Диагностика турбулентных пульсаций плазмы методом рассеяния излучения мощных гиротронов при электронно-циклотронном нагреве плазмы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

На правах рукописи

Харчев Николай Константинович

Диагностика турбулентных пульсаций плазмы методом рассеяния излучения мощных гиротронов при электронно-циклотронном нагреве плазмы

Специальность: 01.04.08 - физика плазмы

- 6 ОКТ 2011

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 2011

4855600

Работа выполнена

в Институте общей физики имени A.M. Прохорова Российской академии наук

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, доцент СКВОРЦОВА Нина Николаевна

Институт общей физики имени A.M. Прохорова РАН, МИРЭА

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор АЛЕКСАНДРОВ Андрей Федорович

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

доктор физико-математических наук, профессор ГУСЕЙН-ЗАДЕ Намик Гусейнага оглы Институт общей физики им. A.M. Прохорова РАН

Ведущая организация

Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»

Защита состоится 24 октября 2011 г. в 1500 на заседании диссертационного совета Д002.063.03 при Институте общей физики им. A.M. Прохорова РАН по адресу: 119991, г. Москва, ул. Вавилова 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИОФ РАН

Автореферат разослан «20» сентября 2011г.

Учёный секретарь

диссертационного совета Д002.063.03 кандидат физико-математических наук

Т.Б. Воляк

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Проблемы аномального транспорта в тороидальных ловушках с высокотемпературной плазмой в последние годы приобретают все большую актуальность. Большой интерес представляют вопросы взаимосвязи процессов переноса с характеристиками турбулентных пульсаций плотности, электрических и магнитных полей, а также вопросы природы турбулентных пульсаций в режимах улучшенного удержания и в режимах с предельными значениями давления плазмы. Поэтому вопросам диагностики турбулентности, особенно коротковолновых колебаний, уделяется все большее внимание. Между тем использование мощных источников микроволнового излучения для нагрева плазмы в современных тока-маках и стеллараторах создает серьезные трудности при работе диагностической аппаратуры, вызванные интенсивными электромагнитными наводками. Одновременно возникает соблазн использовать излучение, предназначенное для нагрева плазмы, и для диагностики турбулентности. Особенно интересно применить в целях диагностики излучение мощных гиротронов миллиметрового диапазона длин волн, используемых для электронно-циклотронного (ЭЦ) нагрева плазмы, т.к. в этом случае, как правило, используются сфокусированные гауссовские пучки излучения. Впервые регистрация спектров рассеянного излучения при ЭЦ-нагреве плазмы необыкновенной волной на первой гармонике ги-рочастоты электронов была осуществлена в работе [1]. При этом регистрировалось рассеянное излучение, возникающее при многократном отражении греющей волны от стенок вакуумной камеры.

В настоящей работе представлена разработка диагностики турбулентных пульсаций плотности при приеме рассеянного излучения непосредственно из области распространения нагревающего плазму сфокусированного пучка гиротрона при его первом проходе через поперечное сечение плазменного шнура.

При использовании для диагностики мощного гиротрона, нагревающего плазменный шнур, возникает ряд специфических особенностей при проведении экспериментов.

Обычно при ЭЦ-нагреве плазмы в тороидальных системах используется нагрев либо с помощью обыкновенной волны на первой гармонике гирочастоты, либо с помощью необыкновенной волны на второй гармонике гирочастоты. И, как правило, используется линейно поляризованное излучение. Поскольку для стеллараторов характерно существование радиальной компоненты магнитного поля на граничной магнитной поверхности, то это приводит к расщеплению линейно-поляризованной волны на обыкновенную и необыкновенную с эллиптической поляризацией [2]. В случае ЭЦ-нагрева на первой гармонике гирочастоты это означает возникновение необыкновенной волны, которая может проникать в слой плотной плазмы только со стороны сильного поля, тогда как со стороны слабого поля необыкновенная волна испытывает отсечку, как правило, на периферии плазменного шнура. При ЭЦ-нагреве на второй гармонике гирочастоты электронов образование обыкновенной волны ведет к возникновению двух рассеянных волн различной поляризации.

Второй особенностью использования излучения, нагревающего плазму в области ЭЦ-резонанса, является сильное ослабление (более чем на порядок величины) греющей волны после прохождения области ЭЦ-резонанса. Таким образом, в отличие от обычных способов диагностики рассеянного излучения, в которых поглощением зондирующей волны можно пренебречь, в нашем случае необходим прием рассеянного излучения из области распространения пучка в плазменном шнуре до слоя ЭЦ-резонанса.

В представляемой работе использованы результаты экспериментов, проводимых автором на тороидальных установках - стеллараторах: Л-2М (ИОФ РАН), и-И (С1ЕМАТ, Испания) и ЬНО (МРБ, Япония).

В стеллараторе Л-2М ЭЦ-нагрев осуществляется необыкновенной волной на второй гармонике гирочастоты (75,3 ГГц). Это позволило для диагностики флуктуаций плотности использовать обыкновенную волну, возникающую при расщеплении линейно-поляризованного излучения гиротрона. Использование обыкновенной волны с частотой второй гармоники гирочастоты электронов

позволяет пренебречь поглощением из-за малости коэффициента поглощения излучения с обыкновенной поляризацией в окрестностях ЭЦ-резонанса. Для изучения длинноволновых колебаний 1—2 см"1) был использован метод малоуглового рассеяния, а для изучения коротковолновых флуктуаций (k±^20 см"1) метод коллективного рассеяния на угол ~к/2.

В стеллараторе LHD ЭЦ-нагрев осуществлялся обыкновенной волной на первой гармонике гирочастоты электронов (82,7 ГГц). Необыкновенная волна, возникающая при рассеянии линейно-поляризованного излучения гиротрона, испытывала отсечку во внешних слоях плазмы, и поэтому в качестве рассеиваемой волны была использована обыкновенная волна первой гармоники гирочастоты электронов, нагревающая плазму в слое ЭЦ-резонанса.

Одним из первых вопросов, возникающих при использовании высоких мощностей излучения, является вопрос о нелинейных эффектах в поле интенсивной волны. Один из первых анализов (см. обзор [3]) показал, что нелинейные эффекты несущественны при мощностях менее 10 МВт.

Более существенным является вопрос о влиянии отраженного или рассеянного излучения на режим работы гиротрона. Насколько нам известно, этот вопрос до наших исследований не был изучен. В диагностических схемах с маломощными источниками для защиты генераторов от отраженного излучения используются ферритовые циркуляторы или вентили. Такие устройства отсутствуют для пучков в сотни кВт в миллиметровом диапазоне длин волн. Поэтому одной из первых задач данной работы было изучение влияния отраженного или рассеянного излучения при ЭЦ-нагреве на спектр излучения гиротрона.

Результатом наших исследований было обнаружение эффектов низкочастотной модуляции излучения гиротрона в области частот 1 + 100 кГц из-за воздействия слабого рассеянного назад из плазмы излучения, возникающего в процессе ЭЦ-нагрева. Было показано, что величина модуляции излучения гиротрона составляет не более 5%, и ею можно пренебречь при изучении спектров рассеянного излучения.

Другим важным вопросом является вопрос о влиянии на регистрацию рассеянного на флуктуациях плотности плазмы излучения гиротрона излучения, многократно отраженного от стенок вакуумной камеры стелларатора или токама-ка. Эта проблема аналогична проблеме избавления от излучения лазера, рассеянного на элементах оптики и вакуумной камеры в диагностике томсоновского рассеяния. В нашем случае она облегчается тем, что излучение гиротрона, многократно отраженное от стенок камеры, поглощается при каждом проходе через область ЭЦ-резонанса и ослабляется примерно на два порядка. Исключение составляют пучки, падающие на стенку камеры под углами, существенно отличающимися от я/2. Решение этой задачи было найдено с помощью сильной коллимации регистрируемых пучков с помощью коллиматоров с поглотителем.

Аналогичной предыдущей является проблема экранировки измерительного тракта и измерительной аппаратуры от помех (наводок), создаваемых излучением гиротрона, рассеянного на элементах конструкции квазиоптического тракта и вакуумной камеры и существующего как фоновый сигнал в рабочем помещении. Сложность этой проблемы в том, что частота помех и частота полезного регистрируемого сигнала одна и та же. Эта проблема была решена, как и предыдущая, с помощью поглощающих коллиматоров и поглощающих экранов на элементах конструкции регистрирующей аппаратуры.

