Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Основы метода диапшстики плазмы по электронно-циклотронному излучению (ЭЦИ) плазмы .
1.1 Основные положения электронного циклотронного резонанса 14
1.2 Приборы, используемые для измерения параметров плазмы по ее электронно-циклотронному излучению 22
Глава 2. Экспериментальная установка и диагностическое оборудование .
2.1 Основные параметры стелларатора Л-2М 25
2.2 Общий вид приемной системы. Приемные антенны 28
2.3 Компоненты супергетеродинного приемника 33
Глава 3. Калибровка .
3.1 Основы и принципы калибровки 38
3.2 Схема построения системы приема ЭЦИ для калибровки источником известной температуры 42
3.3 Ошибки измерений электронной температуры 45
Глава 4. Определение оптической толщины и расчет лучевых траекторий .
4.1 Модель расчета лучевых траекторий и оптической толщины плазмы 52
4.2 Результаты численного моделирования 55
Глава 5. Экспериментальные измерения.
5.1 Измерения, проводимые на установке Л-2М, их особенности. Определение распределения электронной температуры плазмы 76
5.2 Эксперименты с разной величиной магнитного поля на оси 82
5.3 Влияние плотности плазмы и мощности нагрева на интенсивность электронно- циклотронного излучения 88
5.4 Эксперименты с поперечным магнитным полем 108
5.5 Определение поглощенной плазмой мощности греющего СВЧ-излучения... 112
5.6 Экспериментальное определение области поглощения греющего СВЧ-излучения. Исследования теплопереноса на Л-2М 118
5.7 Эксперименты с дополнительным индукционным током 132
5.8 Сравнение с другими методами измерений 148
Заключение 151
Список литературы 152
- Приборы, используемые для измерения параметров плазмы по ее электронно-циклотронному излучению
- Общий вид приемной системы. Приемные антенны
- Схема построения системы приема ЭЦИ для калибровки источником известной температуры
- Влияние плотности плазмы и мощности нагрева на интенсивность электронно- циклотронного излучения
Введение к работе
В настоящее время решение проблемы управляемого термоядерного синтеза (УТС) вступает в новую стадию и, прежде всего, это связано с разработкой крупного международного проекта токамака ITER. На крупномасштабных токамаках и стеллараторах достигнуты большие успехи по удержанию и нагреву плазмы. До сих пор продолжаются споры о типе установки для будущего завода по производству электроэнергии, который требует стационарной плазмы с хорошим удержанием. На сегодняшний день удержание в системах токамачного типа лучше, чем в стеллараторных, однако, неэффективная рециркуляция мощности токов увлечения и срывы ставят под вопрос эффективность стационарного реактора, построенного на основе токамака. В то же время, установки стеллараторного типа предпочтительнее для непрерывной работы, но они должны быть несколько больше и значительно дороже. Хотя конфигурация термоядерного реактора в виде токамака на сегодняшний день более популярна, следует отметить, что для стационарной работы токамаков требуется более высокая рабочая температура для увеличения доли бутстреп-тока и уменьшения мощности токов увлечения. Для систем же стеллараторного типа более удобна относительно низкая температура плазмы для уменьшения переноса в стеллараторных ямах. Результатом этого факта является более низкая стоимость обслуживания стеллараторных систем, где нет потерь мощности на токи увлечения и требуется менее частая замена бланкета. Проводимые сравнительные оценки двух типов термоядерных систем [1], основанные как на физических, так и на инженерных данных показали, что эффективная стоимость, включающая в себя все стадии жизни установки, обеих термоядерных систем сравнима по величине, хотя начальные затраты для установок стеллараторного типа значительно выше. Основное отличие этих двух видов установок заключается в разной конфигурации магнитной системы. Разнообразие стеллараторных установок можно разделить на три основных вида: классический стелларатор (гелиотроп или торсатрон), гелиак и гелиас. Эти тороидальные конфигурации, обладающие своей собственной симметрией можно определить элементами магнитной структуры, например, магнитной ямой, магнитным .широм, вращательным преобразованием, структурой модуляции поля. Эти элементы тесно связаны со свойствами удерживаемой плазмы. Исходя из особенностей магнитной структуры, стеллараторы имеют свои формы профилей, скейлинги, флуктуационные свойства. Именно поэтому исследования на каждом отдельном стеллараторе представляют большую ценность. Удерживающее поле классического стелларатора (L-2M, ATF, CHS, Heliotron-E, LHD) создается парой непрерывных винтовых обмоток и некоторым набором катушек, необходимых для контроля положения магнитной
4 оси и формы поперечного сечения плазмы. Этот тип конфигурации характеризуется большим вращательным преобразованием (У2л=1-^2,5), большим широм магнитного поля и магнитной ямой (до 33%). Гелиак (TJ-II, НІ-гелиак) можно охарактеризовать врожденной магнитной ямой (около 4%), большим вращательным преобразованием (У2я=1^2) и низким магнитным широм. Магнитное поле получается как суперпозиция двух компонент поля: полоидального поля, получаемого центральным тороидальным проводником и торсатронного поля, образованного набором катушек тороидального поля с центрами на винтовой кривой вокруг тороидального проводника. Установка типа гелиас (W7-AS) -оптимизированный стелларатор с квазисимметричной конфигурацией. Магнитное поле образуется набором модульных катушек. Конфигурация характеризуется магнитной ямой (около 2%), низким вращательным преобразованием (і/27г=0,25-^0,7) и малым широм магнитного поля. Стелларатор Л-2М относится к классическому стелларатору, речь о котором пойдет ниже, во второй главе.
Гелиотрон Гелиас Гелиак
LHD,Heliotron Е. W7-AS. HSX, TJ-II, Н-1
CHS & ATF & Heliotron J
На крупнейших установках, где электронная и ионная температуры плазмы достигают десятков килоэлектронвольт, уже можно говорить о стационарном времени удержания плазмы. В результате многолетних исследований достигнуто достаточно хорошее понимание физических процессов, происходящих в высокотемпературной плазме. Однако ряд физических и технических задач еще не имеет своего окончательного решения, в связи с чем возрастают требования к диагностическим приборам для исследования свойств плазмы. Развитие диагностик идет как по линии модернизации старых методик, так и по линии создания новых диагностических систем. Это позволяет более точно измерять параметры плазмы, в частности - изменение электронной температуры в пространстве и времени. Значение этого параметра существенно возрастает в случае, когда мощность от источников нагрева в плазме вкладывается именно в электронную компоненту плазмы (омический нагрев, электронно-циклотронный нагрев).
