Введение к работе
Введение, актуальность темы диссертации.
Представления о том, что в условиях циклотронного резонанса заряженные частицы могут эффективно взаимодействовать с высокочастотным полем, возникли более трех десятилетий назад. Почти сразу же появилась идея использования циклотронного резонанса для нагрева высокотемпературной термоядерной плазмы, в которой омический нагрев становится неэффективным. Возможность существенного увеличения энергосодержания плазмы в результате ее взаимодействия с высокочастотным полем в условиях электронного циклотронного резонанса была продемонстрирована у*е в первых экспериментах, проведенных в начале 60-х гг. в ИАЭ им. И. В. Курчатова на небольших прямых ловушках с магнитными полями порядка нескольких килогаусс при уровнях СВЧ мощности в несколько киловатт.
Использование электронно-циклотронного метода нагрева в наиболее перспективных Ісистемах с магнитным удержанием - токамаках, долгое время сдерживалось отсутствием достаточно мощных источников СВЧ излучения в диапазоне миллиметровых и субмиллиметровых длин волн. Электронные СВЧ приборы нового класса - мазеры на циклотронном резонансе (ЩР), разработанные в 60-е годы в Горьком (НИРФИ) под руководством академика А. В. Гапонова-Грехова, позволили в конце концов преодолеть эту трудность. Простота постановки экспериментов и относительная доступность источников соответствующего диапазона. длин волн быстро стимулировали проведение большого количества физических исследований с использованием электронно-циклотронного способа создания и нагрева плазмы в небольших тороидальных системах. В наиболее крупномасштабных экспериментах на токамаке Т-10 в Институте атомной
энергии им. И. В. Курчатова (общая мощность Тиротронного комплекса до 4-х МВт) была продемонстрирована возможность достижения при ЭЦ нагреве температур плазмы, соответствующих поджигу термоядерной реакции в' D-т смеси. Факт нагрева электронной компоненты (а не ионной), для установок реакторного масштаба несущественен, поскольку в них ионы нагреваются за счет кулоновских соударений с электронами за времена, существенно меньшие энергетического времени жизни.
Перспективность этого направления и проведение большого количества экспериментальных работ потребовали соответствующего теоретического обеспечения, связанного с выработкой идеологии дополнительного ЭЦ нагрева плотной высокотемпературной плазмы, создаваемой в токама-ках за счет омического нагрева, вплоть до температур поджига термоядерной реакции. Сюда следует отнести исследования циклотронного поглощения электромагнитных волн в тороидальной плазме и модификации электронной функции распределения под действием "греющего" СВЧ излучения. При больших мощностях используемого СВЧ излучения возможны проявления нелинейных эффектов, особенно если учесть, что' при ЭЦ нагреве электроны, как правило, взаимодействуют с когерентными, хорошо локализованными в пространстве квазиоптическими волновыми пучками. Нелинейные режимы взаимодействия электронов с СВЧ полем заведомо реализуются при использовании в физических экспериментах сверхсильных полей лазеров на свободных электронах.
С учетом крайней малости длин волн излучения ЭЦ диапазона по сравнению с характерными масштабами неоднородности плазмы при исследовании ЭЦ нагрева естественным является описание в малых (по сравнению с размерами плазменного шнура) масштабах на языке взаимодействия плоских электромагнитных волн или ограниченных квазиоптических волновых пучков с однородной замагниченной плазмой, а в больших масштабах - на языке трехмерной геометрической оптики для лучевых тра-
екторий квазиоптических волновых пучков.
Благодаря довольно точной локализации области энерговыделения ЭЦ нагрев позволяет корректировать профили электронной температуры и тока в токамаке. меняя характеристики удержания плазмы в токамаке. Особо следует, отметить возможность стабилизации моды ш = 2 за счет локального изменения радиального градиента электронной температуры. Весьма важной для токамаков, работающих в режиме индукционного тока, является возможность увеличения длительности разряда: при электронно-циклотронной предионизации и предварительном нагреве плазмы на стадии подъема тока возможна заметная экономия вольт-секунд трансформатора. В связи с этим становятся актуальными теоретические исследования по взаимодействіш СВЧ излучения с низкотемпературной разреженной плазмой (а на стадии пробоя и с отдельными электронами) -при фиксированной (вакуумной) структуре СВЧ поля.
Особое место принадлежит ЭЦ методу создания и нагрева плазмы в стеллараторной программе, где.поджиг разряда и его стационарное горение наиболее легко и естественно достигается путем непрерывной ин-жекции- микроволнового излучения электроно-циклотронного диапазона частот. Наконец, следует отметить, что специфика взаимодействия микроволнового излучения с плазмой в условиях ЦР позволяет использовать его.для создания специальных распределений электронов по скоростям с заданной пространственной структурой в системах типа бампи-торов, концевых пробкотронов тандемных ловушек и др.
Развитие техники приема и спектрального анализа в мм диапазоне длин волн привело к ее широкому использование в термоядерном эксперименте в диагностических целях. Особенно показательным в этом отношении является восстановление профиля электронной температуры по циклотронному излучению плазмы; этот способ стал рутинной диагностикой практически во всех современных установках. Вместе с тем, однознач-
ная связь между энергией излучающих (поглощающих) частиц и величиной магнитного поля в плазме позволяет диагностировать и более тонкие детали электронной функции распределения, особенно это относится к надтепловой компоненте.
