Введение к работе
Актуальность темы
С точки зрения электродинамики, магнитоактивная плазма представляет собой сложную среду характеризующуюся анизотропным и гиротропным диэлектрическим откликом, выраженной пространственной дисперсией, наличием «резонансов» и связанной с ними диссипации электромагнитных волн [1-4]. Диссертационная работа посвящена исследованию высокочастотных резонансных волновых процессов в плавно неоднородных плазменных конфигурациях с пространственными масштабами, значительно превышающими длину электромагнитных волн. Типичным примером такого процесса является возбуждение, распространение и поглощение волн электронно-циклотронного (ЭЦ) диапазона частот в горячей плазме, удерживаемой в природных или лабораторных магнитных ловушках. Помимо очевидного общефизического интереса рассматриваемая проблема имеет большое значение для целого ряда направлений практической деятельности — для развития систем СВЧ нагрева и стабилизации плазмы в установках управляемого термоядерного синтеза (УТС), для создания новых типов источников плазмы и генераторов электромагнитного излучения, для интерпретации данных наблюдений естественных источников электромагнитного излучения.
Одной из центральных проблем электродинамики плавнонеоднород- ной магнитоактивной плазмы является построение теории линейного взаимодействия нормальных волн, распространяющихся в электронном циклотронном диапазоне частот. Начало исследований было положено в работах В. Jl. Гинзбурга в связи с изучением эффекта «утраивания» радиосигналов в ионосфере [5]. В астрофизических условиях линейное взаимодействие волн имеет существенное значение для описания механизма выхода излучения из плотной плазмы, например из солнечной короны [3,6,7]. В последние годы интерес к этой проблеме заметно усилился в связи с задачами высокочастотного нагрева и диагностики плазмы в тороидальных магнитных ловушках, используемых в исследованиях УТС [8]. Это связано с успехами в развитии мощных источников миллиметрового излучения (гиротронов) для термоядерных установок [9-11], а также с достижением режимов с улучшенным удержанием в токама- ках и появлением альтернативных систем типа сферических токамаков и оптимизированных стеллараторов, для которых характерны сравнительно низкие магнитные поля при высокой плотности плазмы. В современном эксперименте все чаще стали реализовываться режимы удержания, в которых плотность в центральных областях плазменного шнура превышает критическое значение для распространения электромагнитных мод, используемых в традиционных схемах ЭЦ нагрева и диагностики плазмы [9, 12]. Резонансное поглощение электромагнитных волн в сферических токамаках может также оказаться неэффективным, поскольку из-за низкого значения магнитного поля поглощение удается реализовать только на достаточно высоких циклотронных гармониках [13]. Одна из возможностей по преодолению указанных трудностей связана с линейной трансформацией электромагнитных волн миллиметрового диапазона в электростатические бернштейновские волны, которые свободно распространяются в закритической плазме и эффективно поглощаются плазмой в широком диапазоне ЭЦ гармоник. Отметим, что возможность ЭЦ нагрева закритической плазмы представляется весьма актуальной и для больших установок ближайшего будущего, таких как токамак-реактор ИТЭР [14] и стелларатор W7-X [15]. Основным способом поддержания разряда с плотной плазмой в этих установках является инжекция нейтральных пучков с энергией порядка 1 МэВ, однако разработка источников таких пучков в настоящее время столкнулась с серьезными трудностями [16]. С другой стороны, гиротроны, требуемые для систем ЭЦ нагрева этих установок, уже разработаны [11], с этой точки зрения ЭЦ способ является наиболее надежным среди всех рассматриваемых способов дополнительного нагрева плазмы.
Начиная с 90-х годов прошлого века системы ЭЦ нагрева стали использоваться для оптимизации профиля плазмы и стабилизации МГД неустойчивостей плазменного шнура в токамаках [9, 12] или для компенсации бут-стрэп токов в стеллараторах [15]. В настоящее время эти приложения являются одной из важнейших задач для систем ЭЦ нагрева на современных и строящихся тороидальных установках. Локальный ЭЦ прогрев плазмы и генерация ЭЦ тока рассматриваются в качестве одного из основных методов контроля неустойчивостей неоклассических тиринг мод и пилообразных колебаний плазмы в токамаке-реакторе ИТ- ЭР [14,17,18]. Для решения этой задачи требуется оптимизация условий ввода ЭЦ излучения в плазму для получения минимально возможной области энерговклада в строго определенном месте, что накладывает жесткие требования на точность моделирования распространения волновых пучков в неоднородной плазме. Возникает необходимость последовательного учета влияния пространственной дисперсии и дифракции излучения в магнитоактивной плазме [19,20], а также слабо выраженных квазилинейных эффектов, связанных с деформацией функции распределения электронов в тепловой области энергий, возникающей под влиянием резонансного высокочастотного поля в условиях сильных кулоновских соударений между частицами плазмы [12]. Учет этих факторов требует некоторого пересмотра сложившихся представлений о методах численного моделирования распространения микроволнового излучения в плазме.
