Магнитная конфигурация торсатрона "Ураган-3М" экспериментальные методы измерения магнитных поверхностей и способы управления основными характеристиками в торсатронах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

РОССИЙСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР «КУРЧАТОВСКИЙ ИНСТИТУТ»

На правах рукописи УДК 537.521

ЛЕСНЯКОВ Григорий Григорьевич

МАГНИТНАЯ КОНФИГУРАЦИЯ ТОРСАТРОНА "УРАГАН-ЗМ" ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ И СПОСОБЫ УПРАВЛЕНИЯ ОСНОВНЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ В ТОРСАТРОНАХ

01.04.08 — физика и химия плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва—1994

Работа выполнена в Национальном научном центре "Харьковский физико-технический институт"

Научный руководитель , - доктор физико-математических наук,

профессор О.С.Павличенко

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук

А.П.Попрядухин

кандидат физико-математических наук З.Д.Цустовитов

Ведущая организация - Институт ядерных исследований'АН

Украины

Защита состоится " 1994 г. в часов

на заседании специализированного совета по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу в РНЦ "Курчатовский институт" (Д 034.04.01) по адресу: 123182, Москва, пл.И.В.Курчатова, I, тел. 196 92 51.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского научного центра "Курчатовский институт"

Автореферат разослан " ¿^Ь/Ь/И.Ш' 1994

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат физико-математических

наук / К.Б.Карташев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность_темы. В настоящее время наиболее проработанной альтернативной токэмаку магнитной системой является стелла-ратор или его модификация - торсзтрон. За последние года а экспериментах на основных установках стеллэраторнолго гапа -"Ливень-2", "Ураган-3" (трехзаходный торсатрон), "Hellotron-E", "W-TAS", "ATF", "CHS" получены высокие для установок данного масштаба параметры плазмы. Это послужило основанием для создания стелларатосных установок нового поколения - "1ШГ, "W-7I" с параметрами, приближающимися к параметрам крупнейших из действующих токамзков.

Важнейшей составной частью исследований на стелл.-эраторах является изучение топологии магнитных силоеых лини:!. Опыт эксплуатации ЕышеназЕзнных установок показывает, что, несмотря на строгую реализацию технического проекта стелларатора, искажения магнитного поля не всегда оказываются пренебрежимо малыш и могут существовать другие причины их возникновения (например, влияние окружающих материалов и т. п.). Поэтому перед началом исследований с плазмой необходимо экспериментально показать получение в установке проектной структуры магнитного поля. Создавая и применяя ноЕые, более эффективные методы исследования структуры магнитного поля, которые дают также и прямые изображения ■ магнитных (дрейфовых) поверхностей, необходимо провести картирование магнитного поля устаноЕ!си и определить границу замкнутых магнитных поверхностей. Деформация магнитных поверхностей указывает на существование возмущений поля. Если таковые имеются, то необходимо отождествить источники возмузе-ний, устранить их или провести компенсацию их полей.

Не менее важной составной частью исследования магнитной конфигурации является обеспечение Солее широкого диапазона управления вакуумной конфигурацией поля для получения резимсв с различным сочетанием положительного/отрицательного шира и магнитной ямы/бугра. Последние дают возможность проводить эксперименты по раздельному определению влияния шира и магнитной ямы на устойчивость плазмы.

Провести исследования магнитной конфигурзи ш трехзаходнсго торсатрона У-ЗМ, экспериментальных методов измерения магнитных поверхностей и способов управлеы я основными характеристиками в торсатронах.

3§У™!3_Н2шзна_и_практэтеская_ц9етостъ. Основные задачи, рассмотренные г диссертации, возникли в связи с исследованием трехзаходного торсатрона У-ЗМ. В работе проведено обобщение результатов расчетов для нескольких численных моделей магнитной системы и полнено полное и достоверное представление о структуре магнитных поверхностей и свойствах конфигурации. ВперЕке проведено сравнение расчетных характеристик магнитного поля системы, по описанию близкому к запроектированной, и системы, у которой все элементы представлены однонитевыми проводниками. Это позволило получить сведения об изменении основных характеристик ловушки (среднего радиуса замкнутых магнитных поверхностей, угла вращательного преобразования, магнитной ямы/бугра) при таком переходе, которые могут быть использованы для прогнозирования и обоснования подобных ловушек следующего поколения.

