Экспериментальное исследование коллективного рассеяния мощного миллиметрового излучения в термоядерной плазме тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

£ / о Я о1 — /у

российская академия наук

институт прикладной физики

На правах рукописи

Лубяко Лев Валентинович

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КОЛЛЕКТИВНОГО РАССЕЯНИЯ МОЩНОГО МИЛЛИМЕТРОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ТЕРМОЯДЕРНОЙ ПЛАЗМЕ

Специальность 01.04.03 - радиофизика, 01.04.08 - физика и химия плазмы

диссертация

на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Научный руководитель

доктор физ.-мат. наук

Суворов Е В.

Н.Новгород 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Основные проблемы постановки эксперимента по коллективному

рассеянию................................................................................................................5

Спектральные характеристики сигналов при коллективном

рассеянии.............................................................................................................. 10

1

ГЛАВА1. СИСТЕМА РЕГИСТРАЦИИ СПЕКТРОВ КОЛЛЕКТИВНОГО РАССЕЯНИЯ

1.1 .Требования к приемной системе......................................................18

»

1.2. Блок-схема и особенности конструкции системы регистрации спектров,.. 23

1.3. Система защиты.....................................................................,... .29

1.4. Анализаторы спектра промежуточной частоты.....................................32

1.5.Методика измерения спектров коллективного рассеяния........................38

ГЛАВА 2. ХАРАКТЕРИСТИКИ ГИРОТРОНА КАК ИСТОЧНИКА ЗОНДИРУ-

ЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИ КОЛЛЕКТИВНОМ РАССЕЯНИИ

1 2.1. Исследование шумов гиротронов.........................................................42

2.1.1. Шумы гиротрона с импульсным магнитным полем............................43

2.1.2.Лабораторные измерения шумов гиротрона, предназначенного для ЭЦР нагрева плазмы...........................................................................44

2.1.3. Шумы гиротронов, использовавшихся в экспериментах по

коллективному рассеянию.....................................................47

2.2. Стабильность частоты гиротрона............................................................52

х-

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО КОЛЛЕКТИВНОМУ РАССЕЯНИЮ НА СТЕЛЛАРАТОРЕ \V7-AS

, 3.1 Геометрии коллективного рассеяния на \V7-AS.........................................59

3.2. Процедура измерения.................................................................................65

3.3. Экспериментальные результаты................................................................67

3.3.1. Спектры коллективного рассеяния на равновесных тепловых флуктуациях при обратном рассеянии.................................................70

3.3.2. Спектры коллективного рассеяния на равновесных тепловых

I

флуктуациях плотности из локализованного объема плазмы................75

.ъ

3.3.3. Рассеяние на нижнегибридной турбулентности..............................80

1

3.3.4. "Аномальные" спектры коллективного рассеяния............................89

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................................95

ЛИТЕРАТУРА...............................................................................................................97

J

ВВЕДЕНИЕ

Коллективное рассеяние электромагнитного излучения в плазме представляет значительный интерес для исследования плазмы в установках управляемого термоядерного синтеза (УТС). Оно позволяет получить информацию о пространственно-временных спектрах флуктуаций электронной плотности с характерным масштабом, превышающим дебаевский радиус. Наибольший интерес с этой точки зрения представляют так называемые квазиравновесные флуктуации электронной плотности, то есть флуктуации, которые возникают не в результате развития каких-нибудь микронеустойчивостей, а являются следствием микроне-однородностей в распределении заряженных частиц макроскопически однородной плазмы. В частности, коллективное рассеяние на электронной «дебаевской» шубе, экранирующей каждый из ионов плазмы, обеспечивает принципиальную возможность исследования ионной функции распределения.

