Содержание к диссертации
Введение
I. Обзор литературы. 12
1.1. Нижнегибридный нагрев плазмы в токамаках. 12
1.2.Безындукционные методы создания тока в токамаке. 17
1.3. Создание тока ВЧ волнами в диапазоне нижнегибридных частот . 19
1.4. Эффективность безындукционной генерации тока в токамаках. 24
II. Первые эксперименты по созданию тока нижнегибридными волнами в ИЯС . 26
II.1. Эксперименты на токамаке ТМ-3. 26
II.2. Эксперименты на токамаке Т-7. 28
II.2.1. Описание эксперимента. 31
II.2.2. Результаты эксперимента. 35
II.2.3. Выводы. 35
III. Эксперименты по генерации НГ тока на уст Т-7 . 36
III. 1. Результаты экспериментов. 39
III.2. Определение величины НГ тока и эффективности его генерации. 44
III.3. Экспериментальные результаты и квазилинейная теория генерации тока НГ волнами . 48
III.3.1.Взаимодействие ЭЦ волн с электронами НГ «плато». 51
III.3.1.А. Постановка эксперимента. 51
III.3.1 .В. Результаты эксперимента. 53
III.4. Температурная зависимость эффективности генерации тока НГ волнами . 56
III.4.1. Описание эксперимента. 56
III.4.2. Результаты эксперимента. 57
III.4.3. Сравнение экспериментальных данных с предсказаниями квазилинейной теории . 58
III.5. Выводы. 60
IV. Энергобаланс плазмы при дополнительном нагреве НГ и ЭЦ волнами . 63
IV. 1. Постановка и результаты эксперимента. 63
IV.2. Выводы. 67
Заключение. 69
Рисунки. 73
Список литературы. 96
- Создание тока ВЧ волнами в диапазоне нижнегибридных частот
- Экспериментальные результаты и квазилинейная теория генерации тока НГ волнами
- Температурная зависимость эффективности генерации тока НГ волнами
- Сравнение экспериментальных данных с предсказаниями квазилинейной теории
Введение к работе
Проблема высокочастотных методов нагрева плазмы является одной из ключевых на пути получения высокотемпературной плазмы. Особенно остро необходимость дополнительного нагрева плазмы электромагнитными волнами возникла при создании в 70х годах тороидальных установок с магнитным удержанием плазмы типа «Токамак» и «Стелларатор», на которых были получены обнадеживающие результаты по удержанию плазмы, и появилась возможность рассматривать проекты термоядерного реактора. Эта необходимость связана с тем, что в установках типа «Токамак» с ростом температуры плазмы эффективность омического нагрева падает и становится недостаточной для достижения температуры, которая требуется для зажигания термоядерной реакции.
В конце 70х годов была найдена и теоретически обоснована еще одна область применения энергии электромагнитных волн в термоядерных установках - создание безындукционного тока в плазме.
В настоящее время разработан проект демонстрационного термоядерного реактора на базе токамака (ITER). Проведенные исследования показали, что одним из уязвимых мест в этом проекте является цикличность работы системы из-за необходимости использования индукционного электрического поля. Цикличность работы токамака-реактора приводит к периодическим колебаниям температуры элементов конструкции, что значительно снижает долговечность установки. В этой связи на второй стадии экспериментов на установке ITER планируются эксперименты с полным замещением индукционного, омического
тока током, созданным безындукционными методами. Предполагается использовать три частотных диапазона электромагнитных волн (диапазон электронно-циклотронного резонанса, нижнегибридный диапазон, а также электромагнитные волны с частотами вблизи ионно-циклотронного резонанса и его гармоник). Кроме этого рассматривается возможность генерации тока за счет инжек-ции в плазму пучков нейтральных атомов.
Теоретически и экспериментально показано, что нагрев плазмы и создание в ней безындукционного тока электромагнитными волнами возможен в нескольких диапазонах частот. Данная работа в основном посвящена исследованиям взаимодействия так называемых нижнегибридных (НГ) волн с плазмой в режиме генерации тока и затрагивает вопросы нагрева плазмы электронно-циклотронными (ЭЦ) волнами.
Актуальность работы.
