Разработка метода усиленного рассеяния СВЧ волн для диагностики мелкомасштабных колебаний плазмы токамака ФТ-2 тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

'г/11 31

российская академия наук

«ЮЖО-ТЕШЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ КМ. А.Ф.ИОФФЕ

На правах рукописи СТЕПАНОВ Александр Юрьевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДА УСИЛЕННОГО РАССЕЯНИЯ СВЧ ВОЛН ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ЫШОМАСШАБШ КОЛЕБАНИЙ 1ШБМЫ ТОКАМАКА ФТ-2

Специальность 01.04.08 - физика и химия плазмы

Автореферат диссертации на соисквниэ уч9ной степени кандидата физико-математических наук

С;ПотерОург 1992

Работа выполнена в СгПетербургском Физико-техническом институте им. А.Ф.Йоффэ РАН.

Научный руководитель - доктор физико-математических наук,

главный научный сотрудник

Будников В.К.

Официальные оппоненты - доктор физико-математических науг.

Степанов К.Н. (ЖГИ, Харьков)

заседании специализированного совета » Л 003.23.01 Физико-технического института им. А.Ф.ЙеТфе. по сдресу: 194021, С-;ПетерОург. Политехническая ул., д.26:

О диссертацией можно ознакомиться в библиотека ФТИ им. А.Ф.Иоффе °АН.

- доктор физико-математических наук, БэбашЭв С.В<

(ФТИ им.А.Ф.Иоффе РАН, СгПетербург)

Ведущая организация - ИОФ РАН, Москва.

Защита состоится

часов на

Автореферат разослан

УчЗшй секретарь

спвциа^зироЕанного учёного совета кандидат физико-математических наук

Орбели А.Л.

РОССИЙСКАЯ __

ГУДЛГ-^'.-у^НлА^ «тдеп ! БИ&ИЙОЯКЛ | 3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность томи. В такой слохнсЯ нелинейной срсде, какой является плазма, существенное влияние на протекающие процесс:; оказывают различные колебания плазмы. Особую рль играют мелкомасштабные . (с длиной волны вплоть до электронного ларморовского радиуса) колебания, которые могут нести ответственность за аномальные транспортные процессы к за МГ£ активность. Несомненный интерес представляет изучение коротковолновых колебаний при высокочастотном нагрев» плазмы и генерации токов увлечения. Прямые локальные измерения характеристик таких колебаний имеют большое значение для понимания механизмов взаимодействия, распространения и поглощения высокочастотных волн. Обычно для исследования подобных колебаний горячей плазмы используется метод рассеяния электромагнитных волн миллиметрового (СВЧ) и инфракрасного (лазерного) диапазонов. Основным преимуществом этого метода является ого бесконтактность. Применение метода рассеяния электромагнитных волн ь плазме, начиная с середизш семидесятых годов, позволило получить большой обьОм полезных экспориментальных сведений о колебаниях плазмы на ряде тороидальных термоядерных установок. Однако, эффективность метода заметно ограничена слишком малым сечением рассеяния, а в рядо случаев ноудовлетворительным пространственным разрешением и конечным выбором возможных для наблюдения волновых векторов. Кроме того, реализация эксперимента с использованием лазерного рассеяния . связана со значительными техническими трудностями. и соответствующие исследования до сих пор являются уникальными.

Более простую возможность дайт эффект усиленного рассеяния, связанный с наличием гибридного розонанса г плазме для зондирующей волны. В окрестности розонанса амплитуда волны и ее волногл1 Гектор резко возрастают. Рост волноглго воктора позволяет зондирующей волне рассеиваться т колебаниях с длиной волны, много меньшей, чем еб вакуумная длина волны, а возрастало амплитуд падающей и рассеянной волн приводит к резкому (на порядки величины) увеличению эффективного сечения рассеяния. Основной вклад в рассеянный сигнал . дабт узкая область в окрестности гибридного резонанса, чом обеспечивается хпрс.ле пространственное

разрешение. Однако, до исследований, описанных в данной работе, метод усиленного рассеяния применялся лишь но низкотемпературной плазме и не использовался для исследований горячей плазмы термоядерных установок.

Цель работа. Целью настоящей работы является разработка метода усиленного рассеяния СВЧ волн для токамаков и исследование с его помощью мелкомасштабных колебаний в токамаке ФГ-2.

Научная новизна. В диссертационной работе разработана диагностика мелкомасштабных колебаний плазмы токамака с помощью метода усиленного рассеяния СВЧ волн. Впервые метод усиленного рассеяния был примен9н для исследования колебаний плазмы токамака. В рекиме ВЧ нагрева на токамаке ФГ-2 зарегистрированы сильнозамедленныв нижнегибридные (НГ) волны - плазмы. Обнаружена расподная параметрическая неустойчивость КГ волны в центральной области плазмы токамака ©Г-2. Продемонстрирована возможность наблюдения низкочастотной микротурбуленгносги плазмы токамака с помощью метода усиленного рассеяния.

