Введение к работе
Актуальность темы. ВЧ нагрев плазмы основан нл нилении резонансного взаимодействия эаряивнных частиц с электромагнитными колебаниями, при ноторои частицы сохраняют постоянную фазу относительно волны и эффективно усноряются ее элентричеснии полей Неоднородность реальных динамических систем снимает интенсивность резонансного взаимодействии, ограничивая его продолжительность. В установках с магнитный удержанием плазмы специфику каждой конкретной схемы нагрева определяют нан пространственная . неоднородность магнитного поля, так и неоднородность амплитуды электромагнитных колебания. Если без надлежащего учета первого . фактора анализ резонансного взаимодействия в системе попросту невозможен, ти пространственное распределение электромагнитного поля, в принципе, может считаться заданный изначально, не зависишь* от дисперсионных свойств плазмы. Современное состояние проблемы применительно н магнитный ловушкам больного размера характеризуется именно такой оторванность» квазилинейной теории резонансного взаимодействия от теории распространения волн в плазме. Таким образом, актуальность данной темы обусловлена потребностью в более глубоком понимании процессов, определяющих эффективность ВЧ нагрева плазмы в установках УТС.
Значительный научный и практический интерес вызывает также тот факт, что в хопе ВЧ нагрева иагнитоактивной плазмы модификация функции распределения заряженных частиц по энергии может сопровождаться пространственными «си енкями распределения надтепловых частиц. Это, в свои очередь, может приводить к увеличению потоков частиц и энергии поперек удерживающего плаэиу магнитного поля. Важность мэучения подобных процессов в условиях магнитных ловушек очевидна.
Цель работы. Целью настоящем иссертационной работы является теоретичесний анализ кинетических процессов, происходящих .-,>и взаимодействии электромагнитных колебании нижнегибридного и элентроино-циклотронного диапазонов с заряженными частицами в условиях, приближенных к условиям экспериментов, проводимых в отд.ле физики плазмы ИОФ РАН.
Научная новизна диссертационі I работы заключается в.дальнейшем развитии кинетической теории взаимодействий ВЧ полей с плазмой, удерживаемой магнитным полем.
Впервые рассмотрен вопрос об эффективности-" возбуждения
нижнегибридной ветви колебаний на биениях продольных ВЧ волн в неоднородной плазме, определена амплитуда возбуждаемой нижнегибридной волны, а также полу эны , относительно простые аналитические выражения, описывающие влияние пространственной дисперсии и столкновений частиц на структуру элвктричесного поля нижиегибридкых колебании в трансформационной области.
Впервые предложена и исследована схема стохастичесного ускорения ионов при их многонратном взаимодействии с локализованным полем нижнегибридного резонанса в плазме с градиентом концентрации, перпендикулярным магнитному полю. Такая модель применима в ситуации, ногда размер неоднородности плазмы не превышает насиольних ионных Ларморовсних радиусов. Противоположным рассмотренному является случаи ускорения ионов в поле плоской монохроматической нижнегибридной волны, что соответствует ее распространению - в однородной плазме. Такой процесс был подробно исследован ранее. В диссертации получено общее выражение для тензора квазилинейной диффузии, пригодное для произвольных значений градиента концентрации.
Впервые проанализирован механизм повышения переноса энергии локально запертыми электронами в стеллараторе под действием электронно-циклотронных колебаний и столкновений с одновр 1ЙННЫМ учетом неоднородности магнитного поля вдоль силовой линии, релятивистских поправок, неоднородности интенсивности СВЧ колебаний вследствие конечной ширины электромагнитного пучка и пространственного затухания волны.
Практическая ценность диссертационной работы:
- получены результаты, способствующие интерпретации имеющихся
экспериментальных данных и применимые для оптимизации условий
.возбуждения нижнэгибридных колебаний на биениях продольных ВЧ волн;
определены методы повышения эффективности нижнегибридного нагреяа плазмы;
получены результаты, качественно объясняющие некоторые особенности элентронно-цинлотронного нагрева плазмы в экспериментах на t геллараторе Л-2;
определены факторы, влияющие на интенсивность потерь вводимой СВЧ мощности, связанных с вложением энергии в локально запертые Электроны, в активной фазе электронно-циклотронного нагрева в установках стеллараторного типа.
, Апробация работы и публикации. Результаты диссертации докладывались на научных семинарах ИОФ РАН в 19Э1-19Э4 гг., на
конференция по физике плазмы и управляемому - термоядерному синтезу ( Звенигород, 1994 ) и опубликованы в четырех печатных работах. Основные положения диссертации, выносиные на завиту.
-
Эффективность возбуждения нижнегибривных колебаний на биениях продольных ВЧ волн о неоднородной плазме возрастает с увеличением поперечного волнового числа волны биений. При этом область возбуждения смещается в направлении возрастания плотности плазмы. При отсутствии столнновительной диссипации' возбуждённой ницгиегибридноИ волны зависимость амплитуды нолебаний в трансформационном слое от коннретных значений компонент волнового вектора волны биении определяется, в основном, их влиянием на величину эффективного поля накачки. Если же распространение нижнегибриднсй волны в плазме сопровождается диссипацией ее энергии, то и коэффициент усиления поля в области трансформации зависит от значений компонент волнового вектора биений. В частности, увеличение продольного волнового числа биений существенно понижает коэффициент усиления, и уменьшает глубину проникновения нижнегибридной волны в плазму.
-
В задаче о стохастическом . .-корений ионов локализованным полем нижнегибридного резонанса существуют два типичных предельных случая, различающихся по величине фазовой скорости волны в направлении, ортогональном пан "агнитному пол», тан и градиенту концентрации. В случае, соответствующем бесконечно больной фазовой снорости, процесс ускорения ионов симметричен относительно резонансного слоя. Если же соответствующая компонента волнового вектора отлична от нуля и размеры физической системы достатс но велики для того, чтобы ионы с поперечными скоростями порядка фазовой скорости нижиегибридиых нолебаний в этом направлении не вылетали за пределы э <н системы, основное количество ускоренных ионов будет находиться по одну из сторон от резонансного слоя.
-
Теоретическое исследование переносз энергия надтепловыми хвостами локально запертых электронов и численные расчеты показывают, что в установках типа стелларатор в условиях электронно-циклотронного нагрева этот процесс может давать заметный енлад в общие потеря энергии из плазмы. Например, в условиях экспериментов на стеллараторе Л-2 эти потери мсгут достигать 5< поглоизеиой мойноети и сопоставимы по величине с неонлассичесним переносом энергии электронами, запертыми в одной- магнитной яме. Роль переноса энергии нгдтеодряыми запертыми электронами как канала быстрых потери может существенно меняться (мак увеличиваться, так и
уменьшаться) при незначительной изменении параметров вводимого СВЧ пучка, в частности, при перемещении области резонансного нагрева из одной точни в другую. Если параметры таковы, что затухание волны на нэнсвелловских электронах велико, доля анергии, вкладываемой в лонально запертые электроны, резне уменьшается и эффект усиленного переноса энергии практически исчезает (что характерно, например, для нагрева необыкновенной волной на второй гармонике в Л-2).
Структура и обьом диссертации. Диссертация состоит из введения, двух глав и заключения. Общий объем работы составляет 100 страниц; из них 87 страниц машинописного текста и 13 рисунков. Библиография включает в себя 54 наименования цитируемой литературы.