Полученные результаты могут представлять определенный интерес при постановке экспериментов на современных токамаках, а также при интерпретации получаемых в настоящее время экспериментальных результатов. Цикл первых исследований механизмов НГ генерации, проведенный на установке Т-7 и на ряде зарубежных токамаков, показал возможность применения данного метода создания безындукционного тока на установке ITER.
Цели и задачи работы.
Получение эффекта генерации ВЧ тока в плазме установки Т-7.
Получение режимов с полным замещением индукционного тока ВЧ током, образующимся за счет поглощения замедленных НГ волн, возбуждаемых в плазме излучателем (трехволноводным «грил-лом»).
Определение факторов, определяющих оптимальное согласование излучателя замедленных (НГ) волн с плазмой. Получение зависимостей величины НГ тока от плазменных параметров и от параметров ВЧ системы.
Определение эффективности генерации НГ тока в плазме установки Т-7.
Сравнение полученных экспериментальных данных с выводами квазилинейной теории генерации тока НГ волнами.
Научная новизна.
1. Впервые зарегистрирован эффект образования надтепловых электронов в плазме токамака ТМ-3 за счет поглощения ВЧ энергии в виде замедленных волн диапазона нижнегибридного (НГ) резонанса.
Исследовано взаимодействие СВЧ волн с электронами квазилинейного «плато» на электронной функции распределения, создаваемого НГ волнами.
Исследована температурная зависимость эффективности генерации НГ тока в диапазоне электронных температур Гв=(1-М)кэВ, которая, как было установлено, имеет тенденцию к росту с увеличением Те.
Экспериментально показано, что в режимах генерации НГ тока происходит рост времени удержания частиц в плазме.
Научная и практическая ценность.
Результаты проведенных исследований НГ генерации тока, в частности рост эффективности генерации с увеличением электронной температуры, представляют интерес при моделировании процессов взаимодействия НГ волн в термоядерной плазме установки ITER.
Экспериментально полученный рост времени удержания частиц с одновременным ростом электронной температуры плазмы в режиме генерации НГ тока делает этот метод создания безындукционного тока весьма привлекательным для получения режимов с улучшенным удержанием.
3. Результаты экспериментов представляют практический интерес при определении оптимальных параметров ВЧ системы для установки ITER.
Достоверность и обоснованность результатов, представленных в диссертации, обусловлена большим объемом полученного экспериментального материала, подтверждена сравнением полученных данных с предсказаниями теории, а также находится в хорошем согласии с результатами экспериментов полученных на других установках.
Автор выносит на защиту
Результаты экспериментов, подтверждающие эффект генерации безындукционного тока в плазме установки Т-7 ВЧ мощностью в виде пакета замедленных НГ волн, возбуждаемых излучателем (трехволноводный «грилл»).
Зависимость величины и эффективности генерации НГ тока от параметров плазмы и ВЧ системы, в том числе от электронной температуры плазмы.
Результаты экспериментов, позволившие провести оценку нижней границы «плато» на функции распределения электронов по продольным скоростям, образующегося за счет взаимодействия электронов с НГ волнами.
Сравнение экспериментальных данных с выводами квазилинейной теории генерации НГ тока.
5. Увеличение времени удержания частиц в режимах НГ генерации тока по сравнению с режимами с ЭЦ нагревом плазмы.
Апробация работы.
Результаты исследований вошедших в диссертацию докладывались на 9~ и 11— конференциях по управляемому термоядерному синтезу Международного Агентства по Атомной Энергии (МАГАТЭ) в 1982 и 1986г.г., на рабочем совещании экспертов МАГАТЭ в 1983г, на конференции Американского Физического Сообщества в 1988г.
Результаты экспериментов неоднократно докладывались на научных семинарах Отдела Т ИЯС РНЦ.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из Введения, четырех глав, Заключения и Списка литературы. Общий объем диссертации составляет 97 страниц, 33 рисунка, список цитируемой литературы содержит 29 работ.
Основные результаты, вошедшие в диссертацию, опубликованы в следующих работах:
Alikaev V.V.,... ІГіп V.I. et. al. "Lower-hybrid current-drive experiments in T-7 tokamak", in Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion Research 1982 (Proc. 9- Int. Conf., Baltimore, 1982), vol. 1, IAEA, Vienna, (1983), p. 227.
