Фазовые переходы в сверхпроводящик системах с нетривиальным спариванием. Роль примесей тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.09 ВАК РФ

^ Российская академия наук

Институт теоретической физики им. Л.ДЛандау

На правах рукописи Марихин Владимир Георгиевич

Фазовые переходы в сверхпроводящих системах с нетривиальным спариванием. Роль примесей.

01.04.09 - физика низких температур

Автореферат диссертации на соискание ученой степени1 кандидата физико-математических наук

Черноголовка 1992

Расота выполнена в ордена Ленина и ордена Октябрьской революции Институте атомной энергии имени И.В.Курчатова.

Научный руководитель - доктор физико-математических наук

Н.В.Иванов.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук - А.В.Недоспасов кандидат физико-математических наук - В.С.Иуховатов

Ведущая организация - Московский государственный университет т. И.В.Ломоносова

Защита диссертации состоится "__1991 г.

в _ часов на заседании специализированного совета по

физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу при Институте атомноЯ энергии им. И.В.Курчатова (Д.034.04.01) по адресу: 123182, Москва, пл. Академика Курчатова.

С диссертацией иохно ознакомиться в библиотеке 11АЭ им. И.В.Курчатова.

Автореферат диссертации разослан " " _1991 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат физико-математических наук

К.Б.Карташев

Актуальность работы. Одним из препятствия для получения .более высоких параметров плазмы в современных установках токамак является развитие .магнитогидродинамических (МГД) иеустойчивостей. Экспериментальные результата, полученные на токамаках, и их сопоставление с выводами теории показывает, что наблюдаемые неустойчивости связаны с неустойчивостью тиринг-моды; При развитии тиринг-неустойчивости происходит образование магнитных островов в плазме, что приводит к ухудвенж термоизоляции плазмы и развит» неустойчивости срыва.

Исследование размеров и областей локализации магнитных • *

островов занимает важное место в изучении физических . • механизмов процессов переноса частиц, энергии, плотности токе и развития неустойчивости срыва. Для этих целей необходимо иметь диагностику, с помощью которой можно было бы определять размеры и области локализации магнитных островов. Данному требованию отвечает методика синхронной обработки сигналов излучения из плазмы в различных спектральных диапазонах.

Изучение рот высокочастотных ИГД возмущений в процессе развития неустойчивости срыва является вахньм для понимания физического механизма неустойчивости, представляющей серьезную опасность в токамаке-реакторе.

Практический интерес, с точки зрения разработки эффективных методов управления МГД устойчивостью плазмы в токамаке-реакторе, представляют исследования поведения неустойчивостей в режимах разряда с дополнительным нагревом

и безындукционным поддержанием тока, а также в режимах с возбуждением дополнительного тока на границе плазмы контактным способом.

Цель работы. I. Определение размеров и локализации наиболее неустойчивого магнитного острова т/п=2/1 (в и п -азимутальное и тороидальное винтовые числа, соответственно). 2. Исследование характерных особенностей поведения МГД неустойчивостей в режимах с дополнительным электронно-циклотронным нагревом и поддержанием тока нтонегибридными волнами. 3. Исследование роли высокочастотных МГД возмущений в процессе развития неустойчивости срыва. 4. Изучение влияния дополнительных токов, возбуждаемых на периферии плазменного шнура, на устойчивость плазмы.

Научная новизна. Разработана методика для измерения в макроскопически устойчивых режимах разряда токаиака положения и размеров наиболее неустойчивых магнитных островов с п?=2. Впервые измерения радиальной структуры магнитных островов были осуществлены с помощью синхронного детектирования излучения из плазмы в области мягкого рентгеновского излучения и излучения из плазмы на частоте второй гармоники электронно-циклотронного резонанса. Впервые в процессе развития неустойчивости срыва и внутреннего срыва наблодалась задержка между резким ухудшением термоизоляции плазмы в центральных областях плазменного шнура и вспышками высокочастотных возмущений магнитного поля на границе плазмы. Впервые экспериментально показано, что токи, возбуждаемые на периферии плазменного шнура контактным

способом с помощью пластин тороидального дивертора и элементов кольцевой диафрагмы, оказывают влияние яа устойчивость плазменного шнура.