Б качестве принципиальной основы новых интегральных методов изучения магнитных поверхностей исследована физика явлений так называемого "стеллараторного диода" Измеренные экспериментальные закономерности поведения анодного тока в ловушке должны быть опорными при проверке адекватности теоретических описаний такого тороидального электронного облака. Впервые было показано, что возможны два уровня диффузии электронов в стелла-раторном диоде и найдены условия, их определяхщие. Впервые предложено использовать наблюдаемые радиальные изменения вольт-амперных характеристик (появление или исчезновение гистерезиса) для определения границы замкнутых магнитных поверхностей стеллараторов/торсатронов.

Ка основе развитых представлений о стеллараторном диоде на У-ЗМ предложен.» апробирован триодный метод исследования структуры магнитных поверхностей в варианте с постоянным напряжением источника тока. Этот метод позже был применен в США (г. Аубурн) при исследовании двухзаходного торсатрона.

Обнаружено, что для многоьиткоеых винтовых обмоток, какие созданы1 на торсатронзх У-3 и У-ЗМ, длинноволновые искажения закона винтовой намотки приводят к возникновению радиального

(горизонтального для геометрической оси тора) Вк поля. В торсатрона с : равоЕивтовой намоткой вследствие такого возмущения происх! дат смещение магнитной оси и окружающих ее поверхностей вверх, разрушение периферии апертуры. Разбалансом токов во внешне:'', паре соленоидов вертикального поля был осуиествлек довольно простой способ компенсации возмущения и 2

восстановлена структура магнитных поверхностей.

При настройке магнитной системы У-ЗМ впервые была проведена оценка режимов конфигурации применением предложенного объективного критерия качества, использующего оптимизацию удержания электронов.

Работа служит дальнейшему развитию представлений о влиянии квадрупольного и дштолъного магнитных полей на трехзаходный торсатрон и может быть использована для расширения экспериментальных возможностей по упраЕлению вакуумной конфигурацией поля. На торсатронах с мультшгольностью системы компенсационных соленоидов вертикального поля, равной или больше четырех, предложенный способ управления жпольной составляющей магнитного поля может быть использован для создания в режимах с магнитной ямой профиля угла вращательного преобразования с положительным широм.

Основные _положения1__БЫНосимые _н а _ з ашит £.

1. Результаты расчетов магнитной конфигурации 1=3, га=9 торсатрона У-2М.

2. Результаты экспериментального исследования явлений в "стеллараторном диоде".

3. Способ определения границы замкнутых магнитных поверхностей при помощи измерения вольт-амперной характеристики стеллараторного диода.

i. Описание триодного метода измерения структуры магнитных поверхностей ("стеллараторный диод с дополнительным сеточным анодом"), работавшего при постоянном напряжении источника тока.

,5. Результаты экспериментального исследования магнитных поверхностей торсатрона У-ЗМ и доказательства происхождения источников возмущений.

6. Результаты расчетов влияния на конфигурацию 7=3 торсатрона - модели У-ЗМ - квадрупольного и дипольного полей.

Т. Способ создания профиля угла вращательного преобразования с положительным' широм для режимов с магнитной ямой в конфигурации 2=3 торсзтрона.

Апробация_работа_и_щбликацш. Основные результаты диссертационной работы -докладывались и обсуждались на Всесоюзных конференциях по физике плазмы и ПС (Звенигород, 1987 и 1990 гг.), на совещаниях МАГАТЭ по стеллараторам (1989, 1991 гг.). По теме диссертации опубликовано семь статей, два отчета.

Стр^тща_и_дбъем_5иссертацш. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литера-

з

туры из 149 наименований, изложена на 179 страницах и включает 63 рисунка, 1 таблицу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

3° Введении обосновывается актуальность темы диссертации и объясняются основные задачи работы.

В Гл§Ее_1 содержится обзор теоретических и экспериментальных исследований, показывающих развитие магнитных систем трех-заходного торсатрона и влияние возмущений на структуру магнитного поля стеллараторов и, в частности, на 7=3 торсатрон.

В Главе_2 описаны параметры, наиболее важные конструктивные особенности установки У-ЗМ, метода, схемы и результаты численного исследования магнитной конфигурации торсатрона.