Микроволновые методы, как активные, так и пассивные играют важнейшую роль среди современных методов диагностики плазмы. Исследование электронного циклотронного излучения (ЭЦИ) плазмы является одним из основных диагностических инструментов на всех современных термоядерных установках. Измерение излучения плазмы на электронно-циклотронных частотах и ее гармониках в виде «обыкновенной» («СЬ>-мода) и «необыкновенной» («Х»-мода) волны является одним из основных методов определения распределения электронной температуры по радиусу плазменного шнура Те(г). Измерение ЭЦИ дает информацию о состоянии разряда и является одной из важнейших диагностик для определения параметров ускоренных электронов. Широкие возможности открывает исследование поляризации ЭЦИ, т.к. при определенных условиях анализ поляризации излучения «необыкновенной» волны позволяет измерить распределение тока в плазме [2].
В последние годы интенсивно изучается распространение тепловых возмущений в плазме, создаваемых различными методами, например, неустойчивостями срыва или модуляцией СВЧ-излучения, применяемого для нагрева плазмы. При этом для исследования распространения тепловых модулированных волн требуются высокочувствительные многоканальные приемники ЭЦИ, поскольку уровень модуляции принимаемого температурного сигнала может составить несколько электронвольт при высоких частотах модуляции. Настоящая работа посвящена изучению ЭЦИ плазмы стелларатора «Ливень-2М» (Л-2М). Некоторые аналогичные исследования проводились и в других странах, например, в Испании - на стеллараторе TJ-IU, TJ-II, в Германии - на стеллараторах «Wendelstein-7A» и «Wendelstein-7AS», в Японии - на CHS и LHD.
Создание новых тороидальных установок и совершенствование разных методов нагрева позволяет достигать не только новых, рекордных параметров плазмы, но и получать новые режимы удержания. Открытие Н-моды (режим улучшенного удержания) в токамаке ASDEX [3] и других мод как в токамаках, так и в стеллараторах открыло новые горизонты для изучения удержания высокотемпературной плазмы в тороидальных установках. В частности было показано, что тороидальная плазма способна к бифуркациям (или образованию многоравновесных состояний). При омическом нагреве структура плазмы определяется фактором устойчивости q или отношением плазменного тока к величине тороидального магнитного поля. Постоянство профиля плазмы токамака было справедливо для осевого нагрева ниже пороговой мощности. Затем было обнаружено дискретное изменение плазменной структуры с улучшением времени удержания, иными словами был создан наружный транспортный барьер (НТБ) [4], описываемый уменьшенным переносом энергии и частиц на краю плазмы. Ясно, что получив картину механизма образования ТБ, получаем ключ к управлению аномальными потоками. После получения Н-моды на других
токамаках, в результате поиска лучших, были получены различные режимы улучшенного удержания. В качестве примеров можно привести VH-моду на DIII-D в 1991г [5] -расширенный НТБ; режимы с ВТБ (внутренний транспортный барьер), например W7-AS [6]; режимы с неоклассическим ТБ, например на CHS [7]; РЕР-мода на JET [8] и другие. В последнее десятилетие режимы с улучшенным удержанием были найдены на большинстве установок токамачного (JET [8], TFTR [9], DIII-D [10], TEXTOR [11]) и стеллараторного типа (W7-AS [6], [12], CHS [13], Heliotron-E [14], TJ-II [15], LHD [16], [17]). Физика улучшенного удержания дает возможность пересмотреть связь между структурой магнитного поля, флуктуациями и бифуркацией.
Определенные условия, например такие, как создание критической плотности, критического уровня вводимой мощности, образование рациональных магнитных поверхностей, значительного магнитного шира (LHD) или некоторой величины магнитной ямы (W7-AS), установка дивертора и т.д. позволили добиться улучшенного удержания плазмы, увеличив время удержания, например, на W7-AS в 2 раза [12]. В исследованиях этого вопроса активное место занимает диагностика ЭЦИ, ведь одним из показателей образования ТБ является резкий рост электронной температуры, особенно в центральной части шнура (например, в LHD отмечался рост Те(0) с 2 до 6-8 кэВ [18]) или рост градиента Те.
Другой вопрос, находящийся в прямой взаимосвязи с предыдущими исследованиями - это изучение теплопереноса в высокотемпературной плазме. Теплоперенос определяет такой важнейший параметр, как энергетическое время удержания плазмы Те, параметр определяющий условие зажигания: л-Г-Гя>5-1021 м*3-кэВ-с. Диагностика ЭЦИ играет одну из ключевых ролей в исследованиях теплопереноса, т.к. в качестве источника энергии использовался ЭЦ-нагрев, вносящий тепловую мощность непосредственно в электроны. Определение характеристик движения температурного возмущения поперек плазменного шнура в этих исследованиях предъявляет особые требования к чувствительности и временному разрешению диагностики ЭЦИ.
Другая общая задача стеллараторов и токамаков, непосредственно связанная с пониманием процесса переноса - это то, что энергия, накапливаемая плазмой, растет не пропорционально вводимой греющей мощности. Полагается, что такая деградация удержания энергии связана с тем, что плотность радиального электронного теплового потока qe растет быстрее, чем параметр, определяющий эту величину, а именно, градиент температуры VTe. Получение точного значения VTe по сечению плазменного шнура повышает требования к системе диагностики ЭЦИ, особенно к количеству частотных каналов.
7 Таким образом, исследование ЭЦИ является удобным инструментом получения распределения электронной температуры по радиусу и позволяет изучать важнейшие параметры и свойства высокотемпературной плазмы.
Основной целью настоящей работы являлось изучение свойств высокотемпературной плазмы в стеллараторе Л-2М с помощью диагностики ЭЦИ. Создание и использование диагностической аппаратуры преследовало решение следующих основных задач:
получение необходимых характеристик системы приема ЭЦИ для использования их в экспериментах на стеллараторе Л-2М, таких как высокая чувствительность, приемлемое пространственное и временное разрешение, стабильность работы в течение всего эксперимента;
определение ограничений по использованию диагностической аппаратуры;
получение распределения электронной температуры плазмы по радиусу во времени в различных режимах работы стелларатора: при изменении величины напряженности магнитного поля в центре камеры В(0), при разных конфигурациях магнитного поля - =0,228 и 0,114 (є- параметр, характеризующий амплитуду винтовой гармоники поля), при изменении угла вращательного преобразования, при вводе поперечного магнитного поля, при изменении средней плотности плазмы, при использовании одного или двух гиротронов и изменении величины вводимой СВЧ-мощности;
исследование стадий пробоя, удержания и распада высокотемпературной плазмы в экспериментах, как с омическим, так и СВЧ-нагревом, а также с использованием этих двух видов ввода мощности одновременно;
изучение особенностей ЭЦР нагрева и удержания плазмы в стеллараторе Л-2М, а именно, определение величины поглощенной ЭЦР мощности и области ее выделения, измерение коэффициентов теплопроводности, сравнение полученных данных с данными других установок;
сравнение результатов с данными других диагностических методик, таких как рентгеновские, диамагнитные измерения, данные по спектроскопии и пр., а также с модельными расчетами.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы.