Регистрация собственного излучения плазмы в ЭЦ диапазоне традиционно используется в качестве одного из основных способов диагностики высокотемпературной тороидальной плазмы [21]. Несмотря на богатую историю, новые возможности этого метода диагностики далеко не исчерпаны, при этом быстрое развитие приемной аппаратуры часто приводит к новым возможностям и новым задачам для теоретиков. Значительный интерес для диагностики плотной плазмы представляет процесс, обратный процессу поглощения ЭЦ излучения в закритической плазме режиме линейной трансформации в электростатические колебания [8]. Весьма актуальной и не до конца решенной является задача диагностики слабо выраженных квазилинейных возмущений электронной функции распределения в тепловой области энергий в современных установках с ЭЦ нагревом плазмы по спектрам собственного нетеплового ЭЦ излучения плазмы [22]. Развитие указанных методов диагностики в значительной мере зависит от успехов теоретического моделирования генерации и распространения излучения в плазме.
Известно, что регистрация спектров коллективного рассеяния мощного миллиметрового излучения в высокотемпературной плазме позволяет получать информацию о распределении ионов по скоростям с хорошим пространственным и временным разрешением [23]. Коллективное рассеяние миллиметрового излучения гиротрона рассматривается как основной способ диагностики термоядерных альфа-частиц в токамаке-реакторе ИТЭР [24]. Интерпретация экспериментальных данных, полученных методом коллескивного рассеяния, невозможна без детального численного моделирования условий формирования распределений быстрых ионов и, в ряде важных случаев, связанной с ними микротурбулентности плазмы.
Формирующаяся в условиях ЭЦ резонанса сильно неравновесная плазма представляет собой активную среду для генератора стимулированного электромагнитного излучения — плазменного циклотронного мазера. Несмотря на более чем полувековую историю, исследования физики циклотронного мазера остаются актуальными и в настоящее время. Одним из наиболее интересных физических эффектов является генерация вспышек электромагнитного излучения, связанных с взрывным развитием циклотронных неустойчивостей магнитоудерживаемой плазмы. Подобные явления наблюдаются в широком диапазоне параметров плазмы в самых разнообразных условиях: в магнитосферах Земли и планет [25,26], в солнечных корональных петлях и атмосферах звезд [3,27], в лабораторных магнитных ловушках [28-30] вплоть до крупномасштабных высокотемпературных тороидальных систем [31]. Физические механизмы, приводящие к вспышечной активности, часто оказываются весьма универсальными [26]. В качестве одного из таких универсальных механизмов может быть предложена компрессионная накачка циклотронного мазера нестационарным магнитным полем, адиабатически плавно увеличивающемся во времени [29]. Подобные источники стимулированного излучения могут реализовываться как в естественных условиях, например, при формировании солнечной вспышки [32], как и в лаборатории [30]. Более того, идея плазменного магнитокомпрессионного мазера может быть положена в основу нового электронного прибора для генерации излучения.
Цель и задачи диссертационной работы
Целью настоящей диссертационной работы является исследование новых возможностей для поддержания и диагностики высокотемпературной плазмы в системах с магнитным удержанием с использованием волн электронно-циклотронного диапазона частот, а также исследование неравновесных процессов, приводящих к генерации электромагнитного излучения в данном диапазоне частот, и поиск их практических применений. Целью и актуальностью темы обусловлены следующие задачи диссертационной работы:
Развитие общих теоретических методов для описания волновых процессов, выходящих за рамки геометро и квазиоптических приближений и возникающих при распространении электромагнитных волн в плавнонеоднородных средах с анизотропнией, гиротропией, пространственной дисперсией и резонансной диссипацией.
Построение теории линейного взаимодействия электромагнитных волн в двумерно и трехмерно неоднородной плазме.
Развитие теории нагрева и диагностики плотной закритической плазмы в тороидальных магнитных ловушках волнами электронно- циклотронного диапазона.
Исследование квазилинейных эффектов, возникающих при взаимодействии мощного высокочастотного поля с плазмой в условиях электронного циклотронного резонанса в тороидальной магнитной ловушке; развитие методов диагностики подобных эффектов по неравновесным возмущениям спектров собственного излучения плазмы.