Существенным вопросом диагностики является выбор аппаратуры, регистрирующей рассеянное излучение. В миллиметровом диапазоне волн обычной техникой, используемой для регистрации излучения, является одномодовый прямоугольный волновод, соединенный с диодом Шоттки. В описываемых ниже конструкциях мы избегали каких-либо неоднородностей в виде диэлектрических поглотителей или фазосдвигающих элементов в регистрирующих волноводах, поскольку такие конструкции чреваты пробоями при мощности в волноводе в десятки Вт. Рабочая точка детектора выбиралась в линейной части характеристики при регистрируемой мощности около 100 мВт. Ослабление сигнала достигалось с помощью металлической диафрагмы на входе детектора. Такой выбор рабочей

точки детектора обеспечивал достаточный динамический диапазон регистрируемых сигналов при не слишком высоких требованиях к уровню шумов регистрирующей аппаратуры. При этом при таких уровнях сигнала удается обеспечить широкую полосу видеочастот измерений (вплоть до 5 МГц).

Современный физический эксперимент невозможен без компьютерной регистрации и обработки данных эксперимента. При изучении турбулентности стандартной характеристикой является определение спектра низкочастотных флуктуаций плотности. Особенностью турбулентных пульсаций при ЭЦ-нагреве является появление широких шумовых спектров со слабо выраженными широкими спектральными полосами. Это потребовало провести автором адаптацию некоторых уникальных программ [4] обработки спектров к условиям разработанной нами диагностики.

Таким образом, комплекс основных задач данной работы может быть сформулирован следующим образом:

• исследование реакции излучения гиротронов на слабое отраженное или рассеянное излучение при ЭЦ-нагреве плазмы, промодулированное на низких частотах (частотах турбулентных пульсаций плотности плазмы);

• разработка диагностики длинноволновых (Аа.«1-2 см"1) пульсаций плотности методом малоуглового рассеяния обыкновенной волны, возникающей при расщеплении излучения гиротрона при ЭЦ-нагреве плазмы в стеллараторе Л-2М на второй гармонике гирочастоты электронов;

• разработка диагностики коротковолновых пульсаций плотности (/^»20 см"1) методом коллективного рассеяния (на угол ~тг/2) обыкновенной волны, возникающей при расщеплении излучения гиротрона при ЭЦ-нагреве плазмы в стеллараторе Л-2М на второй гармонике гирочастоты электронов;

• разработка диагностики коротковолновых пульсаций 35 см"1) методом коллективного рассеяния (на угол ~п) обыкновенной волны, используемой для ЭЦ-нагрева плазмы в стеллараторе ПШ на первой гармонике гирочастоты электронов;

• адаптация программ численного счета фурье-спектров и вейвлет-анализа к условиям диагностических комплексов стеллараторов Л-2М и ИГО.

Основные положения, выносимые на защиту

1. На стеллараторе Л-2М обнаружена низкочастотная модуляция излучения гиротрона 75,3 ГГц, вызванная рассеянием излучения на турбулентных пульсациях при ЭЦ-нагреве плазмы на второй гармонике гирочастоты электронов.

2. Метод малоуглового рассеяния обыкновенной волны, возникающей при расщеплении излучения гиротрона при ЭЦ-нагреве на второй гармонике гирочастоты электронов, позволяет изучать на стеллараторе Л-2М усредненные по диаметру плазменного шнура спектральные характеристики длинноволновых (&±<1 см'1) турбулентных пульсаций плотности.

3. Метод коллективного рассеяния обыкновенной волны, возникающей при расщеплении излучения гиротрона при ЭЦ-нагреве на второй гармонике гирочастоты электронов, позволяет на стеллараторе Л-2М изучить спектральные характеристики коротковолновых (/сх«20 см"1) турбулентных пульсаций во внутренних областях плазменного шнура.

4. Метод коллективного рассеяния обыкновенной волны (частота 82,7 ГГц), используемой в стеллараторе ЬНО для ЭЦ-нагрева плазмы, позволяет изучить спектральные характеристики и радиальное распределение энергии коротковолновых (£_1_«35 см"1) пульсаций плотности.

Научная новизна

Обнаружен эффект модуляции излучения гиротрона, вызванный рассеянием излучения на пульсациях плотности при ЭЦ-нагреве плазмы. Показано отличие низкочастотного спектра излучения гиротрона от низкочастотных спектров длинноволновых и коротковолновых пульсаций плотности плазмы. Разработаны и реализованы методы использования мощных гиротронов, применяемых на

стеллараторах для ЭЦ-нагрева плазмы, для диагностики длинноволновых < 1 см"1) и коротковолновых (/сх~20—40 см"') турбулентных пульсаций плотности.

Теоретическое и практическое ушченне результатов работы

Результаты настоящей работы могут быть использованы при проектировании средств диагностики пульсаций плотности в магнитных ловушках с ЭЦ-нагревом плазмы, а также для низкочастотной модуляции излучения мощных ги-ротронов и управления их спектром.

Апробация работы

Результаты исследований, изложенных в диссертации, были доложены и обсуждены на VII Украинской международной конференции по физики плазмы и УТС (Алушта, 2000 г.), на 12, 13, 15 международных Токи конференциях по физики плазмы и УТС (Токи, 2001, 2003, 2007 гг.), XXI Международном семинаре по проблемам стабильности в стохастических моделях (Эгер, 2001 г.), 30 Европейской конференции МАГАТЭ по термоядерной плазме (Велимура, 2004 г.), XXIV-XXXV Звенигородских конференциях по физике плазмы и УТС (Звенигород, 1997-2008 гг.) ,21 и 22 Международных конференциях МАГАТЕ по физике плазмы и УТС (Пекин, 2006 г., Женева, 2008 г.), 25 и 31 Международных конференциях по инфракрасным и миллиметровым волнам (Пекин, 2000 г. и Шанхай, 2006 г.)

Структура и объем работы

Диссертация состоит их введения, четырёх глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 85 страниц, включая 38 рисунков, список литературы из 74 наименований и 1 приложение с листингом программы.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность исследований, формулируется постановка задачи, защищаемые положения, новизна полученных результатов, их научное и прикладное значение, приводятся сведения об апробации работы.

В первой главе представлены результаты исследования модуляции мощности излучения двухэлектродного гиротрона с диодной пушкой Бридер-1 (частота 75 ГГц, мощность до 400 кВт), вызванной рассеянием излучения гиротрона на турбулентных пульсациях плотности плазмы при её ЭЦ-нагреве на стеллараторе Л-2М. Представлены также результаты экспериментов по моделированию влияния амплитудной и фазовой модуляции отражённого излучения на низкочастотную модуляцию мощности отечественного трёхэлектродного гиротрона, используемого для ЭЦ-нагрева плазмы в стеллараторе Т.Г-П (С1ЕМАТ, Мадрид).

Рис. 1. Схема экспериментов на стеллараторе Л-2М: 1 - пучок гиротронного излучения, 2 - слабо отражающая слюдяная пластина, 3 - камера Л-2М, 4-7 - детекторные головки с коллиматорами и поглотителями.

Схема экспериментов на стеллараторе Л-2М приведена на рис. 1. Квазиоптический ответвитель (2) оригинальной конструкции позволял регистрировать огибающую мощности гиротрона (5) и излучения, отражённого от плазменного слоя (4). Одновременно, методом малоуглового рассеяния излучения гиротрона изучалась модуляция излучения, рассеянного на флуктуациях плазмы (7).

В результате исследований был зарегистрирован эффект низкочастотной модуляции мощности гиротрона при образовании и ЭЦ-нагреве плазмы в стеллараторе Л-2М на второй гармонике гирочастоты электронов. Одновременно мето-

дом малоуглового рассеяния были зарегистрированы низкочастотные колебания флуктуаций плотности плазмы, а с помощью квазиоптического ответвителя была зарегистрирована низкочастотная модуляция излучения, отражённого от плазменного шнура. При сопоставлении автокорреляционных функций (АКФ) сигналов мощности гиротрона, сигналов малоуглового рассеяния и отражённого сигнала было установлено их различие и показано, что в спектре низкочастотной модуляции мощности гиротрона преобладают более высокочастотные составляющие, чем в спектрах рассеянного и отражённого излучения.

Рис. 2. Экспериментальная установка стелларатора Т.1-11: 1 - гиротрон, 2,3 - зеркала квазноптической линии передачи СВЧ, 4,8 - поглощающие диафрагмы, 5 - водяная нагрузка, 6 - слабо отражающая слюдяная пластина, 7 - акустический модулятор с системой перемещения, 9 - рупорная антенна с диагностическим диодом, 10 - дополнительное зеркало с системой перемещения.

Экспериментально обнаруженный эффект низкочастотной модуляции мощности гиротрона при отражении от турбулентных пульсаций в плазменном шнуре был объяснён с помощью теории захвата фазы автогенератора внешним квазимонохроматическим сигналом.