Alikaev V.V., ... II'in V.I. et. al., "Experiments on current drive and plasma heating by LH and EC waves in the T-7 tokamak", in Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion Research 1986 (Proc.ll- Int. Conf. on Plasma Phys. and Contr. Nucl. Fusion Research), vol. 1, IAEA, Kyoto, (1986), p.533.
Аликаев B.B.,... Ильин В.И. и др., «Исследование генерации тока нижнегибридными волнами в токамаке Т-7», Физика плазмы, 1985, т.11, №1, с.53.
Аликаев В.В.... Ильин В.И. и др., «Генерация тока на установке токамак-7 с помощью электронно-циклотронных и нижнегибридных волн», - «Письма в ЖЭТФ», т. 49, вып.1, с.6-9, 1989
Аликаев В.В.,Арсеньев Ю.И.,Ильин В.И., Параил В.В., «Исследование взаимодействия замедленных электромагнитных волн в диапазоне частот ooxqlh с плазмой токамака ТМ-3.», - Физика плазмы, 1981, т.7, №4, с. 1282.
Создание тока ВЧ волнами в диапазоне нижнегибридных частот
Для «быстрой волны», описываемой уравнением 121 условия на резонанс отсутствуют, поэтому в экспериментах по НГ нагреву плазмы обычно используется «медленная» волна. Необходимо отметить, что для достижения «медленной» волной зоны трансформации или центральных областей плазмы в экспериментах по генерации НГ тока необходимо выполнение условия (1): при этом значения т и сош соответствуют области НГ резонанса или области
генерации тока. На рис.1 показаны зависимости квадрата поперечного показателя преломления от плотности плазмы для «быстрой» и «медленной» волны, при этом условие /4/ выполнено. Из рис.1 видно, что по мере распространения в область плазмы с большей плотностью, поперечный показатель преломления «медленной» волны растет быстрее, чем у «быстрой», отсюда эти волны и получили свои названия. Таким образом, выражение /4/ определяет нижнюю границу спектра замедленных волн. Существует и верхняя граница допустимых, значений JVn..При достаточно сильном замедлении волн ВЧ энергия должна сильно поглощаться электронами на эффекте затухания Ландау в периферийных областях плазмы. Дать какую-то точную оценку максимально допустимых значений N\\ достаточно сложно, исходя из того, что эта величина сильно зависит от электронной температуры плазмы, ее распределения по малому радиусу и от размеров токамака.
Изложенная выше качественная картина распространения и поглощения НГ волн дает представление об особенностях НГ метода нагрева плазмы, однако, в реальных условиях эксперимента на токамаках, с учетом неоднородности тороидального магнитного поля, наличия поля тока и градиента концентрации плазмы grad пе эта картина значительно усложняется. Проведенные численные расчеты лучевых траекторий с учетом указанных выше факторов показали достаточно сильную зависимость Ыц от полоидального угла (3) (рис.2). Из рис.2 ясно, что даже если в начале значения NJJ удовлетворяли условию /4/, то по мере распространения волн вглубь плазмы это условие может быть нарушено. При этом, как предсказывает теория (1), возможна трансформация «медленной» волны в «быструю» последующим распространением последней в периферийные области плазменного шнура.
Кроме сказанного выше, существенные изменения Nn могут быть связаны с рассеянием НГ волн на низкочастотных колебаниях, существующих в периферийных областях плазмы (4).
Очень важным фактором, влияющим на распространение НГ волн, является роль нелинейных эффектов. Как показано в (5), (6) определяющим можно считать процессы индуцированного рассеяния исходной волны на электронах или ионах плазмы, которые приводят к ее поглощению до достижения зоны трансформации.
Эксперименты по НГ нагреву плазмы проводились на целом ряде установок, как в России, так и за рубежом (7 - 10). На многих токамаках в качестве антенн, возбуждающих в плазме замедленные волны использовались решетки сфазированных волноводов - «грилл», теория которых была развита в (11). Решетка состоит из нескольких одномодовых волноводов, причем соседние имеют общую стенку в Н плоскости (рис.3). Система размещается в камере установки так, чтобы вектор напряженности электрического поля ВЧ волн на рас-крыве был параллелен силовым линиям тороидального магнитного поля тока-мака, а оси волноводов были в экваториальной плоскости тора. Расстояние между осями соседних волноводов характеризует величину замедления волн, которая в некоторых пределах может меняться за счет изменения разности фаз волн в соседних волноводах. «Грилл» излучает спектр замедленных волн, который тем уже по NII, чем большее количество волноводов включено в решетку.