Раздел 2.1. Установка У-ЗМ - трехзаходный торсатрон со следующими параметрами [5,6]:

- средний малый радиус винтовой намотки аБ « 27.4 см'

- большой радиус Н = I м

- магнитное поле до Б0 =» 2 Тл

- заходность винтовой нглоткн 1=3'

- число периодов магнитного поля т = 9

- закон винтовой намотки для центральной линии ползосоз -кр = -(3/9)(0 - 0.2е1п6 + 0.01б1л29), где в и ф - угловые координата вдоль малого и большого обходов тора, соответственно.

Магнитная система У-ЗМ включает в себя еинтоеую обмотку торсгтронвсго типа, систему соленоидов мульткпольности р=4.для компенсации вертикального магнитного поля. Каждый полюс винтовой намотки с угловой шириной Д6 60° и высотой Ь/аЕ « 0.5 содержит по 55 витков медной шины. Система компенсации вертикального поля винтовой обмотки состоит из двух пар соленоидов, внутренней и внешней, и имеет четыре группы обмоток. Регулировка вертикальным полем определяет режимы конфигурации, характеризующиеся величиной для геометрической оси тора, изменяет смещение магнитной оси от геометрической А, радиус последней магнитной поверхности, радиальный профиль угла вращательного преобразования £ (пир Б), магнитную яму/бугор.

Винтовой магнитный дивертор - особенность У-ЗМ, поэтому все обмотки мзгнитного поля помешенг внутрь вакуумной камеры.

Раздел 2.2. Численное исследг'зание структуры и свойсте конфигурации У-ЗМ проводилось с использованием нескольких моделей описания магнитного поля винтовой намотки. Из полученных

результатов следовало, что радиальная зависимость I очень чувствительна к модели описания полюса, числу проводников в нем. 3 работе была создана модель, соответствующая более точному описанию полюса, представляющая винтовой полюс из 55 медных шин 23 токовыми проводниками. Компоненты магнитного поля проводников вычислялись по (формулам Еио-Савара. Результаты, полученные с использованием этой модели, и результаты другого исследования [61, в котором применялась модель с использованием разложения магнитного поля по тороидальным гармоникам [Д1.Д2], показали, что часть из них повторилась. Это ябилось хорошей проверкой расчетам и в итоге были уточнены величины магнитной ямы, (и составлено полное представление о структуре и сеойстеэх магнитного поля торсатрона У-ЗМ.

Раздел с.З. Расчетами показано, что У-ЗМ обладает значительной гибкостью - можно создавать рабочие режимы в диапазоне -1% $ В /В ^ 2%. При Вх/В <* (-0.8++0.25)55 создается структура магнитных поверхностей с внутренней сепаратрисой в.виде вертикальной восьмерки, вне которой'Б>0 и Б максимальный. Величина Б в среднем и его знак меняются с изменением В,/В0- В режимах с магнитной ямой до 10+155 (В1/В0 > +0.5Х, А направлено наружу тора) распределение'. £ такое, что ЗО для значительной области замкнутых магнитных поверхностей. В общем же I на последних замкнутых магнитных поверхностях со средними радиусами г 10+14 см (при Б,/В0 =» 0 г » 14 см, при Вх/В0 * +1£ г ~ 12.5 см) достигает 0.4+0.5, а на магнитной оси изменяется от 'ДО =* 0+0.15 до 0.35 (В/В0 =* +255).

В разделе 2.4 описаны результата численного исследования "идеальной" модели У-ЗМ, когда каждый винтовой полюс описывался одной токовой нитью (ав = 27 см). Получены величины изменения основных характеристик ловушки при переходе от однонитевсго описания винтовой обмотки к описанию, близкому реальной конструкции: для объемных полюсов радиус ? последней замкнутой магнитной поверхности на 2.5+3.5 см, а магнитная яма/бугор в среднем на 305 больше; для однонитевых полюсов I на последних замкнутых магнитных поверхностях в два раза больше (£ => 0.7+0.3).

В Главе_3 описаны методы экспериментального исследования магнитной конфигурации У-ЗМ. Изложены результаты исследования так называемого "стеллараторного диода" [4,71, составившие принципиальную основу новых интегральных методов изучения вакуумной магнитной конфигурации в стеллараторах. Основным для,

5

этих исследований явилась проработка модифицированного варианта диодного метода - "стеллэраторный диод с дополнительным сеточным анодом" (триодный метод), работающий при посто:яогом напряжении источника тока. На примере исследования 1-3 торсэтрона показана возможность получения диодным и триодчым методами важней дополнительной информации о магнитной конфигурации.