1 Поскольку квазиравновесные флуктуации плотности чрезвычайно малы, для их ис- . следования требуются мощные источники зондирующего излучения и высокочувствительная регистрирующая аппаратура. Первые успешные эксперименты по регистрации спектров коллективного рассеяния, позволившие определить ионную температуру, были выполнены с использованием БгО лазера в качестве источника зондирующего излучения на длине волны 385 мкм [2-5,18, 20]. Успех был достигнут благодаря использованию источника излучения с рекордными параметрами (мощность 400 кВт при длительности импульса 1,4 мкс) и уникальной регистрирующей аппаратуры. Вместе с тем, в литературе давно обращалось

I

внимание (см. напр. [6-8, 11-14) на то, что современные мощные гиротроны миллиметрового диапазона волн, разработанные для ЭЦ нагрева плазмы, представляются весьма перспек-тибными для использования в экспериментах по коллективному рассеянию. Их главным преимуществом является, наряду с высокой мощностью излучения, большая длительность импульса, что позволяет существенно повысить потенциал системы за счет большого вре-

меци накопления сигнала. Поэтому, если использование системы коллективного рассеяния, основанной на использовании БгО лазера, возможно лишь для исследования тепловых ионов, то потенциал системы, использующей гиротроны, позволяет оптимистично смотреть на возможность диагностики энергичных ионных «хвостов» и даже а - частиц в условиях горения Э-Т реакции [17].

Представляемая работа посвящена экспериментальному исследованию коллективного рассеяния мощного электромагнитного излучения гиротронов коротковолновой части

I

миллиметрового диапазона в плазме установок управляемого термоядерного синтеза (УТС). Эксперименты проводились на стеллараторе \V7-AS (Германия). В качестве приоритетной задачи рассматривалась возможность исследования тепловой части ионной функции распределения и демонстрация возможности определения температуры ионов плазмы по спектрам коллективного рассеяния. По существу, целью работы, являющейся одним из первых опытов применения гиротронов в диагностике по коллективному рассеянию, являлись проверка и демонстрация возможности реализации ожидаемых преимуществ, связанных с использованием этих приборов.

Основные проблемы постановки эксперимента по коллективному рассеянию Основой диагностик по коллективному рассеянию является связь углового и частотного спектров рассеянного излучения с пространственно-временным спектром флуктуаций плотности электронов. Критерием того, что эффект коллективного рассеяния преобладает над рассеянием на независимых электронах, является выполнение неравенства (См. напр.[1]):

а=(кЬ0Х1>1 (1)

где а - так называемый параметр Солпитера, к - волновое число флуктуации электронной плотности, а Ьо - электронный дебаевский радиус. При коллективном рассеянии частоты и

волновые вектора падающей (со¡Д.) и рассеянной (сов,к5) волн связаны условиями синхронизма с частотой и волновым вектором флуктуаций:

со = со., -со, к = к3- к1 (2).

Если частота зондирующего излучения значительно превышает характерные частоты флуктуаций (со« со$; со, ), то к = 2 /к, /9/2, и неравенство (1) можно записать в виде:

(2к, ¿о)х 67/? 9/2 <1 (3),

где 9- - угол рассеяния. Соотношение (3) при фиксированных параметрах плазмы и выбранной частоте зондирующего излучения ограничивает интервал углов, в котором преобладает

I

коллективное рассеяние. В частности, при параметрах плазмы, представляющих интерес для УТС, в миллиметровом диапазоне волн это условие выполняется практически при любых углах рассеяния, что позволяет выбором геометрии рассеяния добиться локальности измерений. Заметим в качестве примера, что в первых экспериментах с использованием СО2 лазера, работающего на длине волны 10 мкм [2], коллективность рассеяния преобладала лишь при углах рассеяния менее 1,5 градусов, то есть практически в направлении зондирования, что создавало определенные трудности при постановке эксперимента.

. Спектральную плотность мощности излучения, рассеянного в телесный угол О, в

направлении к5 (рис. 1) можно записать, как [1]:

Р^а^Ьо, =Р1г,2{т!2ж)пе\*х{5хЁ^З§,со) (4)

где Р, - мощность зондирующего излучения; г0 -классический радиус электрона; Ь - длина рассеивающего объёма в направлении зондирования; пе - средняя плотность электронов в

плазме; ?х(?х£0] - поляризационный множитель (? = к!1 /к5)\ 8(к,со)-спектральная

плотность флуктуаций электронной концентрации. Выражение (4) получено с некоторыми упрощающими предположениями. Предполагается, что падающее излучение монохроматическое и сформировано в виде коллимированного пучка, а рассеянное излучение принима-

Рассеянное

Каданищ шлучени

Рис. 1 Геометрия рассеяния

етсз в виде аналогичного пучка антенной, расположенной на значительном удалении, таком, что расстояние до неё больше характерных размеров рассеивающего объёма. Частота зондирующего излучения полагается много больше плазменной и рефракция несущественна. Поглощение излучения в плазме также не учитывается.