В результате проведенных экспериментов по НГ нагреву плазмы была показана возможность нагрева как ионной, так и электронной (эффект затухания Ландау) компоненты плазмы. Общим можно считать то, что во всех экспериментах по НГ нагреву ионов при вводе ВЧ мощности в плазму наблюдались ускоренные «надмаксвелловские» группы ионов. Были получены надежные данные о нагреве тепловой ионной компоненты (12). Теоретическое обоснование механизма образования ионов с большой поперечной энергией в центральных областях плазмы было сделано в (13) и получило название «стохастического» нагрева. В (13) показано, что поскольку поперечный показатель преломления волны возрастает от периферии к области трансформации, первыми начнут ускоряться ионы с большей поперечной скоростью. При этом нагрев основной массы ионов обусловлен столкновениями «горячих» ионов с тепловыми. Наряду с этим, в экспериментах по НГ нагреву наблюдались и нелинейные процессы, теоретически предсказанные в (5), (6), которые приводили к диссипации ВЧ мощности до достижения области НГ резонанса.
Экспериментальные результаты и квазилинейная теория генерации тока НГ волнами
Впервые эффект образования электронов с энергиями существенно превышающими энергию тепловой электронной компоненты плазмы при взаимодействии с пакетом нижнегибридных (НГ) волн был зарегистрирован в 1978г. на установке ТМ-3 (aL=%CM, /?=40см. здесь ai - радиус диафрагмы, R - большой радиус тора). В качестве источника высокочастотной (ВЧ) энергии был использован генератор магнетронного типа, работающий на частоте fo& 1000 МГц. Мощность генератора составляла величину Рдч= 100кВт при длительности импульса г=1ч-2мс. Антенной в эксперименте служила двухпроводная полоско-вая линия, позволявшая возбуждать на поверхности плазмы несимметричный относительно направления магнитного поля спектр замедленных волн. Спектр возбуждаемых волн был достаточно широким по кц так, что продольные фазовые скорости НГ волн находились в диапазоне ЗУте С0(//кц\ 1/Зс где еоо=2п/о.
Эксперименты проводились в режиме с пе=(1 -2)х10,2см"3,1 20+24кА, #0=0,8-=-1,1Тл (здесь пе - средняя по хорде электронная концентрация, 1р- ток разряда, Дгквазистационарное магнитное поле). При этих параметрах плазмы условия на нижнегибридный резонанс не выполнялись - о)о 4а)нг {соНг- частота нижнегибридного резонанса). Из проведённых с помощью направленного ответвителя измерений следует, что в плазме поглощалось 50% подводимой ВЧ мощности.
При инжекции ВЧ мощности в плазму наблюдалось уменьшение разрядного напряжения Up в два раза, увеличение интенсивности мягкого рентгеновского излучения с энергией квантов — ,, 40кэВ и синхротронного излучения на частоте /]=20ТТц. В то же время интенсивность синхротронного излучения на частоте у}=10ГТц практически не менялась. Учитывая это обстоятельство и исходя из условий Доплеровского резонанса со-о)Ве (1-0)О5-ко N V,,=0 ПАЇ, - (где со-частота, принимаемого излучения, соВе — электронно-циклотронная частота в установке, ко - вакуумное волновое число, Vtr продольная скорость излучающих электронов, N — показатель преломления правополяризованной волны, распространяющейся вдоль магнитного поля, /3=У(/с, VQ — скорость излучающих электронов, с - скорость света), можно оценить верхнюю границу энергии надтеп-ловых электронов, если подставить в /14/ минимальное значение электронно-циклотронной частоты в плазме - сйвемш В нашем случае верхняя граница энергии составила величину - =50кэВ. Измерения поперечной энергии плазмы с помощью диамагнитных зондов и ионной температуры, определяемой по спектрам нейтралов перезарядки, показали, что эти значения не менялись в течение ВЧ импульса. Таким образом, в этих экспериментах при инжекции ВЧ мощности в плазме генерировались надтепловые электроны с преимущественно продольными скоростями соответствующими фазовым скоростям замедленных волн, возбуждаемых полосковой линией.
Первые в ИЯС целенаправленные эксперименты по генерации тока были проведены после того, как в были сформулированы основные физические представления по созданию в плазме безиндукционного тока с помощью ин-жекции электромагнитных волн (17).