Научная и практическая ценность. Результаты данной диссертации могут быть использованы при анализе транспортных процессов в плазме токамака, при изучении внутренней пространственной структуры возмущений, связанных с развитием тиринг-моды, а также при разработке методов управления развитием МГД неустойчивостей.

Автор выносит на защиту:

1. Результаты измерения связи между шириной магнитного острова с т=2 и возмущением полоидального магнитного поля на границе плазменного шнура.

2. Результаты исследования МГД активности плазмы в режимах разряда с дополнительным нагревом и безындукционным поддержанием тока.

3. Результаты изучения динамики магнитных островов в процессе развития неустойчивости срыва и внутреннего срыва.

4. Результаты экспериментов по изучению влияния дополнительных токов, возбуждаемых на границе плазменного шнура, па МГД устойчивость плазмы.

Апробация работы. Результаты диссертации докладывались на П-ой Международной конференции по физике плазмы ' и управляемому термоядерному синтезу (Япония, Киото, 1986 I*.;, на 14-ой Европейской конференции по физике плазмы и

з

управляемому термоядерному синтезу (Испания, Мадрид, 1967 г.), на 12-ой Международной конференции по управляемому термоядерному синтезу (Франция, Ницца, 1968 г.), на сессии Американского физического общества (США, Флорида, 1988 г.) и на Звенигородских конференциях по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу в 1984, 1986, 1988, 1990, 1991 г.г. Основные результаты диссертации докладывались на семинарах в ИАЭ им.И.В.Курчатова.

I

Обьем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитированной литературы (133 стр., 37 рис., 95 наим. цит. лит.).

Содержание диссертации.

Во введении показана актуальность темы . диссертации, излагается цель работы, приводятся основные результаты, выносимые на защиту и отмечается их новизна. Изложена структура диссертации и краткая характеристика каждой главы.

В первой главе представлен обзор теоретических и экспериментальных исследований МГД неустойчивостей плазмы в токамаке.

В §1 кратко изложены теоретические представления о физической природе ЫГД неустойчивостей. Основное внимание уделено неустойчивостям, энергетическим резервуаром которых ^ является магнитное поле тока плазмы, - идеальная винтовая и тиринг-неустойчивости. В теории эти неустойчивости различаются положением резонансной поверхности по отношению к границе токового канала. Резонансной принято называть

магнитную поверхность, на которой ход силовых линий совпадает с пространственной структурой возмущения. Радиус такой поверхности г8 определяется из условия: ч(г8)=п/п, где q - коэффициент запаса устойчивости, а т и п - азимутальное и тороидальное винтовые числа, соответственно.

При условии, что резонансная поверхность расположена вне токового канала, наиболее опасной является винтовая неустойчивость со свободной границей.

Другой тип винтовой неустойчивости тиринг-неустойчивость может иметь место, если резонансная поверхность расположена внутри токового канала в плазме с высокой, но конечной проводимостью. При этих условиях реализуется механизм перезамыкания силовых линий магнитного поля и образование магнитных островов. . Инкремент развития тиринг-неустойчивости ниже, чем инкремент идеальной винтовой неустойчивости.

Формирование в плазме токамака островной магнитной структуры приводит к увеличению переноса частиц и энергии. Поваленный перенос связан с тем, что при движении частиц вдоль магнитных силовых линий в пределах магнитного острова одновременно происходит их смешение в радиальном направлении.

Устойчивость тиринг-моды в токамаке зависит от радиального распределения плотности тока в плазме.

