Метод времяпролетной импульсной рефлектометрии для исследования плазмы токамака тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

Российский Научный Центр Курчатовский Институт

/ДК 621.039.623

Р Г Б ОД О 2 ИЮН 1997

ШЕВЧЕНКО Владимир Фёдорович

МЕТОД ВРЕМЯПРОЛЁТНОЙ ИМПУЛЬСНОЙ РЕФЛЕКТОМЕТРИИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЛАЗМЫ ТОКАМАКА

Специальность: 01.04.08 - физика и химия плазмы

Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора физико-математических наук

Москва-1997

Работа выполнена в Троицком Институте Инновационных и Термоядерных Исследований

Официальные оппоненты: доктор физико-математических на

профессор

A.Ф. Александров,

доктор физико-математических на

профессор

Д.Д. Малюта,

доктор физико-математических на профессор

B.C. Стрелков

Ведущая организация: Физико-технический институт

им. Иоффе РАН, Санкт-Петербург

Защита диссертации состоится "_"_1997

_час. на заседании Диссертационного совета РНЦ "Курчатов

Институт" Д 034.04.01 по адресу: Москва, 123182, пл. Курча РНЦ "Курчатовский Институт".

С диссертацией можно ознакомиться в библис Российского научного центра "Курчатовский Институт"

Автореферат разослан " {£" ъ^релД 1997 г.

Учёный секретарь диссертационного совета Д 034.04.01, к.ф.м.н.

Л.И. близ!

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время рефлектометрия плазмы является одной из наиболее бурно развивающихся диагностик [1], в основе которой лежит явление полного внутреннего отражения зондирующей электромагнитной волны плазмой. Причинами столь активного развития являются возрастающие требования к диагностическим средствам, применяемым на современных термоядерных установках [2]. Наиболее важными из них являются: весьма ограниченный диагностический доступ к исследуемой плазме, обусловленный наличием бланкета и биологической защиты; увеличенные размеры плазменного шнура, требующие большего числа измерений по пространству; значительно возросшие радиационные нагрузки на функциональные элементы диагностической схемы. Эти и ряд других требований ставят серьёзные проблемы для традиционных методов измерения плотности плазмы. В свою очередь, при реализации рефлектометрических измерений требования к диагностическому доступу довольно умеренные, а возможность канализации микроволнового излучения позволяет сравнительно легко решать проблемы радиационной стойкости вакуумных окон и других элементов схемы.

Положение отражающего слоя в плазменном шнуре целиком определяется частотой зондирующего излучения и локальными параметрами плазмы: главным образом электронной концентрацией и магнитным полем. Меняя частоту зондирования, можно исследовать плазменные слои от периферийной зоны с малой концентрацией до центральных областей с большой плотностью. Наличие сильного тороидального магнитного поля иногда позволяет исследовать практически весь плазменный шнур, используя зондирование необыкновенной волной только со стороны слабого поля. Поскольку в общем случае волна дважды проходит сквозь слои плазмы, расположенные до точки отражения, информация, содержащаяся в отражённом излучении, носит интегрально-локальный характер, и для однозначного восстановления профиля плотности плазмы из полученных данных необходимы измерения на нескольких частотах. С другой стороны, параметры отражённой волны (фаза, амплитуда, групповое время задержки) наиболее чувствительны к локальным значениям электронной концентрации и магнитного поля в отражающем слое, что позволяет независимо производить локальные исследования плазменных колебаний.

Существует достаточно широкий спектр приборов и методов, использующих принципы рефлектометрии для диагностики плазмы токамака [3]. Однако, большинство из них основывается на измерении фазового набега волны, отражённой от плазмы. Таким образом, измерения являются однозначными только в пределах 0 -2гс, что часто приводит к значительным трудностям в интерпретации

данных из-за таких эффектов, как "потеря когерентности" [ "убегание фазы" [5]. Кроме того, при фазовых измерениях так иначе всегда используется усреднение отражённого сигнале времени, т. е. процесс однократного измерения занимает н отрезок времени (обычно несколько мке или более), подразумевает само по себе стационарность исследуемого объ в этом промежутке времени. В то же время эксперимента™ исследования показывают, что высокочастотная часть спе флуктуации плотности плазмы зачастую уходит в мегагерц« область [6], и тогда возникает вопрос о правомерности та усреднения. Широкие возможности для преодоления этих проС открывает использование коротких микроволновых импульсов зондирования плазмы токамака с последующим H3Mepef времени задержки отражённых сигналов. Идея этого ме впервые была предложена одновременно автором да1 диссертации и голландскими учёными S.H. Heijnen and С Hugenholtz на совещании по диагностике ITER в 1990 г..

В настоящей работе разработан метод многочасто импульсной рефлектометрии плазмы токамака, к осное особенностям которого можно отнести то, что:

* измеряемая величина - абсолютное время задержки сип-отражённого от исследуемой плазмы, позволяет однозн трактовать полученные данные;

* в течение времени однократного измерения времени заде[ отражённого сигнала (время прохождения микроволнового импу через плазму) плазменный шнур действительно можно счу неподвижным;

* влияние паразитных переотражений в передающих трактах камере токамака устраняются при помощи фильтрации "временного окна".