Раздел 3.1 является кратким обзором современных методов исследования магнитных поверхностей ловушек сг'еллараторного типа. Значительное место в нем отведено новым методам, в основе которых лежат измерения интегральных характеристик стационарного пучка электронов (ток эмиссии I , ток сетки и др.). "Стелларэторным диодом" названа система, состоящая из катода -термоэлектронного эмиттера, находящегося внутри вакуумного объема с магнитным полем тороидального стелларатора, и анода -металлической вакуумной камеры или ближайшего металлического окружения (кожуха винтовой обмотки в "бескамерном" варианте У-ЗМ). Триодный метод отличается от диодного установкой дополнительно в полоидальном сечении прозрачной проводящей сетки.

В разделе 3.2. обсуждаются основные результаты экспериментальных исследований "стеллараторного диода". Сильное подавление эмиссии термокэтода при его перемещении к центру области замкнутых поверхностей - наиболее замечательный эффект. Эмиссионный ток 1е при постоянном анодном напряжении иа соотносится с длиной силовой линии магнитного поля. Это особенно хорошо видно на У-ЗМ в области за "сепаратрисой". Изломы на кривых зависимости I от радиуса соответствуют положениям резонансных магнитных поверхностей и сепаратрисной области. При иа^£0 Б изменяется характер удержания электронов, начиная с перифериии, а сканированием точно определяется положение магнитной оси реаима. Распределение эмитткруемых электронов характерно для заполнения довольно узкой области тороидальных дрейфовых поверхностей. Поэтому источником электронов в стеллара-торном диоде служит тороидальный слой, в котором расположен эмиттер электронов. Бремя удержания такого электронного облака отделяется как « 1/1Р1П п;[п, например, вблизи магнитной оси. Для создания основ модели удержания электроног измерены масштабные закономерности. Зависимость 1ет>я^п от величины магнитного поля В0 в диапазоне 0.15+0.76 Тл показала скейлинг 1еш Г;1п а 3~0-84 Ша=55 В). Изменение 0а (иа=30 В) и ;миссион-но'й* способности катода модифицируют скейлинг - 1 т1п 'а в-0.67_ исследования вольт-амперной характеристик.! ' (ВАХ) б

позволили определить, что до проявления на характеристики нелинейного процесса ('гистерезиса) ток гю»е«я тороидальн: го диода подчиняется закону а ехрча;0-^), где предполагает-

ся С='(1-'Г), а ? - "температура" электронов. Можно также гоео-рить о тзм, что наибольшая температура электронэв такого тороидального катода отвечает наименьшему радиусу поверхности эмиссии. Эти явления не имеют адекватного теоретического описания.

Исследования БАХ обнаружили гистерезисное поведете анодного тока. Скачки тока „при изменении анодного напряжения происходят.от величины, ошснввемсй указанным выве законом, до тока нгсыаения 1®(Т). Ширина гистерезиса (в вольтах) зависит от радиального положения термоэмиттера. При инжекции электронного пучка на магнитны* силовые линии с эргодическим поведением и уходяпле из сбъемз удержания (число оборотов вдоль тора }к20) гистерезис БАХ отсутствует. Пля У-ЗМ г области замкнутых поверхностей определяется ~о отсутстЕИ» гистерезиса БАХ с точностью, не хуже чем 1-1.5 см.

При двумерном сканировании- полойдалького сечения У-3 Г'! {установка, предшественника У-ЗМ, с одинаковыми параметрами, ко с р=2) линии постоянного тока эмиссии определяют форму магнитных поверхностей -2,41 с погрешностью.

Исследования стеллараторного диода позволили сделать взкные с тактической точки зрения утверждения! повеохности постояннсгс тока эмиссии (при постоянном анодном напряжента1! собпздз»? с магнитными поверхностями, ее ли zz.rль овободн:-го пробега электронов достаточно велика, при работе

диодным методом необходим так-:й набор параметров, который исключил бы возникновение нелинейных явлений.

