Введение к работе
Актуальность теш. Среди работ но шгнитноку удержанию плазмі весьма актуалышш являются связанные с созданием стационарного режима работы в установках токомак. В связи с этим в последнее время интенсивно проводятся исследования по генерации в токамшсах токоз увлечения ВЧ-волнаки. При их генерация в плазму с покощьп внешние уотройств вводят (иняектируют) ВЧ-волзш с продэльнш (по ОТНОИЄЕШЮ к тороидальному полю) компонентом импульса. Волнн взаимодействуют.с электронами шгазш, что и приводит к образованию voKa. Зксперииен-. тально наиболее полно исследованн токи увлечения, генерируете ниж-негибриднимЕ (ЯГ) волнами. При теоретическом описании токов увлечен ния, генерируемых НГ волнаш, обычно учитывались только ізазішией-ные взаимодействия НГ волн и электронов плазш и паріше столкновения электронов, переносящих ток, с остальными частицами плазмы. Однако существует проблема сопоставления результатов, полученных на основе такого теоретического подхода, с данными экслеримектов по генерации токов увлечения КГ волнами: а) экспериментальные значения -токоз увлечения, генерируемых НГ волнами, оказываются на 2-3 поряд* ка больше их теоретических значений; б) теоретические значения скорости, с которой ток увлечения нарастает до стационарного значения,. оказызагогся существенно.нике (на 1- порядка) наблюдаемых в экспериментах. Несоответствие меяду теоретическими и экспериментальными значениями токов увлечения связано с так. называемой проблемой "спек--трального зазора", которая состоит в том, что для объяснения наблюдаемых токов увлечения, генерируемых НГ. волнами, следует объяснить механизм появления в плазш НГ волн о достаточно низкими продолыыш фазовыми скоростями "г/^,,, -S *1,5у1„ (где w» - частота НГ волны, .. "3 - ее волновой вектор, индекс N обозначает компоненту вектора параллельную внешнему магнитному полю, хгт = (Tg/m.)1'2 - тепловая -скорость электронов, Те - электронная температура плазш, пп - кас-са электрона), тогда как .продольные фазовые скорости инжектируемых НГ воля достаточно высоки, и в их спектре волны о слі^ Al„-4,5у*Гє-обнчно отсутствуют. Имеющиеся попытки объяснения механизма заполне-ния " спектрального зазора" НГ волками (т.е. появления в плазме НГ волн со значениями продольных фазовых скоростей меньшими, чем (cOj/q Л . в спектре инжектируемых НГ волн, и достаточными для объяснения наблюдаешх токов увлечения), основанные на учете как ли-
нейшх, так л шдинейнкх аффектов, не являются полностью удовлетво-рытелышми.
Ранее при описании генерируемых ИГ волнами токов увлечении не учитывались радиациошіо-рсзонансннє взаимодействия (РРВ) волн и электронов плазма, обусловленные, с-одной сторони, коллективными . плазменными процессами, а с другой - радиационными эффектами, отве-чашдмц резонансным взаимодействиям типа волна-частица (т.е. эффектами, которые трактуется в квантовой электроданамше как радиационные поправки к резонансним взаимодействиям), В проводившихся ранее исследованиях радаашіонно-резонансішх взаимодействий било доказано, что во многих случаях РРВ существенным образом влияют на динамику бистрих электронов и могут приводять к генерации быстрых частиц в плазме. Поэтому представляет интерес учесть влияние РРВ на генера- .-щао токов увлечения, тем более, что генерируемые НГ волнами ТОКИ ув~ лечеши переносятся быстрыми электронами. Во многих ситуациях при. взаимодейстзии НГ волн с плазмой важную роль играют нелинейные эффекты такие как зшдуцлрованное рассеяние НГ волн на частицах плазмы, модуляционная неустойчивость и .др. В настоящее время, однако, -влияние нелинейных эффектов на генерации токов увлечения изучено НЄ-" достаточно. Так, например, ранее при рассмотрении эффектов индуцированного рассеяния в применении к проблеме генерации токов увлечения учитывалось только индуцированное рассеяние НГ волн на ионах и не учитывалось - на электронах. Кроме того, ранее не производился учет -эффектов индуцированного рассеяния совместно с учетом аффектов, вызванных РРВ. Такае не рассматривалось влияние на генерацию токов увлечения модуляционной неустойчивости НГ волн.