Учитывая перечисленные выше особенности мет представляется перспективным применение импулы рефлектометрии для измерения профиля плотности плазм! исследования плазменных колебаний в крупномасштабных токам нового поколения, а также для исследований электронной плотн сильно турбулентной лабораторной плазмы. В частнс импульсная рефлектометрия может оказаться альтернативой хорошим дополнением традиционной интерферометрии в уело ограниченного доступа к плазме.

Целью настоящей работы является разработка но метода диагностики высокотемпературной плазмы - многочасто импульсной рефлектометрии, пригодного для исследования прос плотности и колебаний плазмы в условиях близких к зажигав горению самоподдерживающейся реакции синтеза, физиче^ обоснование этого метода и развитие алгоритмов обраб экспериментальных данных, а т<

проведение экспериментальных исследований динамики профиля плотности плазмы токамака, низкочастотных колебаний в плазме и сравнительного анализа рефлектометрических результатов с данными других диагностик на существующих экспериментальных установках типа токамак.

Научная новизна работы состоит в том, что:

1. Разработан новый метод диагностики высокотемпературной плазмы - импульсная рефлектометрия, позволяющий проводить исследования динамики профиля и колебаний плотности плазмы токамака. Дано физическое обоснование этого метода. Развиты алгоритмы обработки экспериментальных данных импульсной рефлектометрии.

2. Проведены первые экспериментальные исследования динамики плотности плазмы и плазменных колебаний на токамаках Т11-М и START с использованием метода импульсной рефлектометрии.

3. В ходе экспериментальных исследований получены качественно новые результаты:

* наличие "пьедестала" у профиля плотности плазмы в режимах с малым аспектным отношением шнура (А < 2);

* эффект роста градиента плотности плазмы в периферийной зоне в момент образования натурального дивертора в плазме токамака START.

4. С помощью импульсной рефлектометрии проведены исследования развития "внутреннего перезамыкания" в плазме токамака START.

Практическая ценность работы:

1. Разработан метод, позволяющий проводить измерения профиля электронной концентрации и исследования колебаний горячей плазмы с хорошим временным (около 10 мкс) и пространственным разрешением (около 1 см при однократном измерении).

2. Проведены расчётно-теоретические исследования процессов распространения и отражения микроволновых сигналов в неоднородной флуктуирующей плазме, результаты которых являются основой при разработке новых методик, использующих зондирование плазмы короткими импульсами, и при интерпретации данных, полученных с помощью импульсной рефлектометрии. В результате этих исследований выработаны рекомендации по выбору оптимальных параметров микроволновых импульсов, используемых для зондирования плазмы, и методов временной привязки к ним, а также путём численного решения волнового уравнения найдены амплитудно-частотные зависимости между флуктуациями плотности плазмы и измеряемыми в эксперименте флуктуациями времени задержки сигналов, отражённых от плазмы.

3. При помощи импульсной рефлектометрии проведены исследования спектров флуктуаций плазмы на токамаках Т11-М и START, в результате которых идентифицированы различные ветви колебаний, соответствующие винтовым модам плазмы токамака.

4. Разработана эффективная высокопроизводител программная оболочка системы сбора и обработки дан позволяющая в интерактивном режиме оперативно анапизиро экспериментальные результаты рефлектометрии и др диагностик.

Автор выносит на защиту:

*метод многочастотной импульсной рефлектоме термоядерной плазмы;

*способы временной привязки к флуктуирую микроволновым сигналам;

*результаты расчётно-теоретических исследов; взаимодействия микроволновых сигналов с флуктуациями плотн плазмы;

*результаты экспериментальных исследований динаг профиля и колебаний плотности плазмы на токамаках T11-I START

*результаты исследования явления внутрен перезамыкания в плазме токамака START.

Апробация работы. Результаты, изложенные диссертации, докладывались и обсуждались на Бсесою; конференции по физике плазмы и УТС (Звенигород, 1992), н Совещании по диагностике высокотемпературной плазмы (Сэ Петербург, 1993), на 20-й Европейской конференции по фи: плазмы и УТС (Лиссабон, 1993), на 22-й Европейской конфере!-по физике плазмы и УТС (Борнмут, 1995), на мeждyнapo^ совещаниях по диагностике ITER, а также на научных семин; Кэлхэмской лаборатории и отделения физики токамаков-реактс ТРИНИТИ. Основные результаты диссертации отражены публикациях, список которых приведён в конце автореферата.

Структура и объём работы. Диссертация состоит введения, трёх глав, заключения, двух приложений и cm цитируемой литературы. Принята сквозная нумерация литератур ссылок, параграфы и рисунки нумеруются по главам. Диссертг содержит 163 страницы текста, включающего 77 рисун Библиография содержит 149 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении рассмотрены основные принципы импульс рефлектометрии плазмы и её преимущества по сравнена традиционными методами для ряда диагностических примене; Сформулированы цели и задачи, решаемые в диссерта! приведены положения, выносимые на защиту, описана струк" диссертации, приведён список конференций, на коте докладывались материалы диссертации.

В ГЛАВЕ 1 изложены теоретические основы меп импульсной рефлектометрии плазмы токамака.