Развитие новых методов диагностики ионной компоненты высокотемпературной плазмы, основанных на регистрации спектров коллективного рассеяния мощного миллиметрового излучения.
Исследование мазерного механизма генерации электромагнитного излучения в условиях электронного циклотронного резонанса при адиабатическом магнитном сжатии неравновесной плазмы; экспериментальная проверка теории и приложение к лабораторным и природным системам.
Научная новизна проведенных исследований
1. Предложена эффективная методика аналитического и численного решения точных задач распространения электромагнитных волн в анизотропных и гиротропных средах с пространственной дисперсией, основанная на формализме операторного уравнения Риккати.
-
-
Получены новые результаты в общей теории линейного взаимодействия электромагнитных волн в плавнонеоднородных анизотропных и гиротропных средах без пространственной дисперсии, включающие универсальную классификацию всех возможных типов линейного взаимодействия электромагнитных волн и новые аналитические решения эталонных волновых уравнений в двумерно и трехмерно неоднородных средах.
-
Получены новые результаты в теории СВЧ нагрева и диагностики закритической плазмы в токамаках и стеллараторах с использованием линейной трансформации электромагнитного излучения ЭЦ диапазона: обнаружены новые эффекты, связанные с неодномерным характером неоднородности, уточнена роль пространственной дисперсии, релятивистских эффектов и шира магнитного поля.
-
Построена теория собственного нетеплового излучения плазмы в окрестности частоты ЭЦ нагрева тороидальной плазмы, открывающая возможность экспериментальной диагностики слабо выраженных квазилинейных возмущений электронной функции распределения в тепловой области энергий, формирующихся в процессе резонансного нагрева плазмы.
-
Получены новые экспериментальные результаты, связанные с диагностикой тороидальной плазмы методом коллективного рассеяния мощного излучения миллиметрового диапазона на стеллараторе Wendelstein 7-AS (г. Гархинг) и на токамаке FTU (г. Фраскати).
-
Обнаружен и исследован новый релаксационно-колебательный режим генерации импульсного электромагнитного излучения в циклотронном мазере, активной средой которого служит двухкомпонент- ная неравновесная плазма, распадающаяся в магнитном поле с пробочной конфигурацией.
-
Предложен новый механизм генерации ускоренных электронов в солнечной короне, реализующийся при крупномасштабной топологической перестройке магнитного поля и основанный на эффекте «убегания» электронов при адиабатическом магнитном сжатии магнитной силовой трубки, заполненной плазмой.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Формализм операторного уравнения Риккати позволяет свести граничную задачу для уравнений Максвелла в неоднородной среде с тензорным диэлектрическим откликом и пространственной дисперсией к эквивалентной задаче эволюционного типа. Полученные эволюционные уравнения устойчивы в областях линейного взаимодействия и резонансной диссипации волн, что позволяет использовать стандартные методы численного интегрирования при решении «жестких» задач распространения волн.
-
-
-
Условие поляризационного вырождения решений уравнений Максвелла накладывает сильные ограничения на компоненты диэлектрического тензора среды в области эффективного линейного взаимодействия электромагнитных волн в плавнонеоднородных средах, что позволяет сформулировать универсальную, не зависящую от конкретной модели среды, классификацию возможных типов взаимодействия волн и соответствующих волновых уравнений в неодномерных линейных средах без пространственной дисперсии.
-
Линейное взаимодействие электромагнитных волн в двумерно и трехмерно неоднородных гиротропных и анизотропных средах без пространственной дисперсии приводит к возникновению новых, отсутствующих в одномерных средах, эффектов (существование ограниченных по апертуре волновых пучков, испытывающих безотражательную трансформацию, отсутствие симметрии процессов прямой и обратной трансформации волн), которые могут быть существенными при решении задач СВЧ нагрева и диагностики плотной плазмы в тороидальных магнитных ловушках.
-
Релятивистские эффекты оказывают заметное влияние на профили ЭЦ поглощения бернштейновских волн, возбуждаемых в плотной плазме токамака в процессе ЭЦ нагрева с использованием линейной трансформации волн, даже при умеренных температурах электронов плазмы (порядка 1 кэВ), характерных для современного эксперимента.
-
В окрестности частоты ЭЦ нагрева плазмы уровень собственного циклотронного излучения тороидальной плазмы может заметно возрастать из-за деформации функции распределения резонансных электронов под действием поля греющего излучения, что дает возможность экспериментального обнаружения слабо выраженных квазилинейных возмущений электронной функции распределения в тепловой области энергий в современных установках с ЭЦ нагревом плазмы.