Практическая значимость работы. Проведанные исследования показывают принципиальную возмокность использования метода усиленного рассеяния для исследования коротковолновых колебаний плазмы токамаков. Обнаруженная .распадная параметрическая неустойчивость "греющей" НГ волны в. центральной области плазмы сыгррла важную роль в интерпретации НГ нагрева на токамаке ФГ-2. Показано, что с помощью метода усиленного рассеяния можно регистрировать НЧ флуктуации в плазме токамака как в омическом режиме, так и в рсдаме ВЧ нагреь...

Основные положения, выносимые на защиту.

П Методика измерений короткс--олнобык колебаний, в плазме токамака с помощью усиленного рассеяния СВЧ волн.

2. Разработка, сооружение и апробирование диагностического комплекса для измерений методом усиленного рассеяния на токамаке ФТ-2.

3. Результаты экспериментальных исследований волн

швкнегибридного (НГ) диапазона на токамаке ФТ-2 в режиме НГ токов увлечения и нагрева ионов.

4. Наблюдение распадноК парамвтричпской неустойчивости при НГ нагреве плазмы.

5. Демонстрация возможностей метода усиленного гэссеяния по наблюдению естественных низкочастотных колебаний плазмы.

Апробация работы. Материалы, изложенные в диссертации, докладывались на Всесоюзных конференциях по физике плчзмн и управляемому термоядерному синтезу (Звенигород, 1985, 1988, 1990), на Международной конференции по физика плазмы (Киев, 1987), на 15-й Европейской конференции по управляемому термоядерному синтезу и нагреву плазмы (Дубровник, 1988). на Международной конференции по физике плазш и управляемому термоядерному синтезу (Ниина, 1988), на 5-й конференции по взаимодействию электромагнитного излучения с плазмой (Ташкент, 1989), на Международной конференции по . физике плазш (Дели, 1989), на 5-м Всесоюзном совещании по диагностике высокотемпературной плазмы (Минск, 1990).

По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ /I, 3-16/, и один отч0т о научно-исследовательской работе /2/.

Структура и объём диссертации. Диссертация содержит введение, четыре главы и заключение. В диссертации 82 страницы машинописного текста, 79 рисунков и список литературы, включающий 85 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работыТ сформулировала цель исследований, кратко изложено содержание диссертации и приведены ^сковные положен,1я и результаты, выносимые на защиту.

Глава первая диссертации представляет сооой обзср теоретических ИГ экспериментальных работ по диагностике плазмы тороидальных установок методом коллоктивного рассеяния электромагнитного излучения и установок с низкотемпературной плазмой методом усиленного рассеяния СВЧ пол-. В параграфе 1.1

рассматриваются физические основы метода рассеяния электромагнитных волн в плазме. Затем, в пвраграфе 1.2 кратко описываются эксперименты по "обычному" рассеянию волн мм и Ш диапазонов на ряда токамаков.

В параграфе 1.3 приводятся качественное рассмотрение эффекта усиленного рассеяния и краткое описание теории. При использовании метода усиленного рассеяния в плазме для -зондирующей волны существует гибридный иди для изотропной плазмы - плазменный резонанс. В окрестности резонанса амплитуда волны и ее волновой вектор резко ■ возрастают . Рост волнового Бектора позволяет зондирующей волю рассеиваться на колебаниях с длиной волны, много меньшей, чем её вакуумная длина волны, а возрастание амплитуд падающей и рассеянной вглн приводит к резкому (на порядки величины) увеличению эффективного сечения рассеяния (по этой причине метод назван усиленным рассеянном). По сравнению с "обычным" рассеянном (то есть без наличия в плазме гибридного резонанса) усиление сигнала имеет порядок И.^, где Нгжв-покэзатоль. преломления . зондирующей волны в точке взаимодействия. Кроме того, рассеянный сигнал генерируется в узкой окрестности резонанса, что автоматически обеспечивает хорошев пространственное разрешение измерений. Сканирование по радиусу плазмы можно' осуществить путйм перемещения резонансной поверхности. Недостатком метода является плохог разрешение по волновом векторам в силу того, что Еоктора зонд-фующей и рассеянной еолн быстро изменяются в- пространстве, и рассеяние происходит не ка одной спектральной компоненте возмущения плотности с заданном значением волнового вектора 5, а на целом спектре колебантгй (при "обычном" коллективном рассеянии ц фиксируется геометрией опыта). Так что измеряемой величиной оказывается не сама спектральная плотность флуктуации концентрации электронов а ей интеграл по ^ с некоторой известной

Еесовой функцией.