В §1 рассмотрены особенности распространения электромагнитных волн в токамаке на основе анализа дисперсионного уравнения "холодной" замагниченной плазмы. Представлена топология областей отсечек и резонансов, характерная для токамаков, определены области прозрачности плазмы. Сформулированы основные требования к выбору частот зондирования для рефлектометрии плазмы токамака. Рассмотрены также эффекты, которые могут существенно влиять на рефлектометрические измерения: поглощение электромагнитных волн вблизи областей электронно-циклотронного резонанса и его гармоник, расщепление зондирующей волны на обыкновенную и необыкновенную. Определено предельное пространственное разрешение рефлектометрии в одномерной модели, определяемое толщиной отражающего слоя плазмы.

В §2 рассмотрены основы теории распространения импульсов (сигналов), состоящих из суперпозиции монохроматических волн, в неоднородной магнитоактивной плазме [7]. Приведены основные формулы для времени группового запаздывания микроволновых сигналов, отражённых от плазмы, при зондировании обыкновенными и необыкновенными волнами. В рамках приближения геометрической оптики рассмотрен эффект расплывания микроволновых сигналов в плазме токамака. Путём анализа аналитического решения для огибающей прямоугольного импульса, прошедшего через плазму, показано, что при любых временах установления сигнала г, удовлетворяющих условию г << Т, где Г - длительность сигнала, точка фронта импульса, соответствующая половине амплитуды, имеет точно такие же пространственно-временные характеристики, как и "центр тяжести" отражённого сигнала. На основе этого свойства сформулированы принципы временной привязки к фронту зондирующих сигналов, отражённых от плазмы. Эти принципы положены в основу импульсной рефлектометрии плазмы токамака. С помощью расчётного анализа расплывания сигналов произвольной формы показано, что пространственно-временные характеристики средней части фронта с хорошей точностью сохраняются при переходе к реальным микроволновым сигналам с огибающей гауссоподобной формы (трапецеидальный сигнал с экпоненциапьными фронтом и срезом). Результаты расчётов расплывания фронта огибающей гауссоподобного сигнала в плазме представлены на рис. 1. Проанализирован метод технической реализации временной привязки к фронту сигнала по моменту первого изменения знака второй производной огибающей отражённого сигнала.

В §3 рассмотрено влияние флуктуаций плотности различного типа на распространение микроволновых сигналов в плазме. Исследования производились путём анализа численных решений одномерного стационарного уравнения Шрёдингера для параболических и линейных плазменных слоёв с возмущениями плотности гауссовой формы, двигающимися в направлении градиента концентрации плазмы. Рассмотрены случаи

1.23

И

и «

Н

о

§

в и к

0

1

к к

Ё 0.23

—■—

■ // / /''/ и г Ч

¡е / Г /

А! / 7

1 / ' / * 1 Г / / /

-ю

-в -б -Ч -2

Бремя задержки, не

Рис. 1. Расплывание гауссоподобного сигнала в плазме: исходный сигнал - сплошная линия; прошедшие через плазму сигналы: с временем установления 1 не - точки, 2 не - пунктир.

Си

а

к к

1 о в» а и

0.2

0.1

0.0

8

ё -0.1 о

-0.2

Малый радиус, см

Рис. 2. Отклик времени задержки при прохождении цуга плазменных колебаний через отражающий слой.

положительных и отрицательных возмущений плотности, а также возмущений в виде синусоидального цуга. В результате такого анализа установлено, что отклик времени задержки имеет нелинейную зависимость от амплитуды и существенно несимметричную зависимость относительно знака возмущения плотности, причём это справедливо для возмущений любого типа. Таким образом, применяемое обычно на практике усреднение рефлектометрических сигналов (фильтрация в фазовых методах) приводит к погрешностям в определении "истинного" времени задержки. Проведённый анализ позволяет ввести соответствующие поправки к усреднённому времени задержки через величину стандартного отклонения экспериментальных данных от среднего значения.

Расчётным путём получены зависимости максимальных приращений времени задержки от амплитуды и размера возмущения, величины локального градиента в области отражения и частоты зондирующего излучения. Для цуга коротковолновых возмущений плотности обнаружен эффект многократного эха на времени задержки: первое эхо большей амплитуды соответствует моменту прохождения цуга через отражающий слой плазмы, второе и последующие соответствуют тем областям плазмы, где длина волны зондирующего излучения в плазме кратна или совпадает с пространственным периодом возмущения плотности (см. рис. 2).

При помощи численных решений волнового уравнения показано, что групповая скорость волны имеет осциллирующую зависимость в области прозрачной плазмы и стремится к малой, но конечной величине в окрестности отсечки (см. рис. 3). Причём групповая скорость слабо изменяется в интервале между точкой отсечки и первым нулём волновой функции, а её величина в этой области определяется частотой зондирующего излучения (ГГц) и локальным градиентом плотности (1014см'4) плазмы (см. ф-лу 1).

На основе этого результата получены простые формулы, связывающие амплитуды положительных и отрицательных приращений времени задержки с амплитудами возмущений плотности и локальными параметрами плазмы.

В §4 проанализировано влияние релятивистских эффектов на рефлектометрические измерения. Рассмотрена модель Шкаровского "слаборелятивистской" плазмы [8]. Показано, что учёт конечной электронной температуры плазмы приводит к релятивистским сдвигам положения отсечек в плазме. Показатели преломления плазмы модифицируются за счёт релятивистских поправок не только вблизи отсечек, но и во всей области прозрачности в зависимости от локальной электронной температуры плазмы, что может существенно видоизменить как траектории распространения излучения в плазме, так и величины

(1)

12 14 16

Малый радиус, см

Рис. 3. Групповая скорость обыкновенной волны вблизи отсечки.