Для изучения влияния низкочастотной амплитудной и фазовой модуляции отражённого сигнала на низкочастотную модуляцию мощности гиротрона на стеллараторе П-П была разработана и создана конструкция, схематически пред-

ставлена на рис. 2. Экспериментально была изучена модуляция мощности гиро-трона при изменении фазы отражённого сигнала, его амплитуды и частоты его модуляции. Рис. 3 демонстрирует реакцию мощности излучения гиротрона на изменение величины отраженного сигнала. В результате экспериментов было установлено

- существование временной задержки возникновения модуляции мощности гиротрона при воздействии промодулированного отраженного сигнала;

- влияние фазы и амплитуды отражённого сигнала на глубину модуляции. Измерения в режиме захвата фазы излучения гиротрона отражённой волной позволили оценить коэффициент трансформации отражённой волны в рабочую моду гиротрона. Его величина оказалась порядка 104 -г 10"5.

0.30 0.25

и 0-20

0.15 5 0.10 р. 0.05

5 о.оо

ГГ^......... .......!. А

-Ч.

= 0.00 л С

ь 0.30 —

I 0.25

1 0.20

2 0.15 0.10 0.05 0.00 —

о.оо

0.03

0.01

0.02 0.03

0.04

0.01 0.02 0.03 Время, сек

0.01 0.02 0.03 Время, сек

0.04

Рис. 3. Реакция гиротрона на изменение величины отражённого сигнала. На рисунках А,В,С,О коэффициент отражения от колеблющейся мембраны по амплитуде составлял 100, 70, 40 и 0 % соответственно.

В заключении первой главы сделан вывод о возможности использования излучения мощных отечественных гиротронов для диагностики турбулентных пульсаций плотности плазмы при её ЭЦ-нагреве и сформулирована задача изучения взаимовлияния модуляции излучения гиротрона и турбулентных пульсаций плотности плазмы с учетом влияния рассеянного излучения на спектр излучения гиротрона.

Во второй главе изложены результаты разработки диагностики длинноволновых флуктуаций плотности плазмы на стеллараторе Л-2М методом малоуглового рассеяния излучения гиротрона, обеспечивающего ЭЦ-нагрев плазмы на второй гармонике гирочастоты электронов. В работе было использовано расщепление падающей линейно-поляризованной волны гиротрона в плазменном шнуре стелларатора Л-2М на обыкновенную (О) и необыкновенную (X) моды из-за наличия радиальной компоненты магнитного поля в области ввода пучка излучения гиротрона в камеру стелларатора. Необыкновенная волна создает и нагревает плазму, обыкновенная волна практически не поглощается. Это позволяет эффективно использовать её для изучения длинноволновых флуктуаций плотности плазмы. Геометрия вакуумной камеры и плазменного шнура стелларатора Л-2М оказывается пригодной для метода малоуглового рассеяния в варианте измерений фазовых сцинтилляций в пределе ближней волновой зоны процесса дифракции [5]. В итоге оказывается возможным регистрировать излучение, рассеянное на флуктуациях с волновым числом усреднённое по длине средней хорды

сечения плазмы (см. рис. 1). Для регистрации рассеянного излучения при высокой мощности (десятки кВт) была разработана специальная конструкция приемной секции с керамическими поглотителями и поглощающим коллиматором.

Была проанализирована форма сигналов, зарегистрированных в различных режимах удержания плазмы при ЭЦ-нагреве. Предложена и создана методика нормировки и обработки сигналов для расчётов спектров и энергии флуктуаций плотности плазмы. Разработана процедура расчета и построения фурье- и вейв-лет-спектров турбулентности на ПК.

Разработанная аппаратура и методика обработки сигналов была использована в экспериментах по изучению

- влияния поперечного магнитного поля на теплоперенос в стеллараторе Л-2М;

- модуляции мощности излучения гиротрона, возникающей при рассеянии излучения гиротрона на турбулентных пульсациях плотности плазмы;

- взаимосвязи турбулентности на периферии плазменного шнура и в его внутренней области;

- удержания и устойчивости плазмы при создании топологически неустойчивой магнитной конфигурации во внутренней области плазменного шнура;

- изучению влияния мощности ЭЦ-нагрева на длинноволновую турбулентность.

Таким образом, разработана диагностика длинноволновых пульсаций плотности плазмы методом малоуглового рассеяния с использованием обыкновенной волны, возникающей при расщеплении линейно-поляризованного излучения мощного гиротрона в магнитном поле стелларатора Л-2М, предложены и разработаны процедуры обработки сигналов и построения фурье- и вейвлет-спектров рассеянного излучения.

В третьей главе излагаются результаты разработки диагностики коротковолновых флуктуаций плотности плазмы методом брэгговского рассеяния.

Особенностью данного метода изучения флуктуаций на стеллараторе Л-2М является использование в качестве рассеиваемой волны (как и в методе малоуглового рассеяния) О-волны, возникающей при расщеплении линейно-поляризованного излучения гиротрона вблизи сепаратрисной магнитной поверхности. Поскольку мощность О-волны составляет 10-40 кВт, то можно ожидать значения мощности рассеянного излучения 1-10 Вт. В этом случае отпадает необходимость использования чувствительных, малошумящих усилителей и становится возможным прямое детектирование рассеянного сигнала. Прием сигнала рассеянного излучения осуществляется через окно верхнего патрубка вакуумной камеры с помощью приемного устройства с поглощающим коллиматором (рис. 1). Ось коллиматора была направлена на центр вакуумной камеры. Область плазмы, из которой принимался рассеянный сигнал, имеет радиус около 5 см на оси вакуумной камеры, т.е. рассеянный сигнал регистрировался непосредственно из области ЭЦ-нагрева, где возмущающее действие нагревающего электроны излучения могло проявляться наиболее сильно. Значение волнового вектора реги-

стрируемых флуктуации составляет, согласно условию Брэгга к<=2ко$\п(8/2)&20 см"' (к0 — волновой вектор падающей волны, в— угол рассеяния). Таким образом, данная схема позволяла регистрировать коротковолновые флуктуации с кр^4 (д — гирорадиус ионов по электронной температуре).

С помощью эмиттерного повторителя продетектированный сигнал направлялся в систему регистрации и обработки данных.

Такая схема эксперимента была использована при изменениях коэффициентов когерентности флуктуаций в центральных областях плазменного шнура и на его периферии, при изучении статистических характеристик турбулентности в зоне ЭЦ-нагрева. Мощность излучения гиротрона в этих исследованиях составляла 150-250 кВт, длительность импульса ЭЦ-нагрева 10-15 мс, средняя плотность плазмы 0.8-1.8 м"19, температура электронов в центральной области плазменного шнура 0.7-1.2 кэВ.

В результате выполненных работ были

- рассчитаны когерентности спектров колебаний рассеянных сигналов и сигналов ленгнмюровских зондов;

- прослежена временная эволюция коэффициентов когерентности;

- построены автокорреляционные функции сигналов рассеяния и плотности распределения вероятности в области ЭЦ-нагрева (в центре плазмы) и на периферии плазменного шнура;

- установлен вспышечный характер флуктуаций;

- продемонстрировано отклонение распределений плотности вероятности амплитуд от гауссового распределения.

В четвертой главе излагаются результаты разработки диагностики коротковолновых колебаний плотности на стеллараторе ЬТШ (N№8, Япония) методом брэгговского рассеяния. Для изучения коротковолновой турбулентности на стеллараторе ШБ была предложена схема эксперимента, аналогичная использованной на Л-2М. ЭЦ-нагрев плазмы на 1Ж) обеспечивался либо обыкновенной (О)

волной (82,7 ГГц) на первой гармонике гирочастоты электронов с мощностью 200 кВт, либо необыкновенной (X) волной на второй гармонике гирочастоты электронов (168 ГГц). Квазиоптические тракты для обоих пучков сконструированы таким образом, что сформированные ими гауссовы пучки вводятся в одно сечение вакуумной камеры ЬНО под небольшим углом друг к другу. Эти квазиоптические тракты оказывается удобно использовать в диагностике рассеяния на угол в* к (обратное рассеяние), что позволяет регистрировать рассеяние на коротковолновых флуктуациях плотности плазмы с волновыми векторами /с8 до 34 см'1.

В экспериментах нагрев плазмы осуществлялся обыкновенной волной (82.7 ГГц) на первой гармонике гирочастоты электронов. Это же излучение использовалось в качестве зондирующего турбулентность. Область гирорезонанса была смещена относительно центра магнитных поверхностей, что позволило изучать флуктуации от центра плазменного шнура до крайней магнитной поверхности. Область, из которой принималось рассеянное излучение, располагалась перед областью гирорезонанса для О-волны. Расчетным путем были определены размеры и пространственное положение объемов, из которых принималось рассеянное излучение. Для регистрации рассеянного излучения использовался квазиоптический тракт гиротрона (168 ГГц). Одна из секций коррегированного волновода была заменена на преобразователь волноводной моды, на выходе которого была установлена детекторная головка с аттенюатором. Как и на Л-2М, было использовано прямое детектирование рассеянного сигнала.