Эксперименты проводились на установке Т-7, в которой, благодаря использованию сверхпроводящего соленоида, поддерживалось постоянное тороидальное магнитное поле, и при определённых условиях могла быть получена стационарная плазма.
Токамак Т-7 (25) имел разрядную камеру с большим радиусом равным R=122 см и малым радиусом равным д=35 см. В камере были установлены графитовые диафрагмы: круглая - с радиусом aL=31,5 см и подвижная рельсовая, располагавшаяся на расстоянии 28см от оси камеры. Разряд формировался путем последовательного подключения к вихревой обмотке токамака пробойной батареи и формирующей LC линии. На установке Т-7 источником ВЧ энергии служил ВЧ генератор магне-троного типа, работающий на частоте 900МГц с предельной выходной мощностью Рвч= 1МВт при длительности импульса г 1сек. ВЧ энергия подводилась к камере токамака по волноводному тракту, состоящему из трех параллельных каналов, каждый из которых включал аттенюатор, фазовращатель, ферритовый вентиль и керамическую вакуумную развязку. Вакуумная развязка была удалена от токамака на расстояние Зм. ВЧ энергия излучалась в камеру токамака через систему трех сфазированных волноводов - "трехволноводный грилл", которая размещалась в горизонтальном патрубке установки. Фазовращатели обеспечивали возможность изменения относительной фазы волн на раскрыве излучателя. Кроме этого можно было изменять уровень мощности излучаемый из каждого волновода «грилла». Сечение каждого из волноводов на срезе «грил-ла» составляло 2x22 см , расстояние между осями волноводов равно 2,4 см. С целью увеличения электрической прочности волноводов излучателя, изготовленных из нержавеющей стали, на их внутреннюю поверхность был напылен титан и перед началом экспериментов с плазмой осуществлялась их тренировка ВЧ импульсами длительностью до 50 мс при мощности до 600 кВт. При этом относительный сдвиг фаз волн в соседних волноводах составлял АФ = 180. Как показали измерения без разряда токамака, после данной процедуры обработки излучателя фаза на раскрыве волноводов не зависела от вводимой в камеру ВЧ мощности.
Температурная зависимость эффективности генерации тока НГ волнами
В описанных экспериментах была продемонстрирована возможность генерации НГ тока в плазме токамака. Был получен режим с полным замещением омического тока током, возбуждаемым в плазме замедленными НГ волнами. Однако, в области больших разрядных токов интерпретация полученных результатов затруднена, как в связи с несовершенством работы ВЧ системы, так и вследствие того, что в области выбранных параметров плазмы не удалось избежать развития «веерной» неустойчивости. В силу этих обстоятельств в проведенных экспериментах не удалось определить такую основную характеристику генерации тока, как её эффективность.
Из полученных результатов стало очевидно, что для дальнейшего развития экспериментов необходимо было сделать следующее: 1. Повысить электропрочность ВЧ излучателя. 2. Обеспечить контроль относительного фазового сдвига ДФ. 3. Таким образом изменить характеристики параметров плазменных разрядов, что бы избежать развития релаксационной «веерной» неустойчивости.