В параграфе 1.4 описываются эксперименты ..по /силенному рассеянию в низкотеоте'ратурнсЧ плазме. Методом усиленного рассеяния легко' наблюдались к^шо-звуковые колебания электронной Ъло'пгостн.искусстЕонно накачанные с помощью внешних устройств; естественные низкочастотные флуктуации; кошю-звуковие волны_ при

параметрической неустойчивости; искусственно возбуждаемые НГ волны плазмы, а также параметрические явления, сопровождающие распространение НГ волн. В этих экспериментах использовалась относительно малая мощность зондирования - (1СГ3- I) Вт.

Глава I завершается выводами и постановкой задачи.

Вторая глава посвящена разработке методики усиленного рассеяния применительно к токамакам и описанию созданного диагностического комплекса. В параграфе 2.1 анализируются возможности применения метода усиленного рассеяния на токамаках. Основное принципиальное отличие, возникающее при переходе от плоской.модели, рассмотренной выше, к реальной геометрии токамака, заключается в изменении характера поля в окрестности гибридного резонанса благодаря наличию полоидального магнитного поля. Однако, оказывается, что в силу малости полоидального магнитного поля все особенности электрического шля волны, необходимые для усиленного рассеяния, сохраняются, хотя конкретные выражения несколько меняются. Тороидальные эффекты также слабо влияют на распространение б_>лн в области ■ мезду антенной и гибридным резонансом, поскольку вдали от ВГР (верхнего гибридного резонанса) показатель преломления необыкновенной волны близок к единице и нечувствителен к деталям магнитного поля. Отмечается, что неоднородность магнитного поля в тороидальной геометрии токамака приводит к тому, что появляется возмокность достичь поверхности ВГР, минуя барьер непрозрачности. Для этого зондирование необходимо проводить на волне с необыкновенной поляризацией со стороны сильного магшгтного поля. Чтобы поверхность ВГР была доступной, необходимо, чтобы циклотронный слой для зондирующей частота « находился б обгбме плазмы. В предлагаемой схеме эксперимента зондирующая мощность излучается в экваториальной плоскости . тсрз (ось диаграмм направленности антенны перпендикулярно тороидальному магнитному полю) и достигает поверхности ВГР. Рассеянный сигнал ш? частоте ыо± о (п - частота колебаний плззш) принимается той же антенной и поступает на регистрирующую аппаратуру. Делается вывод о том, что в тороидп.ттлгай геометрии токамака можно применять метод усиленного рассеяния.

Далее рассматриваются особенности усиленного рассеяния применительно к токамакам. Производится оценка Еерхней и нижней границ наблюдаемых волновых векторов. Отмечается, что в тороидальной гоометрии существует ограничение по плотности заряженных частиц пв(г), в которой можно наблюдать аффект усиленного рассеяния: ( ыр / )г < 2 а / Ro. Кроме того, необходимо учитывать частичное поглощение зондирующей и рассеянной волн в ' области ЗЦР. При перпендикулярном (по отношению к магнитному полю) распространении необыкновенной волны в малых токамаках с < 0,5 кэБ и Ro < I м, где R0 - большой радиус тора, циклотронным ¡затуханием мокно пренебречь. В средних и том более больших установках оно становится серьезным препятствием,. в этом случае метод усиленного рассеяния можно применять, по крайней мере, для исследования периферийной плазмы с меньшими Тв и пв. В этом »е параграфе обсувдается вопрос - каким образом мокно менять положение ВГР с тем, чтобы сканировать по радиусу плазмы. Менять координату рассеяния можно путбм изменения любой из трёх величин: К(г) или пж(г). где Н(г) - тороидальное магнитное поле. Для диагностических целей наилучший вариант - это перемещать поверхность ВГР путём изменения частоты при неизменных параметрах плазмы. Однако, следует подчеркнуть, что в отличие, например, от коллективного рассеяния миллиметрового диапазона, здесь для сканирования плазмы достаточно одной неподвижной антенны.

В параграфе 2.2 приводятся параметры токамака ФТ-2 и системы НГ нагрева плазмы, перечисляются основные диагностики. Параметры ?Г-2 - следующие:

большой радиус плазмы R0 - 55 см;

малый радиус плазмы (радиус диафрагмы) а = 8 см; тороидальное магнитное поле В(0) í 23 кГс;

ток плазмы I í 50 кА;

электронная плотность в центре ne(0) í 5 IQ13 см"3;

температура электронов Т.(0) < 500 оВ;

температура ионов Tt(0) < 150 эВ;

длительность разряда плазмы t sí-50 мс.