Существенным моментом при построении диагностики на Ы~ГО оказалось наличие высокого паразитного фона излучения греющего плазму гиротрона (82.7 ГГц), несмотря на то что пучок сильно ослаблялся при двукратном пересечении области гирорезонанса. Было установлено соответствие спектров паразитного излучения и спектров сигналов специальной диагностики, регистрирующей уровень свободного микроволнового излучения в сечении ввода нагревающего плазму пучка. Данные измерения совместно с измерениями тороидального рас-

пределения рассеянного излучения позволили предложить методику очищения сигнала, рассеянного из плазмы, от паразитного сигнала.

Были построены фурье-

—-О— 79639 1=-0.2716 без пересечения -•--□--■ 796391=0.4216 без пересечения —О— 796401-0.2716 полное пересечение —В— 796401=0.4216 полное пересечение - Системный шум

Частота, МГц

спектры рассеянного коротковолнового излучения. На рис. 4 представлены фурье-спектры рассеянного излучения из центральной области плазменного шнура при ЭЦ-нагреве (момент времени 0,2716 сек) и при ЭЦ-нагреве плазмы вместе с нагрев-ным пучком нейтральных атомов (момент времени 0,4216 сек).

Итогом работы диагностики коротковолновых пульсаций

Рис. 4. Фурье-спектры сигналов рассеянного излучения.

плотности на стеллараторе ЫШ было построение фурье-спектров рассеянного излучения и построение радиального профиля энергии коротковолновой турбулентности в плазменном шнуре. Было выполнено сопоставление спектров рассеянного излучения для стеллараторов Л-2М, Г НО и токамака О-ШО и показано, что характер спектров рассеянного излучения аналогичен для этих тороидальных ловушек.

Заключение

С использованием комплексов ЭЦ-нагрева плазмы на стеллараторах Л-2М, и-Н и ШЭ разработана диагностика турбулентных пульсаций плотности плазмы методом коллективного рассеяния излучения мощности отечественных гиротро-нов миллиметрового диапазона длин волн.

1. В экспериментах по ЭЦ-нагреву плазмы на второй гармонике гирочасто-ты электронов обнаружена низкочастотная модуляция мощности двухэлектрод-

ного гиротрона с диодной пушкой, вызванная рассеянием излучения гиротрона на турбулентных пульсациях плотности плазы.

2. С помощью специального устройства на стеллараторе и-П промоделированы процессы модуляции мощности трехэлектродного гиротрона слабым отражённым сигналом, промодулированным низкой частотой. Обнаружена временная задержка в реакции гиротрона. Показано, что зависимость модуляции мощности гиротрона от фазы и амплитуды отражённой волны объясняется механизмом захвата фазы автогенератора внешним монохроматическим сигналом. Сделано заключение о возможности использования излучения мощных гиротронов в диагностике флуктуаций плотности плазмы.

3. На стеллараторе Л-2М предложено использовать для диагностики турбулентных пульсаций плотности плазмы обыкновенную волну, возникающую при расщеплении на необыкновенную и обыкновенную волну линейно-поляризованного излучения гиротрона, нагревающего плазменный шнур за счет поглощения необыкновенной волны.

4. На стеллараторе Л-2М разработана и использована в экспериментах диагностика длинноволновых флуктуаций (£¡»1 см"1) методом малоуглового рассеяния в варианте измерений фазовых сцинтилляций в пределе ближней волновой зоны процесса дифракции.

5. На стеллараторе Л-2М разработана и использована в экспериментах диагностика коротковолновых флуктуаций плотности (Аг5»20 см'1) методом брэггов-ского рассеяния в области ЭЦ-нагрева плазмы. Установлены высокие коэффициенты корреляции флуктуаций плотности в области ЭЦ-нагрева и в пристеночных областях плазменного шнура, вспышечный характер турбулентных пульсаций и негауссовый закон функции вероятности распределения величин пульсаций.

6. На стеллараторе ЫШ разработана диагностика коротковолновых флуктуаций плотности (£¡,«34 см"1) методом брэгговского рассеяния назад обыкновенной волны, нагревающей плазменный шнур на первой гармонике гирочастоты электронов. В сечении вакуумной камеры, в которой осуществляется ЭЦ-нагрев,

обнаружен высокий фон излучения гиротрона, нагревающего плазму. Предложен

метод устранения влияния паразитного фона на спектр рассеянного излучения.

Установлен общий вид спектров рассеянного излучения на коротковолновых

флуктуациях плотности для экспериментов по ЭЦ-нагреву на стеллараторах JI-

2М, LHD и токамаке D-JIID.

Цитируемая литература

1. Э.Д. Андрюхина, Г.М. Батанов, М.С. Бережецкий и др. Создание и нагрев бестоковой плазмы необыкновенной волной на стеллараторе JI-2 // Физика плазмы. 1988, Т.14. В.З. С. 268-278.

2. Е.В. Суворов, А.А. Фрайман. О специфике измерения оптической толщины плазмы в стеллараторах на второй гармонике гирочастоты. // Физика плазмы. 1980. Т.6. С.1161-1166.

3. А.Г. Литвак, А.М. Сергеев. Высокочастотный нагрев плазмы. Горький: ИПФ АН СССР. 1983. С.324-370.

4. В.Ph. van Milligen, Е. Sánchez, Т. Estrada, С. Hidalgo, В. Brañas, В. Carreras, L. García. Wavelet bicoherence: A new turbulence analysis tool. // Phys. Plasmas 1995,2(8), p.3017-3032.

5. В.Г. Жуковский. Флуктуации плотности плазмы. M.: Энергомашиздат, 1993.

Публикации по теме диссертации.

1. Г.М. Батанов, Л.В. Колик, Ю.В. Новожилова, М.И. Петелин, А.Е. Петров, К.А. Сарксян, Н.Н. Скворцова, Н.К. Харчев. Реакция гиротрона на слабое отражение от плазмы, промодулированное низкочастотными колебаниями // ЖТФ, 2001, Т.71, в.5. с.90-96.

2. Д.К. Акулина, Г.М. Батанов, М.С. Бережецкий, Г.А. Гладков, С.Е. Гребенщи-

ков, И.С. Данилкин, Л.М. Коврижных, Л.В. Колик, А.Б. Кузнецов, Н.Ф. Ларионова, К.М. Ликин, Н.И. Малых, А.И. Мещеряков, А.Е. Петров, К.А. Сарксян, И.С. Сбитников, Н.Н. Скворцова, Д.Ю. Сычугов, О.И. Федянин, Н.К.

Харчев, Ю.В. Хольнов, C.B. Щепетов, Б. Миллиген. Влияние неустойчивых МГД мод на удержание плазмы стелларатора // Письма в ЖЭТФ, 1999, Т.69, в.6, с.407-412.

3. Д.К. Акулина, Г.М. Батанов, М.С. Бережецкий, Г.А. Гладков, С.Е. Гребенщи-

ков, И.С. Данилкин, JI.M. Коврижных, Л.В. Колик, А.Б. Кузнецов, Н.Ф. Ларионова, K.M. Ликин, Н.И. Малых, А.И. Мещеряков, А.Е. Петров, К.А. Сарк-сян, И.С. Сбитников, H.H. Скворцова, О.И. Федянин, Н.К. Харчев, Ю.В. Хольнов, C.B. Щепетов. О влиянии «поперечного» поля на турбулентность и параметры плазменного шнура в стеллараторе Л-2М // Физика плазмы, 2000, Т.26, №1, с.3-11.

4. Д.К. Акулина, Г.М. Батанов, М.С. Бережецкий, Д.Г. Васильков, И.Ф. Вафин,

Г.С. Воронов, Е.В. Воронова, Г.А. Гладков, С.Е. Гребенщиков, А.И. Гришина, A.B. Князев, Л.М. Коврижных, Л.В. Колик, А.Б. Кузнецов, Н.Ф. Ларионова, A.A. Лемунов, В.П. Логвиненко, Н.И. Малых, А.И. Мещеряков, Ю.И. Нечаев, А.Е. Петров, A.A. Пшеничников, В.В. Саенко, К.А. Сарксян, H.H. Скворцова, О.И. Федянин, Н.К. Харчев, Ю.В. Хольнов, C.B. Щепетов. Устойчивость и изменение параметров плазмы в стеллараторе Л-2М при возбуждении индукционного тока в режиме ЭЦР-нагреве // Физика плазмы, 2008. Т.34, №12, с. 1059-1070.

