Корреляция между макропараметрами плазмы и характеристиками флуктуаций плотности плазмы в стеллараторе TJ-II тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

УЧРЕЖДЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК ИНСТИТУТ ОБЩЕЙ ФИЗИКИ им. A.M. ПРОХОРОВА РАН

Петров Александр Евгеньевич

КОРРЕЛЯЦИЯ МЕЖДУ МАКРОПАРАМЕТРАМИ ПЛАЗМЫ И ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ФЛУКТУАЦИЙ ПЛОТНОСТИ ПЛАЗМЫ В СТЕЛЛАРАТОРЕ Т1-П

(Специальность 01.04.08 — физика плазмы)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

0034Э2379

Москва 2010

003492379

Диссертация выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте общей физики им. А.М. Прохорова РАН (ИОФ РАН), Центре энергетики, материаловедения и технологии (Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Techlogicas) (CIEMAT), Московском государственном институте радиотехники, электроники и автоматики (техническом университете) (МИРЭА).

Научные руководители: доктор физико-математических наук,

Н.Н. Скворцова (ИОФ РАН) доктор физико-математических наук, доцент Н.Г. Гусейн-заде (МИРЭА)

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор А.Ф. Александров (МГУ им. М.В.Ломоносова) кандидат физико-математических наук, В.П. Будаев (РНЦ «Курчатовский институт»)

Ведущая организация: Московский инженерно-физический институт

(Национальный исследовательский ядерный университет)

Защита диссертации состоится «15» марта 2010 г. в 15°° час на заседании Диссертационного совета Д 002.063.03 Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН по адресу: 119991, г. Москва, Ул. Вавилова, 38, ИОФ РАН, корп. 1, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИОФ РАН. Автореферат разослан «11» февраля 2010 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д 002.063.03, кандидат физико-математических наук тел. +7(499) 503-8147

Т.Б. Воляк

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Диссертационная работа связана с одной из фундаментальных проблем, существующих в физике плазмы, - определением параметров плазмы в тороидальных установках (стеллараторах и токамаках) и их связи с флуктуациями плотности в этой плазме. К настоящему времени общепризнанным фактом считается то, что диффузия частиц и теплопроводность в токамаках и стеллараторах зависит от интенсивности флуктуаций плотности плазмы, электрического поля и температуры частиц [см., например, 1,2]'. Поэтому информация о характеристиках флуктуаций, о связи этих характеристик с различными макропараметрами плазмы является принципиально важной для решения фундаментальных задач и прикладных проблем, связанных с удержанием высокотемпературной плазмы в термоядерных установках.

Исследования флуктуаций высокотемпературной плазмы в центре плазменного шнура существенно ограничены сложностью диагностической техники. На больших термоядерных установках такие диагностики должны быть бесконтактными и располагаться на больших расстояниях. В настоящее время успешно развиваются следующие диагностики - это, в первую очередь, диагностики методом рассеяния в плазме лазерного [3] и СВЧ-излучения [4,5], а также диагностика «Heavy ion beam probe» (HIBP) или зондирование пучком тяжелых ионов [6]. Эти диагностики дополняют друг друга, потому что измерения проводятся в разных областях плазменных шнуров, в которых определяются разные пространственные масштабы пульсаций. Диагностика микроволнового рассеяния в плазме, которая является основным методом исследования в

1 В автореферате статьи автора отмечены //, а процитированная литература — [].

данной диссертации, позволяет исследовать флуктуации плотности плазмы в широком диапазоне волновых чисел в заданной области плазменного шнура, а в случае многоканального исполнения сравнивать флуктуации плотности в различных областях плазмы и/или изучать их интегральные характеристики [7]. В диагностиках микроволнового рассеяния на флуктуациях плотности плазмы широко используется излучение миллиметрового диапазона длин волн, частота которого выше ленгмюровской частоты отсечки для плазмы большинства установок. Наиболее часто применяется излучение с длиной волны X ~ 2 мм (впервые в токамаках [8,9]), что и определило название «диагностика 2-мм рассеяния».

Особенный интерес представляет исследование флуктуаций в стеллараторах, связанное с необходимостью учета турбулентного переноса в балансе частиц в рамках неоклассической теории. С целью исследования флуктуаций плотности высокотемпературной плазмы в стеллараторах в отделе физики плазмы ИОФ РАН были разработаны диагностики 2-мм рассеяния для стеллараторов Л-2 [10], АТР [11], Т.[-Ш [12]. Это позволило разработать и создать Диагностику 2-мм рассеяния для исследования флуктуаций плотности плазмы для сложной трехмерной геометрии плазменного шнура стелларатора 17-11 (Мадрид, Испания).

Именно эта разработанная диагностика 2-мм рассеяния явилась основой данной диссертации, которая позволила в ряде физических экспериментов получить важные результаты по исследованию характеристик флуктуаций плотности плазмы и их связи с макропараметрами плазмы в стеллараторе Т1-II.

Актуальность данной работы для направления науки — физика плазмы — заключается в экспериментальном исследовании корреляции между макропараметрами плазмы и характеристиками флуктуаций плотности плазмы в тороидальной установке.

Целью настоящей работы является изучение связи параметров низкочастотной турбулентности с макропараметрами плазмы в стеллараторе 17-11.

Для этого были решены следующие основные задачи по созданию диагностики и проведению физических измерений.

1. Создание на стеллараторе 17-11 диагностики 2-мм рассеяния, позволяющей проводить измерения флуктуаций плотности плазмы с различными волновыми полоидальными векторами в нем.

2. Проведение измерения флуктуаций плотности высокотемпературной плазмы в следующих экспериментах:

• инжектирование холодного азота в плазменный шнур;

• исследование связи между флуктуациями плотности высокотемпературной плазмы и МГД-колебаниями;

• исследование флуктуаций плотности в режиме дополнительного нагрева плазмы инжекцией нейтрального пучка.

3. Анализ связи между параметрами флуктуаций плотности плазмы в вышеприведенных экспериментах и макропараметрами плазмы, такими как плотность плазмы и электронная температура.

При создании диагностики 2-мм рассеяния использован аппарат квазиоптических расчетов для элементов приемного и передающего сверхвысокочастотных (СВЧ) трактов. Временные записи флуктуационных сигналов осуществлялись аналого-цифровыми преобразователями (АЦП) разных конструкций с длинами временных выборок до 4 млн. точек и частотой оцифровки до 5 МГц. Для исследований флуктуаций использовались фурье-анализ спектров на базе быстрого преобразования Фурье (БПФ) с разными весовыми окнами и корреляционный анализ временных выборок сигналов.

Научная новизна исследований состоит в следующем:

1. создана уникальная диагностика 2-мм рассеяния, которая позволяет проводить измерения флуктуации плотности высокотемпературной плазмы в трехмерной геометрии плазменного шнура и магнитного поля стелларатора П-И /1, 2,4,19/;

2. применена впервые в 2-мм диагностике квазиоптическая система с использованием сверхразмерных волноводов, которая позволила получить наилучшее к настоящему времени для диагностики 2-мм рассеяния отношение сигнал\шум /4/;

3. определена впервые скорость переноса примеси в эксперименте по распространению холодного газа (азота) к центру плазменного шнура стелларатора по задержке между изменением температуры электронов и изменению амплитуды флуктуаций плотности /3, 5,6, 7/;

4. обнаружен высокий уровень корреляции между флуктуациями плотности плазмы и колебаниями магнитного поля при определенных конфигурациях (с резонансными поверхностями внутри шнура) магнитного поля стелларатора - /6, 8, 9,10/;

5. обнаружено подавление электронно-температурно-градиентной неустойчивости (ЕТС-моды) в центре плазменного шнура стелларатора с дополнительным нагревом плазмы инжекцией нейтрального пучка происходит/11, 12,15/.

Практическая значимость работы

Данная диссертационная работа была направлена на получение дополнительной информации о турбулентном состоянии плазмы во внутренних областях плазменного шнура стелларатора, что имеет важное значение как для термоядерных исследований, так и для физики плазмы в целом.

Следующие результаты диссертации имеют практическое применение.

• Квазиоптические расчеты, положенные в основу данной диагностики 2-мм рассеяния, могут быть использованы для создания диагностик рассеяния на базе субмиллиметровых источников излучения, например источников излучения терагерцового диапазона, непрерывных субтерагерцовых гиротронов /16, 17/.

• Принцип создания квазиоптического приемного и передающего устройств может быть применен в разных диагностиках, использующих микроволновое излучение (например рефлектометрических), для увеличения отношения сигнал/шум.

• Успешный опыт создания диагностики 2-мм рассеяния на стеллараторе 17-11 может быть использован для измерения флуктуаций плотности высокотемпературной плазмы других стеллараторов и токамаков.

Также в диссертации показано, что диагностику 2-мм рассеяния можно использовать для оценки скорости переноса примеси в соответствующих экспериментах по распространению холодного газа.

