлением в плазме внутренних и периферийных транспортных барьеров.
На многих тороидальных установках используется электронно-циклотронный резонансный (ЭЦР) нагрев токовой плазмы (токамаки) или нагрев и создание бестоковой плазмы (стеллараторы) при помощи современных СВЧ-генераторов большой мощности — гиротронов. Для этого, как правило, применяется несколько гиротронов — четыре в токамаке Т-10, по два в стеллараторах Л-2М и TJ-II, в будущем термоядерном реакторе ITER ожидается одновременное использование более десяти мегаваттных гиротронов [3]. Таким образом, в этих тороидальных установках плазма находится под воздействием одного или нескольких микроволновых полей в электронноциклотронном диапазоне частот.
Для стеллараторов, которые работают в бестоковом ЭЦР-режиме, время удержания Те зависит от вводимой мощности. Причем эта зависимость разная для разных установок, например для ISS95 скейлинг тЕсс Р0‘0,59, для LHD тЕ ос Ро'0,58, а для стелларатора JI-2M (в диапазоне плотностей 0,5-2-1013 см-3 [4]) скейлинг составляет ТессР0'0,73. В последние годы большое внимание- уделяется исследованию НЧ плазменной турбулентности с разными пространственными масштабами, как коротковолновой (J1-2M,
5
Ы-Ш, 17-11) [5], так и длинноволновой1 (ЕНЕ)) [6]. Сложность проведения таких исследований связана с тем, что турбулентность в тороидальных установках является сильной и структурной [7], поэтому даже определение ее источника — неустойчивости (ЕТв, 1ТО и ТЕМ или иной) — не позволяет полностью описать турбулентность. Для-понимания-механизмов влияния внешних параметров на 174-турбулентность необходимо сравнивать ее микрохарактеристики (спектры, времена корреляции, статистические моменты и др.) с макрохарактеристиками плазменных разрядов (плотностью, временем удержания, существованием барьеров и др.)[8]. Влияние этих факторов на турбулентность может возникать как в поле одной волны накачки, так и нескольких волн. Поэтому важно проводить исследования влияния нескольких волн накачки на низкочастотную плазменную турбулентность. Проблема исследования влияния- микроволнового нагрева, на нее имеет не только академическое, но и прикладное значение для описания процесса переноса в тороидальных установках при ЭЦР-нагреве.
Данная диссертационная работа направлена на получение дополнительной информации о турбулентном состоянии плазмы при электронноциклотронном нагреве при изменении условий удержания плазмы, таких как: мощность ЭЦР-нагрева, топология магнитной структуры, граничные условия. Это является актуальным как для термоядерной плазмы так и для физики плазмы в целом.
Целью настоящей работы является экспериментальное изучение влияния условий микроволнового нагрева (электронно-циклотронного диапа-
1 Деление на коротковолновую и длинноволновую турбулентность проводится по сравнению с ионными гирорадиусами. Например, в ЭШ-П для мелкомасштабной турбулентности к±р, ~ 4-10 (кх— перпендикулярная составляющая волнового вектора турбулентных пульсаций, р,- — гирорадиус ионов), для турбулентности промежуточных масштабов к±р{~ 1-3, для длинноволновой
1 [8]. В соответствии с этим делением в наших исследованиях турбулент-ность с сантиметровыми масштабами является длинноволновой, а с миллиметровыми — коротковолновой.
б
зона частот) на параметры низкочастотной турбулентности плазмы в стел-
лараторе Л-2М и линейной установке ТАУ-1.
Для этого были решены следующие задачи:
1. Разработка алгоритмов для. численного анализа временных выборок, микроволновых диагностик по измерению флуктуаций плотности плазмы во’ внутренней области плазменного шнура стелларатора Л-2М.
2. Разработка алгоритмов для численного анализа данных зондовых измерений на установке ТАУ-1.
3. Сортировка и анализ базы экспериментальных данных стелларатора Л-2М по турбулентности (-5000 разрядов) в различных режимах: с разным уровнем вводимой мощности гиротрона, с дополнительным индукционным током, при введении лимитера, с краевым транспортным барьером.
4. Анализ характеристик (спектральных, корреляционных, вероятностных) НЧ-турбулентности во внутренней области шнура Л-2М (диагностика малоуглового рассеяния и рассеяния на второй гармонике излучения греющего гиротрона) и на градиенте плотности плазмы (доплеровская рефлек-тометрия).