-
Генерация тока увлечения в условиях квазипоперечного ввода ЭЦ излучения в тороидальную плазму, когда поглощение электромагнитного поля происходит преимущественно на тепловых электронах, а условие циклотронного резонанса в равной мере определяется до- плеровским сдвигом и релятивистскими эффектами, обеспечивает улучшенную локализацию профиля тока и большие значения локальной плотности тока при сопоставимой эффективности генерации полного тока по сравнению с «классической» схемой генерации тока с наклонным вводом излучения.
-
Неустойчивые распределения быстрых ионов, формирующиеся в результате инжекции мощных нейтральных пучков в плазму стеллара- тора, приводят к возбуждению электростатических плазменных мод в окрестности гармоник ионной циклотронной частоты, в частности, нижнегибридных волн, которые могут использоваться для исследования механизмов удержания быстрых ионов методом коллективного рассеяния излучения миллиметрового диапазона.
-
Квазипериодические серии импульсных высыпаний энергичных электронов и синхронные вспышки электромагнитного излучения, наблюдаемые в распадающейся неравновесной плазме импульсного ЭЦР разряда в прямой аксиально-симметричной магнитной ловушке, могут быть объяснены как результат раскачки релаксационно- колебательного режима циклотронной неустойчивости на необыкновенной моде с порогом генерации, управляемым фоновой компонентой плазмы.
-
Магнитное адиабатическое сжатие неравновесной плазмы в прямой ловушке может использоваться для накачки плазменного магнито- компрессионного мазера терагерцового диапазона частот. Мощность такого источника может составлять десятки мегаватт при использовании плазмы ЭЦР разряда с плотностью основной компоненты около IO13 см~3 при объеме плазмы порядка 1000 см3.
10. Ускорение электронов, реализующееся при сжатии заполненной плазмой магнитной силовой трубки при крупномасштабной топологической перестройке магнитного поля в солнечной короне, может приводить к значительному накоплению энергии в «хвосте» убегающих электронов, что позволяет рассматривать магнитное сжатие в качестве возможного механизма, инициирующего некоторые типы солнечных вспышек.
Научная и практическая ценность
Научная и практическая значимость проведенных исследований определяются широким спектром применений микроволнового излучения в научном эксперименте и технологиях. Полученные в диссертационной работе результаты могут быть использованы для повышения эффективности использования мощных генераторов микроволнового излучения как в термоядерных исследованиях, так и в многочисленных технологических приложениях магнитоудерживаемой плазмы, среди которых можно выделить генерацию многозарядных ионов, генерацию электромагнитного (рентгеновского, субмиллиметрового) излучения, коллективное ускорение ионов, получение сверхчистых веществ и разделение изотопов, плазменную обработку материалов и т.п. Результаты, относящиеся с теории циклотронных неустойчивостей и линейного взаимодействия волн в маг- нитоактивной плазме, могут быть использованы также и в исследованиях ионосферной и космической плазмы. Результаты, относящиеся к общей теории распространения волн в сложных средах, могут оказаться востребованными в смежных областях — физике лазеров, кристаллооптике, физике метаматериалов.
Результаты, полученные в III - V главах, использовались в подготовке и проведении экспериментальных кампаний на крупных тороидальных установках, используемых для термоядерных исследований — стеллараторе Wendelstein 7-AS (г. Гархинг, Германия), токама- ках ASDEX-Upgrade (г. Гархинг, Германия) и FTU (г. Фраскати, Италия), а также на малом стеллараторе WEGA (г. Грайфсвальд, Германия). В частности, был продемонстрирован новый способ диагностики распределений энергичных ионов по характеристикам плазменной турбулентности на стеллараторе Wendelstein 7-AS; были объяснены аномальные спектры коллективного рассеяния, регистрируемые на токамаке с сильным магнитным полем FTU. Изложенные в VI главе экспериментально-теоретические исследования циклотронных неустой- чивостей сильно неравновесной плазмы стимулировали дальнейшее развитие исследований в этом направлении на стенде SMIS-37 (ИПФ РАН, г. Н. Новгород).