В §2 приведено описание экспериментов по исследованю природы МГД возмущений плазмы в токамаке. Основное внимание было уделено экспериментам, в которых изучалась пространственная структура неустойчивостей, их влияние на

к

процессы переноса, воздействие дополнительного нагрева и безындукционного поддержания тока на ИГД устойчивость плазмы в токамаке, а также механизм развития неустойчивости срыва.

Впервые квазистационарные винтовые структуры, возникающие в плазменном шнуре, наблюдались Н.Л.Виноградовой и К.А.Разумовой на установке ТМ-2 с помощью скоростной фоторазвертки интегрального свечения из объема плазмы.

Важным шагом в изучении пространственной структуры ИГД-неустойчивостей стало использование зондовой методики измерений возмущений полоидального магнитного поля, получившей развитие в работах С.В.Мирнова и И.Б.Семенова. Исследования, проведенные на разных установках, показали, что возмущения полоидального магнитного поля имеют винтовую структуру с различными т и п. Развитие этих возмущений до амплитуд от невозмущенного поля тока ухудшает

термоизоляцию и удержание плазмы, а при больших амплитудах приводит к развитию неустойчивости срыва. Было также обнаружено вращение возмущений вдоль малого обхода тора е направлении диамагнитного дрейфа электронов.

Внутренняя пространственная структура ЫГД возмущен« исследовалась с помощью регистрации излучения из плазмы I различных спектральных диапазонах. Наиболее детальна! информация была получена из измерений пространственны; распределений интенсивности мягкого рентгеновской излучения. Анализ полученных данных показал, что наблюдаемы' возмущения интенсивности излучения являлись следствие развития тиринг-неустойчивости.

В ряде экспериментов на токамаках наблюдалось ухудшени

в

удержания "убегающих" электронов при возбуждении МГД активности. К их числу относятся опиты на установках ormak, Т-4, ТМ-2, АТС, LT-4, PULSATOR, TFR, ASDEX. В ЭКСПврИМеНТвХ на токамаках Т-4, ormak, наблюдалось уменьшение энергетического времени жизни при раскачке возмущения с т=2. На устамовкё Туман-2а было обнаружено снижение коэффициента теплопроводности электронов по всему сечению плазмы при уменьшении уровня МГД активности в процессе адиабатического сжатия.

В опытах на ряде токамаков было обнаружено влияние дополнительного нагрева и безындукционного поддержания тока на МГД устойчивость плазменного шнура. В экспериментах по безындукционному поддержанию тока на токамаах plt и petula-b наблюдалось подавление возмущений с го=1 и т=2 при замещении части омического тока током, генерируемым с помощью нижнегибридной волны. Влияние дополнительного нагрева на МГД устойчивость плазмы исследовалось на установках Т-Ю (электронно-циклотронный нагрев), isx-b, doublet hi (нагрев пучками нейтральных атомов). Анализ полученных экспериментальных данных, проведенный на . основе теории тиринг-неустойчивости, показал, что влияние дополнительного нагрева и безындукционного поддержания тока на МГД устойчивость может быть обьяснено деформацией радиального профиля плотности тока в плазме.

Крупномасштабные винтовые возмущения, развивающиеся в плазме токамака, связаны с наиболее опасной неустойчивостью, получившей название неустойчивости срыва. В установках реакторного масштаба неустойчивость срыва представляет собой

серьезную проблему, поскольку ее развитие может приводить к разрушению элементов конструкции внутренней стенки, а также потере сверхпроводящего состояния в обмотках тороидального магнитного поля. Существует несколько теоретических обьяснений явления неустойчивости срыва, построенных на основе ИГЛ теории. В настоящее время является общепринятой точка зрения, согласно которой тирияг-мода т/п=г/1 играет центральную роль в процессе развития неустойчивости.

Вторая глава посвящена описание экспериментальной методики и результатам измерения пространственной структуры МГД возмущений плазмы в токамаках Т-7 и Т-Ю.