5. Модернизация установки ТАУ-1 для проведения экспериментов по введению двух микроволн в низкотемпературную замагниченную плазму: создание системы ввода СВЧ-мощиости от двух магнетронов и создания комплекса с увеличенным динамическим диапазоном по амплитуде для регистрации ионно-звуковых колебаний.
6. Проведение экспериментов и анализ влияния двух волн накачки в электронно-циклотронном диапазоне частот на ионно-звуковую турбулентность в ТАУ-1.
Научная новизна исследований состоит в следующем:
Обнаружено многофакторное влияние ЭЦР-нагрева на низкочастотную
турбулентность во внутренней области шнура стелларатора Л-2М.
Установлено увеличение энергии коротковолновой турбулентности и
сохранение энергии длинноволновых флуктуаций при удвоении мощности
ЭЦР-нагрева в стандартной конфигурации магнитного поля, вызывающего понижение энергетического времени удержания [9,10].
Установлено, что введение лимитера вблизи крайней замкнутой магнитной поверхности Л-2М-, вызывающее охлаждение плазмы и уменьшение времени ее удержания, приводит к увеличению энергии коротковолновой турбулентности во внутренней области плазменного шнура и сужению ее фурье-спектра [9];
Введение лимитера в Л-2М не приводит к изменению уровня длинноволновой турбулентности, а лишь сужает фурье-спектр [9,11].
При мощностях нагрева ниже 100 кВт (в режиме без краевого транспортного барьера) полоидальная скорость вращения плазмы уменьшается, фурье-спектры длинноволновых флуктуаций на градиенте плотности сужаются [11,12].
При мощности ЭЦР-нагрева 200 кВт и введении дополнительного тока
л
в стелларатор Л-2М обнаружен шир“ скорости полоидального вращения плазмы [13,14].
В стеллараторе Л-2М во всех режимах ЭЦР-нагрева было показано, что фурье-спектры исследовавшейся коротковолновой и длинноволновой турбулентности состоят из широких спектральных полос, выступающих из широкополосного сплошного спектра; Расположение полос и их ширина изменяется в течение стационарной части разрядов. Также было подтверждено, что НЧ-турбулентность проявляет черты структурной плазменной турбулентности по спектральным и корреляционным характеристикам (на всех измеренных пространственных масштабах) [9,11,13,15,16].
Проведен эксперимент по влиянию на ионно-звуковую турбулентность двух волн накачки (в ЭЦ-диаиазоне), разница частот которых попадает в диапазон турбулентности. В зависимости от разности частот двух волн накачки обнаружено два режима влияния микроволн на турбулентность, которые различаются фурье-спектрами: появлением волны биения в сплошном спектре турбулентности или возрастанием интенсивности сплошного спектра (выше уровня волны биения) [17,18,19].
2 Шир скорости - это изменение скорости вращения плазмы по радиусу шнура.
8
Практическая значимость работы
Данная диссертационная работа направлена на получение информации о турбулентном состоянии плазмы при электронно-циклотронном нагреве плазмы, что имеет важное значение, как для термоядерной плазмы, так и для физики плазмы в целом.
Следующие результаты диссертации имеют практическое применение:
Новые алгоритмы анализа турбулентных данных стелларатора Л-2М могут быть использованы для обработки временных выборок в токамаках. Они позволяют при минимальной модификации кода, обрабатывать в автоматическом режиме большие объемы информации, источником которой может служить такие же или иные плазменные диагностики для исследования флуктуаций.
Опыт создания волн накачки при синхронной работе двух магнетронов может быть использован при исследовании микроволновых плазменных разрядов:
Положения, выносимые на защиту
Увеличение интенсивности коротковолновой турбулентности в стелла-раторе Л-2М коррелирует с уменьшением энергетического времени удержания плазмы при удвоении мощности ЭЦР-нагрева, как и при введении лимитера, при сохранении уровня длинноволновой турбулентности.
Шир скорости полоидального вращения плазмы возникает при введении дополнительного индукционного тока. Скорость вращения уменьшается в отсутствии краевого транспортного барьера при ЭЦР-нагреве в стелларато-ре Л-2М.
НЧ-турбулентность на всех измеренных пространственных масштабах во внутренней' области шнура в стеллараторе Л-2М является структурной плазменной турбулентностью.
Разностная частота двух микроволн накачки на установке ТАУЛ, лежащая вблизи ионной ленгмюровской частоты, приводит к увеличению интенсивности всего ионно-звукового спектра. Уменьшение разностной частоты вызывает появление в спектре волны биения без увеличения интенсивности ионно-звуковых флуктуаций.
- Київ+380960830922