Рис. 4. Блок - схема одночастотного импульсного радара -рефлектометра (Т11-М).

измеряемых фазовых или временных задержек отражённых сигналов. Области прозрачности плазмы также могут сильно модифицироваться по сравнению с моделью холодной плазмы за счёт релятивистского уширения линий поглощения на гармониках электронной циклотронной частоты. Приведены приближённые решения для расчёта релятивистских сдвигов положения отсечек обыкновенных и необыкновенных волн в приближении "слаборелятивистской" плазмы. С использованием приближённых решений проведены оценки релятивистских эффектов для токамаков Т11-М и START.

В §5 представлен краткий обзор и проведён анализ особенностей рефлектометрических методов, используемых в настоящее время в исследованиях высокотемпературной плазмы и планируемых в недалёком будущем. Рассмотрены методы, применяемые на различных токамаках для исследования динамики профиля плотности плазмы, обсуждены их преимущества и недостатки. Проведён развёрнутый анализ успехов рефлектометрии в исследованиях флуктуаций плотности плазмы токамака. Рассмотрены основные результаты исследований методами корреляционной рефлектометрии, результаты идентификации и пространственной локализации МГД мод в плазме токамака. Представлены новые методы рефлектометрии, предложенные для диагностики плазмы токамаков и стеллараторов.

Глава II посвящена описанию основных узлов многочастотного импульсного радара-рефлектометра.

В §1 приведены параметры и рассмотрены особенности работы импульсного рефлектометра в одночастотном и многочастотном режимах. Рассмотрена структурная схема и особенности волноводного тракта одночастотного радара-рефлектометра на токамаке Т11-М (см. рис.4). Основным частотно-задающим элементом канала служит высокостабильный СВЧ генератор ЗГ, работающий в непрерывном режиме. Генератор выполнен на лавино-пролётном диоде (ЛПД) в коротковолновой части диапазона (выше 30 ГГц) или на диоде Ганна для более длинных волн и стабилизирован высокодобротным резонатором. Нагрузкой задающего генератора является импульсный СВЧ усилитель ИУ, который пристыковывается к ЗГ через развязывающий ферритовый вентиль РВ, выполненный на основе циркулятора с согласованной нагрузкой. На выходе ИУ генерируется импульс СВЧ мощности почти прямоугольной формы длительностью 40 - 60 не. С помощью быстродействующего амплитудного модулятора AM на основе p-i-n диода из относительно длинного СВЧ импульса, поступающего с ИУ, "вырезается" короткий длительностью около 2 не. Импульс имеет форму близкую к трапецеидальной: с временем нарастания - 1 не (по уровням 0.1 -0.9), горизонтальным участком - 1 не и временем спада - 1 не. С учётом всех потерь и отражений такая система из задающего генератора, импульсного усилителя и амплитудного модулятора генерирует на выходе СВЧ импульсы с пиковой

мощностью 1 - 2 Вт, длительностью (на полувысоте огибающей) не и частотой повторения до 500 кГц. Частота повторе зондирующих импульсов и их пиковая мощность огранич( предельно допустимыми тепловыми нагрузками на актив! элементы импульсных усилителей, поэтому для увеличения э параметров необходимо последовательное каскадирование ИУ Л1 параллельное усиление с последующим суммированием мощное Синхронизация работы всех подсистем схемы осуществлял распределителем управляющих импульсов РУИ, который способ работать как от внутреннего кварцевого генератора, так и внешних источников тактовых сигналов.

Приёмная часть канала состояла из СВЧ детектора {. согласованного с ним широкополосного малошумящего усилит ШУ с малым временем установления сигнала (< 0.3 не). Отражён! сигналы поступали в приёмную антенну и по волноводному трг (-10 м) передавались к детектору. Время задержки измерялось i помощи преобразователя время - амплитуда ВАП между фрок управляющего импульса AM и фронтом продетектированн микроволнового сигнала, отражённого от плазмы. Выход напряжение ВАП, пропорциональное времени задержки сигна/ поступало на аналого-цифровой преобразователь, осуществляв1 преобразование напряжения в цифровой код после кажд тактового сигнала.

Отдельные частотные каналы многочастотного рад функционируют аналогичным образом. Схема привязки экспериментальной установке многочастотного импульсного рада рефлектометра (МИРР) на токамаке START приведена на рис. Рассмотрены особенности работы радара в многочастотном режи Рабочие параметры МИРР на токамаке START приведены ниже :

• рабочие частоты 19 ГГц (0.44) (критические плотности 1019 м'3) 33 ГГц (1.34)

47 ГГц (2.72) 63 ГГц (4.89)

• пиковая мощность импульсов > 1Вт

• длительность импульсов (0.5 амплитуды) 2 не

• время нарастания фронта (0.1-0.9 амплитуды) 1 не

• время между измерениями (4 канала) 10мк<

(1 канал) 2.5 мк

• максимальное допустимое ослабление импульса 42 дБ

• джиттер ВАП 50 пс

• выходная чувствительность 1 В/нс

• диапазон выходных напряжений (RH = 1 MQ) ± 5 В

В §2 проведён сравнительный анализ различных мето технической реализации временной привязки к фрс флуктуирующих микроволновых сигналов. Рассмотрены шумо! характеристики различных методов привязки к "постоян

фракции" сигнала, с компенсацией вариаций его амплитуды и длительности фронта. Обоснован метод привязки к моменту изменения знака второй производной сигнала. Показано, что все рассмотренные методы имеют близкие параметры в лабораторных условиях. Однако, в условиях реального эксперимента на токамаке метод привязки к нулю второй производной показал более высокую стабильность и помехозащищённость, что и определило его использование в МИРР в настоящее время.