Раздел 3.3 поеняаен три'одкему методу измерения магнитных поверхностей. Отличие контуров магнитных поверхностей для диодного метода и традиционного 1Л31, обусловленное блиянн-м заряда, накопившегося в пространстве внутри поверхности эмлсст при работе диодным методом, может быть устранено введением дополнительного сеточного анода, расположенного поперек объема удержания П4]. в этом случае поверхности постоянного сеточного тока являют я магнитными поверхностями. Ток на проводящую сетку с выс< кой прозрачностью к определяет "элективное" число оборотов с/овой линии К=1л(1 -1^/1,;. )/1лк, где К=1/2и:Я, з I -длина силое -:! линии. При автоматической системе сканирования с постоянным 1; ^гом, выделением координат точек измерений в полон-дальном сече.ага с 1Ч=сопэ1 и 1ет=сопз1;, определяются контуры

7

магнитных поверхностей с более высокой точностью,-чем для диодного метода. Вариант триодного метода с постоянны напряжением источника тока был всесторонне проработан на тсрсатроне У-ЗМ.

В разделе 3.4 описан новый, очень наглядный метод сканирующего люминесцентного стержня СЛ53. Этот метод был применен на У-ЗМ для исследования конфигурации и в качестве контрольного при апробации триодного метода в варианте с постоянным напряжением. Метод сканирующего люминесцентного стержня позволил также проверить,правильно ли определяются координаты магнитной оси по 1ет,ш1п в ТРИ°ДН0М методе, а для периферийной области удержания (N¿0) соотнести к г магнитной поверхности число оборотов силовой линии поля и N триодного метода, показать их совпадение.

К достоинствам триодного метода следует отнести:

1. Отсутствует необходимость поиска следа электронного бунча, вследствие "чего сокращается время измерений. Метод работает при небольших стационарных магнитных полях 0.05+0.15 Тл.

2. Сравнительное изучение триодного метода было проведено на торсатрона У-ЗМ в экспериментальных условиях, когда метод люминесцентного стержня фиксировал более чем 130 оборотов, электронного пучка вдоль тора.

Было показано, что определение островной структуры и расщепления магнитной оси является достоверным в триодном методе.

3. Триодный метод, как и диодный, дает важную дополнительную информацию о качестве конфигурации и был использован на торсатронах У-3 и У-ЗМ для оперативной настройки и оптимизации возмущенной магнитной конфигурации. Введенный объективный критерий качества структуры магнитных поверхностей включает получение в центральной области и на геометрической оси минимального тока эмиссии Iem nin и исключительно крутого градиента I в непосредственной близости от последних замкнутых магнитных поверхностей. Объективный критерий качества структуры магнитных поверхностей определяется и проверяется изменением управляющего вертикального магнитного поля.

4. В триодном методе, в варианте с постоянным напряжением, технически доеольно просто проводить исследования с энергиями электронов эБ. •

Четвертая глава посвящена описанию результатов эксперк*--.н-тального исследования магнитных поверхностей У-ЗМ триодным методом и методом сканирующего люминесцентного стержня [91.

Раздел 4.1 представляет общее состояние реальной геометрии соленоидов магнитной системы. В нем нвсоосность винтовых и 8

компенсационных соленоидов составила ~ г(1+2)мм. Замеры взаимного расположения полюсов винтобой намотки показали, что имеются отклонения г 1мм как в направлении малого радиуса, так и вдоль его окружности. '<ти отклонения носят нерегулярный характер и обусловлены неточностью кожухов винтовой обмотки.

В разделе 4.2 описаны результаты тестирования начального состояния магнитной конфигурации. В тестовом режиме, когда все ' элементы магнитной системы запитзнк последовательно, было найдено, что регулярная структура магнитных поверхностей сильно возмущена. Наблюдалось вертикальное асимметричное образование, в котором существовала лыеь небольшая область вложенных поверх- . ностей Еокруг смещенного Еверх центра. Последнее означало , что необходима компенсация Еозмуаающего, усредненного для круговой оси тора, параллельного экваториальной плоскости и радиального (горизонтального) по отношению к большой оси тора магнитного поля Зя, обусловленного =интовей наметкой.

Результаты исследования триодным методом.конфигурации после компенсации Вн поля представлены в разделе 4.3. Компенсация была осуществлена разбалансом токов в двух внешних соленоидах вертикального поля. Считая Еначале, что компенсация возмущения вполне достаточная, когда Вк/В0 « -0.7%, были проведены измерения б режимов, перекрывая диапазон -13 см $ д < 6 см (или с $ +2%). Анализ результатов показал, что Б^ ПА).

Тем не менее таким способом компенсации было ' получено восстановление стуктуры магнитных поверхностей.

