Развитие метода усиленного рассеяния для диагностики коротковолновых колебаний плазмы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

Введение

Глава

Диагностика усиленного рассеяния для исследования коротковолновых колебаний плазмы.

1.1.Особенности диагностики усиленного рассеяния

1.2.Теория усиленного рассеяния СВЧ волн в плазме

1.3.Эксперименты по усиленному рассеянию

1.4.Выводы и постановка задачи

Глава

Экспериментальная плазменная установка Линде

2.1.Источник плазмы

2.2.Двойной электрический зонд 4 7 2.3.Определение максимальной концентрации

2.4.Микроволновый тракт и система возбуждения НГ волн

2.5.Нижнегибридные волны

2.6.Механизм зондирования

Глава

Метод Интерферометрического усиленного рассеяния

3.1.Теория

3.2.Апробация метода ИУР 72 3.3.Определение направления фазовой скорости волны 77 3.4.Сравнение результатов диагностик ИУР и ВЧ зонда

1.Краткое описание установки BOXES

2.Схемы измерений

3.Интерферометрические кривые

4.Возмущение электронной плотности плазмы

3.5.Измерение параллельных составляющих волновых векторов колебаний

3.6.Исследование процесса параметрического распада 101 3.7.Ограничения метода ИУР

Глава

Метод Корреляционного усиленного рассеяния

4.1.0 воможности восстановления спектральной плотности флуктуаций электронной концентрации плазмы (теория)

4.2.Постановка задачи

4.3.Схема эксперимента 12 4 4.4.Осциллограммы сигнала 12 8 4.5.Определение пространственного масштаба неоднородности флуктуаций

4.6.Восстановление полного спектра возмущения

Диагностики, основанные на эффекте коллективного рассеяния электромагнитных волн в плазме, являются действенным средством исследования волн и флуктуаций плазмы. Они используются для изучения распространения и поглощения волн, возбужденных в плазме при ВЧ нагреве [1], вызванных ими нелинейных эффектов [2], а также низкочастотной турбулентности и ее влияния на удержание энергии [3] и частиц [4]. Как правило, для зондирования плазмы используются электромагнитные волны, частота которых существенно превосходит характерные плазменные частоты, что позволяет уменьшить влияние рефракции и облегчить интерпретацию экспериментов и определение амплитуды плазменных флуктуаций их спектров по частотам и волновым векторам. Мощность излучения, необходимая для зондирования, обычно выбирается достаточно малой, исключающей влияние на плазму. Угловой и частотный спектры рассеянного сигнала несут информацию о пространственном и частотных спектрах рассеивающих колебаний. В традиционных методах коллективного рассеяния для зондирования плазмы используется излучение в СВЧ и далеком инфракрасном диапазонах частот. Существенным недостатком этих диагностик является малое сечение рассеяния, что, вследствие ограничения на мощность источника излучения, о котором говорилось выше, часто является серьезным препятствием при проведении достоверных количественных измерений. Кроме того, создание мощных источников электромагнитного излучения в данных частотных диапазонах часто представляет собой отдельную сложную задачу. В ряде случаев также неудовлетворительным является пространственное разрешение. Эксперимент, использующий длинноволновый лазер как источник зондирующего излучения, связан со значительными техническими трудностями, а также является весьма дорогостоящим. Кроме того, к числу недостатков такого подхода относится необходимость детальной априорной информации об исследуемых волновых явлениях для правильного выбора геометрии эксперимента.

Альтернативный подход, позволяющий существенно увеличить сигнал рассеяния, состоит в использовании для зондирования существенно меньших частот, близких к электронной плазменной и циклотронной частотам. При этом рассеивающий объем принципиально не является оптически однородным. Дополнительный выигрыш при этом достигается при зондировании в окрестности областей сильной рефракции, таких как ВГР [5,6] или отсечка зондирующей волны [7,8] . В этих областях сигнал рассеяния возрастает благодаря росту полей зондирующей и рассеянной волн. Кроме лучшей чувствительности, такой подход имеет преимущество хорошей локализации измерений в ВГР для коротковолновых флуктуации и в отсечке зондирующей волны дгтл длинноволновых флуктуаций. К преимуществам альтернативного подхода можно отнести также его интегральность по волновым числам исследуемых флуктуаций, что позволяет упростить геометрию эксперимента и снижает потребность в априорной информации о свойствах исследуемых волновых явлений. На начальных стадиях разработки метод усиленного рассеяния использовался для определения лишь частотных спектров спонтанных флуктуаций плотности плазмы, нижнегибридных волн, распространяющихся в плазме, а также параметрических процессов распада волн нижнегибридного диапазона. Сильное замедление зондирующей волны позволяет использовать источники зондирования небольшой мощности в более низкочастотном, чем для обычного рассеяния, СВЧ диапазоне частот. Это существенно упрощает и удешевляет данную диагностику.