В §3 проведено сравнение различных методов измерения временных интервалов субнаносекундного диапазона. Рассмотрены преобразователи счётного типа с различными вариантами интерполяторов дробной части периода таймера-синхронизатора. Показано, что наиболее адекватно отвечают требованиям импульсной рефлектометрии преобразователи типа время-амплитуда (ВАП). Проанализирована работа схемы преобразователя время - напряжение, основанного на заряде емкостного накопителя ключевым источником стабильного тока. Приведена структурная схема ВАП, используемая в импульсном рефлектометре токамака Т11-М. Рассмотрены основные причины погрешностей измерений. Описана высокостабильная схема дифференциального преобразователя время - напряжение на базе БИС МВ43669 с расширенным диапазоном преобразуемых временных интервалов, используемая в МИРР на токамаке START.

В §4 описаны особенности антенно-волноводных трактов импульсного рефлектометра, использованных на токамаках Т11-М и START. Обсуждаются модификации антенно-волноводных трактов для различных экспериментальных условий. Описана перископическая система ввода излучения в камеру токамака START. Система состоит из пары конфокальных эллиптических зеркал и кварцевого окна, ориентированного под углом Брюстера к падающему излучению (см. рис. 5.). Это позволяет сфокусировать излучение всех частотных каналов МИРР на центральном стержне токамака, минимизировав при этом отражения от вакуумного окна. Описаны методики статической и динамической калибровки прибора. Приведены результаты калибровки четырёхчастотного радара-рефлектометра. На рис. 6 представлена осциллограмма выходных сигналов МИРР (динамическая калибровка), полученная в лабораторных условиях при периодических колебаниях (диапазон колебаний - 50 см) отражателя, имитирующего плазменную поверхность.

В §5 рассмотрены методы генерации коротких микроволновых сигналов наносекундного диапазона, использованные автором при разработке экспериментальных образцов импульсного рефлектометра. Описаны схемы, позволяющие генерировать импульсы различного уровня мощности с использованием твердотельных микроволновых компонентов. Рассмотрены перспективы развития этих методов для применения на крупномасштабных токамаках.

Токамак START (Вид сверху)

Рис. 5. Система ввода излучения МИРР на токамаке START.

е-6:

fl-

1В-Нэу-95 16:10:45

1 s а.58 V 4.888 V

1 s

В .5 V DD

2 .5 V- DC

3.5 « ОС

4 .5 V DC

fiUTO-ROLl

Рис. 6. Динамическая калибровка МИРР

Глава 111 посвящена исследованиям динамики профиля плотности плазмы токамака и плазменных колебаний с помощью импульсной рефлектометрии.

В §1 приведены основные параметры и особенности экспериментальных установок Т11-М (ТРИНИТИ, Россия) и START (Culham Laboratory, Великобритания). Токамак Т11-М построен по классической схеме. Основной физической задачей, решаемой на Т11-М, является исследование ВЧ нагрева плазмы на ионно-циклотронном резонансе. Токамак START имеет нетрадиционные для токамаков параметры. Это - первый токамак, на котором получена горячая плазма с аспектным отношением A=R/a<2.Q. Низкое аспектное отношение обусловливает ряд особенностей плазмы: естественная вытянутость шнура (А>1.3), повышенная эффективность омического нагрева, высокая эффективность удержания плазмы (</?г> - 8.5%), отсутствие глобальной неустойчивости срыва [9, 10]. Приведено описание диагностических комплексов установок и систем дополнительного нагрева плазмы.

В §2 проанализированы характерные свойства выходных сигналов импульсного рефлектометра (см. рис. 7). Показана корреляция моментов возникновения и пропадания слоёв отсечки с поведением средней плотности плазмы. Исследованы структуры отклонения экспериментальных данных от средней величины в присутствие и отсутствие плазмы. Обнаружена двойная структура разброса данных радара в присутствие плазмы: центральная пикированная часть распределения соответствует отражениям от "спокойного" плазменного слоя, а крылья распределения обусловлены рассеянием на флуктуациях плотности (см. рис. 8). Исследовано влияние фокусировки зондирующего излучения на форму распределения экспериментальных данных. Показано, что эффект сужения гистограммы разброса данных при применении фокусировки вызван частичным подавлением двумерных эффектов в отражающих плазменных слоях.

§3 посвящен исследованиям низкочастотных (до 50 кГц) флуктуации плотности плазмы на токамаках Т11-М и START с помощью импульсной рефлектометрии. Показано, что в случае спокойного разряда Т11-М (без срывов) спектр флуктуаций плотности имеет спадающую от частоты зависимость, часто с ярко выраженными спектральными компонентами МГД колебаний плазмы. Сразу же после внутреннего срыва происходит подъём интенсивности колебаний в средней (10-30 кГц) части спектра, что свидетельствует о возрастании МГД активности плазмы. Наблюдалась корреляция в появлении и исчезновении спектральных компонент, соответствующих частоте пилообразных колебаний, регистрируемых при помощи детектора мягкого рентгеновского излучения.