Для ВЧ нагрева плазмы и обеспечения режима генерации тока предусмотрен кмкульсний магнетронный генератор модностью (40 -

250) кВт, работающий на частота Г0 = оо /2 п = 920 МГц. Далее рассматривается блок-схема разработанного диагностического комплекса для усиленного рассеяния на токамаке ФТ-2. Даются назначение и параметры всех элементов блок-схемы. Зондирующая мощность на частоте «0 от генератора через циркулятор поступает на приёмно-передаювдю антенну и излучается в плазму. Рассеянный сигнал на частите (ио ± п), где п - частота колебаний плазмы, принимается той же антенной и после прохохденля приемного тракта поступает на вход сулергетеродинного СВЧ прибмника. Мо1цность зондирующего излучения в 4-мм и 8-мм диапазонах частот составляла (I - 3) Вт. Используемый специально разработанный супергетеродинный лрибмник с полосой усиления (0,48 - 1,2) ГГц имеет два канала выхода: по одному каналу (выход "спектр") сигнал подаётся на входа анализаторов спектра С4-80, в другом канале ("видео") сигнал детектируется и усиливается усилителем низкой частоты . По каналу "видео" чувствительность при5гашка составляет ~10"" Вт в полосе 200 Мгц. По каналу "спектр" для узкополосных сигналов чувствительность на I - 2 порядка выше в зависимости от типа используемого блока анализа С4-80. В результате, описанный диагностический комплекс позволяет одновременно наблюд'ть поведение частотных спектров и мощности рассеянного сигнала во времени в разных полосах частот.

В методе усиленного рассеяния координата рассеяния определяется положением поверхности ВГР. В параграфе 2.3 рассчитываются погрешности определения положения поверхности ВГР. Они зависят от погрешности измерения величин ио, В(г) и пв(г). Оценки показывают, что основная погрешность связана с неточностью определения электронной плотности п#(г) из-за абелизашш при обработке результатов. Эта погрешность составляет дг /а ^ 10*5. Далее проводится качественное рассмотрение разрешающей способности метода усиленного рассеяния для токамака. Количественные оценки показывают, что в большей части плазмы токамака разрешающая способность метода л*г/а не хуже 10«.

В третьей глзве приводятся основные экспериментальные результаты по исследованию ¡{Г волн на гокамаке ФТ-2. В параграф 3.1 опиеываьтоя эксперименты с использованием 8-мм диы,а:юна. В

первых экспериментах в качестве зондирующего источника использовался магнетрон с выходной мощностью (I -2) Вт на частоте 35 ГГц. Это определило диапазон магнитных полей - от 10,8 до 14 кГс, при которых существовала' доступная поверхность ВГР. Ток плазмы составлял 14 кА, плотность - (0,2 - 2.F.) ю13 см"3. При таких параметрах плазмы при включении ВЧ мощности получается режим, в котором заведомо не выполняется условие НГ резонанса (для токамака 'ОТ-2 при частоте ВЧ мощности 920 МГц НГ резонанс мог бы осуществиться, например, при В <* 25 кГс и nQ(0) 4 Ю1Э см"а). Из доступных СВЧ источников миллиметрового диапазона с выходной мощностью в единицы ватт не оказалось генераторов с перестройкой частоты в достаточных пределах. Поэтому сканирование по пространству плазмы производилось, в основном, путём изменения магнитного поля токамака. Этот способ не совсем корректен, так как с изменением магнитного поля меняются некоторые параметры плазмы. Однако, можно думать, что при отсутствии НГР небольше изменения поля не влияли существенным обраьом на распространение вводимых в плазму волн. Приводятся зависимости интенсивности рассеянного сигнала, от положения ВГР зондирующей волны. Описываются эксперименты по выявлению возможного вклада в сигнал "обычного" рассеяния. При выведении циклотронного слоя за пределы плазмы в область слабого магнитного шля сигнала не наблюдалось, что говорит о том, что при данной мощности зондирования и чувствительности приёмной аппаратуры "обычное" рассеяние не регистрируется. Наблюдаемые в этих экспериментах отношения мощности рассеянного сигнала к зондирующей мощности составили ра / ро ~ (10"'- 1). Зависимости мощности рассеянного сигнала от мощности зондирования и от ВЧ мощности являются ликейннки. Наблюдаемые частотные спектры оказались значительно ыпре суммарной ширины линий зондирующего и "греющего" излучений ( ~ 300 кГц).

Настоящая работа является составной частью исследований по НГ нагреву на токамаке СТ-?.. Параграф 3.2 посвящен краткому изложению результатов, полученных в других экспериментах, ь основном, с помощью анализатора атомных частиц. Основные еыводы из приведенных зкепериментвльных данных об изучении особенностей генерации "быстрых" конов можно сформулировать следующим образом.

1) Поглощение Iff волн и нагрэв ионов не связал с областью .ллнейной трансформации i\H (п^,, - плотность в окрестности НГР).