5. Г.М. Батанов, Л.В. Колик, А.Е. Петров, К.А. Сарксян, Н.К. Харчев, Ю.В. Холь-

нов, C.B. Щепетов. Обнаружение когерентности между флуктуациями плотности плазмы, локализованными в центре и на краю плазменного шнура стелларатора Л-2М // Письма в ЖЭТФ, 2000, Т.72, в.4, с.250-255.

6. Г.М. Батанов, Л.В. Колик, А.Е. Петров, А.А Пшеничников, К.А. Сарксян, H.H.

Скворцова, Н.К. Харчев, Ю.В. Хольнов, К. Окубо, Т. Шимозума, И. Иошимо-ра, С. Кубо, И. Санчес, Т. Эстрада, Б.Ф. Миллиген. Исследование флуктуаций в высокотемпературной плазме современных стеллараторов методом микроволнового рассеяния // Физика плазмы, 2003, Т.29, №5, с.395-412.

7. Г.M. Батанов, В.Е. Бенинг, Ю.В. Королев, А.Е. Петров, А.А Пшеничников, К.А. Сарксян, H.H. Скворцова, Н.К. Харчев, Ю.В. Хольнов. Структурная плазменная низкочастотная турбулентность в стеллараторе JT-2M // Письма в ЖЭТФ, 2003, Т.78, в.8, с.974-983.

8. Г.М. Батанов, Л.В. Колик, М.И. Петелин, А.Е. Петров, А.А Пшеничников, К.А.

Сарксян, H.H. Скворцова, Н.К. Харчев. Вторая гармоника гиротрона - новые возможности диагностики плазмы // Физика плазмы, 2003, Т.29, №12, с. 1099—1107.

9. Г.М. Батанов, В.Е. Бенинг, Ю.В. Королев, А.Е. Петров, К.А. Сарксян, H.H. Скворцова, Н.К. Харчев, C.B. Щепетов. Турбулентный процесс в плазме как диффузиозный процесс со случайным временем // Письма в ЖЭТФ, 2001, Т.73,в.3, с. 143-147.

10. H.H. Скворцова, В.Ю. Королев, Т.А. Маравина, Г.М. Батанов, А.А Пшеничников, К.А. Сарксян, Н.К. Харчев, И. Санчес, С. Кубо. Новые возможности математического моделирования турбулентных транспортных процессов в плазме // Физика плазмы, 2005, Т.31, №1, с.64-83.

11. Г.М. Батанов, В.Е. Бенинг, Ю.В. Королев, А.Е. Петров, К.А. Сарксян, H.H. Скворцова, Н.К. Харчев. Об одном подходе к вероятностно-статистическому анализу процессов турбулентного переноса в плазме // Физика плазмы, 2002, Т.28, №2, с. 128-143.

12. Н.К. Харчев, Г.М. Батанов, Л.В. Колик, Ю.Ф. Бондарь, К.А. Сарксян, А. Фернандес, A.B. Толкачев, Ю.В. Новожилова, М.И. Петелин. Реакция гиротрона на малое отражение от нестационарной нагрузки //Прикладная физика, 2009, №6, с. 158-164.

13. N.N. Skvortsova, G.M. Batanov , L.V. Kolik, V.V. Saenko, A.E. Petrov, A.A. Pshenichnikov, K.A. Sarksyan, N.K. Kharchev, K. Ohkubo, T. Shimozuma, H. Idei, Ya. Yoshimura, S.Kubo, J. Sanchez, T. Estrada, D. Van Milliqen. Investigation of Turbulence in High-Temperature Plasma by Microwave Scattering Techniques in Modern Stellarators // J. of Plasma and Fusion Res. SERIES. 2002, V.5, p.328-332.

14. N.K. Kharchev, G.M. Batanov, A.E. Petrov, K.A. Sarksyan, N.N. Skvortsova. Probability and spectral characteristics of plasma fluctuations in a high-temperature reqion of the L-2M stellarator // J. of Mathematical Sciences. 2002, V.lll, №6, p.3846-3850.

15. N. Skvortsova, G. Batanov, A. Petrov, A. Pshenichnikov, K. Sarksian, N. Kharchev, V. Bening, V. Korolev, T. Maravina, F. Nasyrov, J. Sanchez, K. Ohkubo, T. Shimozuma, H. Idei, Y. Yoshimura, S. Kubo. New Possibilities of Mathematical Modeling of Turbulent Transport Processes in Plasma // J. of Plasma and Fusion Res. SERIES. 2004, V.6, p.245-248.

16. N.N. Skvortsova, G.M. Batanov, V.E. Bening, V.Yu. Korolev, A.E. Petrov, K.A. Sarksyan, N.K. Kharchev. A new approach to the probability - statistical analyses of turbulent transport processes in plasma // J. of Mathematical Sciences. 2002, V. 112, №2, p. 4205-4209.

17. N.K. Kharchev, G.M. Batanov, A.E. Petrov, K.A. Sarksyan, N.N. Skvortsova. Probability and spectral characteristics of plasma fluctuations in a high-temperature region of the L-2M stellarator // J. of Mathematical Sciences. 2002, V. 111, №6, p. 3846-3850.

18. N. Kharchev, K. Tanaka, S. Kubo, H. Igami, G. Batanov, A. Petrov, K. Sarksyan, N. Skvortsova, Yo. Azuma and S. Tsuji-Iio Collective backscattering of gyration radiation by small-scale plasma density fluctuations in large helical device //Rev. Sci. Instrum. 79, 10E721 (2008); (4 pages)

19. N.N. Skvortsova, D.R. Akulina, G.M. Batanov, G.S. Voronov, L.V. Kolik, L.M. Kovrizhnykh, A.A. Letunov, P.V. Logvinenko, D.V. Malakhov, A.E. Petrov, A.A. Pshenichnikov, K.A. Sarksyan, N.K. Kharchev. Effect of RCRH regime on characteristics of short-wave turbulence in plasma of the L-2M stellarator // Plasma Phys. Controlled Fusion. 2010. V.52. 055008

Доклады и тезисы конференций

1. G.M. Batanov, N.K. Kharchev, L.V. Kolik, A.E. Petrov, K.A. Sarksyan, N.N. Skvortsova, Yu. V. Novozhilova, M.I. Petelin. Resonant capture of gyrotron oscillations by wave reflection from fluctuating plasma //25th Int. Conf. on Infrared and Millimeter Waves. September 12-15, 2000, Beijing, China.

2. A. Femander, N. Kharchev, A. Pshenichnikov, Yu. Bondar, K. Sarksyan, A. Tol-

kachov, M. Petelin. Resonant capture of gyrotron oscillations by wave reflection gyrotron radiation affected by a controlled modulated reflector: High-power experiment // Int. J. of Infrared and Millimeter Waves. 2007, V.28. №9. p. 705-711.

3. L. Kolik, G. Batanov, N. Kharchev, A. Pshenichnikov, K. Sarksyan, M. Petelin, Yu.

Novozhilova, A. Fernander, R. Martin. Modulation of Microwave by Influence of Weak Reflected Power //13th Workshop on ECE and ECRH. Nizhny Novgorod (Russia), May 17-20, 2004.

4. A. Fernander, N. Kharchev, A. Pshenichnikov, L. Kolik, G. Batanov, A. Pshenich-

nikov, Yu. Bondar, A. Tolkachov, M. Petelin . Gyrotron radiation affected by modulated reflector: High-power experiment //31st Int. Conf. on Infrared and Millimeter Waves. Shanghai (China), September 18-22, 2006.

5. N.N. Skvortsova, V.V. Saenko, V.Yu. Korolev, G.M. Batanov, D.V. Malakhov, A.A. Pshenichnikov, A.E. Petrov, K.A. Sarksyan, N.K. Kharchev. Frequency spectra and statistical characteristics of plasma density fluctuations measured by Dop-pler reflectometry in ECR heated plasma in the presence of induction current in the L-2M stellarator. // 17th International Toki Conference on Physics of Flows and Turbulence in Plasmas, Toki, Japan, October 15-19, 2007, NIFS-PROC-69, P2-048.

Подписано в печать 16 сентября 20 И г.

Формат 60x90/16

Объём 1,25 п.л.

Тираж 100 экз.

Заказ № 190911386

Оттиражировано на ризографе в ООО «УниверПринт»

ИНН/КПП 7728572912У772801001

Адрес: г. Москва, улица Ивана Бабушкина, д. 19/1.

Тел. 740-76-47,989-15-83.

Ьир://№чу\\г.ипгеегргш1.п1

Введение: актуальность, постановка задачи, защищаемые положения, научная новизна, практическая значимость, апробация работы.

Глава 1. Реакция излучения гиротрона, вызванная рассеянием 11 излучения на пульсациях плотности плазмы при электронно-циклотронном (ЭЦ) нагреве плазмы.

1.1 Квазиоптическая система регистрации мощности 11 излучения гиротрона и отражённого излучения.