Раздел 4.4. При помощи метода сканирующего люминесцентного стержня была осуществлена более точная настройка конфигурации -подбором соответствующего Вр^ИА) поля. Затем применением триодного метода выполнена качественная оценка области удержания конфигурации на основе введенного объективного критерия. Структура магнитных поверхностей в режимах с А > 2 см (режимы с магнитной ямой) определена как наиболее оптимэ:гьная с точки зрения качества удержания электронов. Полученные в измерениях радиусы последних замкнутых магнитных поверхностей и их функциональная зависимость от А или от 51/Б0 хорошо соотносятся с расчетными. Однородность 'труктуры магнитных поверхностей вдоль тора при этом была определена в пределах |6ВХ/В0| < 0.1 Ж.

В итоге для начала рабе ты с плазмой рекомендованы три различных, практически без осг~]оеной структуры, режима, охватывающие широкий диапазон А кон^урации.

Глава_5 посвящена природе возмущений магнитного поля У-ЗМ.

9

Бри поиске источника возмущений поля большая величина Бй/В0 =« 0.7-И%, вертикальная асимметрия, зависимость Б-*Г(А) и резо-нансы указывали на необходимость проведения анализа искажений геометрии винтовых токов. При выборе последних полезной оказалась работа [Д61, где рассматривалось влияние длинноволновых возмущений геометрических параметров стеллараторов. Существенно, что возмущения конфигурации Е_ полем оказались подобными как для У-3, так и для У-ЗН.

В разделе 5.1 причина возникновения Б- поля отождествлена на примере У-3 [33, где были выполнены замеры положения центров винтовых полюсов на тороидальной поверхности. Такой причиной оказались случайные отклонения по малому азимуту в реализованном законе винтовой намотки полюсов, с величиной, амплитуды по 6 не больше чем :10. Численно, с примененеием способа разбаланса токов в соленоидах вертикального поля, показана возможность компенсации такого возмущения.

Раздел 5.2 посвящен определению основного источника резонансного возмущающего магнитного поля. Поскольку в экспериментальный набор резонансов I = 1/3, 1/4, 1/5, 1/7, 2/7, 1/8 [5,6) входит набор I = 1/3, 1/4, 2/7 ГД7], обусловленный перекосом плоскостей винтовой и компенсационных обмоток, то необходима была проверка влияния на конфигурацию перекоса плоскостей и их эксцентричности. Качественное подобие общей структуры поверхностей с двумя резонансами £ = 1/4, близкие размеры островов экспериментального режима к его численного аналога были получены, когда моделировалась эксцентричность винтовой намотки и Енешних компенсационных соленоидов ~ 2 мм.

В Главе_6 изложены результаты численного исследования влияния квадрупольного и дипольного полей на конфигурацию 1=3 торсатрона - модели У-ЗМ С8], Основная цель - в рамках созданной системы соленоидов вертикального поля рассирить возможности по управлению вакуумной конфигурацией поля и создать режимы с различным сочетанием шира Б и магнитной ямы. Для режимов с магнитной ямой и Б^О исследованы три способа создания профиля £ с Б>0 без изменения положения магнитной оси, чтобы исключить влияние прямых орбитальных потерь на удержание плазмы.

Проьедено общее исследование влияния квадрупольного поля, в классической схеме его исполнения [Д8.Д9], на конфигурацию с р=2. Оно пополнило сведения о возможностях преобразования основных свойств 1=3 торсатрона е широком диапазоне смещений магнитной оси, показало хорошев согласие результатов расчетов с ю

некоторыми теоретическими предсказаниями СЛЗ.ДЮЗ и подтвердило правильность выбора режима 31/В ~ 1% с магнитной ямой для управления профилем (.

Исследован довольно гибкий способ управления профилем t 1=3 торсэтрона, когда система компенсационных соленоидов имеет р=б и в пэре средних соленоидов изменяется отравление токов.

Для У-3U численно найден способ, не требующий изменения .мультипольности соленоидов вертикального поля р=4. Поставленная цель достигается изменением направления тока во внутренней ларе соленоидов - регулированием дипольной составляющей магнитного поля. Предложен режим 3^/В0 = Ц с неизменным положением магнитной оси, магнитной той и профилем £ как с S<0, так и с 5>0 без значительного изменения г магнитных поверхностей. Б Заключении сформулированы основные результаты работа. В процессе исследований получено практически полнее представление о свойствах магнитного поля кс ¡фигурации 1=5, т=9 торсэтрона У-2М с винтовыми соленоидами значительной угловой ширина и высоты. Экспериментальные исследования проведены в режимах со смещением магнитной оси относительно геометрического центра от +8.5 см до -13 см и при величинах продольного магнитного поля 0.15+0.45 Тл, а в отдельных случаях до 0.76 Тл.