Положения, выносимые на защиту:

1. Создание оригинальной диагностики 2-мм рассеяния для стелларатора ТГ-Н с использованием сверхразмерных волноводов, что позволило получить наилучшее к настоящему времени для диагностики 2мм рассеяния отношение сигнал\шум.

2. Обнаружение интенсивных низкочастотных флуктуаций плотности плазмы с волновыми векторами к=3 см"1 и к=6 см"1 со сплошными широкополосными частотными спектрами на середине радиуса плазменного шнура ТМ1. Исследование зависимости амплитуды измеренных флуктуаций, их спектральных и корреляционных

характеристик от плотности, температуры электронов, конфигурации магнитного поля и других макропараметров плазмы TJ-II.

3. Обнаружение высокой степень корреляции между флуктуациями плотности плазмы и флуктуациями магнитного поля в конфигурации магнитного поля TJ-II с магнитными островами (резонансами 3/2 и 5/3 внутри плазмы). Наблюдение узкополосные гармоники, превышающих уровень фонового спектра в 5-7 раз, в широкополосных спектрах флуктуаций плотности в этих режимах.

4. Оценка скорости переноса частиц в эксперименте по распространению холодного газа (азота) к центру плазменного шнура стелларатора. Обнаружение баллистического механизма охлаждения плазмы при напуске холодного газа.

5. Обнаружения подавления электронно-температурно-градиентной моды (ETG-моды) в режиме электронно-циклотронного нагрева с дополнительным нагревом плазмы инжекцией нейтрального пучка.

Апробация работы и публикации

Диссертация выполнена в лаборатории «РАМУС» отдела физики плазмы Учреждения Российской академии наук Институт общей физики им. A.M. Прохорова РАН; в лаборатории термоядерных исследований и магнитных конфигураций Центра энергетики, материаловедения и технологии; на кафедре «Моделирования радиофизических процессов» Московского государственного института радиотехники, электроники и автоматики (технического университета).

Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на международных и всероссийских конференциях и семинарах по физике:

- 11 Международной Токи конференции по физике и УТС (Токи, 2001);

- 30 Европейской конференции по физике плазмы и УТС (2003, Санкт-

Петербург);

- XXIII Международном семинаре по проблемам стабильности в стохастических моделях (Памплона, 2003);

- XX и XXI Международные конференции МАГАТЭ по термоядерной плазме (Виламура, 2004; Ченгду, 2006);

- XXXII Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС (Звенигород, 2004).

- VI Международной конференции по мощным микроволнам в плазме (2005, Нижний Новгород)

- 15 Международном стеллараторном совещании (2005, Мадрид);

- VII Международной конференции по мощным микроволнам: источники и применение (2008, Нижний Новгород).

Общее число публикаций по теме диссертации - 18, в том числе тезисов и докладов на конференциях - 7 /5, 7, 8, 9, 11, 13, 16 / и статей в реферируемых изданиях - 11, из которых /1, 2, 3, 4, 10/ из списка, рекомендованного ВАКом, а /6, 12, 14, 15, 17, 18/ в сборниках и периодических изданиях.

Объем н структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав основного текста, заключения и списка литературы. Объем диссертации 112 страниц текста, 4 таблицы, 48 рисунков, список литературы из 75 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении дана общая характеристика работы, показана ее актуальность, сформулированы цели и задачи. Кратко дается представление о диагностике микроволнового рассеяния для исследования флуктуаций плотности плазмы. Излагается структура и конструкция элементов оригинальной диагностики 2-мм рассеяния, использование ее в физических экспериментах на стеллараторе TJ-II и методика измерений. Также обсуждаются вопросы о связи макроскопических параметров

плазмы с флуктуациями ее плотности в тороидальных установках (стеллараторах и токамаках).

В первой главе отражены физические основы диагностики микроволнового рассеяния и современное состояние СВЧ-диагностик коллективного рассеяния в токамаках и стеллараторах. Особое внимание уделено описанию диагностики 2-мм рассеяния на стеллараторах JI-2M, ATF, TJ-IU и проведению оригинальных физических экспериментов на данных установках с использованием этой диагностики.

Во второй главе приведено описание стелларатора TJ-II и диагностического комплекса этой установки [4], который был создан в 1997 году в лаборатории термоядерных исследований и магнитных конфигураций Центра энергетики, материаловедения и технологии лаборатория физики плазмы (EURATOM-CIEMAT, Мадрид, Испания). Структура магнитного поля стелларатора TJ-II создается 32 катушками тороидального поля, двумя катушками вертикального поля и центральным проводником. Значения основных параметров представлены в таблице 1. Плазма производится и нагревается одним или двумя гиротронами с частотой 53.2 ГГц на второй гармонике гирочастоты электронов (длительность импульса до 200 мс, импульсная мощность до 400 кВт). В стеллараторе TJ-II также реализована схема дополнительного нагрева плазмы инжекцией нейтрального пучка (плазма и в этих экспериментах также создавается гиротронами).

Диагностика 2-мм рассеяния является одной из важных диагностик по исследованию микропараметров плазмы и единственной, которая работает во внутренней области плазменного шнура. Кроме того, принципиально важным является то, что одновременно с флуктуационными параметрами проводятся измерения макропараметров плазмы (плотность, электронная температура, магнитное поле) другими диагностиками.

Таблица 1. Основные размеры Т.1-11 и характеристики плазмы.

Большой радиус Я, см 150

Среднее значение малого радиуса а, см 10-22

Магнитное поле В, Т <1,2

Вводимая СВЧ мощность Р0, кВт 200-600

Средняя плотность <п>101:!, см'3 <1,0

Температура электронов в центре шнура Те(0), эВ 500-800

Относительная величина флуктуации на краю плазмы (Дп/п)внеш 0,2-Ю,25

Длительность стационарной фазы импульса, мс 200-300

В третьей главе приведено описание диагностики 2-мм рассеяния в стеллараторе Т.1-11 /1, 3, 5, 18/. На рис. 1 изображены сечение В1 установки, в котором располагается диагностика, исследуемая область рассеяния и геометрия рассеяния. Для диагностики используются две передающие и три приемные рупорно-линзовые антенны, имеющие возможность поворачиваться в одной плоскости в пределах 40°.

2-мм

Рис. 1. Схема диагностики рассеяния в сечении Т1 - передающая антенна, Л1, Ы2,113 - приемные антенны. Пунктиром обозначена последняя замкнутая магнитная поверхность г/а=1.

Сплошной линией обозначена магнитная поверхность г/а=0.6, вблизи которой проводятся измерения диагностикой 2-мм рассеяния

йГяз

В установке TJ-II для длины волны зондирующего излучения, равной 2 мм, диапазон углов рассеяния составляет от 5° до 40°. Для экспериментов по исследованию корреляции между макро- и микропараметрами плазмы были выбраны два значения углов рассейния К^штсб соответствовало волновым числам 3 и 6 см"1.

В связи со спецификой размещения элементов диагностики на этой установке было решено отказаться от построения ее из стандартных волноводных элементов, а использовать сверхразмерные (для диапазона 150 ГГц или 1 = 2 мм) волноводы сечением 3,4x7,2 мм /2, 20/.

Рис.2. Схема детекторного блока. О - опорный сигнал из опорного канала, Н - согласованная нагрузка. С - слюдяное полупрозрачное зеркало, М - металлическое зеркало,

П - переходник на сверхразмерный волновод, Д - смесительные детекторы, Р - сигналы с приемных антенн.

На рис. 2 представлена схема детекторного блока, собранного на квазиоптических элементах и осуществляющего регистрацию рассеянного сигнала по схеме гомодинного детектирования.

В третьей главе также приведена оценка пороговой чувствительности

диагностики /2/, составившая (А«/и) = 10 .

С усилителями на специализированных малошумящих транзисторах удалось достичь чувствительности около 10 мВт при соотношении сигнал/шум до 10-15 в полосе частот от 10 кГц до 1 МГц, что является очень высоким результатом. Базовая система сбора и записи данных стелларатора имела два типа каналов: низкоскоростные (в стандарте САМАС), используемые для настройки и контроля генерации, и высокоскоростные (в стандарте прямого доступа к шине данных РС), используемые для измерений амплитуд флуктуации плазменных величин в виде временных выборок размером до 2-106 точек. Для анализа характеристик случайных временных рядов [14,15] использовалось единое программное обеспечение: корреляционный анализ, одномерный спектральный Фурье-анализ, когерентный Фурье-анализ, вычисление статистических моментов, оценка гистограмм и др.