Величина рассеянного сигнала определяется электронным сечением рассеяния, электронной плотностью, геометрией рассеяния и, естественно, спектром флуктуаций электронной плотности. При характерных размерах пучка около 4 см, для угла П порядка 0 01 и

I

электронной плотности 5х1019 м"3 в случае коллективного рассеяния на «ионной компонен-. >

те» (см. сноску на стр.11) тепловых флуктуаций электронной плотности при Те « Т,- «1 кэВ коэффициент рассеяния составляет порядка 10'14. Именно с малой величиной коэффициента рассеяния на равновесных тепловых флуктуациях электронной плотности в значительной степени связаны основные проблемы в измерениях ионной температуры методом коллективного рассеяния.

Поэтому для измерения спектров коллективного рассеяния на тепловых флуктуациях плотности необходимы мощный источник зондирующего излучения и чувствительный при-

емник. При этом возникает ряд специфических технических проблем, связанных с обеспечением совместной работы приемника и источника излучения. В условиях замкнутого объема вакуумной камеры установки часть зондирующего излучения неизбежно попадает на вх<рд приемной антенны не вследствие рассеяния в плазме, а паразитным путем. Этот паразитный сигнал может быть достаточно мощным, поэтому необходимы специальные меры .»

для защиты приемника от перегрузок. Обычно для подавления сигнала на частоте зонди-

i

рующего излучения используются режекторные фильтры, настроенные на частоту источника.

Другая сторона проблемы паразитного сигнала связана с наличием шумов в спектре зондирующего излучения. «Крылья» линии генерации источника, обусловленные шумами, захватывают область частот, в которой находится спектр сигнала коллективного рассеяния. Уровень этого излучения определяется шумовыми характеристиками источника и величиной связи приемной и передающей антенн. Попадая на вход приемника, шумовое излучение источника может существенным образом повлиять на его чувствительность и, как следствие, на точность измерений.

Примером решения указанных проблем может служить эксперимент, в котором впервые методом коллективного рассеяния была измерена температура ионов в токамаке [5,20]. В качестве источника зондирующего излучения использовался мощный БгО лазер, генерировавший на длине волны 385 мкм мощность до 400 кВт при длительности импульса 1,4- мкс. Для регистрации спектра рассеянного сигнала использовался уникальный высокочувствительный многоканальный супергетеродинный приемник с шумовой температурой порядка 1эВ. Для снижения влияния переотражений от стенок камеры использовались специальные поглощающие ловушки, размещенные напротив антенн.

Использование гиротронов - источников миллиметрового излучения мощностью до 1 МВт, работающих в квазинепрерывном режиме излучения, открывает новые возможности для диагностики по коллективному рассеянию. Главным преимуществом гиротронов явля-

ется большая длительность импульса генерации, что позволяет существенно повысить чувствительность приема за счет увеличения времени усреднения. Кроме того, в техническом отношении диапазон миллиметровых волн более оснащен и создание системы регистрации спектров рассеянного излучения с приемлемыми характеристиками возможно с использованием промышленной элементной базы.

Работы по подготовке экспериментов по коллективному рассеянию с использованием гиротронов в качестве источников зондирующего сигнала были начаты в начале 90-х одновременно на 3-х крупных установках: JET (Англия), FTU (Италия) и W7-AS (Германия) - на последних двух установках работы велись в тесном сотрудничестве с ИПФ РАН. Конечной целью исследований на JET [14,15] является получение информации о быстрых ио-t

нах и альфа частицах в разрядах с горением D-T реакции. Комплекс коллективного рассеяния для FTU [6,16,41] разработан с целью измерения радиального профиля ионной температуры (за несколько идентичных плазменных «выстрелов»). Работа на W7-AS с самого начала планировалась как исследовательская - изучение возможностей коллективного рассеяния с использованием гиротронов для диагностики параметров плазмы в установке.

