Введение к работе
Проблемы аномального транспорта в тороидальных ловушках с высокотемпературной плазмой в последние годы приобретают все большую актуальность. Большой интерес 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. Поэтому вопросам диагностики турбулентности, особенно коротковолновых колебаний, уделяется все большее внимание. Между тем использование мощных источников микроволнового излучения для нагрева плазмы в современных тока-маках и стеллараторах создает серьезные трудности при работе диагностической аппаратуры, вызванные интенсивными электромагнитными наводками. Одновременно возникает соблазн использовать излучение, предназначенное для нагрева плазмы, и для диагностики турбулентности. Особенно интересно применить в целях диагностики излучение мощных гиротронов миллиметрового диапазона длин волн, используемых для электронно-циклотронного (ЭЦ) нагрева плазмы, 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 ги-рочастоты электронов была осуществлена в работе [1]. 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 через поперечное сечение 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 нагрев либо 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 магнитной поверхности, то это приводит к расщеплению линейно-поляризованной волны на обыкновенную и необыкновенную с эллиптической поляризацией [2]. 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 отличие от обычных способов диагностики рассеянного излучения, в которых поглощением зондирующей волны можно пренебречь, в нашем случае необходим прием рассеянного излучения из области распространения пучка в плазменном шнуре до слоя ЭЦ-резонанса.
В представляемой работе использованы результаты экспериментов, проводимых автором на тороидальных установках - стеллараторах: Л-2М (ИОФ РАН), TJ-II (CIEMAT, Испания) и LHD (NIFS, Япония).
В стеллараторе Л-2М ЭЦ-нагрев осуществляется необыкновенной волной на второй гармонике гирочастоты (75,3 ГГц). Это позволило для диагностики флуктуации плотности использовать обыкновенную волну, возникающую при расщеплении линейно-поляризованного излучения гиротрона. Использование обыкновенной волны с частотой второй гармоники гирочастоты электронов
позволяет пренебречь поглощением из-за малости коэффициента поглощения излучения с обыкновенной поляризацией в окрестностях ЭЦ-резонанса. Для изучения длинноволновых колебаний (itx~ 1—2 см") был использован метод малоуглового рассеяния, а для изучения коротковолновых флуктуации (к±*20 см"1) метод коллективного рассеяния на угол ~тс/2.
В стеллараторе LHD ЭЦ-нагрев осуществлялся обыкновенной волной на первой гармонике гирочастоты электронов (82,7 ГГц). Необыкновенная волна, возникающая при рассеянии линейно-поляризованного излучения гиротрона, испытывала отсечку во внешних слоях плазмы, и поэтому в качестве рассеиваемой волны была использована обыкновенная волна первой гармоники гирочастоты электронов, нагревающая плазму в слое ЭЦ-резонанса.
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 [3]) показал, что нелинейные эффекты несущественны при мощностях менее 10 МВт.
Более существенным является вопрос о влиянии отраженного или рассеянного излучения на режим работы гиротрона. Насколько нам известно, этот вопрос до наших исследований не был изучен. В диагностических схемах с маломощными источниками 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 отраженного или рассеянного излучения при ЭЦ-нагреве на спектр излучения гиротрона.
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 гиротрона составляет не более 5%, и ею можно пренебречь при изучении спектров рассеянного излучения.
Другим важным вопросом является вопрос о влиянии на регистрацию рассеянного на флуктуациях плотности плазмы излучения гиротрона излучения, многократно отраженного от стенок вакуумной камеры стелларатора или токама-ка. Эта проблема аналогична проблеме избавления от излучения лазера, рассеянного на элементах оптики и вакуумной камеры в диагностике томсоновского рассеяния. В нашем случае она облегчается тем, что излучение гиротрона, многократно отраженное от стенок камеры, поглощается при каждом проходе через область ЭЦ-резонанса и ослабляется примерно на два порядка. Исключение составляют пучки, падающие на стенку камеры под углами, существенно отличающимися от я/2. Решение этой задачи было найдено с помощью сильной коллимации регистрируемых пучков с помощью коллиматоров с поглотителем.
Аналогичной предыдущей является проблема экранировки измерительного тракта и измерительной аппаратуры от помех (наводок), создаваемых излучением гиротрона, рассеянного на элементах конструкции квазиоптического тракта и вакуумной камеры и существующего как фоновый сигнал в рабочем помещении. Сложность этой проблемы в том, что частота помех и частота полезного регистрируемого сигнала одна и та же. Эта проблема была решена, как и предыдущая, с помощью поглощающих коллиматоров и поглощающих экранов на элементах конструкции регистрирующей аппаратуры.
Существенным вопросом диагностики является выбор аппаратуры, регистрирующей рассеянное излучение. В миллиметровом диапазоне волн обычной техникой, используемой для регистрации излучения, является одномодовый прямоугольный волновод, соединенный с диодом Шоттки. В описываемых ниже конструкциях мы избегали каких-либо неоднородностей в виде диэлектрических поглотителей или фазосдвигающих элементов в регистрирующих волноводах, поскольку такие конструкции чреваты пробоями при мощности в волноводе в десятки Вт. Рабочая точка детектора выбиралась в линейной части характеристики при регистрируемой мощности около 100 мВт. Ослабление сигнала достигалось с помощью металлической диафрагмы на входе детектора. Такой выбор рабочей
точки детектора обеспечивал достаточный динамический диапазон регистрируемых сигналов при не слишком высоких требованиях к уровню шумов регистрирующей аппаратуры. При этом при таких уровнях сигнала удается обеспечить широкую полосу видеочастот измерений (вплоть до 5 МГц).