1.2 Экспериментальное наблюдение модуляции 13 излучения гиротрона при ЭЦ нагреве на стеллараторе Л2-М

1.3 Моделирование влияния амплитудной и фазовой 20 модуляции отраженного излучения на низкочастотный спектр излучения гиротрона на стеллараторе 17-11.

1.4 Выводы к главе 1.

Глава 2. Диагностика длинноволновых пульсаций плотности 31 плазмы на стеллараторе Л2-М методом малоуглового рассеяния.

2.1 Описание методики и схемы измерений

2.2 Экспериментальные результаты. Построение Фурье 34 и вэйвлет спектров.

2.3 Примеры регистрации сигналов малоуглового 38 рассеяния и их спектров при изменении условий ЭЦ нагрева и удержания плазмы в стеллараторе Л-2М

2.4 Выводы к главе 2.

Глава 3 Диагностика коротковолновых пульсаций плотности 45 на стеллараторе Л2-М методом «брэгговского» рассеяния.

3.1 Описание схемы измерений и условий эксперимента.

3.2 Результаты измерений рассеянного излучения для 48 различных условий ЭЦ нагрева плазмы.

3.3 Выводы к главе 3.

Глава 4. Диагностика коротковолновых пульсаций плотности 55 на стеллараторе ЫГО методом «брэгговского» рассеяния.

4.1 Описание схемы измерений и условий эксперимента

4.2 Результаты измерений.

4.3 Выводы к главе 4.

Проблемы аномального транспорта в тороидальных ловушках с высокотемпературной плазмой в последние годы приобретают все большую актуальность. Большой интерес в этой связи представляют вопросы взаимосвязи процессов переноса с характеристиками турбулентных пульсаций плотности, электрических и магнитных полей, а также вопросы природы турбулентных пульсаций в режимах улучшенного удержания и в режимах с предельными значениями давления) плазмы[1]. В связи с этим вопросам диагностики турбулентности, особенно коротковолновых колебаний, уделяется все большее внимание.

Между тем- использование в современных токамаках и стеллараторах мощных источников микроволнового излучения для нагрева плазмы создает серьезные трудности при работе диагностической аппаратуры, вызванные интенсивными электромагнитными наводками. Одновременно возникает соблазн использовать излучение, предназначенное для нагрева плазмы, и в целях диагностики турбулентности. Особенно интересно применить в целях диагностики излучение- миллиметрового диапазона длин волн мощных гиротронов [2-3], используемых для электронно-циклотронного нагрева (ЭЦН)1 плазмы [5-7], т.к. в этом случае, как правило, используются сфокусированные гауссовские пучки излучения.

Впервые регистрация спектров рассеянного излучения при ЭЦ-нагреве плазмы. необыкновенной волной на первой гармонике гирочастоты электронов была осуществлена в работе [8-10]. При этом регистрировалось рассеянное излучение, возникающее при многократном отражении греющей волны от стенок вакуумной камеры. В настоящей работе представлена разработка диагностики турбулентных пульсаций плотности при приеме рассеянного излучения непосредственно из области распространения нагревающего плазму сфокусированного пучка гиротрона при его первом проходе поперечного сечения плазменного шнура.

При использовании для диагностики мощного гиротрона, нагревающего плазменный шнур, возникает ряд специфических особенностей при проведении экспериментов. Обычно при ЭЦ нагреве плазмы в тороидальных системах используется либо нагрев с помощью обыкновенной волны на первой гармонике гирочастоты, либо с помощью необыкновенной волны на второй гармонике гирочастоты. И, как правило, используется линейно поляризованное излучение. Поскольку для стеллараторов характерно существование радиальной компоненты магнитного поля на граничной поверхности, то это приводит к расщеплению линейно поляризованной волны на обыкновенную и необыкновенную с эллиптической поляризацией [11]. В случае ЭЦ нагрева на первой гармонике гирочастоты это означает возникновение необыкновенной' волны, которая может проникать в слой плотной плазмы только со стороны сильного поля, тогда как со стороны слабого поля необыкновенная волна испытывает отсечку, как правило, на периферии плазменного шнура. При ЭЦ- нагреве на второй гармонике гирочастоты электронов образование обыкновенной волны ведет к возникновению двух рассеянных волн различной поляризации.

Второй особенностью использования излучения, нагревающего плазму в области ЭЦ резонанса, является сильное ослабление (более чем на порядок величины) греющей волны после прохождения области ЭЦ резонанса. Таким образом, в отличии от обычных способов диагностики рассеянного излучения, в которых поглощением зондирующей волны можно пренебречь, в нашем случае необходим прием рассеянного излучения из области распространения пучка в плазменном шнуре до области ЭЦ резонанса.

В стеллараторе Л-2М ЭЦ нагрев осуществляется необыкновенной волной на второй гармонике гирочастоты (75,3 ГГц). Это позволило нам для диагностики флуктуаций плотности использовать обыкновенную волну, возникающую при расщеплении линейно поляризованного излучения гиротрона. Использование обыкновенной волны позволяет пренебречь поглощением из-за малости коэффициента поглощения в окрестностях резонанса частоты излучения со второй гармоникой гирочастоты электронов. Для изучения длинноволновых колебаний (к/«Г см"1) нами был использован метод малоуглового рассеяния [12,13], а для изучения, коротковолновых флуктуаций см?1) метод коллективного рассеяния на.угол ~7г/2 [14,15].

В стеллараторе ЬЬГО ЭЦ! нагрев осуществлялся обыкновенной, волной на первой гармонике гирочастоты электронов (82,7 I I ц) [16]. Возникающая при; рассеянии линейно поляризованного? излучения; гиротрона необыкновенная; волна испытывала отсечку во внешних слоях плазмы,, и поэтому в. качестве рассеиваемой волны была использована обыкновенная волна; нагревающая плазму в ЭЦ-резонансе. '

Одним из первых вопросов, возникающих пршиспользовании высоких мощностей излучения; является; вопрос: о нелинейных эффектах в поле интенсивной волны. Один, из первых анализов; (см. обзор [17]) показал, что нелинейные эффекты несущественны при мощностях менее 10 МВт.

Более существенным'' является вопрос о влиянии отраженного» или рассеянного излучения; на режим работы гиротрона; Этот?, вопрос до наших исследований не был изучен. В диагностических схемах с маломощными источниками? для: защиты? генераторов? от отраженного излучения используются ферритовые. циркуляторы или вентили. Такие устройства отсутствуют для пучков в сотни кВт в миллиметровом,диапазоне длин волн. Поэтому одной из первых задач данной работы было; изучение влияния) отраженного или рассеянного излучения при ЭЦ нагреве на спектр излучения гиротрона.

Результатом наших исследований было обнаружение эффектов низкочастотной модуляции излучения гиротрона в области частот 1-^-1 ОО-кИц из-за воздействия слабого рассеянного назад из, плазмы, излучения^ возникающего В; процессе ЭЦ нагрева. Было показано^ что величина; модуляции излучения гиротрона' составляет не более 5% и ею можно пренебречь при*изучении спектров рассеянного излучения [18,19].

Другим важным вопросом является вопрос о влиянии на регистрацию рассеянного излучения гиротрона, многократно отраженного от стенок вакуумной камеры стелларатора или токамака. Эта проблема аналогична проблеме в диагностике томсоновского рассеяния избавления от излучения лазера; рассеянного на элементах оптики и вакуумной камеры. В нашем случае она облегчается тем, что излучение гиротрона, многократно отраженное от стенок камеры, поглощается при каждом проходе через область ЭЦ резонанса и ослабляется примерно на 2 порядка. Исключение составляют пучки, падающие на стенку камеры под углами, существенно отличающимися от 7г/2. Решение этой задачи было найдено с помощью сильной коллимации регистрируемых пучков с помощью коллиматоров с поглотителем.

Аналогичной предыдущей проблеме является проблема экранировки измерительного тракта и измерительной аппаратуры от помех (наводок), создаваемых излучением гиротрона, рассеянного на элементах конструкции квазиоптического тракта и вакуумной камеры иг существующего как фоновый сигнал'в,рабочем помещении^ Сложность этой,проблемы в том, что частота помех и частота полезного регистрируемого сигнала одна и та же: Эта проблема была решена, как и предыдущая, с помощью поглощающих коллиматоров и поглощающих экранов на элементах конструкции регистрирующей аппаратуры.