Следует отметить также важность численного моделирования, как на стадии постановки плазменного эксперимента, так и на стадии объяснения полученных экспериментальных результатов.
: Перечисленный круг задач, составляющий основное содержание диссертационной работы, обуславливает ее важность и актуальность.
Целями диссертационной работы являлись:
исследование возможности использования мощного микроволнового излучения электронно-циклотронного диапазона частот для дополнительного нагрева плазмы в крупных тороидальных установках;
построение теории нелинейного взаимодействия электронов с квазиоптическими пучками конечной амплитуды в условиях циклотронного резонанса;
исследование электронно-циклотронного пробоя нейтрального газа и предварительного нагрева плазмы в установках УТС с магнитным удержанием;
разработка методов микроволновой диагностики, основанной на измерениях излучения и поглощения электромагнитных волн при наличии в в плазме электронного циклотронного резонанса;
численное моделирование применительно к ЭЦ нагреву и.микроволновой диагностике плазмы в тороидальных системах.
Научная новизна результатов диссертационной работы:
- показана идентичность элементарного квантового (основанного на методе коэффициентов Эйнштейна) и классического (кинетического)подхо-
дов к исследованию поглощения и усиления электромагнитных волн в плазме;
проведено обобщение закона Кирхгоффа на случаи немаксвелловских распределения электронов по скоростям;
построена нелинейная теория взаимодействия электронной компоненты с квазиоптическими пучками микроволнового излучения конечной амплитуды в условиях циклотронного резонанса;
предложена схема дополнительного ЗЦ нагрева плазмы в тороидальных системах вплоть до термоядерных температур, основанная на использовании обыкновенной волны, вводимой со стороны слабого магнитного поля;
внедрен лучевой подход, основанный на использовании уравнения переноса в трехмерной геометрической оптике, для расчета профилей энерговклада при электронно-циклотронном нагреве плазмы;
исследованы сильно нелинейные режимы электронно-циклотронного нагрева плазмы, реализуемые на стадии предионизации, а также в сверх-
сильных СВЧ полях лазеров на свободных электронах;
- предложены методы микроволновой диагностики! надтепловой электрон
ной компоненты, основанные на измерениях циклотронного поглощения и
излучения элктромагнитных волн тороидальной плазмой.
Научная и практическая значимость. Проведенные исследования показали перспективность использования специфики взаимодействия электронной компоненты плазмы с СВЧ излучением для широкого круга приложений в термоядерной плазме, такихчкак дополнительный нагрев до температур поджига термоядерной реакции, предионизация, предварительный нагрев на стадии подъема тока и плотности, формирование специальных распределений высокоэнергичных электронов, микроволновая диагностика. Полученные результаты представляет интерес также в связи с
обсуждаемыми возможностями применения высокотемпературной плазмы, получаемой в ЭЦР разрядах, для получения многозарядных ионов, коллективного ускорения ионов, обработки материалов и др. Теоретические методы, развитые в диссертации, могут быть обобщены и использованы для описания взаимодействия ионов с электромагнитным излучением в условиях ионного циклотронного резонанса. Следует отметить возможность использования результатов и развитых в диссертации подходов при исследовании широкого круга проблем, относящихся к резонансному взаимодействию волн и заряженных частиц в космической плазме, магнитосферах звезд и планет.
Апробация работы. Материалы, вошедшие в диссертационную работу, обсуждались на семинарах НИРФИ, ИПФ РАН, ИАЭ им. И. В. Курчатова, ИОФ РАН, ХФТИ, ИЯФ СО РАН, Миланского Института физики плазмы (Италия), Центра Ядерных Исследований Фраскати (Италия). Материалы эти докладывались на Звенигородских конференциях по физике плазмы и УТС (1975, 1980, 1984, 1985 и 1987 гг. ), двухсторонних и многосторонних Совещаниях с участием иностранных специалистов, проводимых ИАЭ им. И.В.Курчатова по различным аспектам проблемы УТС (1982. 1984 и 1985 гг. ), на Совещаниях экспертов МАГАТЭ по проблеме международного то-камака-реактора ИТЭР (Гархинг, ФРГ, 1988, 1990 гг. ), на 10-й, 12-й и 14-й Европейских конференциях по физике плазмы и УТС (Москва 1981 г., Будапешт, Венгрия, 1985 г.,. Венеция. Италия, 1389 г.) на 10-м Симпозиуме по технологии ядерного синтеза (Юлих, ФРГ, 1982 г. ), на 10-й Конференции МАГАТЭ (Лондон, 1984 г. ), на 6-м Объединенном рабочем совещании по циклотронному излучению и ЭЦ нагреву (Оксфорд, Англия, 1987 г.), на Международном Суздальском симпозиуме "Сильные микроволны в плазме" (Суздаль, 1990г. ). на 4-й и 6-й Школах "Современные методы диагностики термоядерной плазмы" (Варенна, Италия, 1985,
,991 гг.), на Всесоюзных школах и рабочих совещаниях.
Оснозные результаты диссертации опубликованы в 22 статьях в ве-худих отечественных и зарубежных изданиях, 8 препринтах ИПФ и ИОФ 3АН и 16 докладах в трудах Международных и Всесоюзных конференций, :импозиумов и школ.