Как показали результаты первых экспериментов, напыление титаном внутренних стенок волноводов излучателя, в условиях работы на установке Т-7 привело к негативным результатам. При низкой температуре вакуумной стенки токамака и патрубка, через который вводилась НГ мощность (-20С) нейтральный газ поглощался титановым слоем и инициировал возникновение мульти-пакторного разряда в зоне первой гармоники электронно-циклотронного резонанса (ЭЦР) для данной частоты (/о=900МГц). Механическим способом удалось удалить это покрытие только на 20-КЗО см. со стороны раскрыва излучателя в направлении к ВЧ генератору. Поэтому было принято решение продолжать эксперименты, установив систему прогрева излучателя, которая обеспечивала нагрев волноводов до температуры Т=300С в зоне первой гармоники ЭЦР. Кроме этого, осуществлялся контроль за спектром НГ волн, излучаемых в плазму при различных уровнях ВЧ мощности и разных значениях концентрации плазмы. С этой целью при помощи высокочастотных электростатических зондов измерялся относительный сдвиг фаз (АФ) ВЧ волн на срезах волноводов в течение рабочего ВЧ импульса. Для исследований особенностей связи "грил-ла" с плазмой вблизи среза волноводов производились измерения величины электронной концентрации и ее градиента с помощью СВЧ интерферометра и ленгмюровских зондов. Тем не менее, несмотря на удаление титанового покрытия и введение прогрева стенок излучателя, при значениях РВч 40 кВт в вакуумной части волноводного тракта загорался вторично-эмиссионный разряд; регистрировалось свечение в видимой области спектра, а электростатические ВЧ зонды на раскрыве "грилла" регистрировали стохастические изменения относительной фазы АФ во время работы ВЧ генератора. Одновременно с этим величина -AUp/Up, характеризующая появление в плазме НГ тока (П.2.2.), выходила на стационарный уровень и не зависела от вводимой в плазму ВЧ мощности. По этой причине для повышения электрической (ВЧ) прочности излучателя проводилось кондиционирование стенок волноводов с помощью тлеющего разряда. После обработки стенок тлеющим разрядом в аргоне (Аг) вводимая без искажения фазы ВЧ мощность возросла в несколько раз и достигла величины Ряч-ЗООкВт.
Существенным является различие режимов, в которых проводились исследования. В первых экспериментах (II.2.) в исходных омических режимах при йе 1013 см"3 существовало значительное количество ускоренных электронов, наличие которых приводило к развитию «веерной» неустойчивости еще до ввода в плазму ВЧ мощности. В данных экспериментах вакуумные условия были лучше, и для чисто омических режимов с пе (2 -г- 3)-1012 см" «веерная» неустойчивость не наблюдалась. В рентгеновских спектрах практически отсутствовали кванты с энергиями 20 кэВ, измерения интенсивности синхротронного излучения на частоте ЗбГГц также подтверждали отсутствие ускоренных электронов в плазменном шнуре. Таким образом, более тщательная очистка камеры и подбор режима позволили работать в условиях, когда начальная несимметрия функции распределения электронов по продольным скоростям была существенно уменьшена по сравнению с экспериментами, описанными в (II.2).
Отметим, что в данных экспериментах, как и в (П.2), использовалась та же схема электропитания вихревого электрического поля. К уже существующим измерениям были добавлены следующие диагностики: 1. Для регистрации энергетических спектров рентгеновского излучения, которые характеризуют изменения функции распределения электронов при инжекции НГ мощности, был установлен германиевый детектор, позволяющий измерять спектры рентгеновского излучения в диапазоне энергий от 1кэВ до 100 кэВ с энергетическим разрешением 200эВ. Детектор регистрировал излучение в направлении тороидального дрейфа электронов. 2. Регистрировалось синхротронное излучение на частотах З 0-КЗ бГГц, что соответствовало излучению электронов с энергией Е 40 - 60 кэВ из центральных областей плазменного шнура. 3. Шестиканальный интерферометр (Х,=2мм) позволял определять распределение пе(г) и оценивать концентрацию плазмы на «раскры-ве» излучателя.
Сравнение экспериментальных данных с предсказаниями квазилинейной теории
Рентгеновское излучение в течение всего разряда регистрировалось с помощью двух ПБД и германиевого полупроводникового детектора. На омической стадии разряда и во время ВЧ импульса с помощью германиевого детектора снимались также энергетические спектры рентгеновского излучения (НРА) -J(E) в диапазоне энергий 1 -М00 кэВ. Луч зрения детектора мог сканироваться, что позволяло определять пространственное по поперечному сечению распределение интенсивности рентгеновского излучения с проведением НРА. Пространственное разрешение детектора для центра плазменного шнура составляло 2 см. Характерные рентгеновские спектры в диапазоне энергий 2- 80кэВ представлены на рис.14. Эти спектры получены как для омической стадии разряда, так и во время работы ВЧ генератора. Спектры снимались с временным окном Л/=50мсек. Отметим, что на омической стадии разряда спектр рентгеновского излучения соответствует максвелловской функции распределения электронов по энергиям. По наклону этих спектров в диапазоне энергий 2- -5кэВ определялась величина электронной температуры Те. На рис.15 представлены сигналы с ПБД (Х\ и Хг) (см. П.2.2.), интегральный сигнал Хз с германиевого детектора и сигнал с приемника синхротронного излучения Jm .. Видно, что включение ВЧ-генератора приводило к резкому увеличению интенсивности надтеплового рентгеновского излучения, которое в основном регистрировалось германиевым детектором и приемником синхротронного излучения. Характерное время нарастания составляло величину - т 3(Н40мс. В дальнейшем интенсивности этого рентгеновского и синхротронного излучения оставались примерно постоянными до конца ВЧ импульса. Отметим, что величина интегрального сигнала с германиевого детектора зависела от фазы АФ (максимум наблюдался при АФ = 90) и росла с увеличением ВЧ мощности.