Существенным вопросом диагностики является выборг аппаратуры, регистрирующей рассеянное излучение. В миллиметровом диапазоне волн обычной^ техникой, используемой для регистрации излучения, является одномодовый прямоугольный волновод, соединенный с диодом Шоттки. В описываемых ниже конструкциях мы избегали каких либо неоднородностей в регистрирующих волноводах в виде диэлектрических поглотителей или фазосдвигающих элементов, поскольку такие конструкции чреваты пробоями при мощности в волноводе в десятки Вт. Рабочая точка детектора выбиралась в линейной части характеристики при регистрируемой мощности около 100 мВт. Ослабление сигнала достигалось с помощью металлической диафрагмы на входе детектора. Такой выбор рабочей точки детектора обеспечивал достаточный динамический диапазон регистрируемых сигналов при не слишком высоких требованиях к уровню шумов регистрирующей аппаратуры. При этом при таких уровнях сигнала удается обеспечить широкую полосу видеочастот измерений (вплоть до 5 МГц).

Современный физический эксперимент невозможен без компьютерной регистрации и обработки данных эксперимента. При изучении турбулентности стандартной характеристикой является определение спектра низкочастотных флуктуаций плотности. Особенностью турбулентных пульсаций при ЭЦ нагреве является появление широких шумовых спектров со слабо выраженными широкими спектральными полосами. Это потребовало провести адаптацию некоторых уникальных программ [20,21] обработки спектров к условиям разработанной нами диагностики.

Таким образом, комплекс основных задач данной работы может быть сформулирован следующим образом:

• исследование реакции излучения гиротронов на слабое отраженное или рассеянное излучение при.ЭЦ нагреве плазмы, промодулированное на низких частотах (частотах турбулентных пульсаций плотности плазмы);

• разработка диагностики длинноволновых см"1) пульсаций плотности методом малоуглового рассеяния обыкновенной волны, возникающей при расщеплении излучения гиротрона при ЭЦ нагреве плазмы в стеллараторе Л-2М на второй гармонике гирочастоты электронов;

• разработка диагностики коротковолновых пульсаций плотности (/с/~20 см"1) методом коллективного рассеяния (на угол ~7г/2) обыкновенной волны, возникающей при расщеплении излучения гиротрона при ЭЦ нагреве плазмы в стеллараторе Л-2М на второй гармонике гирочастоты электронов;

• разработка диагностики коротковолновых пульсаций (к/ «35 см"1) методом коллективного рассеяния (на угол обыкновенной волны, используемой для ЭЦ нагрева плазмы в стеллараторе ШГО на первой гармонике гирочастоты электронов;

• адаптация программ численного счета Фурье спектров и вейвлет анализа к условиям диагностических комплексов стеллараторов Л-2М и ГНЩ

Основные положения, выносимые на защиту

1. На стеллараторе Л-2М: обнаружена низкочастотная модуляция излучения гиротрона 75,3 ГГц, вызванная рассеянием излучения на турбулентных пульсациях при ЭЦ-нагреве плазмы на второй гармонике гирочастоты электронов.

2. Метод малоуглового рассеяния обыкновенной волны, возникающей при расщеплении излучения гиротрона при ЭЦ-нагреве на второй гармонике гирочастоты электронов, позволяет изучать, на; стеллараторе Л-2М усредненные 'по диаметру плазменного шнура спектральные характеристики длинноволновых см"1) турбулентных пульсаций плотности.

3. Метод коллективного рассеяния обыкновенной волны, возникающей при расщеплении излучения гиротрона при ЭЦ-нагреве на второй гармонике гирочастоты электронов, позволяет на стеллараторе Л-2М избить спектральные характеристики коротковолновых 20 см"1) турбулентных пульсаций во внутренних областях плазменного шнура.

4. Метод коллективного рассеяния обыкновенной волны (частота 82,7 ГГц), используемой в стеллараторе ЬГГО для ЭЦ-нагрева плазмы, позволяет изучить спектральные характеристики и радиальное распределение энергии коротковолновых (^1«35 см"1) пульсаций плотности.

Научная новизна

Обнаружен эффект модуляции излучения гиротрона, вызванный рассеянием излучения на пульсациях плотности при ЭЦ-нагреве плазмы. Показано отличие низкочастотного спектра излучения гиротрона от низкочастотных спектров длинноволновых и коротковолновых пульсаций плотности плазмы. Разработаны и реализованы методы использования излучения мощных гиротронов, применяемых на стеллараторах для ЭЦ-нагрева плазмы, для диагностики длинноволновых (к± < 1 см"1) и коротковолновых (^«20-40 см"1) турбулентных пульсаций плотности.

Теоретическое и практическое значение результатов работы

Результаты настоящей работы могут быть использованы при проектировании средств диагностики пульсаций плотности в магнитных ловушках с ЭЦ-нагревом плазмы, а также для низкочастотной модуляции излучения мощных гиротронов и.управления их спектром.

Апробация работы»

Результаты исследований, изложенных в диссертации, были доложены и обсуждены на VII Украинской международной конференции по физики плазмы и УТС (Алушта, 2000 г.), на 12, 13, 15, 20 международных Токи конференциях по физики плазмы и УТС (Токи, 2001, 2003, 2007, 2010 гг.), XXI Международном семинаре по проблемам стабильности в стохастических моделях (Эгер, 2001 г.), 30 Европейской конференции МАГАТЭ по термоядерной плазме (Велимура, 2004 г.), XXIV-XXXVIII Звенигородских конференциях по физике плазмы и УТС (Звенигород, 1997—2011 гг.) ,21 и 22 Международных конференциях MATATE по физике плазмы и УТС (Пекин, 2006 г., Женева, 2008 г.), 25 и 31 Международных конференциях по инфракрасным и миллиметровым волнам (Пекин, 2000 г. и Шанхай, 2006 г.)

4.3 Выводы к главе 4.

На стеллараторе ЬЬЮ предложена и реализована методика коллективного рассеяния излучения гиротрона (82,7ГГц) на коротковолновых флуктуациях плотности плазмы (£5~34 см"1) при ЭЦ нагреве на первой гармонике гирочастоты электронов.

Для регистрации сигнала обратного рассеяния(6^л;) использован квазиоптический тракт гиротрона на 168ГГц.

Рассчитаны объёмы областей рассеяния при смещении диаграммы направленности приёмной антенны в тороидальном и радиальном направлениях. Обнаружен высокий уровень паразитного излучения от зондирующего пучка, несмотря на поглощение зондирующего, пучка в зоне ЭЦ резонанса при двукратном пересечении пучком резонансной зоны.

Установлено, соответствие спектров сигналов паразитного излучения и сигналов сниффер-диагностики, регистрирующей уровень помех от зондирующего пучка вблизи зоны ЭЦ нагрева. Предложена процедура очищения полезного сигнала от сигнала помех.

Установлено соответствие рассчитанного тороидального распределения объёма области рассеяния измеренному распределению рассеянного сигнала.

Построены Фурье и вейвлет спектры рассеянного коротковолнового излучения и установлен общий вид спектров рассеянного излучения для установок ЬРЮ, Л-2М и ВШ-В.

Заключение.

С использованием комплексов ЭЦ-нагрева плазмы на стеллараторах Л-2М, Т1-П и ИГО разработана диагностика турбулентных пульсаций плотности плазмы методом; коллективного рассеяния излучения мощности; отечественных гиротронов миллиметрового диапазона длин; волн.

1. В экспериментах по ЭЦ-нагреву плазмы; на второй* гармонике гирочастоты; электронов; обнаружена низкочастотная модуляция; мощности двухэлектродного гиротрона с диодной; пушкой; вызванная; рассеянием излучения гиротрона на турбулентных пульсациях плотности плазы.

2. С помощью^ специального устройства на квазиоптической, линии; передачи; СВЧ мощности стёлларатора и-П промоделированы, процессы модуляции' мощности: трехэлектродного гиротрона слабым отражённым сигналом;, промодулированным низкой частотой: Обнаружена временная задержка в реакции гиротрона. Показано, что зависимость модуляции мощности1 гиротрона от фазы и. амплитуды? отражённой волны объясняется« механизмом захвата; фазы автогенератора внешним- монохроматическим сигналом: Сделано заключение о возможности использования; излучения; .мощных гиротронов в диагностике флуктуаций плотности плазмы.

31 На стеллараторе Л-2М- предложено: использовать для? диагностики турбулентных пульсаций плотности плазмы обыкновенную волну, возникающую при расщеплении на необыкновенную и обыкновенную: волну линейно-поляризованного излучения гиротрона, нагревающего плазменный шнур за счет поглощения необыкновенной волны.

4. На стеллараторе Л-2М разработана и использована в экспериментах диагностика длинноволновых флуктуаций см"1) методом малоуглового рассеяния в варианте измерений фазовых сцинтилляций в пределе ближней волновой зоны процесса дифракции.

5. На стеллараторе Л-2М разработана и использована в экспериментах диагностика коротковолновых флуктуации: плотности 20 см"1) методом брэгговского рассеяния в области ЭЦ-нагрева плазмы. Установлены высокие коэффициенты корреляции флуктуаций плотности в области ЭЦ-нагрева и в пристеночных областях плазменного шнура, вспышечный характер турбулентных пульсаций и негауссовый закон функции вероятности распределения величин пульсаций.