Показана возможность идентификации и пространственной локализации винтовых резонансных возмущений в плазме при многочастотном зондировании. Проведена идентификация и

ы о.

& (л

60 80 100 Время, ис

Рис. 7. Типичный инвертированный выходной сигнал ИРР без фильтрации (I = 32.1 ГГц) на токамаке Т11-М.

ieo

Shot #6704

s

о

-2000

-1000 О 1000

Отклонение времени задержки, пс

20С

Рис. 8. Гистограмма отклонений выходного сигнала ИРР в

период времени 60 - 100 мс (отражение от плазмы).

исследована динамика развития доминирующей моды /77/^=3/1 и сопутствующих ей мод в плазме токамака START. Исследования проводились при помощи кросскорреляционного и спектрального анализа сигналов МИРР и HCN интерферометра. Выполнено восстановление топологии линий равной плотности плазмы, "видимых" с внешней стороны, в полоидальном сечении тора по экспериментальным данным МИРР (см. рис. 9). Проведены оценки радиальных размеров и амплитуды винтового возмущения.

В §4 описаны алгоритмы восстановления профиля плотности в случае многочастотного зондирования плазмы и анализа динамики профиля в случае одночастотных измерений. Рассмотрена динамика профиля плотности плазмы в процессе внутреннего срыва на токамаке Т11-М. Реконструкция внешней части профиля плотности по данным МИРР на токамаке START проводилась с использованием рекуррентной формулы, полученной с использованием кусочно-линейной аппроксимации и в предположении монотонности профиля:

/ л

Хк — Хк~ 1 +

d_ 2

£-1

Xj

1-

N-

jt-i

N,

(2)

к v J1 к у

где х, - координата отражающего слоя, /V/ - критическая плотность и гех-, - измеренное время задержки /'-го частотного канала МИРР, d -диаметр плазменного шнура. Полный профиль плотности строился в предположении симметрии внутренней и внешней частей профиля с соответствующим шафрановским сдвигом и с использованием данных интерферометра для оценки плотности плазмы в центре шнура. Такой подход позволил исследовать динамику профиля плотности на токамаке START при образовании диверторной конфигурации (см. рис. 10) и в процессе внутреннего перезамыкания. Обнаружен ряд качественно новых эффектов: наличие пьедестала у профиля плотности, характерного для режимов с малым аспектным отношением плазмы (см. рис. 11), при образовании дивертора (после 30 мс) наблюдался рост градиента плотности плазмы в периферийной области (см. рис. 10).

В §5 рассмотрен процесс развития внутреннего перезамыкания в плазме токамака START. Путём идентификации различных ветвей колебаний плазмы, регистрируемых радаром, установлено, что причиной внутреннего перезамыкания может быть развитие и рост островной структуры, соответствующей винтовой резонансной поверхности /77=3. Процесс перезамыкания сопровождается выбросом значительной части плазмы в направлении главной оси тора, что приводит к увеличению вытянутости шнура и уменьшению собственной индуктивности, а следовательно и к резкому подъёму тока в плазме. Увеличение

Рис. 9. Линии равной плотности в полоидальном сечении, восстановленные по данным МИРР .

I ? 23';.74

30

Время (мс)

Рис. 10. Карта линий равной плотности плазмы в момент образования (30 мс) натурального дивертора в токамаке START.

тока, в свою очередь, приводит к росту большого радиуса плазмы и отрыву шнура от внутреннего стержня токамака, что уменьшает приток примесей в плазму и обеспечивает возможность полного восстановления профиля тока после внутреннего перезамыкания. Характерной чертой профиля плотности после перезамыкания является его параболичность, т. е. отсутствие пьедестала (см. рис. 11).

§6 посвящён сравнительному анализу результатов рефлектометрических измерений с данными других диагностик. Приведены результаты восстановления профиля плотности плазмы по данным МИРР и многоканальной системы томсоновского рассеяния (см. рис. 12). Показано хорошее согласие профильных измерений. Представлены результаты измерений положения границы плазмы разными методами. Показано, что граница плазмы с хорошей точностью может быть найдена по данным длинноволновых каналов МИРР только в режимах с высоким граничным значением градиента плотности (Н- режим, диверторный режим).

Приложение I служит иллюстрацией программной оболочки системы сбора и экспресс-обработки данных МИРР, выполненной автором на языке IDL и позволяющей производить измерения и обработку сигналов в автоматическом и интерактивном режимах с представлением результатов в гибкой графической форме. Представлены основные программные инструменты, разработанные автором для спектральной, корреляционной и статистической обработки экспериментальных данных рефлектометрии и других диагностик.

Приложение II посвящено выводу и анализу формулы (2). Рассмотрены различные типы профилей плотности плазмы, проанализирована зависимость величины ошибки определения координат отражающих слоёв плазмы от количества используемых частотных каналов, равномерности их распределения по частотам и значения наименьшей критической плотности.