В конце третьей главы приведены контрольные измерения при типовых режимах плазмы на стеллараторе 17-11. Выявлен характерный для низкочастотной плазменной турбулентности вспышечный вид зависимости амплитуды флуктуаций от времени. Показано, что в плазме с постоянной плотностью и электронной температурой диагностикой 2-мм рассеяния измеряются флуктуации, соответствующие случайному стационарному процессу, а не переходному процессу /5,7/. Это позволило использовать численные методы корреляционного, спектрального и вероятностного анализа, разработанные для случайных стационарных сигналов. На рис. 3 представлена временная выборка сигнала рассеяния при изменении режима разряда в стандартной конфигурации магнитного поля

стелларатора Т1-П. Также на нем приведены изменение плотности, сигнал электронно-циклотронного излучения (пропорционален температуре электронов) и сигнал гиротрона. Быстрое охлаждение плазмы (частичный «срыв» высокотемпературного разряда), отражается на уровне сигнала. Отношение сигнал/шум при этом составляло от 3 до 6.

100 200 100 200

Частота, кГц Частота, кГц

Рис. 3. Изменение параметров плазмы, амплитуды флуктуации и спектра фдуктуаций плотности на середине радиуса плазмы после частичного срыва разряда в установке ТЛ-П. Прямоугольниками показаны два временных интервала, для которых оценены фурье-спектры (указаны буквами а) и б) соответственно).

На этом же рисунке приведены соответствующие двум временным интервалам фурье-спектры, типичные для сильной структурной турбулентности [1], - сплошные, спадающие в область высоких частот и

без выделенных гармоник. При понижении температуры в плазме и изменении условий для возникновения флуктуаций происходит сужение спектра. Таким образом, и амплитуда сигналов рассеяния, и их фурье-спектр отслеживают изменение макропараметров плазменного разряда.

Четвертая глава состоит из трех разделов, в которых приведены основные экспериментальные результаты, полученные с помощью диагностики 2-мм рассеяния.

1. Серия экспериментов по распространению фронта охлаждения плазмы при напуске в камеру во время разряда холодного газа - азота /4, 6, 7, 8/. В этой серии было продемонстрировано, что происходит резкое нарастание амплитуды сигнала и сужение его спектра с увеличением в спектре веса самых низкочастотных колебаний. Чувствительность метода позволила оценить скорости распространения фронта охлаждения плазмы (т.к. область, в которой происходит рассеяние, локализована). На рис. 4 представлены зависимости от времени амплитуд флуктуаций с к = 3 и 6 см 1 на радиусе плазмы г/а ~ 0.6, двусторонней стрелкой показано соответствие начала охлаждения плазмы с резким нарастанием амплитуды флуктуаций. Изменение амплитуды флуктуаций происходит на фронте распространения холодного импульса (ход излучения линии На). Задержка между началом напуска азота и приходом холодного фронта на радиус плазмы г/а=0.6 составляет несколько миллисекунд. По величине этой задержки была оценена скорость диффузии примеси внутри плазмы, составившая 50+80 м/с. Это гораздо меньше скорости нейтральных атомов азота ~105 м/с, но больше теоретической скорости диффузии. Постоянство скорости распространении примеси внутри плазмы свидетельствует о баллистическом характере диффузии. Использование данной диагностики в задачах, связанных с проблемами диффузии, было произведено впервые.

Н -1-I I I-1-Г-

1150 1160 1170 1180

Время, мс

Рис. 4. Зависимости от времени амплитуд флуктуаций с к = 3 и 6 см сигналов электронно-циклотронного излучения, измеренных на разных радиусах плазмы, и сигнала излучения линии водорода Н„

2. Серия экспериментов по исследованию взаимосвязи флуктуаций плотности на половине радиуса плазменного шнура (г/а=0.5^-0.6) и МГЦ- активности при различных конфигурациях магнитного поля в стеллараторе 'П-11. Эта задача связана с исследованием связи между флуктуациями, вызванные магнитогидродинамическими (МГД) неустойчивостями, развитие которых вызывается свободной энергией магнитного поля, и микронеустойчивостями, раскачка которых вызывается локальными

градиентами плотности и температуры плазмы, немаксвелловскими функциями распределения частиц и иными факторами. В данной серии экспериментов проводились измерения и сравнение спектральных и корреляционных характеристик флуктуаций плотности плазмы на середине радиуса плазменного шнура, измеренных с помощью 2-мм рассеяния, и флуктуаций магнитного поля, измеренных магнитными (Мирновскими) зондами за пределами шнура при различных конфигурациях магнитного поля установки. Изменение конфигураций производилось с помощью изменения токов в тороидальной, компенсирующей и винтовой катушках стелларатора. В большинстве стандартных конфигураций магнитного поля в Т.Г-П внутри последней замкнутой магнитной поверхности нет р.езонансов. В этих режимах нет сигналов с магнитных зондов, а фурье-спектры флуктуаций плотности плазмы, полученные с помощью диагностики 2-мм рассеяния, оказываются широкополосными и без выделенных гармоник.

В конфигурациях магнитного поля, в которых магнитные резонансы 3/2 и 5/3 оказываются внутри замкнутой магнитной поверхности [16], сигналы магнитных зондов, так же как и сигналы флуктуации плотности плазмы (диагностики 2-мм рассеяния), сильно меняются. На магнитных зондах фиксируется уровень сигнала МГД-активности, превышающий шумовой фон на порядок. Фурье-спектры сигналов магнитного поля, представленные на рис. 5Ь и 5(1, имеют вид одной квазигармоники с частотой 20-30 кГц. Несмотря на то что интенсивность флуктуаций плотности возрастала незначительно, вид спектра флуктуаций плотности плазмы кардинально менялся. На рис. 5а и 5с видно, что в спектрах флуктуаций плотности плазмы появляются низкочастотные квазигармоники (с частотой 25-30 кГц).

0.05

: о,ов

150 200 250 0

Частота, кГц ®-20

30 40 £0

Частота, кГц

150 200 250 О

Частота, кГц

30 40 50 Частота, кГц

Рис. 5. Фурье-спектры (конфигурация поля - резонанс 5/3): а, с) флуктуаций плотности плазмы (к = 6 см"1); Ь, с!) сигнала магнитного зонда.

В таблице 2 приведены коэффициенты взаимной корреляции и времена задержки между флуктуациями плотности плазмы и сигналами с магнитных зондов в разных разрядах при специфических конфигурациях магнитного поля (с резонансом внутри замкнутой поверхности плазмы). Время задержки не зависит от расстояния между областями измерения и не меняется при вычислении коэффициента корреляции между сигналом рассеяния и сигналом с любого магнитного зонда.

Считая, что время задержки связано лишь с радиальной скоростью распространения возмущений, можно оценить скорость, с которой они распространяются внутрь плазмы, ~ 3- 105+10б см/с. В таблице приведены скорости распространения возмущений для двух волновых векторов. Коэффициент взаимной корреляции меньше для флуктуаций меньшего

масштаба, в то время как скорости радиального движения таких флуктуаций несколько больше.

Таблица 2. Коэффициенты корреляции и времена задержки между флуктуациями плотности плазмы и магнитного поля в разных разрядах

Рассеяние с к = 3 см"' Рассеяние с к = 6 см"1

№ Конфигура- Коэфф. Врем. Оценка Коэфф. Врем. Оценка

раз- ция магнит- взаимной задерж- скорости взаимной Задер- скорости

ряда ного поля с корре- ка (мс) (см/с) корреля- жка (см/с)

резонансами ляции (%) ции (%) (мс)

5703 100_38_62(3/2) 30 0.025 ~5*Ю5 8 0.01 ~106

5704 100_38_62(3/2) 40 0.02 6 0.01

5705 100_38_62(3/2) 15 0.02 15 0.03

5611 100_54_66(5/3) 20 0.03 ~3*105 20 0.02 ~5*105

5612 Ю0_54_66(5/3) 30 0.035 15 0.01

5614 100_54_66(5/3) 30 0.025 18 0.035

5621 100_55_67(5/3) 60 0.015 ~ 5* 10^ 40 0.025 ~4*105

5622 100_55_67(5/3) 45 0.03 ~3*105 30 0.015 ~ 7*103

Таким образом, появление узких квазигармоник в спектрах флуктуаций плотности плазмы внутри шнура наблюдается только в конфигурациях магнитного поля с резонансами (г / 2тг = 3 /' 2 <=> 5 / 3) внутри последней замкнутой магнитной поверхности. Эта колебания коррелируют с сигналами магнитных зондов, которые определяют уровень МГД колебаний плазмы. Теоретические расчеты, так же как и прямые (электронным пучком) измерения магнитного поля стелларатора, показывают существование в этих конфигурациях поля магнитных островов [16], которые простираются до половины радиуса плазмы. Магнитные острова (связанные с резонансными поверхностями) и приводят к увеличению МГД активности, которая проявляется в резком возрастании сигналов с магнитных зондов. Затем это проявляется во флуктуациях плотности плазмы. Высокий коэффициент корреляции между

флуктуациями магнитного поля и плотности плазмы, а также первичность появления флуктуаций магнитного поля, скорее свидетельствует о единой природе возникновения флуктуаций этих величин, связанной с МГД неустойчивостью.