Первая глава представляет собой обзор основ методики измерения электронной температуры по ЭЦИ плазмы, представлены некоторые результаты работ, непосредственно относящихся к теме данной диссертации. Кратко изложены теоретические основы
8 электронного циклотронного резонанса, особенности образования и прохождения ЭЦИ в плазме. Рассмотрены вопросы влияния искажения спектра ЭЦИ группой быстрых электронов. Проанализированы некоторые эффекты, касающиеся поляризации и перекрытия гармоник ЭЦИ. Представлены методы измерения параметров плазмы по ее ЭЦИ. Проведен краткий анализ диагностических приборов, используемых для регистрации ЭЦИ.
Вторая глава посвящена описанию стелларатора Л-2М, на котором были получены основные экспериментальные результаты, указаны основные отличия установки от машин этого типа, созданных в мире. Дана типичная элементная схема одного из приемников, а также основных узлов разработанного и созданного диагностического оборудования. Представлено расположение приемников ЭЦИ на стеллараторе в соответствии с особенностями структуры магнитного поля для каждого места приема излучения. Показаны основные параметры и возможности диагностического комплекса.
В третьей главе приведено описание процесса калибровки созданных СВЧ-приемников. Представлена как относительная, так и абсолютная калибровка аппаратуры. Проанализированы погрешности получаемых результатов. Показано, что в результате учета наиболее значимых факторов, величина ошибки производимых измерений в плазме, находящейся как в стационарном, так и в состоянии изменения основных ее параметров не превышает 10-15%, что вполне приемлемо для исследований высокотемпературной плазмы.
Четвертая глава представляет исследования зоны излучения и прохождения СВЧ-волн в плазме стелларатора Л-2М с помощью численного моделирования. Сделанные расчеты позволяют точнее определить координаты области ЭЦИ для используемых частот при условиях, подобных экспериментальным, а также понять некоторые явления, происходящие при низкой и высокой плотности плазмы. Наглядно показано влияние рефракции ЭЦИ для плазмы с большой плотностью ие>2,5-1019 м3, в условиях которой зона излучения увеличивается и смещается наружу. Низкая плотность плазмы, ниже ие<0,7-1019 м3, приводит к понижению оптической толщины ниже 1. Сопоставление экспериментальных данных с результатами вычислений помогает понять процессы, происходящие в плазме стелларатора Л-2М.
Пятая глава посвящена описанию экспериментальных результатов. В первом параграфе показаны результаты измерений электронной температуры по радиусу плазменного шнура для экспериментов с токовым и СВЧ-нагревом плазмы. Представлены типичные распределения температуры в пространстве и времени. Подробно рассмотрены разные стадии разряда: пробой, стационарная стадия, а также стадия распада. Показано, что профиль распределения электронной температуры может быть описан гауссовой кривой.
Второй параграф представляет изучение разрядов при разном значении величины магнитного поля на оси камеры стелларатора В(0). Изменение В(0) позволяет создавать разные условия разряда, и в первую очередь позволяет смещать зону нагрева по радиусу плазменного шнура при СВЧ-разрядах. При уменьшении значения магнитного поля на оси ниже #(0)=1,34 Тл происходит смещение области нагрева (поглощения) из центра внутрь камеры, при повышении поля выше указанной величины зона нагрева смещается наружу. Несмотря на значительный сдвиг зоны нагрева внутрь камеры, величина измеренной Те на внутренней стороне плазменного шнура практически не отличается от случая центрального нагрева плазмы, при этом величина электронной температуры в центре камеры падает. Для случая, когда область нагрева уходит наружу - 5(0)=1,35-4,4 Тл, зона нагрева практически не выделяется на профиле распределения температуры Те(г), при этом происходит увеличение температуры по всему сечению шнура.
Отдельно в третьем параграфе отражены исследования с разном величиной средней плотности плазмы, с низкой пе<0,9-1019 м"3 и высокой плотностью плазмы ие>1,3-1019 м"3. Приводятся результаты экспериментов по изучению поведения плазмы в режимах с большим вкладом мощности в электроны при изменении средней плотности плазмы от пе =3-1019 м"3 до иг=0,3-1019 м*3 при мощности нагрева Р,„= 120-5-400 кВт. Было установлено, что значение электронной температуры в центре камеры прямо пропорционально параметру Pinlne. Показано, что при понижении плотности плазмы и увеличении мощности нагрева, при Р,„/ие>220-10'19 кВт-м3, происходит деформация спектра электронно-циклотронного излучения, что, по-видимому, связано с отклонением энергетического спектра электронов от максвелловского распределения и генерацией надтепловых электронов. При низкой плотности плазмы интенсивность излучения на второй гармонике ЭЦИ возрастает, но при этом энергия плазмы, измеряемая с помощью диамагнитной диагностики, не увеличивается. Получаемая в этих условиях температура представляет «радиационную» температуру, что указывает на некорректность определения Те плазмы с помощью диагностики электронно-циклотронного излучения в условиях пониженной плотности и при высоких удельных плотностях ЭЦР-нагрева.
Магнитная система Л-2М позволила провести эксперименты с применением дополнительного поперечного поля (Bv). Эти исследования приведены в четвертом параграфе настоящей главы. Прикладываемое извне перпендикулярное экваториальной плоскости тора магнитное поле корректировало положение плазменного шнура при шафрановском смещении магнитной оси и всей системы магнитных поверхностей. Для магнитной конфигурации Л-2М смещение внутрь, вдоль большого радиуса, вызывает уменьшение винтовой модуляции магнитного поля и уменьшение концентрации запертых
10 электронов. Смещение поверхностей наружу ведет к образованию магнитной «ямы» в центральной области шнура. Сдвиг магнитной оси внутрь тора поперечным магнитным полем Bv=-20 Гс приводит к увеличению температуры на 10-20%, дальнейшее увеличение поперечного поля (до Bv=-70 Гс) вызывает заметное понижение максимальной температуры (в 1,5 раза), тогда как смещение наружу (Bv= +70 Гс) ведет к незначительному ее понижению (в 1,1 раза). Установлен почти четырехкратный рост интенсивности излучения горячих электронов при смещении области гирорезонанса наружу (при увеличении величины магнитного поля на оси до 1,4 Тл). Компенсация же шафрановского сдвига ведет к отсутствию заметной зависимости температуры надтепловых электронов от положения гирорезонанса. Таким образом, смещая область гирорезонанса, можно менять профиль температуры.