В §1 приводится описание магнитных датчиков, применяемых для измерения возмущений полоидального магнитного поля. Для измерения высокочастотных возмущений полоидального магнитного поля на установке Т-Ю применялся магнитный датчик специальной конструкции. Датчик представлял собой магнитный зонд с небольшой индуктивностью, установленный в вакуумноплотном керамическом контейнере в тени кольцевой диафрагмы. При обработке результатов измерений уделено внимание рассмотрению влияния проводщего лайнера на переменное магнитное поле, измеряемое магнитными зондами. Для восстановления истинного спектра возмущений магнитного поля проводилась коррекция измеренного спектра с учетом поправки на действие лайнера.

В §2 изложены основные принципы применения метода синхронной обработки сигналов в плазменном эксперименте, рассмотрены два основных варианта реализации этого метода.

В §3 рассматривается применение метода синхронного

а

детектирования для исследования внутренней структуры МГД возмущений в токамаках Т-7 и Т-Ю. Рассмотрена схема практической реализации метода и механизм формирования сигнала отклика в процессе развития тиринг-неустойчивости.

В §4 приведены результаты измерения локализации возмущений плазмы с п=2 в макроскопически устойчивых режимах разряда токмака Т-Ю методом синхронного детектирования переменной составляющей мягкого рентгеновского излучения. В §5 описаны результаты экспериментального изучения вопроса о связи между шириной магнитного острова m=2 и амплитудой возмущения полоидального магнитного поля вблизи границы плазменного* шнура. Измерение ширины магнитого острова т=2 проводилось методом синхроннго детектирования сигнала излучения из плазмы на частоте второй гармоники ЭЦР. Эксперименты показали, что связь между шириной магнитного острова и амплитудой возмущения вблизи границы плазменного шнура может быть аппроксимирована корневой зависимостью, что согласуется с теорией тиринг-неустойчивости. Полученный результат позволяет утверждать, что именно в области плазмы, ограниченной сепаратрисами магнитного острова, наблюдается повышенный электронный теплоперенос.

В третьей главе приведены экспериментальные результаты исследования МГД неустойчивостей плазмы в омических режимах, а также в режимах с дополнительным нагревом и безындукционным поддержанием тока в токамаках Т-7 и Т-Ю.

Эксперименты на Т-7 (§1) проводились в режиме разряда с параметрами: ток разряда 1р»140кА, тороидальное магнитное поле вт=П+18кГс, радиус диафрагмы aL=26cn, средняя

концентрация электронов пе=(Х,2+9)1012сн_3. В данной режиме разряда вклочение НГ генератора вызывало возбуждение МГД неустойчивости с преобладающей винтовой гармоникой т=2, а уровень более высокочастотных возмущений полоидального магнитного поля снижался приблизительно в два раза по сравнение с омической стадией разряда. Последующее включение генератора ЭЦ волн, при условии, что зона, соответствующая второй гармонике ЭЦР, находилась вблизи центра плазменного шнура, вызывало подавление возмущений с т=2 и увеличение уровня высокочастотных возмущений. Изучение поведения МГД активности плазмы позволило сделать вывод о том, что эффекты, наблюдаемые при воздействии НГ волн на возмущения полоидального магнитного поля, , связаны с эф*ектом генерации тока.

В §2 описывается поведение ИГЛ активности плазмы в режимах с ЭЦР нагревом. Эксперименты проводились на токамаке Т—10 в ходе исследований по дополнительному нагреву плазмы на основной гармонике ЭЦР. Измерения показали, что включение генератора ЭЦ волн не оказывало заметного влияния на уровень

низкочастотных возмущений полоидального магнитного поля,

\

частоты которых лежат в диапазоне (0+20)кГц, в то время как уровень высокочастотных возмущений (20+100)кГц увеличивался при включении генератора ЭЦ волн. Это увеличение происходило с задержкой по. отношению к фронту импульса генератора. С ростом мощности нагрева амплитуда ВЧ возмущений также увеличивалась. Анализ экспериментальных данных показал, что наблюдаемые особенности поведения МГД активности плазмы в режимах с дополнительный ЭЦРН могут быть объяснены

ю

изменением радиального профиля плотности тока.