6. На стеллараторе ЬЬГО разработана диагностика коротковолновых флуктуаций плотности (А:5«34 см"1) методом брэгговского рассеяния назад обыкновенной волны, нагревающей плазменный шнур на первой гармонике гирочастоты электронов. В сечении вакуумной камеры, в которой осуществляется ЭЦ-нагрев, обнаружен высокий фон излучения гиротрона, нагревающего плазму. Предложен метод устранения влияния паразитного фона на спектр рассеянного излучения. Установлен общий вид спектров рассеянного излучения на коротковолновых флуктуациях плотности для экспериментов по ЭЦ-нагреву на стеллараторах Л-2М, ЫГО и токамаке В-ПЮ.

1. Гиротрон Гапонов А. В., Петелин М. И., Юлпатов В. К., Индуцированное излучение возбужденных классических осцилляторов и его использование в высокочастотной электронике // "Изв. ВУЗов. Радиофизика", 1967, т. 10, № 9/10, с. 1414.

2. Гапонов-Грехов А. В., Петелин М. И., Мазеры на циклотронном резонансе, в кн.: Наука и человечество, М., 1980, с. 283

3. Д.И. Трубецков, А.Е. Храмов. Лекции по СВЧ электронике для физиков. М. ФИЗМАЛИТ. 2003. Т.2.

4. В.В. Аликаев, A.F. Литвак, Е.В. Суворов, A.A. Фрайман. Электронно-циклотронный нагрев плазмы в тороидальных системах. В сборнике «Высокочастотный нагрев плазмы». ИПФ РАН. 1983. С. 6-70.

5. В.Е. Голант, В.И. Федоров. Высокочастотные методы нагрева плазмы в тороидальных термоядерных установках. Энергоатомиздат. М. 1986.

6. A.B. Тимофеев. Резонансные явления в колебаниях плазмы. 2-е изд. М.: ФИЗМАТЛИТ. 2009.

7. E.B. Суворов^ A.A. Фрайман. О' специфике измерения оптической толщины в плазме' в- стеллараторах на второй гармонике гирочастоты. // Физика Плазмы. 1980. 6(5). С. 1161 1166.

8. Литвак А.Г., Сергеев A.M. Высокочастотный нагрев плазмы // Горький: ИПФ АН СССР. 1983. С.324-370.

9. Г.М. Батанов, Л.В. Колик, Ю.В. Новожилова, М.И. Петелин, А.Е. Петров, К.А. Сарксян, Н.Н. Скворцова, Н.К. Харчев. Реакция гиротрона на слабое отражение от плазмы, промодулированное низкочастотными колебаниями. //ЖТФ 2001. Т.71. В.5. С.90-96.

10. Н.К. Харчев, Г.М: Батанов, Л.В. Колик, Ю.Ф: Бондарь, К.А. Сарксян, А. Фернандес, А.В. Толкачев, Ю.В: Новожилова, М.И. Петелин Реакция гиротрона на малое отражение от нестационарной нагрузки // Прикладная Физика №6 2009г. сс158-164

11. В. Ph. van Milligen, Е. Sanchez, Т. Estrada, С. Hidalgo, В. Branas, В. Carreras, L. Garsia. Wavelet bicoherence: A new turbulence analysis tools // Phys. Plasmas. 1995. 2(8). P: 3017-3031.

12. B.Ph. van Milligen. Wavelets, non-linearity and turbulence in fusion plasmas. In Wavelets in Physics. Ed. by J.C. van der Berg. Cambridge University press. 1999. P. 227-262.r

13. A. Fernández, К. Likin, G. Batanov, L. Kolik, A.Petrov, K. Sarksyan, N. Kharchev, W. Kasparek, R.Martin Quasi-optical transmission lines at CIEMAT and at GPI // Quasi-Optical Control of Intense Microwave

14. Transmission NATO Science Series II: Mathematics, Physics and Chemistry, 2005, Volume 203. P.l 15-129.

15. Жуковский В.Г. Флуктуации плотности плазмы. М. Энергомашиздат. 1993.

16. Ж. Макс. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях. Т.1,2. М.: Мир. 1983 .

17. Эммануил Айфичер, Барри Джервис. Цифровая обработка сигналов. Практический подход. Из-во. Вильяме. Москва. 2004.

18. Ланди П.С., Розенблюм М.Г. Стохастические колебания в генераторе дополнительной обратной связью // Радиотехника и электроника 1986. Т.31. №4. С.730-733.

19. Yn.V. Novozhilova, M.I. Petelin, A.S. Sergeev. Parametric Instability of Autooscillator Connected with Remote Load. Abstracts of VII Int. Workshop «Strong Microwaves: Sonrces and Applications». // Nizhny Novgorod 2008 P.54.

20. Л'.Д. Ландау, E.M'. Лившиц. Электродинамика сплошных сред. // Физматлит 2003. 656с.

21. Н.Ф. Ковалев, Ю.В. Новожилов, М.И. Петелин. Диффузионная связь бочкообразного резонатора с соосным- волноводом.// Изв. Вузов. Радиофизика. 2007. Т.10-11, С.884-885.

22. Рабинович М.И., Трубецков Д.И. Введение в теорию колебаний и волн. М., Наука, 1984.

23. Ланди П.С. Автоколебания в системах с конечным числом степеней свободы. М., Наука. 1980.

24. Yn V. Novozhilova, A. Fernandez, R. Martin, M.I. Petelin. Gyrotron phase locked by resonant load: theory. // Proc. Of the Int. Workshop «Strong Microwaves in plasmas» Nizhny Novgorod, 2006. V.l, P. 173-178.

25. Пиковский А., Розенблюм M., Курте Ю. Синхронизация. Фундаментальные нелинейные явления. М., Техносфера. 2003.

26. С. Alejaldre, J. Alonco, I. Almoguera, E Ascasibar, A Baciero, R Balbin, M Blaumoser, J Botija, В Branas, E de la Cal, A Cappa, R Carrasco, F Castejon, J R

27. G.M. Batanov, N.K. Kharchev, L.V. Kolik, A.E. Petrov, K.A. Sarksyan, N.N.

28. Skvortsova, Yn V. Novozhilova, M.I: Petelin. Resonant Capture of Gyrotront

29. Oscillations by Wave Revlection from Fluctuating Plasma. // 25-th Int. Conf. on Infrared and Millimeter Waves. September 12-15, 2000; Beijing, China.

30. L. Kolik, G. Batanov, N. Kharchev, A. Pshenichnikov, K. Sarksyan, M.

31. Petelin, Yn Novozhilova, A. Fernander, R. Martin Modulation ofth

32. Microwave by Infiience of Weak Reflectel Power. // 13 Workshop on ECE andECRH. Nizhny Novgorod (Russia) 17-20 May 2004.

33. Сахаров A.C., Терещенко М.А. Кинетическое моделирование ЭЦ-нагрева плазмы и генерации тока в стеллараторе Л-2 //Физика Плазмы 2002. Т.28. №7. С.584.

34. Батанов Г.М., Колик JI.B., Ликин K.M., Петров А.Е., Сапожников А.В, Саксян К.А. Шац М.Г. Поглощение СВЧ волн при ЭЦР нагреве плазмы в стеллараторе Л-2 // Физика Плазмы 1992. Т. 18. В.1. С.64.

35. Смолякова О.Б., Суворов Е.В., Фрайман A.A., Хольнов Ю.В. О зондировании» плазмы линейно-поляризованным излучением в близи второй циклотронной гармоники в стеллараторе Л-2 // Физика Плазмы 1983.Т.9. №6. С.1194.

36. A.A. Харкевич; Спектры и анализ. М. Издательство технико-теоретической литературы. 1962

37. С.П. Марпл-мл. Цифровой спектральный анализ и его приложения. М.: Мир, 1990.

38. W.H. Press, В.Р. Flannery, S.A. Teukolsky, W.T. Vettering Numerical Recipes in Pascal. The Art of ScientificComputing. Cambridge, 1989.

39. Добеши.* Десять лекций по вейвлетам. Москва-Ижевск. R&C Dynamics. 2001.

40. Н.М. Астафьева. Вейвлет-анализ: основы теории и примеры применения. //УФН. 16601) С. 1145-1170.

41. Дж. Шеффилд . Рассеяние электромагнитного излучения- в» плазме. // Москва. Атомиздат. 1978. 279стр.

42. К А. Сарксян, А.Е. Петров. Технология микроволнового рассеяния? и методы определения параметров осцилляционных процессов в плазме // http://www.plasmaiofan.ru/edu/lec4.htm.