Развитие многопроходного внутрирезонаторного зондирования в томсоновской диагностике и его применение в исследовании электронного компонента в динамических экспериментах на токамаке ФТ-2 тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

л. б

и

Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН

На правах рукописи УДК 533.9

Куприенко Денис Васильевич

РАЗВИТИЕ МНОГОПРОХОДНОГО ВНУТРИРЕЗОНАТОРНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ В ТОМСОНОВСКОЙ ДИАГНОСТИКЕ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ В ИССЛЕДОВАНИИ ЭЛЕКТРОННОГО КОМПОНЕНТА В ДИНАМИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТАХ НА ТОКАМАКЕ ФТ-2.

Специальность 01.04.08 - физика плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

003458203

Санкт-Петербург 2008

003458203

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук,

старший научный сотрудник Кантор М.Ю.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Сергеев В.Ю.

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Санников В.В.

Ведущая организация: ФГУП «НИИЭФА им. Д.В.Ефремова».

Защита состоится 25 декабря 2008 г. в 1600 на заседании Диссертационного совета Д 002.205.03 при Учреждении Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН по адресу: 194021, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН

Автореферат разослан «25» ноября 2008 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета кандидат физико-математических наук _ Красильщиков A.M.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации

На токамаке ФТ-2, главным направлением исследований которого было изучение взаимодействия волн нижнегибридного диапазона с плазмой, были обнаружены признаки перехода в режимы с улучшенным удержанием в различных сценариях разряда, например, при нижнегибридном (НГ) нагреве плазмы [1]. Однако о переходе в новое качественное состояние плазмы в этих экспериментах можно было судить лишь по косвенным признакам: по падению свечения линии Нр , по подавлению турбулентности, по росту глобального энергосодержания на основании данных диамагнитных измерений. Для подтверждения факта перехода в состояние с улучшенным удержанием, а также для понимания механизмов этого перехода требовался анализ локального электронного теплопереноса.

Поставленная задача исследования динамики локального электронного энергобаланса на токамаке ФТ-2 потребовала проведения измерений электронной температуры и плотности в динамическом режиме с высоким пространственным разрешением, поскольку проводимые на токамаке эксперименты, например, с НГ нагревом или с подбросом тока плазмы, характеризуются быстрым изменением плазменных параметров. Единственной диагностикой, которая может обеспечить высокую точность локальных измерений эволюции электронной температуры с хорошим пространственным разрешением, является томсоновская диагностика.

Выполнение физической программы потребовало в первую очередь создания диагностики томсоновского рассеяния на токамаке ФТ-2, позволившей проводить измерения электронной температуры с частотой следования измерительных импульсов до 10-15 кГц. Столь высокого временного разрешения в сочетании с высоким пространственным разрешением диагностики и точностью измерений удалось добиться благодаря развитию метода [2, 3], основанного на лазерном многопроходном внутрирезонаторном зондировании плазмы.

Благодаря данным томсоновской диагностики удалось подтвердить влияние электронной температуры на характер взаимодействия НГ волны с плазмой [4], обнаружить эффективный нагрев электронов [5] и формирование транспортного барьера [6, 7] при вводе нижнегибридной мощности в плазму, а также провести анализ локального электронного энергобаланса плазмы в динамических режимах токамака ФТ-2 [6].

Развитие диагностики проявилось также в создании системы лазерного внутрирезонаторного зондирования плазмы, которая была разработана и установлена на токамаке TEXTOR [8]. Использование многоимпульсной лазерной системы и быстрой TV камеры для регистрации спектров рассеяния

позволило впервые измерить быструю эволюцию профилей электронной

/

температуры и плотности вдоль всего диаметра плазмы одновременно с высокой частотой и пространственным разрешением. Такие уникальные возможности нашли эффективное применение для исследования подавления магнитных островов при ЭЦР нагреве [9, 10]

Цели работы

1. Разработка и установка на ФТ-2 томсоновской диагностики, способной обеспечить измерения эволюции электронной температуры и плотности в одном разряде токамака в интервале 12 мс с временным разрешением от нескольких килогерц и выше и с точностью измерений < 5% в центре токамака и < 10% на периферии при пространственном разрешении не хуже 10 мм.

2. Проведение измерений динамики электронной температуры с помощью системы томсоновской диагностики для решения следующих физических задач:

2.1. Проверка гипотезы о влиянии электронной температуры на характер взаимодействия НГ волн с плазмой и эффективность НГ нагрева за счёт механизма параметрического распада.

2.2. Исследование динамики электронной температуры при нижнегибридном нагреве с целью определения оптимальных условий для эффективного нагрева плазмы.

2.3. Исследование переходов в режимы улучшенного удержания и роли электронного компонента в этих переходах.

Новизна работы

Создана система томсоновской диагностики для токамака ФТ-2 с высоким временным разрешением измерений электронной температуры и плотности, построенная на принципах многопроходного внутрирезонаторного зондирования плазмы.

Впервые показана возможность применения лазерного внутрирезонаторного зондирования плазмы на токамаках среднего размера.

Впервые создана томсоновская диагностика, совмещающая высокое пространственное разрешение с большой частотой измерений, работающая на токамаке TEXTOR.