3. Эксперименты с дополнительным нагревом плазмы инжекцией нейтрального пучка (ЫВ1). Типичные изменения плотности, интенсивности линии На и среднеквадратичной амплитуды флуктуаций, регистрируемые в одном из этих экспериментов, приведены на рис. 6.

! Тиратрон МВ1 _._I_1

1000

лт

1200.

1300

1000

1100

1200

Время, мс

1300

" Рис.6. Изменение при вводе в плазму нейтрального пучка: а -плотности плазмы и излучение линии И и, Ь - среднеквадратического уровня флуктуаций. Время инжекции показано стрелкой. Хотя увеличение плотности плазмы должно приводить к увеличению энергии рассеянного сигнала, но из рис. 6 видно, что происходит обратное, т.е. уменьшение энергии флуктуаций (в различных экспериментах это значение варьируется от 10 до 50 раз). Это изменение не может быть

связано с увеличением рефракции, так как контрольный канал (интерферометрический) не регистрирует такого увеличения.

Отметим, что до этих измерений было высказано предположение /5/, что неустойчивость, которая формирует измеряемые флуктуации - это дрейфово-диссипативная неустойчивость на разности градиентов плотности и электронной температуры плазмы2 (для ее раскачки необходимо выполнение следующего условия на отношение градиентов

,-2.0 — ----------;----------I

' ■ — 21«) Е I

° I t «о

«1-2.5 £

=t . « 100

Ш "

гиротрон

с:

£ л

е?

а

8-3.0

-3.5

с

о

-4.0

1005

2SO

гг

L- г

X 200

ев

t~ 1SO,

о

(-

V 10Q"

л

■у 30J

гиротрон ♦ NBI

: . J

123» 1246 12ДО

Время, мс

Рис.7. Временная динамика Фурье-спектра в режиме электронно-циклотронного нагрева с инжекцией нейтрального пучка (КВ1). Время спектра соответствует времени разряда на рис. 6.

плотности и температуры д\пТе /сИпп > ^). Как видно из рис.7 сразу

после инжекции нейтрального пучка происходит подавление высоких частот в спектре флуктуаций плотности. В режиме N61 происходит рост плотности и падение электронной температуры, при этом профиль плотности остается без изменения, а профиль температуры уплощается и

Такая неустойчивость, иное название электронная температурная градиентная моды (ETG - electron temperature gradient mode), в настояшее время считается ответственной за дополнительную аномальную диффузию в тороидальных ловушках.

становится подобен профилю плотности. Разность градиентов плотности и температуры исчезает, и соответственно исчезает условие на раскачку дрейфово-диссипативной неустойчивости. Таким образом, поведение флуктуации в режиме с дополнительной нейтральной инжекцией, является прямым подтверждением существования ЕТв-неустойчивости при электронно-циклотронном нагреве на разности градиентов в ТМ1.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для стелларатора 17-11 создана диагностика 2-мм рассеяния. Эта диагностика позволила провести исследования низкочастотных флуктуаций плотности плазмы с волновыми векторами к=3 см'1 и к=6 см'1 на середине радиуса плазменного шнура и сравнить параметры флуктуаций с макропараметрами плазмы.

1. Показано существование в стеллараторе Л-II мелкомасштабных флуктуаций плотности плазмы со сплошными широкополосными частотными спектрами с полуширинами до 300-500кГц, амплитуды которых, их спектральные и корреляционные характеристики зависят от плотности, температуры электронов, конфигурации магнитного поля и других макропараметров плазмы Т7-И.

2. Показано, что увеличение амплитуды и сужение спектра флуктуаций плотности плазмы связано со снижением температуры электронов в области рассеяния. Это увеличение амплитуды и сужение спектра проявляется одинаково для разных способов снижения электронной температуры: при выключении электронно-циклотронного (ЭЦР) нагрева плазмы, при срыве разряда, с приходом фронта охлаждения при напуске холодного азота в камеру. Спектр флуктуаций плотности сужается в 3-5 раз при снижении температуры в 10-12 раз.

3. Только в конфигурациях магнитного поля стелларатора ТМ1 с магнитными островами наблюдаются гармоники с частотами 20-40 кГц и интенсивностями, превышающими уровень фонового спектра в

5-7 раз, в широкополосных спектрах флуктуаций плотности плазмы. В этих конфигурациях низкочастотные колебания флуктуаций плотности в диапазоне десятков килогерц, измеренные диагностикой 2-мм рассеяния, имеют взаимную корреляцию с высоким уровнем коэффициента взаимной корреляции, доходящим до 50%, с МГД-колебаниями, измеряемыми магнитными зондами, Впервые по временному сдвигу взаимно-корреляционной функции показано распространение возмущений от периферии к центру шнура со скоростью, составляющей 0,5-1 -106 см/с.

4. По величине временной задержки между напуском холодного азота и увеличением амплитуды флуктуаций была определена скорость распространения холодного фронта, составившая 50-80 км/с. Показано, что охлаждение плазмы при напуске холодного азота происходит по баллистическому, а не по диффузионному механизму.

5. Показано, что изменение амплитуды и частотного спектра флуктуаций плотности плазмы коррелирует с изменением не только величины, но и радиального профиля температуры электронов. При дополнительной (к ЭЦР нагреву плазмы) инжекции нейтрального пучка уровень флуктуаций снижается до уровня шума при выравнивании радиального профиля температуры электронов, когда dTe/dn<2/3,. Это позволяет определить природу раскачки флуктуаций плотности плазмы при ЭЦР-нагреве как ETG-моду. Указанная ETG неустойчивость подавляется при дополнительном нагреве инжекцией нейтрального пучка.

В результате проведенных исследований показана корреляция между микропараметрами (мелкомасштабными флуктуациями плотности плазмы) и макропараметрами (плотностью, температурой электронов, конфигурацией магнитного поля) плазмы в стеллараторе TJ-II.

Публикации по теме диссертации

1. N.N. Skvortsova, G. М. Batanov, L.V. Kolik, А.Е. Petrov, A.A. Pshenichnikov, К.А. Sarksyan, N.K. Kharchev, К. Ohkubo, Т. Shimozuma, Н. Idei, S. Kubo, B P. van Milligen, T. Estrada, J. Sanchez. Investigation of turbulence in a high-temperature plasma by microwave scattering techniques in modern stellarators. // J. of Plasma Fusion and Research (JPFR Series). 2002, v.5, P. 328-332.

2. E. Ascasibar, C. Alejaldre, J. Alonco, I. Almoguera, L. Almoguera, A. Baciero, R. Balbin, E. Blanco, M. Blaumoser, J. Botija, B. Branas, R. Carrasco, F. Castejon, J. Castellano, J. Doncel, N.V. Dreval, S. Eguioor, L. Eliseev, T. Estrada, 0. Fedianin, A. Fernandez, J.M. Fontdecaba, C. Fuentes, I. Garsia-Cortes, L. Garsia, J. Herranz, A. Hidalgo, C. Hidalgo, J.A. Jimenez, I. Kirpitchev, S.M. Khrebtov, A.D. Komarov, A.S. Kozachok, L. Krupnik, K. Likin, M. binders, D. Lopes-Bruno, A. Lopez-Fraguas, J. Lopez-Razola, A. Lopez-Sanchez, E. de la Luna,R. Martin, M. Medrano, P. Mendez, K. J. McCarthy, F. Medina, A. V. Melnikov, B.P. van Milligen, I. S. Nedzelsky, M. Ochando, L. Pasios, I. Pastor, M.A. Pedrosa, A. de la Pena, A. Petrov, S. Petrov, A. Portas, J. Romero, L. Rodrigues-Rodrigo, A. Salas, E. Sanchez, J. Sanchez, K. Sarksian, S. Schepetov, N. Skvortsova. F.L. Tabares, D. Tafalla, V. Tribaldos, С F.A. Varandas, J.Vega, B.Zurro. Confinement and stability on the TJ-II stellarator. // Plasma Physics and Control Nuclear Fusion, 2002, v. 44, B307-B322.

3. B.P. van Milligen, E. de la Luna, F.L. Tabar'es, E. Ascasibar, T. Estrada, F. Castej'on, J. Castellano, I. Garcia-Cortes, J. Herranz, C. Hidalgo, J.A. Jimenez, F. Medina, M. Ochando, I. Pastor, M.A. Pedrosa, D. Tafalla, L. Garcial, R . Sanchez, A. Petrov, K. Sarksian and N. Skvortsova. Ballistic transport phenomena in TJ-II. // Nucl. Fusion, 2002, v,42 pp. 787-795 Г.М. Батанов, Л.В. Колик, А.Е. Петров, A.A. Пшеничников, K.A. Сарксян, H.H. Скворцова, Н.К. Харчев, Ю.В. Хольнов. К. Окубо, Т. Шимозума, И. Иошимора, Ш. Кубо, X. Санчез, Т. Эстрада, Б. В Миллиген. Исследование флуктуаций в высокотемпературной плазме современных стеллараторов методами микроволнового рассеяния. // Физика плазмы, 2003, т. 29, вып. 5, с. 395-413.