Публикации, апробация работы
Настоящая диссертационная работа является итогом исследований, проведенных автором в Институте прикладной физики РАН в 1996 - 2010 гг. Результаты диссертационной работы изложены в научных статьях в ведущих отечественных и зарубежных журналах (УФН, ЖЭТФ, Письма в ЖЭТФ, Астрономический журнал, Физика плазмы, ВАНТ, Известия вузов: Радиофизика, Phys. Rev. Lett., Phys. Rev., Nuclear Fusion, Plasma Phys. Control. Fusion, Fusion Sci. Tech., Rev. Sci. Instr.), сборниках трудов международных конференций, препринтах и отчетах о НИР, выполненных по государственным контрактам. Всего по теме диссертации автором опубликовано 27 статей в реферируемых журналах, 5 препринтов и одна глава в монографии.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах Института прикладной физики РАН, Института физики плазмы общества Макса Планка (MPI fiir Plasmaphysik), Института физики плазмы в Милане (IFP Milano), Института ядерного синтеза РНЦ «Курчатовский институт», Физико-технического института РАН им. А.Ф. Иоффе, на конкурсах научных работ, а также на следующих научных конференциях и совещаниях: международные совещания «Joint Russian- German Workshop on ECRH and Gyrotrons — STC Meeting» (Нижний Новгород 1998, 2010; Грайфсвальд, Германия 2001, 2007, 2009), 7- й Симпозиум по солнечно-земной физике России и стран СНГ (ИЗ-
МИРАН, Москва 1998), международные Звенигородские конференции по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (Звенигород 1999, 2008, 2009, 2011), 4-я Нижегородская сессия молодых ученых (Дзержинск 1999), международные совещания «International Workshop Strong Microwaves in Plasmas» (Нижний Новгород 1999, 2002, 2005), международные совещания «Kinetic theory workshop» (Гархинг, Германия 2000; Грайфсвальд, Германия 2002) международные конференции «EPS Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics» (Мон- тро, Швейцария 2002; Ст.-Петербург 2003; Дублин, Ирландия 2010), международные конференции «Joint Workshop on Electron Cyclotron Emission and Electron Cyclotron Resonance Heating» (Санторини, Греция, 2006; Йосимити, Калифорния, США 2008) , международная конференция «Int. Workshop Strong Microwaves: Sources and Applications» (Нижний Новгород 2008), международная конференция «Int. Conf. on Plasma- Wave Processes in the Earth's and Planetary Magnetospheres, Ionospheres, and Atmospheres» (Нижний Новгород 2009), международное совещание «Workshop of the Centre-of-Excellence on Fusion Physics and Technology» (Утрехт, Голландия 2009), международная конференция «International Conference on Plasma Physics and Controlled Fusion and Alushta International Workshop on the Role of Electric Fields in Plasma Confinement in Stellarators and Tokamaks» (Алушта, Украина 2010).
Материалы диссертации частично вошли в цикл работ автора «Электродинамика высокотемпературной плазмы в магнитных ловушках», удостоенный медали РАН для молодых ученых постановлением Президиума РАН от 24 февраля 2009 г.
Личный вклад автора
Основная часть содержащихся в работе результатов получена под руководством автора при его непосредственном участии, часть работ были выполнены без соавторов. В работах, посвященным общим вопросам электродинамики анизотропных и гиропропных сред, соискателю принадлежит постановка задач, разработка пакета программ для проведения символьных вычислений , поиск и анализ аналитических и численных решений, а также обсуждение результатов. В работах, посвященных теории линейной трансформации волн в плазме, автору принадлежит значительная часть аналитических и численных решений эталонных волновых уравнений, а также приложение теории к конкретным тороидальным магнитным ловушкам. В работах, посвященных геометрооп- тическому моделированию СВЧ нагрева закритической плазмы, автору принадлежит постановка задачи для численных расчетов, руководство их проведением и интерпретация результатов этих расчетов. В работах по исследованию квазилинейных эффектов при резонансном СВЧ нагреве и их влияния на собственное излучение плазмы в тороидальной магнитной ловушке автор разработал модель, провел численные исследования, а также нашел приближенные аналитические решения, объясняющие результаты численных расчетов. В работах по диагностике плазмы методом коллективного рассеяния, выполненных совместно с большими экспериментальными группами, автор принимал участие в подготовке и проведении эксперимента, играл основную роль в теоретическом моделировании и интерпретации экспериментальных результатов. В работах по лабораторному моделированию вспышечных явлений в прямой магнитной ловушке, соискателем была разработана качественная теория циклотронного мазера в распадающейся плазме и мазера с адиабатической магнитной накачкой, проведено численное моделирование, интерпретация результатов. В работах по ускорению электронов при крупномасштабной топологической перестройке магнитного поля в солнечной короне, автору принадлежит формулировка теоретической модели, ее аналитическое и численное исследование.
Структура и объем диссертации
Похожие диссертации на Развитие электродинамики сверхвысокочастотных резонансных волновых процессов применительно к задачам нагрева и диагностики высокотемпературной плазмы в магнитных ловушках
-
-
-