В Заключении сформулированы основные результаты

работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Подводя итоги, можно сказать, что данная работа является частью комплексной программы, проводимой международным сообществом в рамках концепции токамака ITER, по разработке принципиально новых и развитию традиционных методов диагностики высокотемпературной плазмы, способных работать в условиях зажигания самоподдерживающейся термоядерной реакции синтеза. В ходе работы на токамаках Т11-М и START была решена основная задача диссертации: разработан и апробирован метод многочастотной импульсной рефлектометрии плазмы токамака с соответствующим развитием теоретических аспектов распространения электромагнитных сигналов в неоднородной

Рис. 11. Динамика профиля плотности во время "внутреннего перезамыкания". Неизмеряемая МИРР часть профиля изображена пунктиром.

3 2

Я 2

е: к

£

/о

/Ч'

//

Л.О

\

О \

/I

У Э 1* 63 ' - Яаааг Оай о - те ОаО

о /

V

Л

Го

•л

02 03 0.4

Большой радиус (м)

Рис. 12. Профиль плотности плазмы, измеренный при помощи томсоновского рассеяния (-о-) и МИРР (-*-).

г

— 3

о

плазме. Кроме того, метод импульсной рефлекгометрии принят научной общественностью и занял своё место в ряду диагностических средств исследования высокотемпературной плазмы. В настоящее время начато проектирование десятичастотного импульсного радара на установке TEXTOR (Германия), планируется применение МИРР на строящихся токамаках MAST (Великобритания) и ГЛОБУС (Россия).

В целом результаты проведённых в диссертации исследований позволяют сделать следующие выводы:

1. В работе представлено физическое обоснование метода многочастотной импульсной рефлекгометрии плазмы токамака, включающее в себя: анализ расплывания микроволновых импульсов в неоднородной магнитоактивной плазме, обоснование возможности временной привязки к фронту отражённых от плазмы сигналов, исследование взаимодействия микроволновых импульсов с флуктуациями плотности плазмы путём анализа численных решений одномерного стационарного уравнения Шрёдингера, а также рассмотрение релятивистских эффектов в горячей плазме и связанных с ними поправок, возникающих при трактовке рефлектометрических данных, в рамках модели "слаборелятивистской" плазмы Шкаровского. Проведённые в работе расчётно-теоретические исследования охватывают весь спектр практически важных эффектов и явлений, проявляющихся при зондировании плазмы токамака микроволновым излучением. Результаты этих исследований являются основой при разработке новых методик, использующих зондирование плазмы короткими импульсами, и при интерпретации данных, полученных с помощью импульсной рефлектометрии.

2. Разработан метод многочастотной импульсной рефлектометрии плазмы, позволяющий проводить измерения профиля электронной концентрации и исследования колебаний горячей плазмы с хорошим временным (около 10 мкс) и пространственным разрешением (около 1 см при однократном измерении). Метод основан на измерении абсолютных величин времени задержки микроволновых сигналов, отражённых от исследуемой плазмы. В ходе создания лабораторных образцов рефлектометров автором были разработаны все основные узлы многочастотного импульсного рефлектометра, включая: системы управления, синхронизации, модуляции микроволнового излучения, импульсной фильтрации и дискриминации сигналов, а также уникальные блоки временной привязки и измерения временных интервалов субнаносекундного диапазона. Несколько модификаций импульсных рефлектометров и антенных систем использованы в экспериментальных исследованиях плазмы токамаков Т11-М и START.

3. Экспериментальный материал, представленный в диссертации, включает в себя исследования динамики профиля плотности плазмы, и плазменных колебаний на токамаке Т11-М, а также исследования поведения профиля плотности плазмы на токамаке START в режимах с образованием натурального двойного

дивертора и в экспериментах с приложением элекгричеа потенциала к внешней магнитной поверхности плазменного шн Проведена идентификация и исследована динамика винтовых м< плазме токамака START, оценены параметры винтовых возмуще плотности. В ходе экспериментальных исследований на токал START обнаружен ряд новых явлений: наличие пьедестала у прос( плотности при малом аспектном отношении плазменного шн рост градиента плотности в периферийной области плазмы образовании диверторной конфигурации.

4. Проведены исследования явления внутреш перезамыкания на токамаке START, в результате которых предпо возможный сценарий появления и развития этой неустойчиво Причиной внутреннего перезамыкания в предложенной мо£ является развитие винтового возмущения т = 3, приводяще выбросу плазмы в направлении оси тора.

5. Автором диссертации разработан пакет програ выполненный в виде единой программной оболочки системы сё и обработки данных импульсной рефлектометрии, включающи себя: несколько видов фильтрации сигналов, спектрапьньн корреляционный анализ экспериментальных данных, ра< релятивистских поправок, поправок, обусловленных флуктуаци плотности и алгоритмы восстановления профиля плотности плаз Программа позволяет в интерактивном режиме производить оперативный, так и детальный анализ экспериментальных дан многочастотной импульсной рефлектометрии и других метод1/ представлением результатов обработки в гибкой графичес форме.

Основные результаты диссертации опубликованы в работ!

1. Хованский А, В., Скопинцев Д.А., Стародубцева Л.Н., Шевч1 В.Ф., Реализация метода Готтарди для решения обрат задач ТСП V Всесоюзное Совещание по Диагносп Высокотемпературной Плазмы Тезисы докладов, Минск, июня 1990 г., стр. 343.

2. Шевченко В.Ф., Петров А.А., Петров В.Г., Чаплыгин К. Многочастотный импульсный радар-рефлектометр диагностики плазмы. VI Совещание по Диагносп Высокотемпературной Плазмы, Тезисы докладов, Са Петербург, 26.5-1.6/93, стр.23, Москва, ТРИНИТИ, 1993.