Наше участие в работах по коллективному рассеянию на стеллараторе W7-AS включало в себя разработку общей идеологии постановки эксперимента, в частности, выбор геометрии с учетом возможностей использования гиротронов существующей системы ЭЦ на-

I

грева на частоте 140 ГГц, создание аппаратуры для приема и анализа спектра рассеянного . »

излучения, проведение совместных экспериментов и интерпретацию их результатов. Ос-

I

новная часть подготовительных работ была завершена к лету 1993 года. В течение последующих лет на W7-AS было проведено несколько экспериментальных кампаний. Первые положительные результаты, относящиеся к коллективному рассеянию на квазиравновесных тепловых флуктуациях плотности электронов, несущих информацию об ионной функции распределения, были получены в конце 1994 года [24-26, 36-39]; в то же время были начаты исследования неравновесной нижнегибридной турбулентности [36,42]. Несколько позже

были получены первые экспериментальные результаты на JET [28], также относящиеся к коллективному рассеянию на квазиравновесных флуктуациях электронной плотности. В 1997 году нами были начаты совместные эксперименты на FTU [41], где были получены предварительные результаты.

I

Спектральные характеристики сигналов при коллективном рассеянии

В случае коллективного рассеяния угловой и частотный спектры рассеянного излучения определяются пространственно-временным спектром флуктуаций электронной плотности плазмы - S (к, а>). В отсутствие дрейфа спектр коллективного рассеяния симметричен

относительно частоты зондирования и его форма повторяет S (к,со). Для плазмы, состоящей из одного сорта ионов, в отсутствие магнитного поля и произвольной функции распределения скоростей частиц, S (к,со) можно представить [1] в виде:

к

В (5) feo(йУк) и fiofcc/k) - нормированные одномерные (проинтегрированные по скоростям

1 к ) функции распределения по скоростям для электронов и ионов, Z- заряд иона, s - диэлектрическая проницаемость плазмы:

s=l + Ge+G, (6)

■ ^ CD

тек \й) -kv cv ,v ; J Mk2{œ-kv-iy) dw V

1-

G.

Â

(ù

eO

2 7t „

+-Z

к

G.

s

fiO

\ s

(5)

В (5) второе слагаемое обусловлено рассеянием на электронах, участвующих в дебаевской

состоит из нескольких сортов ионов, то в выражениях (5)-(8) надо провести суммирование по всем сортам ионов. Существенное различие скоростей электронов, ионов и альфа частиц приводит к тому, что спектры коллективного рассеяния для этих компонент плазмы локали-

ной функции распределения, так и альфа частиц. Вместе с тем, очевидны и проблемы, возникающие из-за того, что реально плазма всегда состоит из нескольких ионных компонент, в частности, содержит то или иное количество тяжелых примесей, состав и количество которых плохо контролируется. Наличие примесей существенно влияет на форму спектра рассеянного сигнала [43], особенно в низкочастотной, примыкающей к частоте зондирующего сигнала, области, что, с одной стороны, усложняет решение задачи определения ионной температуры, а с другой стороны позволяет получить дополнительную информацию о тяжелых примесях.

Интегралы, входящие в (5) - (8), в случае максвелловских распределений электронов и йонов по скоростям могут быть выражены через табулированные функции. В частности, для плазмы с ионами одного сорта

экранировке ионов, и несет информацию об ионной функции распределения.1 Если плазма

зуются в разных областях частот. Это дает возможность независимой диагностики как ион-

(9)

где

ехр[~(т~~)]

kvT

(10)

[1 + р2 RqW(—)]2 +[/?2 JmW(—)Í

hr.

kvT kvT

ú)

2

1 В иностранной литературе для обозначения этой составляющей спектра используется термин "ion feature". В

переводах ему соответствует не очень удачный оборот "ионная компонента"флуктуаций электронной плотности. За неимением лучшего мы также будем использовать этот термин.

1а2 Т

Здесь /?2 =-& ) - функция Крампа. Результаты расчета Гр(х) для различных

1 + а Т,

р приведены на рис.2 [1]. Они позволяют проследить зависимость формы спектра от отношения электронной и ионной температур. В случае Те « Т; спектр рассеянного сигнала сосредоточен в полосе частот 2Д£ где

А/ * Ш^кеУ) ■ ¡Мр/М^п% (11)

I

5;(£ ЦУ 2 7С1У2

Рис.2. Зависимость форм-фактора