В четвертой главе приведены результаты исследования МГД возмущений плазмы при развитии неустойчивости срыва и внутреннего срыва в токамаке Г-Ю. При измерениях, наряду с крупномасштабной МГД . активностью плазмы, было уделено внимание возмущениям полоидального магнитного поля на более высоких частотах.

В §1 описываются результаты экспериментов по изучению высокочастотных возмущений полоидального магнитного поля в процессе развития неустойчивости внутреннего срыва. В экспериментах были обнаружены периодические всплески-амплитуды ВЧ возмущений магнитного поля и интенсивности жесткого рентгеновского излучения., максимумы которых достигались через несколько7 миллисекунд после акта внутреннего срыва, '

В §2 приведены результаты анализа поведения крупномасштабных МГД возмущений и высокочастотных возмущений полоидального магнитного поля при развитии неустойчивости срыва. Полученные результаты показали, что, наряду . с низкочастотной крупномасштабной МГД активностью, неустойчивость срыва сопровождается возбуждением высокочастотного возмущения. Именно это возмущение коррелирует во времени с наблюдаемым ухудшением термоизоляции плазмы. Этот результат был объяснен на основе теории тиринг-неустойчивости в предположении о том, что регистрируемое ВЧ возмущение связано с развитием в плазме мелкомасштабных тиринг-мод с большими номерами п.

В §3 описаны результаты экспериментального определения

и

эффективности системы для заблаговременной сигнализации о развитии неустойчивости срыва в Т-Ю. Результаты статистической обработки в 129 импульсах токамака с различными параметрами плазмы показали высокую эффективность системы: заблаговременное срабатывание перед срывом при минимуме ложных срабатываний.

В §4 приведены результаты изучения влияния ИГЛ неустойчивостей на перенос плотности тока в токамаке Т-7. для измерения скорости проникновения тока в плазму был организован режим с пульсирующим полным током разряда, в котором проводились измерения положения резонансной магнитной поверхности я=2. В экспериментах было обнаружено аномально быстрое проникновение тока в области плазмы между поверхностью д=2 и границей плазменного шнура и корреляция между амплитудой высокочастотного возмущения полоидального магнитного поля и пульсациями тока разряда.

В пятой главе приведено описание экспериментов на токамаке ТО-2, в которых исследовалось влияние дополнительного тока, возбуждаемого на границе плазмы контактным способом с помощью пластин тороидального дивертора и элементов специально сконструированнной диафрагмы, на МГД устойчивость плазмы.

В §1 описана постановка эксперимента на установке ТО-2 в двух случаях. В первом из них источник внешней ЭДС подклочался к пластинам одного из двух тороидальных диверторов, а пластины противоположного дивертора были замкнуты между собой. Во втором случае источник внешней ЭДС подключался между кольцами диафрагмы, изолированной от

стенок разрядной камеры токамака.

В §2 приведены результаты - эксперимента со стабилизирующим . дивертором. Эксперименты показали, что дополнительный ток, возбухдаешй на границе плазменного шнура, оказывает влияние на ЫГД устойчивость плазмы. При возбуждении этого тока в направлении основного тока разряда наблюдалось подавление возмущений с ш-2 и высокочастотных возмущений полоидального магнитного поля в диапазоне частот (60+100)кГц. При противоположном направлении дополнительного тока наблюдалось возбуждение возмущений.

В §3 приведены результаты эксперимента со стабилизирующей диафрагмой, состоящей из двух колец, разделенных изолирущим промежутком. Эксперименты показали, что влияние дополнительного тока на МГД устойчивость плазмы и, в этом случае зависит от его направления. При возбуждении дополнительного тока в направления основного тока разряда наблодалось подавление ВЧ возмущений полоидального магнитного поля в диапазоне частот (Б0+100)кГц, а включение дополнительного тока в противоположном направлении вызывает их возбуждение и срыв разряда.