5. N.N. Skvortsova, G. М. Batanov, А. Е. Petrov, A. A. Pshenichnikov, К. A. Sarksyan, N. К. Kharchev, S. Kubo, J. Sanchez. Non-Gaussian Probability Densities for Plasma Turbulence with Stochastic Structures Proc. of XXIII Int. Seminar on Stability Problems for Stochastic Models. Pamplona (Spain), 2003, Inv. Report, p.89-90.

6. Г.М. Батанов, Л.В. Колик, A.A. Пшеничников, А.Е. Петров, К.А.Сарксян, Н.Н.Скворцова, Н.К.Харчев, Ю.В.Хольнов, К.Окубо, Т.Шнмозума, X. Санчез, Т. Эстрада, Б. Ван Миллиген. Низкочастотная структурная плазменная турбулентность в стеллараторах. В сб. Стохастические модели структурной плазменной турбулентности. В. Ю. Королев и Н. Н. Скворцова - ред. "МАКС-Пресс".М. 2003. С. 92-124.

7. G.M. Batanov, L.V. Kolik, А.Е. Petrov, A.A. Pshenichnikov, K.A. Sarksyan, N. K. Kharchev, K. Ohkubo, T. Shimozuma, H. Idei, Y. S. Kubo, J. Sanchez, T. Estrada, B. Ph. Milligen. Investigation of Low-Frequency Structural Turbulence in a Core Plasma in Modem Stellarators. 30th EPS Conference on Contr. Fusion and Plasma Phys., St. Petersburg, 7-11 July 2003. ECA Vol. 27A, P-l .45.

8. N.N. Skvortsova, A. E. Petrov, K. A. Sarksyan, О. I. Fedyanin, E. Ascasibar, A. Lopes-Fraguas Т. Estrada, J. Sanchez, B.Ph. van Milligen. Density Fluctuations in High-Temperature Plasma and MHD oscillations in the TJ-II Stellaraior, 30th EPS Conference on Contr. Fusion and Plasma Phys., St. Petersburg, 7-11 July 2003. EC A Vol. 27A, P-1.20

9. N.N.Skvortsova, G.M.Batanov, L.V.Kolik, A.E.Petrov, A.Pshenichnikov, K. A. Sarksyan, N.K.Kharchev, Yu.V .Khol'nov, S.Kubo, J.Sanchez. Recent results of studies of fluctuations in high-temperature plasma of modern stellarators by microwave scattering technique. VI Int. Conf. Strong Microwaves in Plasmas. Nizhny Novgorod, 2005. P.10

10. C.Hidalgo, C.Alejaldre, A.Alonso, J.Alonso, L. Almoguera, F. de Aragón, E. Ascasibar, A. Baciero, R. Balbin, E. Blanco, J. Botija, В. Branas, A, Cappa, J.A.Carmona, R. Carrasco, F. Castejon, J.R. Ceppero, A.A. Chmyga, J. Doncel, N.V. Dreval, S. Eguioor, L. Eliseev, T. Estrada, J.A.Ferreira, A. Fernandez, J.M. Fontdecaba, C. Fuentes, A. Garsia, I. Garsia-Cortes, B. Gonsalves, J. Guasp, J. Herranz, A. Hidalgo, R. Jimenez , J.A. Jimenez, D. Jimenez-Rey, I. Kirpitchev, S.M. Khrebtov, A.D. Komarov, A.S. Kozachok, L. Krupnik, F. Lapayese, M. binders, D. Lopes-Bruno, A. Lopez-Fraguas, J. Lopez-Razola, A. Lopez-Sanchez, E. de la Luna.G. Marconi, M. Medrano, P. Mendez, K. J. .McCarthy, F. Medina, A. V. Melnikov, B.P. van Milligen, I. S. Nedzelsky, M. Ochando, L. Pasios, I. Pastor, M.A. Pedrosa, A. de la Pena, A. Petrov, S. Petrov, A. Portas, J. Romero, L. Rodrigues-Rodrigo, A. Salas, E. Sanchez, J. Sanchez, K. Sarksian, S. Shchepetov, N. Skvortsova. F.L. Tabares, D. Tafalla, V. Tribaldos, I. Vargas, J.Vega, G. Wolfers, B.Zurro. Overview of TJ-II experiments Nuclear Fusion, 2005, v. 45, S266-S275

11. N. Skvortsova, G.M. Batanov, L.V. Kolik, A.E. Petrov, A. Pshenichnikov, K.A. Sarksyan, N.K. Kharchev, Yu.V. Khol'nov, S. Kubo, J. Sanchez. Recent results of studies of fluctuations in high-temperature plasma of modern stellarators by microwave scattering technique. 15th International Stellarator workshop, Madrid, October 2005, P.3-31.

12. N.N. Skvortsova, G.M. Batanov, L.V. Kolik, A.E. Petrov, A.A. Pshenichnikov, K.A. Sarksyan, N.K. Kharchev, Yu.V. Khol'nov, S. Kubo, J. Sanchez. Recent results of studies of fluctuations in high-temperature plasma of modern stellarators by microwave scattering technique Сборник . Strong Microwaves in Plasmas. Ed. A G. Litvak. Nizny Novgorod, 2006 P. 581-586

13. J. Sanchez, M. Acedo, A. Alonso, J. Alonso, P. Alvarez, F. de Aragón, E. Ascasibar A. Bacier, R. Balbin, L. Barrer, E. Blanco, J. Botija, В. Branas, Cal E. Calderón,

I. Calvo, A. Cappa, J. M. Camiona, R. Carrasco, В. A. Carreras, F. Castejon, G. Catalon, M. Chamorro, A. A. Chmyga, N. B. Dreval, S. Eguilior, L Eliseev, J. Encab, T. Estrada , A. Fernandez, R. Fernandez, J. A. Ferreira, J. M. Fontdecaba, C. Fuentes, J. de la Gama, A. Garcia, L. Garcia, L Garcia-Cortes, J. M. Garcia-Regana, B. Gonsalves, J. Guas, J. Herranz, A. Hidalgo, C. Hidalgo, J. A. Jimenez, D. Jimenez, R. Jimenez-Gomez, I. Kirpitchev, A. D. Komarov, A. S. Kozachok, L. Krupnik, F. Lapayese, M. Liniers, D. Lopez-Bruna, A. Lopez-Fraguas, J. Lopez-Rezola, A. Lopez-Sanchez, E. de la Luna, G. Marconi, F. Martin, L. Martenez-Fresn, K. J. McCarthy, F. Medina, M. Medrano, A. V. Melnikov, P. Mendez, B. Van Milligen, E. Mirones, I. S. Nedzelskiy, M. Ochando, J. Olivares, R. Orozc, P. Ortiz, J. L. de Pablos, L. Pacios, I. Pastor, M. A. Pedrosa, A. de la Pena, A. Pereira, D. Perez-Risco, A. Petrov, S. Petrov, A. Portas, D. Rapisarda, L. Rios, C. Rodriguez, L. Rodriguez-Rodrigo, E. Rodríguez-Solano, J. Romero, A. Ros, A. Salas, E. Sanchez. M. Sanchez, E. Sanchez-Sarabia, X. Sarasola, K. Sarksian,

S. Schchepetov, N. Skvortsova, C. Silva, A. Soleto, F. Tabares, D. Tafalla, J. Tera,

A. Tolkachev, V. Tribaldos, I. Vargas. J. Vega, G. Velasco, M. Weber, G. Wolfers,

B. Zurro. Overview of TJ-II experiments. 21th IAEA Fusion Energy Conference, Chengdu, China, Oct. 2006. Paper OV/4-2.

14. N.N. Skvortsova, G. M. Batanov, L. V. Kolik, A. E. Petrov, A. A. Pshenichnikov, K. A. Sarksyan, N. K. Kharchev, Yu.V. Kholnov, J. Sanchez, T. Estrada, B. van Milligen, K. Ohkubo, T. Shimozuma, Y. Yoshimura and S. Kubo. Low-frequency structural plasma turbulence in stellarators. V. Yu. Korolev and N.N. Skvortsova, (Eds). "Stochastic Models of Structural Plasma Turbulence". VSP, Leiden - Boston, The Netherlands. 2006. P. 63-89.

15. N.N. Skvortsova, G.M. Batanov, A.E. Petrov, A.A. Pshenichnikov, K.A. Sarksyan, N.K. Kharchev, V.Yu. Korolev, T.A. Maravina, J. Sanchez and S. Kubo. New possibilities for the mathematical modelling of turbulent transport processes in plasma. Low-frequency structural plasma turbulence in stellarators. V.Yu. Korolev and N.N. Skvortsova, (Eds). "Stochastic Models of Structural Plasma Turbulence". VSP, Leiden - Boston, The Netherlands, 2006. P. 87-114.