Измерения синхротронного излучения проводились на частоте/ ЗбГГц. Антенна принимала волны с поляризацией, соответствующей обыкновенной волне. Приемник был собран по стандартной супергетеродинной схеме. Сигналы приемника приведены на рис.15. Поведение интенсивности синхротронного излучения совпадает с временным ходом сигнала германиевого детектора Хз-Если предположить, что синхротронное излучение принимается из центра плазмы, то, как показано в (24), это свидетельствует о наличии в этой области электронов с энергией Е :=40 кэВ (Вт = 1 8 Тл).
Изучение спектров рентгеновского излучения в диапазоне 20 - ЮОкэВ показало, что и абсолютное значение интенсивности, и характер распределений J(E) сильно зависят от направления тороидального магнитного поля Вт. Типичные зависимости J(E), полученные для двух противоположных направлений Вт, представлены на рис.16. Отметим, что для спектра I, снятого при таком направлении Вт, когда тороидальный дрейф электронов направлен вверх, интенсивность излучения на порядок превосходит интенсивность в спектре II, получен- ном для противоположного направления 2?г. Йаклоны спектров различны. На рис.17 приведены спектры рентгеновского излучения J(E) при разных сдвигах фаз (АФ) в волноводах. Направление тороидального поля Вт в данном случае соответствовало тороидальному дрейфу электронов вверх. Видно, что максимальная интенсивность, а также Тэфф соответствуют возбуждению в плазме волн при АФ= 90.
Исследования распределения интенсивности рентгеновского излучения по малому радиусу плазмы были выполнены при фиксированных параметрах разряда и при значении АФ= 90, При этом направлении Вт соответствовало дрейфу электронов вниз. В каждой точке по радиусу снимался рентгеновский спектр J(E). По этим спектрам для двух значений энергий были построены радиальные распределения интенсивностей излучения, изображенные на рис.18. Как видно, рентгеновское излучение регистрируется в основном из центральной области, ограниченной радиусом г 12см.
Заканчивая описание результатов экспериментов, отметим основные особенности оптических и болометрических измерений. В экспериментах регистрировались интенсивности линий Dp и СШ, а с помощью широкоугольного болометра определялись общие потери энергии плазменного шнура. Все эти датчики располагались в горизонтальных патрубках. Типичные осциллограммы сигналов ФЭУ и сигнала болометра Ру совместно с осциллограммами величины пе и величины электронной концентрации на срезе волноводов представлены на рис.19. Характерной особенностью всех этих величин, за исключением пе является то, что при включении ВЧ-генератора они уменьшаются на 20 - 40%. В то же время среднее значение электронной концентрации пе увеличивается. Результаты оптических и болометрических измерений свидетельствуют о том, что поступление рабочего газа и основных примесей в разряд при включении ВЧ генератора уменьшается, в то время как электронная концентрация ие растет. Это позволяет предположить, что в экспериментах по поддержанию тока с помощью НГ волн увеличивается время удержания частиц в плазменном шнуре.
Отметим, что при инжекции ВЧ мощности в плазме происходят следующие характерные изменения ее параметров: 1. Уменьшается напряжение на обходе плазменного шнура, увеличивается значение Рп, а при достаточно большой ВЧ мощности {Рвч 200кВт) величина разрядного напряжения становится равной 0. 2. Возникает надтепловое рентгеновское и синхротронное излучение, которое связано с появлением в плазме электронов с большими энергиями. Это указывает на то, что при вводе в плазму НГ мощности функция распределения электронов отличается от максвеллов-ской наличием надтепловых электронов с энергией до 70кЭв. Таким образом, наблюдаемые эффекты свидетельствуют о том, что во время ВЧ импульса в плазме происходит генерация ВЧ тока, который замещает индукционный ток.