Основным недостатком диагностик, основанных на рассеянии в областях сильной рефракции зондирующей волны, обычно считается сложная картина распространения волн в области рассеяния, затрудняющая интерпретацию результатов экспериментов. Однако в последние годы разработаны эффективные методы анализа, как аналитические, так и численные, делающие возможным качественную и количественную [9,10] интерпретацию данных таких диагностик рассеяния. Другая слабая сторона обсуждаемого подхода, связанная с его интегральностью, - плохое разрешение по волновым числам флуктуаций - в случае рассеяния в ВГР может быть преодолена с помощью измерений с временным разрешением. Для этого используется время-пролетная модификация данного метода [11], позволяющая исследовать не только частотные спектры, но и спектры волновых векторов колебаний, на которых происходит рассеяние. Она основана на эффектах временной задержки зондирующей волны в гибридном резонансе и линейной зависимости этой задержки от волнового вектора колебаний, на которых произошло рассеяние. Несмотря на небольшие геометрические размеры области гибридного резонанса, эти времена задержки оказываются достаточными для их экспериментального измерения. Однако, приобретя дополнительную возможность оценки спектров волновых векторов колебаний, метод усиленного рассеяния в своей время-пролетной модификации в значительной степени утратил преимущества простоты экспериментального воплощения, и, кроме того, во многих практических случаях возросли требования к величине мощности зондирующего излучения. Поэтому, возникла необходимость в создании диагностики, позволяющей сочетать достоинства метода усиленного рассеяния в своей традиционной стационарной постановке [6] с возможностью разрешения по волновым векторам исследуемых колебаний [11].

Целью данной работы являлась разработка Интерферометрической и Корреляционной модификаций метода усиленного рассеяния (ИУР и КоррУР) для диагностирования коротковолновых плазменных колебаний, а также использование предложенных методов для исследования коротковолновых плазменных колебаний.

На защиту выносятся следующие положения: 1. Проверена возможность использования сигнала УР для проведения интерферометрических измерений и разработан метод ИУР для диагностики коротковолновых плазменных колебаний, позволяющий получать спектры волновых векторов и восстанавливать пространственную структуру возмущений электронной плотности плазмы в НГ волне.

2. Метод ИУР применен для исследования плазменных колебаний НГ диапазона в условиях неоднородного магнитного поля и проведено восстановление флуктуаций электронной плотности. Полученные результаты подтверждены независимыми измерениями с помощью методики ВЧ зондов.

3. Выполнены измерения компонент волновых векторов коротковолновых колебаний в направлениях поперек и вдоль магнитного поля, идентифицированы продукты параметрического распада НГ волны как две кинетические квазимоды.

4. Разработан метод КоррУР для диагностики коротковолновых колебаний плазмы, имеющих произвольный частотный спектр, позволяющий восстановить полный спектр возмущения электронной плотности плазмы, проведены модельные эксперименты по восстановлению спектра спонтанных флуктуаций плазмы по частотам и волновым числам.

Материалы, изложенные в диссертации, докладывались на Всесоюзных конференциях по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (Звенигород 1995-1999), на

Международных конференциях по физике плазмы: 23th EPS (Киев 1996), ICPP-1996 (Нагойа 1996, Япония), 25th EPS (Прага 1998, Чехия), На 5-ом Финско-Россииском симпозиуме по физике плазмы и УТС (1996, Хельсинки, Финляндия), на 9-ом международном совещании по диагностике высокотемпературной плазмы, С Петербург, 1997г. Материалы диссертации были представлены на конкурс грантов в комитет по науке и высшей школе Администрации Санкт-Петербурга, и был получен диплом победителя конкурса грантов 1998 года.