16. N.N.Skvortsova, G.M.Batanov, K.A.Sarksyan, L.V.Kolik, A.E.Petrov, N.K. Kharchev, W.Kasparek, M.I.Petelin, E.P.Koposova, V.E.Zapevalov, V.A.Vershkov, D.A.Shelukhin, K. Tanaka, S.Kubo. Opportunities for plasma diagnostics in fusion devices by means of terahertz sources 7 Int. Workshop. Strong Microwaves: Sources and Applications. N.Novgorod, 2008, HI.

17. N.N. Skvortsova, G.M. Batanov, K.A. Sarksyan, L.V.Kolik, A.E. Petrov, N.K. Kharchev, W. Kasparek, M.I. Petelin, E.P. Koposova,V.E. Zapevalov, V.A. Vershkov, D.A. Shelukhin, K. Tanaka, S. Kubo. Opportunities for plasma diagnostics in fusion devices by means of terahertz sources. Сборник "Strong Microwaves in Plasmas". Ed. A G. Litvak. Nizny Novgorod, 2009, pp.384-391.

18. A.E. Петров, K.A. Сарксян, H.H. Скворцова Микроволновая диагностика коллективного рассеяния для исследования низкочастотных турбулентных флуктуаиий плотности плазмы в современных стеллараторах. Научный вестник МИРЭА 2009, №2 (7), стр.42-50.

Список использованной литературы

1. В.П. Пастухов, Н.В. Чудин. Динамическое моделирование низкочастотной турбулентности и недиффузионных процессов переноса в замагниченной плазме. — В кн.: "Пути Учёного. Е.П. Велихов" (под общей ред. акад. РАН В.П. Смирнова), 2007, М.: РНЦ "Курчатовский институт", 656 е., с. 30—41.

2. V.Yu. Korolev and N.N. Skvortsova. (Eds) "Stochastic Models of Structural Plasma Turbulence". VSP, Leiden - Boston, The Netherlands. 2006.

3. K. Tanaka, C. Michael, A.L. Sanin, L.N. Vyacheslavov, K. Kawahata, S. Murakami, A. Wakasa, S. Okajima, H. Yamada, M. Shoji, J. Miyazawa, S. Morita, T. Tokuzawa, T. Akiyama, M. Goto, K. Ida, M. Yoshinuma, I. Yamada, M. Yokoyama, S. Masuzaki, T. Morisaki, R. Sakamoto, H. Funaba, S. Inagaki, M. Kobayashi, A. Komori and LHD experimental group . Experimental study of particle transport and density fluctuations in LHD. Nuclear Fusion 46, PI 10-122

4. B.B. Буланин, С.В.Лебедев, Л.С. Левин, B.C. Ройтерштейн. Рефлектометрические исследования колебаний плазмы в токамаке Туман-ЗМ при наклонном падении зондирующего излучения// Физика плазмы. 2000. Т. 26. С. 867.

5. E.Z. Gusakov. Evolution of ETG-mode scale turbulence spectra and anomalous electron transport in dynamic experiments at FT-2 tokamak. EX/102Rb-2008 IAEA FEC 2008.

6. L.I. Krupnik, A.V. Melnikov, C. Hidalgo, L.G. Eliseev, A.A. Chmyga, A.D. Komarov, A.S. Kozachok, S.V. Perfilov, L.G. Lysenko, A.I. Zhezhera, M.A. Pedrosa, J.i. de Pablos. Recent measurements of the electric potential profile and fluctuations in ECRH and NBI plasmas on TJ-II stellarator. Problems of Atomic Science and Technology, 2009, №1, series Plasma Physics (15),p.31-33.

7. А.Г. Жуковский. Флуктуации плотности плазмы. М.: Энергоатомиздат. 1993.

8. Mazzukato Ernesto. Small-scale density fluctuations in the adiabatic toroidal compressor. Phys.Rev.Lett., 1976, v.36, n.14, p.792-794

9. Mazzukato Ernesto. Turbulent fluctuations with the electro gyro-scale in the NSTX experiment. IAEA FEC 2008, EX/102Ra

10. Г.М. Батанов, K.M. Ликин, К А Сарксян, М.Г. Шац. К вопросу о дрейфовой турбулентности бестоковой плазмы в стеллараторе JI-2 при ее электронном циклотронном нагреве. // Физика Плазмы. 1993. 19. С. 1199-1209.

И. M.G. Shats, J.H. Harris, K.M. Likin, J.B. Wilgen, L.R. Baylor, J.B. bell. C.H. Ma, M. Murakami, K.A. Sarksian, S. C. Aqceto, T. S. Bigelow, G. L/. Bell, R.J. Colchin, R.A. Dory, I.L. Dunlap, G.R. dyar, A.C. England, R.C. Goldfinger, G.R. hanson, D.P. Hutchinson, R.C. Isler, T.C. jemigan, R.A. Langley, D.C. Lee, J.F. Lyon, A.L. Quella, D.A. Rasmussen, R.K. Richards, M.J. Saltmarsh, I.E. Simkms, K.L. Vander Sluis, J.J. Zeilinskii. Drift-wave-like density fluctuations in the Advanced Toroidal Facility (ATF) torsatron. // Phys. Plasmas. 1995, v.2. P.398-413.

12. K.M. Likin, J. Sanchez, B. Branas, K.A. Sarksian. Measurements of density fluctuations by 2-mm scattering diagnostic in TJ-1U torsatron. // X Inter. Workshop, on Stellarators (Madrid), 1995, P.216.

13. J. Alonco, I. Almoguera, E Ascasíbar, A Baciero, R. Balbín, M. Blaumoser, J. Botija, В. Braflas, E. de la Cal, A. Cappa, R. Carrasco, F. Castejón, J. R. Cepero, C. Cremy, J. M. Delgado, J. Doncel, С. Dulya, Т. Estrada, A. Fernández, С. Fuentes, A. García, I. Garcí a-Cortés, J. Guasp, J. Herranz, C. Hidalgo, J. A. Jiménez, I. Kirpitchev, V. Krivenski, I. Labrador, F. Lapayese, K. Likin, M. Líníer, A. López-Fraguas, A. López-Sánchez, E. de la Luna, R. Martín, A. Martinez, L. Martínez-Laso, M. Medrano, P. Méndez, K. J. McCarthy, F. Medina, B. van Milligen, M. Ochando, L. Pacios, I. Pastor, M. A. Pedrosa, A. de la Peña, A. Portas, J. Qin, L. Rodríguez-Rodrigo, A. Salas, E. Sánchez, J. Sánchez, F. Tabarés, D. Tafalla, V. Tribaldos, J. Vega, B. Zurro, D. Akulina, O. 1. Fedyanin, S. Grebenshchikov, N. Kharchev, A. Meshcheryakov, K. A. Sarksian, R. Barth, G. van Dijk, H. van der Meiden. Confímenent studies in the TJ-П stellarator. // Plasma Phys. Control Fusion, 1999, v.41, B109 -B117

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

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

16. C.Hidalgo, M.A.Pedrosa, J.A.Jimenes, A.L.Fraguas, В. Van Milligen, E.Sanchez. Instability thresholds, rational surfaces and fluctuations in the TJ-П stellarator. Proc. 13th Stell. Workshop, Canberra 2002. C72. Paper O.III.6.

Подписано в печать 01 февраля 2010 г.

Формат 60x90/16

Объём 1,5 п л.

Тираж 100 экз.

Заказ №080210275

Оттиражировано на ризографе в ООО «УниверПринт» ИНН/КПП 7728572912\772801001

Адрес: 119333, г. Москва, Университетский проспект, д. 6, кор. 3.

Тел. 740-76-47, 989-15-83.

http://www.imiverprmt.ru

Введение.

Глава 1. Обзор экспериментов по исследованию флуктуаций плотности плазмы в тороидальных установках диагностикой микроволнового рассеяния.

1.1. Необходимость исследования флуктуаций плотности плазмы в тороидальных установках.

1.2. Физические основы диагностики микроволнового рассеяния.

1.3. Расчетные основы диагностики.

1.3.1. Передача мощности рупорно-линзовыми антеннами.

1.3.2. Оценка мощности, рассеянной на флуктуациях плотности плазмы.

1.3.3. Экспериментальное определение спектральной плотности и чувствительности методики.

1.4. Принципы проектирования диагностики микроволнового рассеяния.

1.5. Исследования флуктуаций плотности плазмы в стеллараторах методом микроволнового рассеяния.

1.5.1. Исследование флуктуаций плотности плазмы в стеллараторе Л-2.

1.5.2. Исследование флуктуаций плотности плазмы в стеллараторе ATF.