2) Поглощение НГ волн и генерация быстрых ионов происходит в области с концентрацией п# = (0,3 - 0,5)п>_н. Главным параметром , определяющим эти процессы, является некоторая пороговая плотность

ниже которой не наблюдается появления энергетичных ионов в 1-лэзме во время воздействия ВЧ мощности. 3) Возбувдение сильнозямедленных волн, ответственных за генерацию быстрых ионов, связано, по-видимому, с нелинейным взаимодействием НГ волн с плазмой. Естественно было применить диагностику усиленного рассеяния на токамаке ФТ-2 для изучения механизма НГ нагрева и-появления сильнозамедленных НГ волн, ответственных за генерацию надтепловых ионов. Частота зондирования в этих экспериментах была выбрана ¡39 ГГц (соответствующие магнитные поля для токэмака ФГ-2 В(О) = (18,5 - 26) кГс).

Параграф 3.3 посвящбн экспериментальным результатам по исследованию НГ колебаний плазмы,в режиме ВЧ нагрева в диапазоне 4 мм. Сначала рассматриваются спектры рассеянного сигнала. Как и в' экспериментах в 8-мм диапазоне частот спектр рассеянного сигнала оказался заметно уширенным. Были проведены опыты по выявлению зависимости формы спектра' от различных параметров плазмы. Ширина спектра возрастает с увеличением пж(0) и не зависит от координаты рассеяния. Это свидетельствует о том, что спектр вблизи частоты "греющего" излучения по формируется на периферии, внутренние области плазмы не вносят заметного вклада в его уширение. Уширение спектра можно связать с рассеянием возбужданной НГ волны на низкочастотных коротковолновых колебаниях плазмы. Форма наблюдаемых спектров зависит также от мощности нагрева". При малой мощности спектр - почти "шумящий", при увеличении мощности характер спектра меняется - появляется узкая линия на частоте НГ генератора, которая всё резче проявляется по мере роста мощности. Характер изменения обоих составляющих спектра узкой центральной линии и пьедестала разный: в то время как уровень пьедестала остается неизменным, амплитуда узкой линии растёт быстрее, чем линейно. £сли бы процесс рассеяния НГ волн нв колебаниях плазмы был линейным по отношению к амплитуде волны, то форма наблюдаемых спектров ке должна была Он зависеть от мощности нагрева.

Оказалось, что в плазме, кроме колебаний на частоте волны накачки «6, присутствуют колебания на существенно смещённых в ^красную"сторсну частотах вплоть до 0,7 по. Сигналы на смещенных частотах регистрировались в диапазоне от 590 до 680 МГц. Они наблюдались в виде отдельных линий одной или нескольких,- по ширине и по форме похожих на линию вблизи частоты "греющего" излучения. В процессе ВЧ импульса частота линий и их амплитуда изменялись, некоторые лиши могли затухнуть, вместо них загорались другие. Это, по-видимому, связано с изменением параметров разряда во время ВЧ импульса (концентрации, состава примесей и т.д.). Однако, в каждый данный момент спектр состоял из отдельных узких линий. При сканировании по диапазону 500 - 1200 МГц никаких иных линий вне диапазона 590 - 680 МГц и, естественно, рассмотренной выше окрестности частоты по не наблюдалось. Приводятся экспериментальные данные зависимости спектров рассеянного сигнала на смещенных частотах от времени в течение ВЧ импульса и мощности рассеянного сигнала от времени в разных полосах принимаемых частот.

Далее обсуждаются пространственные распределения рассеянного сигнала. Оказалось, что пространственные распределения различных составлю щих спектра существенно отличаются: пространственная локализация сигнала для волн на смещенной частоте намного ярче выражена (порядка единиц миллиметров), чем локализация сигнала в районе "греющей" частоты. Кроме того, эксперименты с различной концентрацией пж(0) показали, что максимум рассеянного сигнала на смещённой частоте наблюдается из объема с некоторой локальной плотностью п^, причбм п^ слабо зависит от изменения ле(0) и от мощности НГ иагрэва. Оказывается, что пи близка к той концентрации п1К, при которой начинается генерация быстрых ионов в центре плвзменного шнура. Приводится эксперимент, демонстрирующий •временную корреляцию между началом генерации быстрых ионов, определяемым по возникновению потока нейтралей перезарядки, и всплеском сигнала усиленного рассеяния. Из этого можно сделать вывод о генерации быстрых ионов из области локализации коротковолновых колебаний.