1. Проведены численные исследования основных характеристик и свойств магнитной конфигурации У-ЗМ для различных моделей и получены результаты, позволяющие представить изменение основных характеристик ловушки при переходе от идеальной однонич^вой модели к модели, по описанию близкой У-ЗМ.

Z. Экспериментально исследована физика явлений в так называемом Тгеллараторном диоде", составившая принципиальную основу новых интегральных методов измерения магнитных поверхностей и позволиЕиая выбрать диапазон его рабочих параметров (ток эмиссии катода, анодное напряжение и др.). При этом

-в конфигурации, в диапазоне магнитных полей 0.15+0.76 Тл, при изменении эмиссионной способности катода обнаружены два уровня диффузии электронов, отвечающих масштабным законам Im « З'0-84 и lern « B-°'öT;

- предложен способ определения-области замкн.'тых магнитных поверхностей ловушки при помощи регистрации гисте1, егисэ ЗАХ.

3. Проработан интегральный метод определения структуры магнитных поверхностей - триодный метод, рее стающий при постоянном напряжении источника тока и позволявшее технически

легко выполнять измерения с энергиями электронов < 5 эВ. Применением традиционного для стелларатороЕ метода исследования магнитных поверхностей и нового метода — сканирующего люминесцентного стержня была осуществлена апробация триодного метода.

4. Введен объективный критерий определения качества структуры магнитных поверхностей конфигурации путем измерения минимального тока эмиссии электронов открытого термокатода как в триодном, так и ь диодном методах.

5. Проведены экспериментальные исследования магнитных поверхностей торсатрона У-ЗМ при помощи триодного метода и метода сканирующего люминесцентного стержня. При этом

- выяснено начальное состояние конфигурации после сборки;

- в ходе настройки и юстировки, проведена компенсация

Еозмушзющего радиального поля Бр.;

- после настройки и юстировки была выполнена качественная оценка режимов.

Определено: структура магнитных поверхностей в режимах с ¿>2 см .,'рекимы с магнитной ямой), является оптимальной с точки зрения качества удержания электронов; измеренная зависимость радиуса области удержания от изменения А или В1/В0 находится в согласия с вычисленной характерной зависимостью, которую определяет закон намотки еинтоеого соленоида.

6. Даны доказательства происхождения источников возмущений (.небольшой амплитуды длинноволновые искажения винтовой намотки, эксцентричность винтовой намотки и компенсационных соленоидов вертикального поля) и подтверждена эффективность примененного

способа компенсации возмущающего радиального поля В^.

7. Проведено исследование влияния на конфигурацию 1=3 торсатрона - модели У-ЗМ - квадрупольного и дипольного полей, созданных как специальной обмоткой квадрупольного поля, так и в рамках системы соленоидов вертикального поля с мультипольностью р<6. При этом

- подтверждены и уточнены теоретические представления, ранее толучекные в других работах;

- в конфигурации с системой компенсационных соленоидов р=4, ; и режимов с магнитной ямой, найден способ создания профиля у:лэ вращательного преобразования с положительным ишром.

Основные результаты диссертации изложены в следующих

работах:

1. Беседин Н. Т., Быков В. Е., Георгиевский А. В., и др., Лесняков Г. Г., и др. Магнитная конфигурация торсатрона с дивертором "Ураган-3". ВАНТ. Сер. Термояд, синтез. М., 1937, вып. 4, с. 7-13.

2. Дикий А. Г., Залкинд В. М., Лесняков Т. Г., и др. Исследования структуры магнитных поверхностей "Урагана-3". Промежуточный отчет по НИР, ГЭ0271. ХФТИ, Харьков, 1987, 64 с. (Сб. рефер. ШОК?, обзор., перевод. Сер. ЗЛ. М. 1968, вып. 2, с. 25).

3. Беседин Н. Т., Лесняков Г. Г., Павличенко 0. С. Расчет магнитной конфигурации "Урагана-3" с учетом реального возмуше-ния винтовой обмотки. Промежуточный отчет по КИР, ГЭ0315. ХФ7И, Харьков. 1987, 37 с. (Сб. рефер. ШОК?, обзор., переводов. Сер. 31. М., 1938, вып. I, с. 45).