Современный физический эксперимент невозможен без компьютерной регистрации и обработки данных эксперимента. При изучении турбулентности стандартной характеристикой является определение спектра низкочастотных флуктуации плотности. Особенностью турбулентных пульсаций при ЭЦ-нагреве является появление широких шумовых спектров со слабо выраженными широкими спектральными полосами. Это потребовало провести автором адаптацию некоторых уникальных программ [4] обработки спектров к условиям разработанной нами диагностики.
Таким образом, комплекс основных задач данной работы может быть сформулирован следующим образом:
исследование реакции излучения гиротронов на слабое отраженное или рассеянное излучение при ЭЦ-нагреве плазмы, промодулированное на низких частотах (частотах турбулентных пульсаций плотности плазмы);
разработка диагностики длинноволновых (Ai»l-2 см") пульсаций плотности методом малоуглового рассеяния обыкновенной волны, возникающей при расщеплении излучения гиротрона при ЭЦ-нагреве плазмы в стеллараторе Л-2М на второй гармонике гирочастоты электронов;
разработка диагностики коротковолновых пульсаций плотности (ki&20 см") методом коллективного рассеяния (на угол ~тг/2) обыкновенной волны, возникающей при расщеплении излучения гиротрона при ЭЦ-нагреве плазмы в стеллараторе Л-2М на второй гармонике гирочастоты электронов;
разработка диагностики коротковолновых пульсаций (&j»35 см") методом коллективного рассеяния (на угол ~п) обыкновенной волны, используемой для ЭЦ-нагрева плазмы в стеллараторе LHD на первой гармонике гирочастоты электронов;
адаптация программ численного счета фурье-спектров и вейвлет-анализа к условиям диагностических комплексов стеллараторов Л-2М и LHD.
Основные положения, выносимые на защиту
-
На стеллараторе Л-2М обнаружена низкочастотная модуляция излучения гиротрона 75,3 ГГц, вызванная рассеянием излучения на турбулентных пульсациях при ЭЦ-нагреве плазмы на второй гармонике гирочастоты электронов.
-
Метод малоуглового рассеяния обыкновенной волны, возникающей при расщеплении излучения гиротрона при ЭЦ-нагреве на второй гармонике гирочастоты электронов, позволяет изучать на стеллараторе Л-2М усредненные по диаметру плазменного шнура спектральные характеристики длинноволновых (&±<1 см'1) турбулентных пульсаций плотности.
-
Метод коллективного рассеяния обыкновенной волны, возникающей при расщеплении излучения гиротрона при ЭЦ-нагреве на второй гармонике гирочастоты электронов, позволяет на стеллараторе Л-2М изучить спектральные характеристики коротковолновых (/сх«20 см"1) турбулентных пульсаций во внутренних областях плазменного шнура.
-
Метод коллективного рассеяния обыкновенной волны (частота 82,7 ГГц), используемой в стеллараторе LHD для ЭЦ-нагрева плазмы, позволяет изучить спектральные характеристики и радиальное распределение энергии коротковолновых (l«35 см") пульсаций плотности.
Научная новизна
Обнаружен эффект модуляции излучения гиротрона, вызванный рассеянием излучения на пульсациях плотности при ЭЦ-нагреве плазмы. Показано отличие низкочастотного спектра излучения гиротрона от низкочастотных спектров длинноволновых и коротковолновых пульсаций плотности плазмы. Разработаны и реализованы методы использования мощных гиротронов, применяемых на
стеллараторах для ЭЦ-нагрева плазмы, для диагностики длинноволновых (kL < 1 см") и коротковолновых (yti«20-40 см") турбулентных пульсаций плотности.
Теоретическое и практическое ушчеине результатов работы
Результаты настоящей работы могут быть использованы при проектировании средств диагностики пульсаций плотности в магнитных ловушках с ЭЦ-нагревом плазмы, а также для низкочастотной модуляции излучения мощных ги-ротронов и управления их спектром.
Апробация работы
Результаты исследований, изложенных в диссертации, были доложены и обсуждены на VII Украинской международной конференции по физики плазмы и УТС (Алушта, 2000 г.), на 12, 13, 15 международных Токи конференциях по физики плазмы и УТС (Токи, 2001, 2003, 2007 гг.), XXI Международном семинаре по проблемам стабильности в стохастических моделях (Эгер, 2001 г.), 30 Европейской конференции МАГАТЭ по термоядерной плазме (Велимура, 2004 г.), XXIV-XXXV Звенигородских конференциях по физике плазмы и УТС (Звенигород, 1997-2008 гг.) ,21 и 22 Международных конференциях МАГ ATE по физике плазмы и УТС (Пекин, 2006 г., Женева, 2008 г.), 25 и 31 Международных конференциях по инфракрасным и миллиметровым волнам (Пекин, 2000 г. и Шанхай, 2006 г.)
Структура и объем работы
Похожие диссертации на Диагностика турбулентных пульсаций плазмы методом рассеяния излучения мощных гиротронов при электронно-циклотронном нагреве плазмы