В параграфе 3.4 проводится обсуждение результатов. В результате экспериментов по усиленному рассеянию в диапазоне 43 мм

впервые продемонстрирована работоспособность этого метода на токямаке. Экспериментально установлено наличие в плазме токамака ФГ-2 сильнозамедленных НГ волн при вводе ВЧ мощности. Для характерной длины волны флуктуации л $ 2 мм показатель преломления для НГ волны на частоте 920 МГц составляет N » 150. Наблюдаемое рассеяние не может быть объяснена рассеянием на непосредственно !. ^збувдаемых в плазме косых ленгмюровских волнах, и необходимо предположение о возникновении в плазме более замедленных "дочерних" волн. Такими волнами могут быть бернштейновские мода, а причиной их происхождения может быть рассеяние ленгмюроь^ких волн на низкочастотных естественных флуктуациях плазмы. Опыты в 4-мм диапазоне показали, что несмотря на двукратное увеличение тороидального магнитного поля и плотности плазмы основные характеристики рассеянного излучения в районе "греющей" частоты оо не изменились. В дальнейших экспериментах были обнаружены коротковолновые колебания на существенно смещбнных в "красную" сторону частотах вплоть до 0,7 Зафиксирована связь генерации быстрых ионов с областью локализации коротковолновых колебаний. Существенной особенностью наблюдаемых спектров с "красными" сателлитами является дискретность в сочетании с большим сдвигом частоты сателлита. Можно сделать предположение о том , что эти спектры связаны с распадной параметрической неустойчивостью. В настоящее время зарегистрирована только одна из дочерних волн -более высокочастотная 0,7 по; другая волна г>2<» 0,3 по из-за отсутствия соответствующей аппаратуры пока не наблюдалась. Большой сдвиг первой дочерней волны имеет важное значение, так как при этом волна в месте распада имеет большое замедление - таково свойство волн НГ диапазона частот. Более того, оказывается, что для волны п^ 0,7 оо при локальных значениях концентрации и магнитного поля в месте наблюдения максимума рассеянного сигнала практически выполняется условие НГ резонанса, то есть область распада для этой волны является областью, близкой к окрестности еЗ точки линейной трансформации, где эта волна мокет эффективно взаимодействовать с ионами и затухать. В заключение параграфа формулируется механизм, по которому происходит ВЧ нагрев ионов на токамаке ФГ-2. Перенос энергии внутрь токамака осуществляется еолчой líci частоте генератора до концентрации п^ - (0,3 - 0,5)

пьн (г^н - нижнегибридная плотность длч частоты =« 0,7 по), где в результате распада образуются две сильно замедленные волны на частотах ~ 0,7 оо и « 0,3 по, эффективно взаимо действующио с ионами.

В четвертой главе представлена экспериментальная демонстрация возможностей наблюдать естественные флуктуации плотности методом усиленного рассеяния. В параграфе 4.1 описываются эксперименты по наблюдению естественных флуктуация плотности в диапазоне 0,05 - 60 МГц. Для наблюдения низкочастотных колебаний плазмы использовалась описанная выше схема измерений с изменением лишь промежуточной частоты приЗмника. В качестве УПЧ были применены два последовательно включенных усилителя УЗ-ЗЗ с полосой усиления аГ = 0,05 - 400 МГц и усилением кавдого не менее 25 дБ. После усиления сигнал подавался непосредственно на анализаторы спектра С4-80 I и II, настроенные на низкие частоты. Приводится зависимость рассеянного сигнала рк в диапазоне частот 8 - 33 МГц от времени в течение всего токамачного разряда. Наблюдается заметное увеличение амплитуда рассеянного сигнала на периферии плазменного шнура. На этсй же осциллограмма видно, что когда в плазме отсутствует поверхнс ть ВГР - рассеянный сигнал отсутствует. Последний факт наглядно демонстрирует, что регистрируемый рассеянный сигнал генерируется из области ВГР. Спектры рассеянного сигнала, полученные в диапазоне 0,2 - 60 МГц, характеризуются спадом амплитуды на 2 - 2,5 порядка с увеличением частота. Форма этих спектров практически ■ совпадает с формой уширенных спектров НГ волн, регистрируемых в опытах по НГ нагреву (исключая центральную лини»). ВЧ мощность влияет на поведений низкочастотных колебаний плазмы. При включении ВЧ импульса величина рассеянного сигнала увеличивается в 5 - 10 раз. Причбм, как оказывается, увеличение сигнала связано с появлением выделенных частот. Спектр становится линейчатым с выделенными частотами в приводимом случае 18 и 22 МГц.

В параграфе 4.2 обсуждаются некоторые технические работы, расширяющие возможности и.пользования метода усиленного рассеяния на токвмаке ФТ-2. Были введены по две антенны в используемом диагностическом сечении и в сечении НГ гриллэ, которое отстоит от