4. Дикий А. Г., Залкинд В. М., Лесняков Г. Г., и др. Новый метод исследования Еакуумной магнитной конфигурации в стел-лараторах. Сизика плазмы, 1988, 14, вып. 3, с. 279-285.

5. Bykov V. Е., Volkov Е. D., VoiTsenya V. S., et al., lesnyakov G. G., et al. Magnetic field configuration of the modified Uragan-3M torsatron. In: Stellarator Physics (Proc. 7th Int. Workshop on Stellarator, Oak Ridge, 1989). IAEA-TECDC'C-558, IAEA, Vienna, 1990, p. 373-378.

6. Быков В. E., Зойценя 3. С., Волков Е. Д., и др., Лесняков Г. Г., и др. Исследование магнитной конфигурации модернизированного торсатрона "Ураган-ЗМ". ВАЬТ. Сер. Термояд, синтез. М., 1Э90, вып. 3, с. 12-31.

7. Volkov Е. B.,.Zalkind V. N., lesnyakov G. G., et al. To the "stellarator diode method" in 1=3 torsatron studying. In: Proc. VIII Stellarator Workshop (Kharkov, USSR, 1991), IAEA, Vienna, 1991, p. 429-432.

8. Lesnyakov G. G., Tetrenko 'V. I. 1=3 torsatron magnetic configuration . with quadrupole field. In: Proc. VIII Stellarator Workshop (Kharkov, USSR, 1991), .IAEA, Vienna, 1991, p. 99-102.

9. Lesnyakov G. G., Volkov E. D., GeorgievskiJ A. V., et al. Study of the magnetic configuration-of 1=3 torsatron by the trlode and the luminescent rod methods. Nucl. Fusion, 1992, 32, N 12, p. 2157-2176.

СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРУ

Д1. Калюжный Б.Н., Кемов Б.В. Магнитное иоле торсатрона. ВАКТ. Сер. Термояд. синтез. М., 1935, вып. 2, с. 35-40.

Д2. Калюжный В. Н., Немов В. В., Выков В. Е., и др. Расчеты магнитных поверхностей торсатроноЕ. ВАНТ. Сер. Термояд, синтез, 1986, был. 2, с. ЗЗ-ЗЭ.

ДЗ. Бережецкий М. С., Гребенщиков С. Е., Попрядухин А. П., Шпигель И. С. Исследование структуры магнитных поверхностей стеллэратора с двухзаходным винтовым полем. дТ1, 1965, 35, N 12, с. 2167-217Е. ~

Д4. Залкинд В. М., ПаБличенко 0. С. Способ измерения числа оборотов магнитной силовой . линии б замкнутой магнитной ловупке. А. е., SU N 1251685, 08.10.64.

Д5. Hailer В., Mas&lg J., Schuler ?., et al. Studies of the magnetic surfaces In the stellarstor Kega. í4th Europ. conf. on Control. Fusion and PI. Phys. Contributed papers. Madrid, 1937, vol. 11 D, Part I, p.423-425.

Дб. Данилкия И. С., Влияние геометрических погрешностей магнитной системы на топологию поля стелларатора. В кн.: Стелларвторы. К.: Наука, 1973, с 26-49 (Тр. ФИ АН СССР; т.65).

Д7. Goordon С., Marty Б., Maschke Е., Bumont J. Configurations du type stellarator avec puits moyen et cissailement des llgnes magnetiques. In: ?i. Phys. and CN7R (Proc. 3rd Intern, conf., Novosibirsk, 1968). IAEA. Vienna, 1969, vol. 1, p. 847-851.

ДЗ. Kalyuchnyj , Neir,ov V. V., Shishkin A. A. Compensation of magnetic - surface distortions in the central region oí the magnetic configurations of i=3 stellarators and torsatrons. Nucl. Fusion, 1982, 22, К 3, p. 347-361.

Д9. Пустовитов В. Д. Управление конфигурацией стелларатора с помощью квадрупольиых полей. Физика плазмы, 1988, 14, вып. I, с. 101-104. ~

Д10. KalyuzhnyJ V.N., Nenov Y. V., Paraxial magnetic surfaces in an 1=3 tQrsatron. Nucl. Pasión, 1581, 21, N 12, p. 1519-1533. ~~