Качественное улучшение разряда произошло после боронизации камеры Л-2М. Боронизация камеры позволила стабилизировать и контролировать плотность плазмы, значительно уменьшить радиационные потери, электронная температура поднялась в центре на 15-20%, на краю - в 3-5 раз. Это позволило проводить измерения температуры в стационарной фазе разряда, т.е. при установившихся плазменных параметрах. В пятом параграфе произведен анализ поглощенной мощности на основе данных диагностики ЭЦИ. Сложность изучения этой задачи обусловлена многообразием протекающих в горячей плазме процессов, вызванных резонансным взаимодействием мощных СВЧ-пучков с электронами. Сравнительные измерения поглощенной мощности, полученной с помощью диамагнитной диапюстики, и поглощенной мощности, полученной с помощью измерения распада температуры по радиусу плазменного шнура, дали хорошее соответствие.
Изучению теплопереноса в плазме посвящен шестой параграф настоящей главы. Исследование теплопереноса и определение профиля поглощения СВЧ-мощности производилось при помощи метода температурного возмущения, когда гиротроном модулировалось вводимое греющее СВЧ-излучение. Анализу подвергались амплитуда и фаза сигналов, получаемых диагностикой ЭЦИ. При обработке эксперимента использовался фурье-анализ. Величину фазы получали из кросскорреляции сигналов модулированной мощности гиротрона (Pecrh), приемников ЭЦИ и рентгеновских сигналов. Величины коэффициента теплопроводности, близкие к х ~ 25 м2/с, получены для г = 3-г5 см, что значительно больше оценок, проводимых простыми вычислениями электронной теплопроводности на основе баланса энергии, и в 3 раза превышает значения, полученные неоклассическими вычислениями для простых профилей выделения мощности [19, 20]. Определенный в этих экспериментах профиль температуры соответствовал профилю выделения мощности, полученному с помощью численных расчетов, однако не наблюдалось
ни уширения профиля Те(г), ни падения центральной температуры при повышенных значениях магнитного поля в центре камеры. Эти результаты не соответствовали профилям поглощения, полученным из модельных расчетов. Это объясняется тем, что при моделировании не была взята реальная форма СВЧ-пучка и не были учтены кинетические эффекты.
Особое место в современных исследованиях занимают вопросы, связанные с образованием в плазме токамаков и стеллараторов областей с низким уровнем переноса -«внутренних транспортных барьеров» и влиянием на процессы их образования различных характеристик магнитного поля. Стелларатор Л-2М имеет свои особенности, существенно выделяющие его из других тороидальных установок, причем не только от токамаков, но и от установок стеллараторного типа: значительный угол вращательного преобразования, меняющийся от i(0)/2n=0,2 до i(a)/2n=0,$, большой шир fi(a)-i(0)}/i(0)=3 и такую структуру магнитного поля, что в области поглощения СВЧ-мощности величина локального минимума поля Bmi„ весьма мала, так что «запертые» частицы в этой области практически отсутствуют. В седьмом параграфе приводятся результаты экспериментов по изучению поведения плазмы при изменении структуры стеллараторного магнитного поля за счет вариации приложенного индукционного тока (дополнительный индукционный ток, 1р, приводящий к росту величины i(0) считается положительным) /р=±(0-5-14) кА, который (по расчету) изменяет угол вращательного преобразования в центре і{0)/2п от -0,8 до 1,2 и смещает магнитную ось наружу при 1Р<0 и вігутрь камеры при /р>0. Показано, что добавление прямого тока до /р=+10 кА приводит к повышению ТЄіга и росту числа надтепловых электронов по сравнению с бестоковым режимом. При дальнейшем увеличении тока до /p=+(ll-fl3) кА в плазме возникают пилообразные колебания (видно не только по ЭЦИ, но и по другим диагностикам), захватывающие все сечение шнура, которые меняют спектральный состав излучения и понижают температуру плазмы. При добавлении обратного тока наблюдается противоположное явление: падение интенсивности ЭЦИ при низких и больших плотностях плазмы, уменьшение излучения надтепловых электронов при возрастании тока до /р=-13 кА. При обратном токе, создающем в плазме і/2л = 0 для г/а ~ 0,2-5-0,7, распределение измеренной Teirad становится более узким {1р=-1 кА), возможно, за счет разрушения магнитных поверхностей в этой области.
В восьмом, заключительном параграфе, сделано сравнение с данными других диагностик, дающими значения электронной температуры плазмы на стеллараторе Л-2М. Результаты работы нескольких диагностик позволяют с уверенностью строить профиль электронной температуры плазмы по всему сечению плазменного шнура.
12 В заключении кратко обобщены основные результаты работы и сформулированы выводы.
Научная и практическая ценность. Проведенные эксперименты на Л-2М с использованием созданной аппаратуры показали пригодность характеристик приемного комплекса ЭЦИ для изучения высокотемпературной плазмы в магнитной конфигурации стелларатора Л-2М. Созданная аппаратура позволила измерить температуру электронов на частотах, близких к частоте греющего СВЧ-излучения, причем мощность гиротрона, обеспечивающего ЭЦ-резонансный нагрев плазменного шнура, превышала мощность принимаемого из плазмы сигнала на восемь и более порядков. Созданный диагностический комплекс позволил изучать профили электронной температуры на разных стадиях разряда: пробой, стационарная стадия, стадия распада плазмы. Изучение распада Те(г) после выключения СВЧ-нагрева позволяет оценить поглощенную СВЧ-мощность наравне с диамагнитными измерениями. В то же время сопоставление результатов измерений ЭЦИ и данных диамагнитной диагностики помогает исключить ошибочную трактовку сигналов ЭЦИ как истинную температуру электронов, особенно в условиях пониженной плотности. Широкий диапазон изменений величины магнитного поля Л-2М и его конфигурации, а также параметров плазмы и нагрева позволили оценить степень влияния на удержание и нагрев таких параметров, как В(0), Bv - вводимое поперечное поле, шафрановский сдвиг, і - угол вращательного преобразования, q - шир магнитного поля, є - характеризует изменение конфигурации магнитной структуры с помощью тока в винтовых обмотках стелларатора, Р1Я - мощность СВЧ-нагрева, пе и некоторых других. Хорошее совпадение экспериментально полученной области энерговыделения с результатами численного моделирования подтвердили приемлемость созданного программного кода. Однако некоторые расхождения результатов эксперимента и расчетов при больших значениях #(0,)=1,36+1,38 указали на необходимость дальнейшего совершенствования математической модели. Измерения коэффициента электронной теплопроводности подтвердили результаты, полученные на других установках и указали на недостаточность имеющихся моделей процесса теплопереноса в горячей плазме. Успешное применение супергетеродинных приемников на стеллараторе Л-2М позволило создать аналогичную аппаратуру и для установки TJ-II в Испании. Результаты, полученные в экспериментах на Л-2М, имеют общефизический и общеметодический интерес для аналогичного круга задач экспериментов и диагностики плазмы, могут быть использованы в институтах Минатома России и Российской академии наук при проведении работ по программе «УТС и плазменные процессы».
13 Основные положения, выносимые на защиту.