1.5.3. Исследование флуктуаций плотности плазмы в стеллараторе TJ-1U.

Диссертационная работа связана с одной из фундаментальных проблем, существующих в физике плазмы, - определением параметров плазмы в тороидальных установках (стеллараторах и токамаках) и их связи с флуктуациями плотности в этой плазме. К настоящему времени общепризнанным фактом считается то, что диффузия частиц и теплопроводность в токамаках и стеллараторах зависит от интенсивности флуктуаций плотности плазмы, электрического поля и температуры частиц [см., например, 1,2]. Поэтому информация о характеристиках флуктуаций, о связи этих характеристик с различными макропараметрами плазмы является принципиально важной для решения фундаментальных задач и прикладных проблем, связанных с удержанием высокотемпературной плазмы в термоядерных установках.

Задачей данной работы является исследование корреляции между макропараметрами плазмы и характеристиками флуктуаций плотности плазмы в стеллараторе TJ-II (Мадрид, Испания)

Исследования флуктуаций высокотемпературной плазмы в центре плазменного шнура существенно ограничены сложностью диагностической техники. На больших термоядерных установках такие диагностики должны быть бесконтактными и располагаться на больших расстояниях. В настоящее время успешно развиваются следующие диагностики - это, в первую очередь, диагностики методом рассеяния в плазме лазерного [3] и СВЧ излучения [4,5], а также диагностика «Heavy ion beam probe» (HIBP) или зондирование пучком тяжелых ионов [6]. Эти диагностики дополняют друг друга, потому что измерения проводятся в разных областях плазменных шнуров, в которых определяются разные пространственные масштабы ч пульсаций. Диагностика микроволнового рассеяния в плазме, которая является основным методом исследования в данной диссертации, позволяет исследовать флуктуации плотности плазмы в широком диапазоне волновых чисел в заданной области плазменного шнура, а в случае многоканального исполнения сравнивать флуктуации плотности в различных областях плазмы и/или изучать их интегральные характеристики [7]. В диагностиках микроволнового рассеяния на флуктуациях плотности плазмы широко используется излучение миллиметрового диапазона длин волн, частота которого выше частоты отсечки для плазмы большинства установок. Наиболее часто применяется излучение с длиной волны \~2 мм (впервые в токамаках [8,9]), что и определило название «диагностика 2-мм рассеяния».

Особенный интерес представляет исследований флуктуаций в стеллараторах, связанное с необходимостью учета турбулентного переноса в балансе частиц в рамках неоклассической теории. С целью исследования флуктуаций плотности высокотемпературной плазмы в стеллараторах в отделе физики плазмы ИОФ РАН были разработаны диагностики 2-мм рассеяния в стеллараторах Л-2 [10], ATF [11], TJ-IU [12]. Полученный опыт работы позволил разработать и создать диагностику 2-мм рассеяния для исследования флуктуаций плотности плазмы в стеллараторе TJ-II со сложной трехмерной геометрией плазменного шнура.

Разработанная диагностика 2-мм рассеяния явилась основой данной диссертации, которая позволила в ряде физических экспериментов получить важные результаты по исследованию характеристик флуктуаций плотности плазмы и их связи с макропараметрами плазмы в стеллараторе TJ-II.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для стелларатора TJ-II разработана и создана диагностика 2-мм рассеяния. Эта диагностика позволила провести исследования низкочастотных флуктуаций плотности плазмы с волновыми векторами к=3 см"1 и к=6 см"1 на середине радиуса плазменного шнура и сравнить параметры флуктуаций с макропараметрами плазмы.

1. Показано существование в стеллараторе TJ-II мелкомасштабных флуктуаций плотности плазмы со сплошными широкополосными частотными спектрами с полуширинами до 300-500кГц, амплитуды которых, их спектральные и корреляционные характеристики зависят от плотности, температуры электронов, конфигурации магнитного поля и других макропараметров плазмы TJ-II.

2. Показано, что увеличение амплитуды и сужение спектра флуктуаций плотности плазмы связано со снижением температуры электронов в области рассеяния. Это увеличение амплитуды и сужение спектра проявляется одинаково для разных способов снижения электронной температуры: при выключении электронно-циклотронного (ЭЦР) нагрева плазмы, при срыве разряда, с приходом фронта охлаждения при напуске холодного азота в камеру. Спектр флуктуаций плотности сужается в 3-5 раз при снижении температуры в 10-12 раз.

3. Только в конфигурациях магнитного поля стелларатора TJ-II с магнитными островами наблюдаются гармоники с частотами 20-40 кГц и интенсивностями, превышающими уровень фонового спектра в 5-7 раз, в широкополосных спектрах флуктуаций плотности плазмы. В этих конфигурациях низкочастотные колебания флуктуаций плотности в диапазоне десятков килогерц, измеренные диагностикой 2-мм рассеяния, имеют взаимную корреляцию с высоким уровнем коэффициента взаимной корреляции, доходящим до 50%, с МГД-колебаниями, измеряемыми магнитными зондами,. Впервые по временному сдвигу взаимно-корреляционной функции показано распространение возмущений от периферии к центру шнура со скоростью, составляющей 0,5-1-106 см/с.

4. По величине временной задержки между напуском холодного азота и увеличением амплитуды флуктуаций была определена скорость распространения холодного фронта, составившая 50-80 км/с. Показано, что охлаждение плазмы при напуске холодного азота происходит по баллистическому, а не по диффузионному механизму.

5. Показано, что изменение амплитуды и частотного спектра флуктуаций плотности плазмы коррелирует с изменением не только величины, но и радиального профиля температуры электронов. При дополнительном к

ЭЦР нагреве плазмы инжекцией нейтрального пучка было показано, что при выравнивании радиального профиля температуры электронов, когда dTe/dn<2/3, уровень флуктуаций снижается до уровня шума. Это позволяет определить природу раскачки флуктуаций плотности плазмы при ЭЦР-нагреве как ETG-моду. Указанная ETG неустойчивость подавляется при дополнительном нагреве инжекцией нейтрального пучка.

В результате проведенных исследований показана корреляция между микропараметрами (мелкомасштабными флуктуациями плотности плазмы) и макропараметрами (плотностью, температурой электронов, конфигурацией магнитного поля) плазмы в стеллараторе TJ-II.

1. V.Yu. Korolev and N.N. Skvortsova. (Eds) "Stochastic Models of Structural Plasma Turbulence". VSP, Leiden Boston, The Netherlands. 2006.

2. B.B. Буланин, С.В.Лебедев, Л.С. Левин, B.C. Ройтерштейн. Рефлектометрические исследования колебаний плазмы в токамаке Туман-ЗМ при наклонном падении зондирующего излучения// Физика плазмы. 2000. Т. 26. С. 867.

3. E.Z. Gusakov. Evolution of ETG-mode scale turbulence spectra and anomalous electron transport in dynamic experiments at FT-2 tokamak. EX/102Rb-2008 IAEA FEC 2008.

4. L.I. Krupnik, A.V. Melnikov, C. Hidalgo, L.G. Eliseev, A.A. Chmyga, A.D.

5. А.Г. Жуковский. Флуктуации плотности плазмы. М.: Энергоатомиздат. 1993.

6. Mazzukato Ernesto. Small-scale density fluctuations in the adiabatic toroidal compressor. Phys.Rev.Lett., 1976, v.36, n.14, p.792-794

7. Mazzukato Ernesto. Turbulent fluctuations with the electro gyro-scale in the NSTX experiment. IAEA FEC 2008, EX/102Ra

8. Г.М. Батанов, K.M. Ликин, К А Сарксян, М.Г. Шац. К вопросу о дрейфовой турбулентности бестоковой плазмы в стеллараторе Л-2 при ее электронном циклотронном нагреве. // Физика Плазмы. 1993. 19. С. 1199-1209.

9. К.М. Likin, J. Sanchez, B. Branas, K.A. Sarksian. Measurements of density fluctuations by 2-mm scattering diagnostic in TJ-1U torsatron. // X Inter. Workshop, on Stellarators (Madrid), 1995, P.216.

10. В.П. Пастухов «Уравнение нелинейной МГД конвенции» Физика плазмы.2005,31, 1-14

11. JI.A. Арцимович. Замкнутые плазменные конфигурации. М. Наука. 1969.

12. JI.A. Арцимович, Р.З. Сагдеев. Физика плазмы для физиков. М.: Атомиздат. 1979

13. М. Shimada, V. Mukhovatov, G. Federici Y. Gribov, A. Kukushkin, Y. Murakami, A. Polevoi, V. Pustovitov, S. Sengoku and M. Sugihara. Performance of ITER as burning plasma experiment. // Nucl. Fusion. 44(2). 2004. P.350-356. http://www.iter.org/

14. C.E. Гребенщиков, И.С. Данилкин, А.Б. Минеев. Моделирование энергобаланса плазмы в стеллараторах. Гибридная модель неоклассического переноса» Физика плазмы. 1996, 22, с.608-612.