исходного на 90° по большому обходу тора. Это позволяет исследовать колебания плазмы в различных сечениях токамака по большому обходу тора, что немаловажно, например, при изучении НГ волн. Наличие двух антенн в одном сечешга даёт также возможность применять двухонтенную схему измерений, которая обладает рядом преимуществ. Кроме того, существенная амплитуда рассеянного сигнала на низких частотах позволилэ использовать в качестве зондирующего источника стандартный СВЧ генератор Г4-142, имевший выходную мощность <10 кВт и диапазон перестройки частоты 53-78 ГГц. Далее экспериментально показывается, что с помощью используемого диагностического, комплекса можно регистрировать рефлектометрический сигнал, связанный с отражениями от поверхности отсечки. Спектры рефлектометричоского сигн; ла имеют другу» форму по сравнению со спектрами сигнала усиленного рассеяния: на частотах, больших 0,3 МГц. сигнала не наблюдается. Затем описываются эксперименты по усиленному рассеянию при вертикальном зондировании (перпендикулярно экваториальной плоскости тора) с использованием различных интерферометрических антенн. Во всех случаях чЗтко различался рефлектометрический сигнал, когда циклотронный слои находился с внутренней стороны тсра от оси внтенн и на пути зондирования находилась отсечка в виде известного "серпа", и сигнал усиленного рассеяния в случае, когда рассеяние происходит из области ВГР от дальнего края "серпа".

В параграфе 4.3 рассматриваются перспективы метода усаленного рассеяния. Снзчала обсуждаются технические возможности усовершенствования метода. Быстрое изменение частоты мощности зондирования может изволить в течение одного ВЧ импульса измерять эволюцию пространственного профиля рассеянного сигнала во времени и существенно расширить полосу обзора по каналу "спектр". Далее рассматривается перспективы применения метода усиленного рассеяния на -токомаках масштаба термоядерного реактора. Отмечается, что имеет''л возможность применять метод кэ отих установках, подбирая условия эксперимента так, чтобы цтслотрошшЯ слой по пуг;г зондирующей волны находился на перийерии плазмы. В зшслючение главы IV отмечается, что, в принципе, имеется ь^змогаость существенно улучшить разрзшашую способно метода по волноеым векторам пу.гм применения коротких зондирующих импульсов или

свипирования частоты. Приводится ссылка соответствующей теогэтической работы.

В заключении приводится сводка основных результатов, получанных в диссертационной работе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ.

1. Разработана методика диагностики коротковолновых колебаний плазмы токамака с помощью эффекта усиленного рассеяния СВЧ излучения. Проанализированы условия • применения метода на токамаках; рачрвшаицая способность метода и погрешности определения 'координаты точки рассеяния; диапазон измеряемых волновых векторов и плотностей, доступных для наблюдения.

2. Разработал, создан и апробирован диагностический комплекс на токамаке ОТ-2 для наблюдения коротковолновых колебаний плазмы методом усиленного рассеяния.

3. Впервые продемонстрирована возможность наблюдения коротковолновых колебаний плазмы токамака с помощью усиленного рассеяния.

4. В режиме НГ нагрева на токамаке ФГ-2 обнаружены сильнозамедленные волны в районе "греющей" частоты с замедлениями, заметно превышающими расчетные по линейной теории.

6. Исследованы частотные спектры НГ волн. Существенное ушреииа (до 10 МГц) спектров по сравнению с частотой НГ генератора является результатом ев рассеяния на мощгтя периферийных низкочастотных колебаниях плазмы токамака.

6. При НГ нагреве на токамаке ФТ-З экспериментально обнаружена параметрическая неустойчивость в центральна областях плазма. "Греющая волна при превышении некоторого порога по плотности испытывает параметрический распад Для одной из распадных волн на частоте ао в месте распада выполняется

условие НГ - резонанса. Установлена корреляция обнаруженной расиадной неустойчивости с появлением быстрых потоков нейтрали.

V. Продемонстрирована возможность наблюдения низкочастотной турбулентности плазмы методом усиленного рассеяния как в омическом режиме, так и при воздействии ВЧ мощности.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. О возможности использования эффекта усиленного рассеяния СВЧ волн для диагностики колебаний в плазме токамака. Будников В.Н., Варфоломеев В.И., Гусаков Е.З., Кондратьева Л.В., Новик К.М., Пилия А.Д., Степанов А.Ю., Архипенко В.И., Романчук И.А., Симончик Л.В. Препринт ЛФТИ АН СССР N 884. Ленинград, 1984. .

2. Разработка метода усиленного рассеяния СВЧ волн для диагностики колебаний плазмы. Будников В.Н., Дьяченкс В.В., Есипов Л.А., Кондратьева Л.В.,. Новик К.М., Пилия А.Д., Савельев А.Н., Степанов А.Ю., Щербинин О.Н. Отчет о НИР N 758. ЛФТИ АН СССР, 1985.- С.3-32.

3. Наблюдение усиленного рассеяния СБЧ волн в токамаке на колебаниях нижнегибридного диапазона частот. / Александров В.О., Будников В.Н., Герасименко Г.В.,' Дьяченко В.В., Есипов Л.А., Ларионов A.M., Новик К.М., Пиг.ад А.Д.. Сахаров И.Е., Савельев А.Н., Степанов А.Ю., Щербинин О.Н. // Письма в ЮТФ-1985.- Т..42, ВЫП.7,- С.275-278.