Создание супергетеродинного комплекса с высокой чувствительностью и временной стабильностью для изучения параметров и свойств высокотемпературной плазмы.
Проведение измерений распределения электронной температуры по радиусу плазменного шнура стелларатора Л-2М в разных магнитных структурах установки, при разных параметрах плазмы и величине вводимой СВЧ-мощности для ЭЦР нагрева. Определение условий изменения профиля Те(г).
Определение условий искажения максвелловской функции распределения электронов по скоростям в магнитной геометрии Л-2М. Влияние электронной концентрации и мощности нагрева, положения шнура в камере стелларатора и изменение области резонанса. Оценка влияния популяции быстрых электронов на результаты измерений электронной температуры.
Получение величины поглощенной мощности, вводимой гиротронным комплексом.
Исследование теплопроводности плазмы. Определение области энерговыделения и сравнение с модельными расчетами.
Исследование удержания и свойств плазмы при изменении структуры стеллараторного магнитного поля.
Публикации. Основные результаты, вошедшие в диссертацию, были получены в период с 1994 по 2006 годы. По материалам диссертации опубликовано 8 статей в научных журналах [21-28] и 2 препринта [29,30].
Материалы, вошедшие в диссертационную работу, обсуждались на семинарах и конференциях ИОФ им. A.M. Прохорова РАН. Материалы эти докладывались на Звенигородских конференциях по физике плазмы и УТС (1997-2006), на международных конференциях по стеллараторам в Мадриде (1995, 2005) и Токи (1997), на конференциях по физике плазме и УТС в Токи (1995) и в Санкт-Петербурге (2003) и Киеве (1996), на рабочем совещании по ЭЦИ в Голландии (1997) и Франции (2002), на конференции по ядерной энергии в Якогаме (1998), на международном рабочем совещании по сильным микроволнам в плазме в Ниж. Новгороде (1999,2002,2005).
Приборы, используемые для измерения параметров плазмы по ее электронно-циклотронному излучению
Качественное улучшение разряда произошло после боронизации камеры Л-2М. Боронизация камеры позволила стабилизировать и контролировать плотность плазмы, значительно уменьшить радиационные потери, электронная температура поднялась в центре на 15-20%, на краю - в 3-5 раз. Это позволило проводить измерения температуры в стационарной фазе разряда, т.е. при установившихся плазменных параметрах. В пятом параграфе произведен анализ поглощенной мощности на основе данных диагностики ЭЦИ. Сложность изучения этой задачи обусловлена многообразием протекающих в горячей плазме процессов, вызванных резонансным взаимодействием мощных СВЧ-пучков с электронами. Сравнительные измерения поглощенной мощности, полученной с помощью диамагнитной диапюстики, и поглощенной мощности, полученной с помощью измерения распада температуры по радиусу плазменного шнура, дали хорошее соответствие.
Изучению теплопереноса в плазме посвящен шестой параграф настоящей главы. Исследование теплопереноса и определение профиля поглощения СВЧ-мощности производилось при помощи метода температурного возмущения, когда гиротроном модулировалось вводимое греющее СВЧ-излучение. Анализу подвергались амплитуда и фаза сигналов, получаемых диагностикой ЭЦИ. При обработке эксперимента использовался фурье-анализ. Величину фазы получали из кросскорреляции сигналов модулированной мощности гиротрона (PECRH), приемников ЭЦИ и рентгеновских сигналов. Величины коэффициента теплопроводности, близкие к х 25 м2/с, получены для г = 3-г5 см, что значительно больше оценок, проводимых простыми вычислениями электронной теплопроводности на основе баланса энергии, и в 3 раза превышает значения, полученные неоклассическими вычислениями для простых профилей выделения мощности [19, 20]. Определенный в этих экспериментах профиль температуры соответствовал профилю выделения мощности, полученному с помощью численных расчетов, однако не наблюдалось ни уширения профиля Те(г), ни падения центральной температуры при повышенных значениях магнитного поля в центре камеры. Эти результаты не соответствовали профилям поглощения, полученным из модельных расчетов. Это объясняется тем, что при моделировании не была взята реальная форма СВЧ-пучка и не были учтены кинетические эффекты.
Особое место в современных исследованиях занимают вопросы, связанные с образованием в плазме токамаков и стеллараторов областей с низким уровнем переноса -«внутренних транспортных барьеров» и влиянием на процессы их образования различных характеристик магнитного поля. Стелларатор Л-2М имеет свои особенности, существенно выделяющие его из других тороидальных установок, причем не только от токамаков, но и от установок стеллараторного типа: значительный угол вращательного преобразования, меняющийся от i(0)/2n=0,2 до i(a)/2n=0,$, большой шир fi(a)-i(0)}/i(0)=3 и такую структуру магнитного поля, что в области поглощения СВЧ-мощности величина локального минимума поля Bmi„ весьма мала, так что «запертые» частицы в этой области практически отсутствуют. В седьмом параграфе приводятся результаты экспериментов по изучению поведения плазмы при изменении структуры стеллараторного магнитного поля за счет вариации приложенного индукционного тока (дополнительный индукционный ток, 1р, приводящий к росту величины i(0) считается положительным) /р=±(0-5-14) кА, который (по расчету) изменяет угол вращательного преобразования в центре і{0)/2п от -0,8 до 1,2 и смещает магнитную ось наружу при 1Р 0 и вігутрь камеры при /р 0. Показано, что добавление прямого тока до /р=+10 кА приводит к повышению ТЄіга и росту числа надтепловых электронов по сравнению с бестоковым режимом. При дальнейшем увеличении тока до /p=+(ll-fl3) кА в плазме возникают пилообразные колебания (видно не только по ЭЦИ, но и по другим диагностикам), захватывающие все сечение шнура, которые меняют спектральный состав излучения и понижают температуру плазмы. При добавлении обратного тока наблюдается противоположное явление: падение интенсивности ЭЦИ при низких и больших плотностях плазмы, уменьшение излучения надтепловых электронов при возрастании тока до /р=-13 кА. При обратном токе, создающем в плазме і/2л = 0 для г/а 0,2-5-0,7, распределение измеренной Teirad становится более узким {1р=-1 кА), возможно, за счет разрушения магнитных поверхностей в этой области.
В восьмом, заключительном параграфе, сделано сравнение с данными других диагностик, дающими значения электронной температуры плазмы на стеллараторе Л-2М. Результаты работы нескольких диагностик позволяют с уверенностью строить профиль электронной температуры плазмы по всему сечению плазменного шнура. В заключении кратко обобщены основные результаты работы и сформулированы выводы.