Наряду с исследованиями по токам увлечения исследование динамики быстрых частиц и их взаимодействий с волнами важно при описают процессов взаимодействий пучков электронов с плазмой. Проблема взаимодействия электронных пучков с плазмой тлеет важное значение для плазменной электроники, исследовании по нагреву плазмы. В настоящее время достаточно хороше изучены как линейные, так и нелинейные процессы при развииш пучковой неустойчивости. Однако влияние РРВ на динамику пучковой неустойчивости до сих пор не было исследовано.
Основными целями работы являются: изучение общих свойств токов увлечения, генерируемых НГ волнами, с учетом РРВ и ряда цели-. нейнах эффектов (индуцированного рассеяния, модуляционной неустой-
-з~
чпвосги); исследование влеяшія РРВ на процессы, происходящие при развитии пучковой неустойчивости.
Б работа рассмотрены задачи о влиянии РРВ па генерацпо токов, увлечения ИГ волнами, о влиянии изменения спектра НГ воли из-за нелинейных эффектов (индуцированного раессязпш п модуляционной неустойчивости) на генерацию токов увлечения НГ волнами, о динамике пучковой неустойчивости с учетом РРВ,
Научная новизна. Впервые рассмотрено влияние РРЗ на генерации токов увлечения НГ волнама. Показано, что РРЗ приводят к появления в плазме НГ волн с достаточ» низкими продольными фазовими скорое-. тями, а процесс РРВ, связанный с индуцированным рассеянием, обеспечивает достаточно эффективную генерации быстрых частиц, переносящих тої:, С учетом РРВ получены зираяепия для стационарного тока увлечения, эффективности его генерации и времени его установления.
Впервне ПРИ ОПКСаНЗН ТОКОВ увлечения ВМеССе С Эффектам!, ВУЗ-
ваншми РРЗ, учтенн аффекты индуцированного рассеяния НГ волі как на попах, так и на электронах, пршюдяцпе к изменения спектра КГ волн. Показано, что индуцированное рассеянно через изменено спектра НГ волн существенно влияет на скорость нарастания тоіса увлечения н величину стационарного тока увлечения.
Вперше рассмотрено влияние шдуляцисшюи неустойчішости на генерации НГ волнами токов увлечения. Установлено, что для НГ вол- . ш накачки достаточно малой интенсивности существует условие на волновые вектора, при вынолнешш которого характер развития модуляционной неустойчивости да:;-;е в случае существенного превышения дшш волнового вектора модуляции плотности над длпноа волнового вектора волны накачки существенно отличается от характера параметрической неустойчивости, Поіазано, что влляше модуляционной неустойчішости на заполнение "спектрального зазора" НГ волнами существенно при сильной НГ волновой накачке.
Впервне рассмотрено влияние РРВ на динамику пучковой неустойчивости. Доказано, что вследствие РРЗ для пучков электронов ниэзоп плотности. характер развития лучковой неустойчивости отличается от характера ее развития, списанного без учета РРЗ, а такгкэ, что лс-пользозанле пучхоз низкой плотности позволяет повисить эффективность нагрева алазмл.