В заключении представлены основные выводы.

I. Измерения пространственной структуры НГД возмущения >=2 показали, что зависимость ширины магнитного острова от амплитуды возмущения полоидального магнитного поля у стенки камеры согласуется с результатом расчета, выполненного на основании теории тиринг-мода. это означает, что область повышенного теплопереноса совпадает с областью плазмы.

ограниченной сепаратрисами магнитного острова.

2. Экспериментально показана временная корреляция стадии быстрого снижения энергосодержания плазмы при развитии неустойчивости срыва со вспьикой высокочастотного возмущения полоидального магнитного поля на границе плазменного шнура. Это позволяет предположить, что именно наблюдаемые высокочастотные возмущения ответственны за ухудшение термоизоляции плазмы.

3. Обнаружена временнная корреляция амплитуды высокочастотных возмущений полоидального магнитного поля на границе плазмы с пилообразными колебаниями мягкого рентгеновского излучения. Анализ экспериментальных данных показывает, что неустойчивость вблизи границы плазмы инициируется периодически повторяющимися внутренними срывами.

4. . Экспериментально показано, что дополнительный ток, возбуждаемый на границе плазменного шнура с помощью внешнего источника ЭДС, влияет на МГД устойчивость плазмы. При положительном направлении этого тока по отношению к основному току разряда наблодается улучшение устойчивости.

Результаты диссертации опубликованы в следующих работах: :

1. Волков В.В., Иванов Н.В., Какурин A.M. и др. Синхронное детектирование колебаний рентгеновского излучения из плазмы токамаКа. - Препринт ИАЗ-4055/7, Н., 1984.

2. Волков В.В., Какурин A.M. Методы синхронной обработки

сигналов в диагностике высокотемпературной плазмы. -Препринт ИАЭ-4785/7, И., 1969.

3. Васин Н.Л., Волков В.В., Есипчук Ю.В. и др. Радиальная структура крупномасштабных возмущений плазмы в токамаке Т-Ю. - Физика плазмы, 1966, т. 12, Ю, с.259-263.

4. Багдасаров A.A., Васин Н.Л., Волков В. В. и др. МГД устойчивость плазмы токамака в омических, НГ и ЭЦ режимах. - Физика плазмы, 1968, т.14, Ш, с.1284-1290.

5. Васин н.л., Вожов В.В., Иванов Н.В. и др. О скорости проникновения тока в плазму в токамаке Т-7. - Физика плазмы, 1988, т.14, №11, с.1284-1290.

6. Волков В.В., Иванов Н.В., Какурин A.M. и др. Динамика возмущений полоидального магнитного поля в процессе развития неустойчивости срыва в токамаке Т-Ю. - Физика плазмы, 1990, т. 16, с.515-623.

7. Богданов В.Ф., Волков В.В., Вуколов К.Ю. и др. Стабилизирующий дивертор в токамаке ТО-2. - Физика плазмы, 1989, Т.15, #12, C.I430-I434.

8. Bogdanov V.F., Gurov A.A., Ivanov N.V. et.al. Stabilizing effects of limiter-generated currents in the TO-2 tokaraak. - jornal of Nuclear Materials, 1990, v. 176(177) , p.518-521.

9. A.A.Bagdasarov, V.V.Chistyakov, A.N.Chudnovskij, N.V.Ivanov, A.M.Kakurin, P.P.Khvostenko, P.E.Kovrov, D.A.Martynov, N.L.Vasin, V.V.Volkov. Study of plasma MHD stability in T—7 and T-10 tokamak. - In: Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion Research, Nice, 1988, IAEA, Vienna, 1989, v.l, p.423-436.