Научная и практическая ценность. Проведенные эксперименты на Л-2М с использованием созданной аппаратуры показали пригодность характеристик приемного комплекса ЭЦИ для изучения высокотемпературной плазмы в магнитной конфигурации стелларатора Л-2М. Созданная аппаратура позволила измерить температуру электронов на частотах, близких к частоте греющего СВЧ-излучения, причем мощность гиротрона, обеспечивающего ЭЦ-резонансный нагрев плазменного шнура, превышала мощность принимаемого из плазмы сигнала на восемь и более порядков. Созданный диагностический комплекс позволил изучать профили электронной температуры на разных стадиях разряда: пробой, стационарная стадия, стадия распада плазмы. Изучение распада Те(г) после выключения СВЧ-нагрева позволяет оценить поглощенную СВЧ-мощность наравне с диамагнитными измерениями. В то же время сопоставление результатов измерений ЭЦИ и данных диамагнитной диагностики помогает исключить ошибочную трактовку сигналов ЭЦИ как истинную температуру электронов, особенно в условиях пониженной плотности. Широкий диапазон изменений величины магнитного поля Л-2М и его конфигурации, а также параметров плазмы и нагрева позволили оценить степень влияния на удержание и нагрев таких параметров, как В(0), Bv - вводимое поперечное поле, шафрановский сдвиг, і - угол вращательного преобразования, q - шир магнитного поля, є - характеризует изменение конфигурации магнитной структуры с помощью тока в винтовых обмотках стелларатора, Р1Я - мощность СВЧ-нагрева, пе и некоторых других. Хорошее совпадение экспериментально полученной области энерговыделения с результатами численного моделирования подтвердили приемлемость созданного программного кода.
Общий вид приемной системы. Приемные антенны
Ускоренные электроны в установках с магнитным удержанием плазмы можно разделить на две категории: надтепловые пролетные и надтепловые запертые электроны. К первой из них можно отнести и убегающие электроны - электроны которые могут набирать энергию неограниченно за счет внешнего электрического поля. Вторая категория быстрых электронов содержит основную долю энергии в поперечной компоненте скорости, а их движение ограничено локальными максимумами магнитного поля. Их генерация связана с нагревом плазмы на гармониках ЭЦ-резонанса с помощью высокомощных источников СВЧ-излучения - гиротронов.
Нетепловое излучение плазмы появляется как в замкнутых, так и в открытых ловушках или в условиях токовой плазмы малой плотности, когда электрическое индукционное поле в плазме Е=0.1-Ес, где Ес - критическое поле Драйсера, или при дополнительном нагреве плазмы электромагнитным полем, например на частоте ЭЦР [45], [46], [47]. Рассматривая баланс сил для частицы, приобретающей скорость от электрического поля и теряющей ее из-за столкновений, легко находится критическое поле, при котором ускорение уравновешивается столкновительными потерями: где In Л - кулоновский логарифм, &th - тепловая скорость электронов, Zeff -эффективный заряд ионов. Видно, что генерация значительного тока убегающих электронов более вероятна в разрядах с низкой концентрацией, высокой температурой и значительным электрическим полем. Другой механизм образования высокоэнергичных электронов - нагрев плазмы на ЭЦ-частоте. Мощность греющих СВЧ-волн в основном вкладывается в поперечную компоненту электронной функции распределения [47]. При этом продольная скорость частицы существенно не изменяется. Из-за парных столкновений энергия электронов должна передаваться электронам и ионам, формируя близкую к максвелловской функцию распределения. Однако если потери энергии на столкновения меньше мощности накачки, то при превышении некоторого критического значения скорости электроны также могут набирать поперечную компоненту скорости, причем практически неограниченно. В результате может сформироваться популяция надтепловых электронов. Отклонение от максвелловского вида для электронной функции распределения максимально на магнитных поверхностях, расположенных в зоне поглощения греющего излучения.
В стеллараторах распределение магнитного поля вдоль тороидального обхода неоднородно, существуют локальные минимумы и максимумы магнитного поля. Это приводит к образованию локальных магнитных пробок. У пролетных частиц надтепловой «хвост» распределен вдоль тора однородно. Сильная тороидальная асимметрия функции распределения может наблюдаться только у частиц, удерживаемых в локальных магнитных пробках. В случае наличия значительного локального минимума магнитного поля в области ЭЦР нагрева электроны, оказавшиеся здесь запертыми, будут аккумулировать энергию наиболее эффективно просто за счет более длительного нахождения в зоне поглощения ЭЦ-мощности (надтепловые запертые электроны). Такие эксперименты проводились на стеллараторе W-7AS [48], магнитная система которого позволяла создавать конфигурацию поля с различной величиной минимума В(0) в тороидальном направлении. В теоретических работах [49], [50], [51] и экспериментах [52] по использованию гиротронных комплексов для создания и нагрева плазмы, исследовалось влияние малой части нетепловых электронов на поглощение «необыкновенной» волны («X» моды) вблизи резонанса. Было показано, что использование «Аг»-моды для ЭЦ-нагрева приводит к переходу в режим ускорения части электронов, которые в свою очередь эффективно поглощают значительную часть вводимой мощности. Интенсивность нетеплового излучения может значительно превышать интенсивность теплового излучения плазмы [53]. Причем спектр излучения плазмы бывает настолько сложен, что иногда просто нельзя определить электронную температуру плазмы Те. Очень сложный спектр излучения также наблюдается в режиме сильного взаимодействия плазма-волна, при создании ЭЦ или нижнегибридных токов увлечения [54].
Немаксвелловские компоненты плазмы сами являются объектом исследований. Например, при омическом разряде на L-2M надтепловые пролетные электроны появляются (иногда их называют убегающими), когда индукционное Е-поле больше Драйсеровского, главным образом, когда ие 1-1019 м"3.
В качестве основных диагностик для регистрации быстрых электронов используются регистрация жесткого рентгеновского излучения (HXR) [55], синхротронного излучения [56], излучения на гармониках ЭЦИ и достаточно новый метод - наблюдение скорости испарения примесной макрочастицы (метод инжекции макрочастиц) [57], [58]. В главе 5 будет показано влияние излучения ускоренных электронов на характеристики принимаемого теплового излучения в экспериментах на стеллараторе Л-2М.
Частота излучения нетепловой компоненты плазмы смещается в сторону уменьшения частоты за счет эффекта релятивистского увеличения массы и в сторону уменьшения или увеличения за счет эффекта Доплера: именно поэтому стараются принимать излучение под углом 90 по отношению к тороидальному магнитному полю.
Следует отметить интересные результаты по исследованию нетепловой компоненты при изменении угла приема по отношению к магнитному полю [31], [59]. Например, для установки W7-AS [60] было показано, как нетепловой спектр изменяется при 0=90, 80, 65.