По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ из них 4 журнальные статьи, 5 докладов, опубликованных в трудах международных конференций.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. В первой главе показаны особенности диагностики усиленного рассеяния. Приводится теория усиленного рассеяния и ее время-пролетной модификации. Выполнен обзор экспериментальных работ по диагностике плазменных колебаний с помощью метода усиленного рассеяния, как в своей стационарной постановке, так и с помощью время-пролетной модификации. В конце главы подробно сформулированы цели и задачи работы. Во второй главе приведено описание линейной плазменной установки, на которой выполнялась большая часть экспериментов, а также диагностик для измерения параметров плазмы. Третья глава посвящена предложенной в данной диссертации Интерферометрической модификации метода Усиленного Рассеяния, приводится его теоретическое обоснование, результаты апробации, описаны новые возможности данного метода, а также изложены физические результаты, полученные с помощью метода ИУР. Четвертая глава посвящена Корреляционной модификации метода Усиленного Рассеяния для изучения шумовых спектров плазменных

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. Экспериментально показано, что сигнал усиленного рассеяния содержит в явном виде информацию о фазе колебаний, на которых произошло рассеяние. Это позволяет использовать верхний гибридный резонанс зондирующей волны в роли своеобразного «бесконтактного зонда», позволяющего производить интерферометрические (фазовые) измерения коротковолновых плазменных колебаний путем сравнения фазы сигнала усиленного рассеяния из разных точек пространства с опорным. В случае, когда исследуются когерентные колебания, возбуждающиеся генератором накачки, опорным сигналом может служить часть мощности этого генератора. Если исследуются волны рождающиеся в плазме, возможно проведение корреляционных измерений с помощью сигналов из двух разнесенных в пространстве точек верхнего гибридного резонанса. Подход, использующийся в данной работе, позволяет производить не только амплитудный (как во время-пролетной методике), но и фазовый анализ спектра волновых векторов исследуемых колебаний. Именно возможность фазового анализа позволяет восстанавливать распределение возмущения электронной плотности в волне.

Интерферометрические измерения были проведены с тестовыми нижнегибридными волнами (мода Трайвелписа-Гулда) , а также с плазмонами - параметрическими саттелитами, возникающими в плазме в результате распада НГ волны накачки. Восстановление пространственного распределения возмущения электронной плотности в волне производилось с помощью компьютерного кода с учетом форм-фактора усиленного рассеяния, учитывающего большую чувствительность усиленного рассеяния к более коротковолновым колебаниям.

2. Для подтверждения првильности интерферометрических измерений с помощью сигнала усиленного рассеяния были проведены эксперименты по сравнению получаемых результатов с независимыми измерениями с использованием высокочастотных зондов. Сравнение производилось с учетом разного характера селективности усиленного рассеяния и высокочастотных зондов. Хорошее согласие результатов позволило также говорит об экспериментальном подтверждении форм-фактора усиленного рассеяния, который до этих экспериментов выбирался исходя из теоретического рассмотрения процесса усиленного рассеяния. В этих же экспериментах метод ИУР был впервые опробован на установке с неоднородным магнитным полем, геометрия которого была приближена к токамачной. Полученные результаты позволяют утверждать, что схема зондирования, использующаяся в токамачных экспериментах, не является препятствием для использования метода ИУР.

3. Шагом вперед в использовании сигнала усиленного рассеяния для диагностики коротковолновых колебаний плазмы явилась возможность измерения параллельных внешнему магнитному полю компонент волновых векторов колебаний. Дело в том, что нарастание электрического поля зондирующей волны в методе усиленного рассеяния происходит вдоль направления неоднородности и перпендикулярно внешнему магнитному полю установки. Поэтому вся информация о пространственных масштабах относилась ранее лишь к этому выделенному направлению, в отличие от стандартных диагностик, использующих эффект рассеяния электромагнитного излучения, где направление зондирования, и соответственно анализа, могло быть выбрано исходя из геометрии эксперимента. Измерение параллельных компонент волновых векторов параметрических сателлитов привели к идентификации их как кинетических квазимод, что в свою очередь, позволило предложить и обосновать схему возможного механизма передачи энергии от нижнегибридной волны электронам плазмы.

4. Корреляционная методика, разработанная в данной работе, пригодна для исследования плазменных шумов, имеющих произвольный частотный спектр, и позволяет восстановить спектр колебаний не только по частотам, но и по волновым числам. Тестирование ее происходило на шумах, имеющих извесную физическую природу, поэтому была возможность проверки получающихся результатов. Был восстановлен полный спектр ионно-звуковых шумов по частотам и волновым векторам с учетом форм-фактора усиленного рассеяния. Полученные результаты позволяют поставить вопрос о применении корреляционной методики в экспериментах по рассеянию в ВГР на спонтанной турбулентности на токамаках ФТ-1 и ФТ-2.

Заключение

Интерферометрическая и корреляционная модификации метода усиленного рассеяния позволили, сохранив основные достоинства метода усиленного рассеяния, к которым относятся хорошая локальность и высокая чувствительность, добавить возможность разрешения по волновым векторам исследуемых колебаний.