15. JI.M. Коврижных. Моделирование транспортных процессов в стеллараторах. Физика плазмы .2006.,т.32.№12, с.988-995.

16. С. Hidalgo. Edge Turbulence and Anomalous Transport in Fusion Plasmas. // Plasma Phys. Control Fusion. 1995. 37. P. A53-A67.

17. Г.М. Батанов, В.Е. Бенинг, В.Ю. Королев, А.Е. Петров, А.А. Пшеничников, К.А. Сарксян, Н.Н. Скворцова, Н.К. Харчев, Ю.В. Хольнов. Структурная плазменная низкочастотная турбулентность в стеллараторе Л-2М.//Письма в ЖЭТФ, 2003. 78. С. 974-983.

18. Akihide Fujisawa. Transport barriers and bifurcation characteristics in stellarators. // Plasma Phys. Control Fusion, 2001, v.44, P. A1-A18.

19. P. Hennequin, R. Sabor, C. Honnore, G.T. Hoang, X. Garbet, A. Trie, C. Fenzi, A. Quemeneur. Scalling laws of density fluctuations at high-k on Tore Supra. Plasma Physics Control Fusion. 46 (2004) B121-B135.

20. F. Wagner. A quarter-century of H-mode studies. Plasma Phys. Control. Fusion. 2007, v.49, B1-B33

21. А.Б. Михайловский. Теория плазменных неустойчивостей. Т. 1,2. М.: Атомиздат.1971.

22. А.Б. Михайловский. Неустойчивости плазмы в магнитных ловушках. М.: Атомиздат. 1978.

23. Кадомцев Б.Б., Погуце О.П. Турбулентные процессы в тороидальных системах // Вопросы теории плазмы. Под ред. Леонтовича М.А. Вып. 5. - М.: Атомиздат. 1967. - С. 209 - 350.

24. Хортон В. Дрейфовая турбулентность и аномальный перенос // Основы физики плазмы. Под ред. Галеева А.А. и Судана P. Т.2. - М.: Энергоатомиздат. 1984. - С. 362 - 433.

25. А.Ф. Александров, Л.С. Богданкевич, А.А. Рухадзе. Основы электродинамики плазмы. М.: Высшая школа. 1978.

26. W. Dorland, F. Jenko, М. Koschenreuther, B.N. Rodes. Electron temperature gradient turbulence. Phys. Rev. Lett. V. 38, 26. 5579-5583. 2000.

27. Б.Б. Кадомцев, О.П. Погуце. Диссипативная неустойчивость на запертых частицах в плотной плазме. // ДАН СССР. 1969. 186. С.553-557.

28. Tobias Gorier, Frank Jenko. From electron tp ion scales nonlinear gyrokinetik multiscale simulations/. 15-19 September 2008, Wolfgang Pauli1.stitute (WPI), Vienna.

29. Гусаков Е.З., Попов А.Ю. (ФТИРАН, Санкт-Петербург) Нелинейная теория радиальной корреляционной рефлектометрии. // XXIX Звенигородская конференция по физике плазмы и УТС, 2002 г. http://www.fpl.gpi.ru/Zvenigorod/XXIX/ZvenXXIX.html

30. Novik К.М., Pilia A.D.//Plasma Phys. Enhanced microwave scattering in plasmas. Control. Fusion. 1994.V.35. P.357.

31. V. Yu. Korolev and N.N. Skvortsova. (Eds) "Stochastic Models of Structural Plasma Turbulence". VSP, Leiden Boston, The Netherlands. 2006.

32. Абраков B.B., Петров A.E., Сарксян K.A., Скворцова Н.Н. Экспериментальные исследования тонкой структуры ионно-звуковой турбулентности замагниченной плазмы с током // Физика плазмы. 1994. -Т. 20.-С. 1069-1076.

33. Буланин B.B., Лебедев C.B., Левин Л.С., Ройтерштейн B.C. Рефлектометрические исследования колебаний плазмы в токамаке Туман-ЗМ при наклонном падении зондирующего излучения. Физика плазмы. 2000. Т. 26. С. 1.

34. Mazzukato Ernesto. Spectrum of small-scale density fluctuations in tokamaks. Phys.Rev.Lett., 1982, v.48, n.26, p. 1828-1830

35. Дж. Шеффилд. «Рассеяние электромагнитного излучения в плазме»., Атомиздат, 1978

36. А.Г. Жуковский. Флуктуации плотности плазмы. М.: Энергоатомиздат. 1993

37. Маркузе. Оптические волноводы, М., Наука, 1975

38. R.E.Slusher, C.M.Surko. Study of density fluctuations in plasmas by small-angle C02 laser scattering . Phys. Fluids, 23, 472(1980)

39. C. Hidalgo, B.Ph. van Milligen, M.A. Pedrosa, E. Sanchez, et al. On the radial structure of fluctuations and turbulence induced flows. // J. of Plasma Fusion and Research (JPFR Series). 1998. 1. P. 96-98.

40. Генератор дифракционного излучения миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн / И.М. Балаклицкий, Б.К. Скрынник, О.А. Третьяков и др. // Украинский Физический Журнал, 1969, т. 14, №4, с.539-552

41. Г.М. Батанов, JIB. Колик, K.A. Сарксян, K.M. Ликин, М.Г. Шац . Комбинационное рассеяние СВЧ излучения при ЭЦР нагреве плазмы на стеллараторе Л-2. //Физика плазмы. 1986. 12(9). С. 1027-1032.

42. G.M. Batanov, К.А. Sarksian, A.V. Sapojnikhov, N.N. Skvortsova, M.G. Shats. Spectra and correlation functions of drift and ion-sound turbulence. IV Inter. Conf. on Nonlinear and Turbulent Processes in Physics. Kiev. 1989. 1. P.231-234.

43. Шац М.Г. Мелкомасштабные колебания горячей плазмы в стеллараторе JI-2. Москва, 1990, кандидатская диссертация

44. Малых Н.И., Ямпольский Е.С, Малых Л.Я., Харасевич А.И. Быстродействующий фазометр субмиллиметрового диапазона волн. Научно-технический отчет. Сухумский физ.-техн, институт, 1969г.

45. Ревин И.Д., Скрынник Б.К., Черпак Г.П., Шестопалов В.П. Генераторы дифракционного излучения в квантовой радиофизике миллиметрового диапазона длин волн. Харьков, 1985, препринт Института радиофизики и электроники №263

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

47. Стохастические модели структурной плазменной турбулентности. Сборник статей. Под редакцией В.Ю.Королева и Н.Н.Скворцовой. Москва, МАКС-Пресс, 2003

48. Е.З.Гусаков, А.В.Сурков. Эффективность усиленного рассеяния микроволн на высокочастотных флуктуациях плотности плазмы. Письма в ЖТФ, 2003, т.29, вып. 16, с.89-93

49. The JET Team ."Studies of Energy and Particle Transport in JET" Proc. 15th Jnt. Conf. on Plasma Physics and Controlled Fusion Research Seville, 1994,1, 307.Published by IAEA, Wien (1995)

50. P. Gallia, A. Cherubini, R. De Angelisb, F. De Lucaa, M. Erbac, R. Giannella, G. Gorinia, A. Jacchiad, H. Jackel, P. Manticad, V.V. Parail, L. Porte and A.

51. Taroniio Transient heat transport studies using laser ablated impurity injection in JET. 1998 Nucl. Fusion 38 1355-1371

52. Cordey J.G., Miur D., Neudatchin S.V., et. al., Nucl. Fusion 1995 35 101

53. Диагностика плазмы под редакцией Р.Хаддлстоуна и С.Леонарда. Москва, Мир, 1967, с. 60-93.

54. В.В.Буланин. Диагностика высокотемпературной плазмы. Санкт-Петербург, изд-во Политехнического университета, 2008

55. J. A. Jimenez, E. de la Luna, I. Garcia-Cortes, F. L. Tabares, B. Branas, F. Castejon, D. Tafalla, F. Medina, M. Ochando, B. Zurro, J. Romero, E.

56. Ascasibar and TJ-II Team. Influence of resonances on ELM-like events at TJ-II. Proc. 13th Stell. Workshop, Canberra 2002, P2.A8.

57. A. Lopez-Fraguas, E. Ascasibar, J. A. Romero, I. Garcia-Cortes,J. A. Jimenez, A. Lopez Sanchez,J. Qinl, M. Otte and TJ-II Team. Magnetic Surface Mapping in TJ-II Heliac. Proc. 13th Stell. Workshop, Canberra 2002. Paper PI:6.

58. A.E. Петров, K.A. Сарксян, H.H. Скворцова Микроволновая диагностика коллективного рассеяния для исследования низкочастотных турбулентных флуктуаций плотности плазмы в современных стеллараторах. Научный вестник МИРЭА 2009, №2 (7), стр.42-50.