Оценка энергетических характеристик надтепловых электронов может быть сделана на основе спектра ЭЦИ, если принять, что основной вклад в спектр излучения в области появляющегося пика дает именно эта популяция. Считая область локализации надтепловой компоненты в области нагрева, т.е. в месте резонансного поля для гиротронного СВЧ-излучения, пренебрегая эффектом Доплера, оказывающем незначительную погрешность на результаты измерений в стеллараторе Л-2М, получим выражение для смещения частоты излучения популяции надтепловых электронов где соце - ЭЦ-частота электронов в области их локализации, индексы th и sth обозначают тепловую и нетепловую группу электронов. Следует отметить тот факт, что представляемая диагностическая аппаратура ограничена в энергетическом спектре нетеиловой компоненты тем диапазоном частот, который она принимает. Оценим максимально возможную для регистрации энергию нетепловых электронов для диагностического комплекса ЭЦИ, используемого на Л-2М. Полагая, что прием нетеплового излучения осуществляется на низшей регистрируемой частоте - 68 ГГц, при частоте гиротронного комплекса 75,3 ГГц получаем, что максимально возможная энергия составляет 49,5 кэВ. Как показали исследования на других установках, например W-7AS [58], диагностике ЭЦИ было не подвластно определение существующей в плазме высокоэнергетичной составляющей с энергиями свыше 30 кэВ.
При наличии нетеплового излучения электронов чисто методически важно учитывать, с какой стороны магнитного поля проводится исследование излучения, поскольку его интенсивность со стороны «слабого» или «сильного» поля может быть различной вследствие неодинакового поглощения основной плазмой излучения нетепловой компоненты. Теоретически это бьшо рассмотрено в работах [61], [62] и др., где было показано, что для излучения, принимаемого со стороны «сильного» поля на второй гармонике «необыкновенной» моды:
Схема построения системы приема ЭЦИ для калибровки источником известной температуры
Удерживающие поля и плотность плазмы, определяющие ее диэлектрические свойства, резонанс и отсечка излучения являются такими, что оптимальные измеряемые длинны волн находятся в миллиметровом диапазоне, соответствуя уровню частот десятков и сотен ГГц. Прямой прием таких частот не удобен и требуется преобразование сигнала на меньшие частоты. Развитие гетеродинных систем, отвечающих требованиям плазменных диагностик в областях ЭЦИ радиометрии, интерферометрии, рефлектометрии позволило создать высокочувствительный супергетеродинный приемник СВЧ-излучения для установки Л-2М [801.
Не существует универсального приемника, который бы отвечал сразу всем требованиям в отношении спектрального коридора, спектрального разрешения, чувствительности и временного разрешения одновременно. Величина магнитного поля и геометрические размеры конкретной установки определяют спектральный диапазон ЭЦИ. На сегодняшний день эти показатели могут отличаться в разы для разных видов установок и эксперимента. В данной главе более подробно будет представлен супергетеродинный приемник для частот 76,5+81 ГГц, принципиальные схемы других приемников - аналогичны.
Одной из первых работ по применению супергетеродинного приемника были работы по приему излучения в районе второй гармоники ЭЦИ (120-5-160 ГГц) на токамаке TFR (5=2,6 Тл) [74], где измеренная максимальная электронная температура достигала величины Ге 1,25 кэВ, а плотность плазмы пе-6-1019 м"3. Оптическая толщина плазмы с такими параметрами значительно больше единицы для второй гармоники «А » моды. Впервые измерения ЭЦИ на первой гармонике «О» моды также были выполнены на TFR при магнитном поле В=5 Тл [66]. Отмечено, что радиальный профиль Те(г) совпал с измерениями по томпсоновскому рассеянью, когда г 1, при г 1 также наблюдалось хорошее совпадение профилей. С тех пор супергетеродинные приемники претерпели сильные изменения в связи с бурным развитием элементной базы, что заметно отразилось и на качестве измерений и на внешнем облике приемной аппаратуры, в первую очередь - значительное уменьшение ее размеров.
Основной принцип работы любого приемника [81] основан на смещении частоты приходящего спектра за счет смешивания входного сигнала с когерентным сигналом локального осциллятора (супергетеродина). Чувствительность приемной системы ограничена шумом самой системы.
Отличительной особенностью приемника, используемого на Л-2М, является двойное преобразование частоты [80]. При разработке схемы учитывались следующие соображения: должна быть обеспечена высокая чувствительность приемника (1 эВ) в полосе 68 ГГц -s- 81 ГГц, что соответствует области циклотронной частоты для используемых величин магнитного поля в стеллараторе Л-2М; приемник должен быть изготовлен из отечественных деталей, которые в настоящее время дешевле импортных. С этой целью нами была выбрана схема двойного гетеродинирования частоты [82], обладающая высокой чувствительностью и помехозащищенностью при сравнительно низком предварительном усилении промежуточной частоты (IF-30 ДБ).
В качестве примера на рис.2.8, представленном ниже, изображена блок-схема СГП, состоящего из четырех каналов. Для подавления мощного сигнала гиротрона (Pjn= 100+400 кВт), работающего с частотой /=75,3 ГГц, используются полосно-пропускающие (ФПП) и режекторные фильтры (РФ). В противном случае излучение гиротронного комплекса полностью забивает сигнал, приходящий из плазмы и может привести к выгоранию дорогостоящих элементов приемника. Представленные в блок-схеме элементы имеют стандартное обозначения. - смеситель - первый компонент приемника, сильно влияющий на всю систему - линейный компонент, что очень важно для ЭЦИ-диагностики (мощность IF пропорциональна мощности входного сигнала). УПЧ - усилитель промежуточной частоты. Здесь крайне важен коэффициент шума выходного сигнала с данного элемента. Фильтрация после понижающего преобразования применяется как по выборке по отношению к нежелательным сигналам, так и по улучшению отношения сигнал/шум.
СГП состоит из четырех каналов с частотами 76,5; 78; 79,5; 81 ГГц. Динамический диапазон измеряемых сигналов находится на уровне ЗО-г-40 дБ. Полоса пропускания в каждом канале 200 МГц; полоса видеоусилителя 50 Гц + 400 кГц. Приемник позволяет анализировать сигналы с модуляцией вплоть до 5 кГц, где минимальная амплитуда модуляции может составлять несколько эВ, что вполне приемлемо при выбранных полосах пропускания приемника.
Необходимо отметить важность использования полосно-пропускающих и режекторных фильтров. В связи с тем, что плазма на установке создается и нагревается не только с помощью тока, но и СВЧ-излучением гиротронного комплекса, необходимо убрать эту очень мощную частотную составляющую спектра. Мощность излучения гиротронов достигает 400 кВт. При этом величина принимаемого сигнала - милли и даже микроватты, т.е. мощность греющего излучения превышает мощность регистрируемого сигнала минимум на восемь порядков. Это и достигается использованием ФПП и РФ. Причем, в связи с тесным соседством частоты гиротрона и принимаемыми частотами, к фильтрам применяются очень жесткие требования, как по величине затухания, так и по градиенту нарастания этого затухания. Так, например, на рис.2.9 представлены расчетные диаграммы для 11, 13, 15-звенных полоснопропускающих фильтров для частотного диапазона 68-н74 ГГц. В реальных же диаграммах, как правило, присутствует «рябь» и даже небольшие локальные выбросы, как показано на следующем рисунке для одного из используемых в нашей работе фильтров (рис.2.10).