.. Практически ч ценность. Практическая значимость работ сбус«.-ловлена зозмоыюстьз кспольсования полученных результатов в исследованиях по какштному удержанию плазми и по иучковс-плазмеїшш ззакмодеГ:етвпн:.і. Основная часть результатов, полученных в ддесерта-
ции, относится к одной из актуальных задач магнитного удержания плазш - созданию в ней токов увлечения. Полученные в диссертации результаты, касающиеся токов увлечения, создаваемых с помощью НГ волн, расширяют и углубляют представления о характере процессов, протекающих при их генерации. Привлечение РЕВ для описания токов .. увлечения позволило устрашіть несоответствия мезду теорией и экспериментом, возникавшие при теоретическом описании токов увлечения без учета РРБ. Проведению в работе оценки ряда характеризующее тока увлечения величин, получешшх на основе теории, учитывающей РРБ, находятся в соответствии с результатами экспериментов, проведенных на токамаках КАСТОР, РЫ, л-6о . Результаты, полученные в диссертации, касающиеся влияния РЕВ на динамику пучковой неустойчивости, могут найти применение для повышения эффективности при нагреве плазмы пучками электронов в лабораторных экспериментах. Поло;.тенкя, внносише на западу.
1, Показано, что РЕВ являются существенными при описании про
цессов, имеющих место при генерации токов увлечения НГ волнами: РРБ.
обеспечивает генерацию быстрых частиц, переносящих ток, а также при
водят к уменьшению минимальной продольной фазовой скорости в спек-
тре НГ волн до значения меньшего или приблизительно равного 4,5 теп
ловым скоростям электронов плазмы, тем самым, обеспечивая заполне
ние "спектрального зазора" НГ волнами. С учетом РРВ получены внра-
яения для стационарного тока увлечения, эффективности его генерации
и времени его установления.
-
Показано, что в условиях экспериментов по генерации токов увлечения эффекты игідунироваїшого рассешшя НГ волн как на нонах, . так и на электронах имеют один порядок. Продемонстрировано, что эффекта, вызванные РРВ, обычно приводят к более существенно?.;/ уменьшению ьаиикашіого значения продольной фазовой скорости в спектра -НГ волн, чем индуцировакнов рассеяние. Показано такте, что шухупл- . рованное рассешше через изменение спектра НГ волы оказывает сущест-веішое влияние на теш генерации переносящих ток быстрых частиц, и, тел сашы, на скорость нарастания тої» увлечения и величину стационарного тока увлечения,,
-
Показано, что значеная стационарного тока увлеченья, Еф-фактпвкоети его генерацшї и скорости нарастания тока увлечения, наа-дешше с учетом РРВ,. согласуются с зкепертйітаашшш дашшш.
4, Установлено, что для ЕТ золка накачки достаточно г.-ллоп
интенсивности: существует услоеїїє на волновые вектора, при выполне
ния которого характер развития модуляционной неустойчивости в слу-
чае существенного превышения длины волнового вектора модуляции плотности над длиной волнового вектора волны накачки существенно отличается от характера параметрической неустойчивости.
-
Доказано, что влияние модуляционной неустойчивости на заполнение "спектрального зазора" ЧГ волнами существенно при сильной НГ волновой накачке.
-
Показано, что в случае пучков электронов низкой плотности. РРВ могут приводись к 'германизации частиц пучка за время значительно меньшее времени свободного пробега электронов в лучке, а также, что использование пучков низкой плотности позволяет повысить эффективность нагрева плазш. С учетом РРВ найдены уел чия стабшшзащш пучковой неустойчивости.
Апробация работа. Основные результаты, полученные в диссерта-ции, докладывались на XIX Международной конференции по явлениям в-ионизованных газах (Белград, 1989г.), на 2УП Европейской конференции по УТС и нагреву плазмы (Амстердам, 1990г.), на Международном совещании "Сильное СВЧ излучение в плазме""('Суздаль, 1990г.), на семинарах Теоретического отдела ИОФАН и Отделеівія теоретической физики ФІШІ.'
Структура и объем работа. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Она содержи 133 стр. машинописного текста, включая библиографический список'литература в 126 наименований,