3. Шевченко В.Ф., Петров А.А., Петров В.Г., Чаплыгин К. Эксперименты по импульсной рефлектометрии на токаь Т11-М. Предварительные результаты. VI Совещание Диагностике Высокотемпературной Плазмы, Тезисы flowiaj Санкт-Петербург, 26.5-1.6/93, стр.25, Москва, ТРИНИТИ, 19

4. Shevchenko V.F., Petrov A.A., Petrov V.G., Pulse Radar Reflectometry for Fusion Plasma Diagnostics. International Journal of Infrared and Millimeter Waves, Vol. 14, № 9, 1993, pp.17551768.

5. Shevchenko V.F., Petrov A. A., Petrov V.G., Chaplygin U.A., Plasma Study at T11 -M Tokamak by Microwave Pulse Radar Reflectometer Proc. 20th EPS Conf. on Contr. Fusion and Plasma Physics, Lisboa, 26-30 July 1993, Vol. 17C, Part III, p. 1167.

6. Шевченко В.Ф., Петров A.A., Петров В.Г., Чаплыгин Ю.А., Эксперименты по импульсной рефлектометрии на токамаке Т11-М. Предварительные результаты. Физика Плазмы, 1994 г. том 20, № 1, стр. 33.

7. Shevchenko V., Edlington Т., Gryaznevich М., Jenkins!., Sykes А., Walsh М., First Density Profile Measurements by Multifrequency Pulse Radar Reflectometry in START Proc. 22th EPS Conf. on Cont. Fusion and Plasma Physics, Bournemouth, UK, 3-7 July 1995. Vol. 19C, Part IV, p. 421.

8. Sykes A., Booth M., Counsel/ G., Erents K„ Ferreira J., Goodall D.H.J., Gryaznevich M., Hicks J.В., Hugill J., Jenkins L, Knight P., Maddison G., Martin R., Price M., Ribeiro C., Robinson D.C., Shevchenko V., Walsh M., Studies of X-point plasmas in the START tokamak. 22th EPS Conf. on Cont. Fusion and Plasma Physics, Bournemouth, UK, 3-7 July 1995, Vol. 19C, Part 111, p. 117-120.

9. Walsh M.J., Bamford R.A., Carolan P.G., Connor J., Gryaznevich M., Hugill J., Jenkins /., Martin R., Manhood S., Ribeiro C., Roach C., Robinson D.C., Shevchenko V., Sykes A., Tood T.N., Tomas J. and Wilson H.R., Confinement at Tight Aspect Ratio in START. 22nd EPS Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics. Bournemouth, 1995, vol. 19C, part III, p. 33-36.

10. Шевченко В.Ф., Петров A.A., Петров В.Г. Чаплыгин Ю.А., Времяпролётные методы зондирования плазмы токамака микроволновыми сигнала. Физика Плазмы, № 1, 1996 г. том 22, стр. 25-31.

11. Шевченко В.Ф., Развитие и применение метода импульсной рефлектометрии для исследования электронной компоненты плазмы токамака, Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук, Москва, МФТИ, 1996, 138 стр.

12. Шевченко В.Ф., Взаимодействие микроволновых сигнало флуктуациями плотности в плазме токамака, Физика плаз 1997 г., № 2, том 23, стр. 169-175.

13. Vayakis G., Bretz N.. Doyle Е, Shevchenko V.F., Vershkov et.al, Reflectometry on ITER, Proceedings of the 11th Tof Conference on High Temperature Plasma Diagnostics, 12-16 I

1996, Monterey, California, Rev. Sci. instrum., v. 68(1), par

1997, p. 435-442.

14. Shevchenko V.F., Walsh M.J., First results from the ST multifrequency pulse radar reflectometer, Rev. Sci. Instrum. 68(4), 1997, p. 2326-2331.

ЛИТЕРАТУРА

1. Doyle E.J., Kim K.W. et a!., Reflectometry Applications to II Diagnostics for Experimental Thermonuclear Fusion React Edited by P.E. Stottetal., Plenum Press, New York, 1996, p. 11

2. Costley A.E, Bartiromo R„ Requirements for ITER Diagnos Diagnostics for Experimental Thermonuclear Fusion Reacl Edited by P.E. Stott et al., Plenum Press, New York, 1996, p. 23

3. Manso M.E., Reflectometry in Fusion Devices, Plasma Physics Controlled Fusion, 1993, vol.35, p. B141 - B155.

4. Nazikian R. and Mazzucato E, Reflectometer measurement; density fluctuations in tokamak plasmas, Rev. Sci. Instrum., 1! vol. 66(1), p. 392.

5. Bulanin V.V., IAEA Technical Meeting on Microwave Reflectorr for Fusion Plasma Diagnostics, JET, England, 1992, p. 184.

6. Vershkov V.A., Multi-Mode Feature of Tokamak Small Dei Fluctuations, 22nd EPS Conference on Controlled Fusion Plasma Physics, Bournemouth 1995, vol.19C, part IV, p. 5.

7. Гинзбург В.Л., Распространение электромагнитных вол плазме. М.: Наука, 1960.

8. Binds/ev Я, Relativistic effects in plasma reflectometry, prei JET, 1992, JET-P(92)35.