Влияние плотности плазмы и мощности нагрева на интенсивность электронно- циклотронного излучения
Магнитная система стелларатора Л-2М позволяет варьировать величину магнитного поля на оси, обычно в пределах В(0)=1,2+1,4 Тл. В токовом режиме работы стелларатора это дает возможность создавать резонансное значение поля для каждой принимаемой частоты ЭЦИ в центре плазменного шнура. При одних и тех же условиях разряда, а соответственно одной и той же центральной температуре, такие условия позволяют откалибровать или просто проверить калибровку используемых частотных каналов. Кроме того, при больших значениях магнитного поля, благодаря характеру изменения величины магнитного поля во время разряда (магнитное поле монотонно нарастает, а затем монотонно падает), центральная часть плазменного шнура находится в резонансных значениях магнитного поля для части используемых диагностическим комплексом частот. Т.о. в течение одного разряда можно наблюдать неизменную центральную температуру с помощью нескольких каналов диагностического комплекса ЭЦИ, а также отслеживать изменение температуры по радиусу по смещению зоны излучения только за счет изменения величины центрального магнитного поля.
Один из главных результатов изменения магнитного поля - смещение зоны нагрева по радиусу при СВЧ-разрядах. Условия ввода СВЧ-нагрева в Л-2М достаточно жесткие: нагрев плазмы в «базовом» поперечном сечении при неизменной частоте и направлении ввода СВЧ-излучения. Эта негибкость нагрева плазмы в Л-2М создает условия достаточно жесткой привязки зоны поглощения гиротронного излучения (области выделения мощности) к резонансной величине магнитного поля (при незначительных изменениях в плазменных параметрах). Изменение центрального значения В(0) приводит к радиальному смещению зоны резонанса в соответствие со смещением величины резонансного поля (рис.2.3 и рис.2.4). Резонансная величина магнитного поля для частоты гиротронного комплекса - В =1,34 Тл. Т.о. для случая малых полей (В(0) 1,32 Т) область поглощения смещается внутрь камеры. Также внутрь смещаются области излучения для частот, принимаемых комплексом ЭЦИ (см. гл.4). Например, поглощение СВЧ-пучка происходит в окрестности линии IB/=const, обозначенной 1,04 для 5(0)=1,28 Тл в области экваториальной плоскости рис.2.3, т.к. именно на этой линии величина магнитного поля и соответствует резонансному значению для гиротронного излучения. Для случая больших полей (Z?(0) 1,36 Т) поглощение греющей СВЧ-волны происходит с наружней стороны плазменного шнура, не доходя до центра. Например, для #(0)=1,4 Тл резонансное значение поля для гиротронного излучения представляется линией /B/=const, обозначенной 0,95.
На рис.5.7 представлены зависимости Те и Tmd, измеренные с помощью супергетеродинных приемников на частоте 71 и 77 ГГц при разной величине магнитного поля на оси В(0). Частота 77 ГГц принималась со стороны HFS, частота 71 ГГц - со стороны LFS и подвергалась влиянию излучения надтепловых электронов.
Область излучения на частоте 77 ГГц находится значительно ближе к области поглощения гиротронного излучения, чем область излучения на частоте 71 ГГц. Несмотря на значительный сдвиг зоны нагрева (поглощения гиротронного излучения) наружу, величина измеренной Те рядом с этой зоной не сильно отличается от случая центрального нагрева. При смещении зоны нагрева и соответственно зоны, рядом с которой измеряется температура, внутрь камеры, происходит значительное падение величины температуры в зоне нагрева. Видно, что уменьшение В(0) до величин, меньших 1,3 Тл, приводит к двукратному падению температуры в области нагрева. Объяснение этого эффекта можно дать при помощи тока Пфирша-Шлюттера. Рис.5.8 представляет зависимость производной тока Пфирша-Шлюттера от времени t для разных значений В(0). Видно, что при уменьшении В(0) происходит уменьшение амплитуды производной в начале разряда. Поскольку величина производной обратно пропорциональна углу вращательного преобразования, а значение угла монотонно растет от центра к краю, то можно заключить, что при уменьшении В(0) происходит смещение зоны нагрева внутрь камеры. Уменьшение амплитуды производной идет совместно с уменьшением температуры, что свидетельствует об уменьшении эффективности СВЧ-нагрева при падении В(0). Для случая же, когда 5(0) растет выше 1,34 Тл, центральная область и зона нагрева практически не разделяются, давая увеличение температуры, что ведет к обострению формы изменения dlp/dt после отключения СВЧ-импульса. Амплитуда скачка незначительно увеличивается по сравнению с центральным нагревом, свидетельствуя о хорошей эффективности поглощения гиротронного излучения.
Стоит отметить рост времени задержки пробоя в этих экспериментах. Диагностика ЭЦИ и другие методы измерений параметров плазмы показали [105], что задержка пробоя увеличивается как при росте магнитного поля относительно (0)=1,34 Тл, так и при его уменьшении. Так для центрального нагрева (#(0)=1,34 Тл) время задержки составляет 1+2 мс, при 5(0)=1,4 Тл задержка составляет 3+4 мс, уменьшение центрального магнитного поля до 5(0)=1,26 Тл приводит к увеличению задержки пробоя до 6+7 мс.
Рис.5.9а представляет распределение электронной температуры по радиусу для двух значений магнитного поля, видно, что уменьшение 5(0) незначительно влияет на температуру, измеряемую с внутренней стороны плазменного шнура, центральная же электронная температура, также как и температура внешней стороны плазменного шнура падает. Рис.5.9б показывает динамику профиля Те(г) для разряда с пониженным значением магнитного поля. Причем с течением времени, при стационарном состоянии плотности плазмы, величина магнитного поля постепенно снижается. При этом происходит очень слабое постепенное снижение температуры. При выключении греющего СВЧ-излучения наблюдается более быстрое падение температуры, также видно смещение пика температурного распределения внутрь камеры, что отражает уменьшение газодинамического давления плазмы и соответственно уменьшение шафраиосквского сдвига. Более внимательный анализ температурных кривых для случая В(0) 1,34 Тл показывает выполаживание центрального пика, что особенно заметно при В(0) 1,3 Тл. Для случая же, когда область нагрева уходит наружу (В(0) 1,34 Тл), пик температурного распределения растет, рис.5.10, уширения же центральной области распределения Т г) не происходит.
Похожие диссертации на Профили электронной температуры и особенности ЭЦР-нагрева высокотемпературной плазмы стелларатора Л-2М, полученные методом измерения электронно-циклотронного излучения