4. Наблюдение сильно замедленных волн в токамаке ФТ-2 при нигнегибридном нагреве плазмы. / Александров В.О., Будников В.Н., Герасименко Г.В., Дьяченко В.В., Есипов Л.А., Лврионсв A.M., Нов™ К.М., Пилия А.Д., Сахаров И.Е., Савельев А.И., Степанов A.D., Щербинин О.Н. . /7 Вопросы атомной науки и техники -1986.-Сер. термояд, синтез, вып.1.- С.30-35.

5. Microwave enhanced scattering on the FT-2 tokamak by IH frequency fluctuations. / Aleksandrov V.O., Budnikov V.N., Dyachenko V.V., Eslpov I.A., Novlk K.M., rillya A.D., Sakharov I.E., Stepanov А.Уu., Sherblnln O.N. /V Int. Conf. on Plasma Phyalca. Kiev, 1987.- Proc. Contr. Papers, Vol.3.- P.134-137.

6. Lower hybrid waves absorption in FT-2. / Budnikov V.N., Dyachenko V.V., Ealpov L.A., It3 E.R., Lebedev A.D., Hovlk K.M., Stepanov A.Yu., Sherblnln O.N., Aleksandrov 7.0., Sakharov I.E. // Europ. Conf. on Contr. Fus., and Plasma He.ting. Dubrovnlk, 1988.-Contr. Papers, Part 3.- P.904-907.

7. Lower hybrid naves absorption and Ion heating btudles In FT-2 tokamak. Budnikov V.N., Ealpov L.A., Irzak M.A., Novlk K.M., Stepanov A.Ya., Aleksandrov 7.0. Preprint PTI N 1284, 1988.-

IAEA-CN-50-E-3-4.

8. Наблюдение распадаой параметрической неустойчивости шпшегибридной волны в центральной области плазмы токамака ФГ-2. f Будников В.Н., Есипов Л.А., Ирзак М.А., Новик K.M., Степанов A.D., Александров В.О. // Письма в ЖГФ- 1988.-Т.48, вып.9.-С.480-483. '

9. Исследование нижнагибридаого нагрева ионов на токамаке ФГ-2. Будников В.Н., Дьячонко В.Ь., Есипов Л.А., Ирзак М.А., Кто Е.Р., Лашкул С.Н., Лебедев А.Д., Новик K.M., Петров С.Я., Степанов

A.D., Щербинин О.Н..Александров В.О., Сахаров И.В. Препринт Л^ТИ АН СССР N 1296. Ленинград, 1988.

10. Lower hybrid wave abaorptlor tnd ion heating studies In the FT-2 tokamak. / Budnlkov V.N., Eslpov L.A., Irzak M.A., Novlk K.M., Stepanov A.Yu., Aleksandrov V.O. ft Plasma Phys. and Contr. Nucl. Fusion Research. Vienna, 1989. - IAEA, Vol.*.- P.645-654. '

11. Методика исследований мелкомасштабных колебаний плазмы в токамаке с помощь» усиленного рассеяния сверхвысокочастотных волн. / Александров В.О., Будников В.Н., Корнеенков В.К., Новик K.M., Пи-ля А.Д., Степанов A.D., // ПГЭ -1989.- N 4.- C.I58-I60.

12. Исследование никнегибридных волн в токамаке ФГ-2 по усиленному рассеянию СВЧ-излучания. Будников В.Н., Есипов Л.А., Ирзвк U.A., Новик K.M., Степанов A.D., Александров В.О. Препринт ЛФГИ АН СССР N 1376. Ленинград,1989.

12. Наблюдение собственных колебаний плазмы токамака с помощью усиленного рассеяния СВЧ волн. / Александров В.О., Будников В.Н., Есипов -i.A., Корнеенков В.К., Мирошниченко В., Новик K.M., Степанов A.B., // Письма в ЖТФ -1989.-Т.15, Вып.7.-С.40-44.

14. Параметрическая неустойчивость НГ волны в центральной области плазмы токемака и ее роль в нагреве ионов. ' Будников

B.Н., Есипов Л.А.» Ирзак М.А., Новик K.M., Стопанов А.Ю., Александров В.О. // i'Siucu д^^адов 5 коаф. "Бзаимадейстше электромагнитного излучения с плазмой." Ташкент, 1Ь89.~ п.10.

Т5. Study of lower hybrid waves In FT-2 tokamak by the enhanced ecatterlng technique. / Budnlkov V.N., Eslpov L.A., Irzak M.A., Novlk K.M., Stepanov A.Yu., Alekaandrov V.O. // Proc. oí Int. Conf. on Plasma Ph^a. New Delhy, 1989.-Vol.1.- P.9-1.2.