Обнаружен значительный рост энергосодержания электронного компонента при НГ нагреве плазмы в токамаке и формирование внутреннего

транспортного барьера в режиме взаимодействия нижнегибридной волны с ионами.

Обнаружено подавление электронного переноса в экспериментах с нижнегибридным нагревом и быстрым подъёмом плазменного тока во внутренней части плазменного шнура токамака ФТ-2. Найдена корреляция между снижением электронного теплового переноса в центральной области плазменного шнура, увеличением расчётного значения шира скорости полоидального вращения плазмы и подавлением турбулентности, измеренным во внешней области разряда.

Достоверность научных результатов

Результаты диссертационной работы экспериментально обоснованны. Достоверность результатов обеспечивается многократным повторением экспериментов и высокой точностью измерений. Кроме того, имеется хорошее соответствие с теоретическими предсказаниями.

Практическая значимость работы

Создание томсоновской диагностики на токамаке ФТ-2 с высоким временным и пространственным разрешениями измерений электронной температуры и плотности позволило серьёзно продвинуться в понимании механизмов взаимодействия нижнегибридных волн с плазмой. Новая диагностика позволила провести подробный анализ переходов к режимам с улучшенным удержанием в динамических экспериментах на токамаке ФТ-2.

Продемонстрирована возможность применения внутрирезонаторного зондирования плазмы в томсоновской диагностике на токамаках средних размеров. Это открывает возможность применения метода и на более крупных плазменных установках для создания томсоновской диагностики с высокой частотой и пространственным разрешением.

Личное участие автора

Представленные в диссертации результаты получены непосредственно автором или при его активном участии. Автор принимал личное участие на всех стадиях разработки и при запуске систем томсоновской диагностики на токамаках ФТ-2 и TEXTOR. При непосредственном участии автора были проведены представленные в работе эксперименты на токамаке ФТ-2 по нижнегибридному нагреву плазмы, с быстрым подъёмом плазменного тока, с сильным смещением плазменного шнура, с переходом от режима нижнегибридной генерации тока к режиму нагрева ионов. Численное моделирование с помощью разработанного в Курчатовском Институте кода АСТРА [11], представленное в работе, также выполнено непосредственно автором.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Разработка и создание системы томсоновской диагностики на токамаке ФТ-2, основанной на принципах внутрирезонаторного зондирования, позволяющей проводить измерения эволюции электронной температуры и плотности с частотой до 10-15 кГц.

2. Разработка и создание системы лазерного двухпроходного внутрирезонаторного зондирования плазмы для томсоновской диагностики токамака TEXTOR, в которой реализована возможность одновременного высокого пространственного разрешения (измерения эволюции до 100 пространственных точек на профилях электронной температуры и концентрации) с высоким временным разрешением (частота проведения измерений ~ 5 кГц).

3. Эффект влияния снижения электронной температуры при постоянной плотности плазмы на переход режима поглощения мощности нижнегибридных волн от электронного к ионному, связанного с возбуждением параметрической распадной неустойчивости на периферии плазмы.

4. Обнаружение эффекта существенного роста электронной температуры при нижнегибридном нагреве плазмы в режиме взаимодействия с ионным компонентом.

5. Эффект подавления электронного теплового переноса в центральной части плазменного шнура в экспериментах с НГ нагревом и быстрым подъёмом тока плазмы на токамаке ФТ-2.

Апробация работы и публикации

Результаты, вошедшие в диссертацию, были получены в период 1994 -2007 г.г. и представлены в 30 докладах на международных конференциях и совещаниях, а также опубликованы в 17 статьях в реферируемых журналах. Кроме того, результаты диссертации неоднократно представлялись на Всероссийской Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС, а также на совместных симпозиумах, проводимых Калэмским научным центром (Великобритания) и ФТИ им. А.Ф. Иоффе и Технологическим университетом г. Хельсинки (Финляндия) и ФТИ им. А.Ф. Иоффе. Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объем работы составляет 118 страниц печатного текста, в том числе: 70 рисунков и список литературы, состоящий из 111 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении к диссертации обоснована актуальность представляемой работы, обрисован круг решаемых задач, а также приведены положения, выносимые на защиту.

Глава 1 представляет собой обзор литературы, который состоит и двух основных частей. Первая часть посвящена нижнегибридному нагреву, а вторая - томсоновской диагностике плазмы. В параграфе 1.1 обсуждаются общие свойства и специфика нагрева плазмы волнами нижнегибридного диапазона. В начале параграфа представлены основные механизмы взаимодействия нижнегибридных волн с ионами и электронами. Даётся краткое представление о поглощении НГ волн по механизму Ландау и стохастическом поглощении, а также о параметрических неустойчивостях, которые могут развиваться на периферии плазме при вводе НГ мощности. Проводится краткий анализ результатов экспериментов по НГ нагреву на различных установках. В разделе 1.2 дан обзор экспериментов по НГ нагреву на токамаке ФТ-2, предшествовавших данной работе. Приведены основные достижения, полученные в различных режимах нагрева, обсуждается достигнутая эффективность ионного и электронного нагрева. Проводится обзор основных механизмов, предложенных для объяснения результатов экспериментов с НГ нагревом на ФТ-2. Отмечается невоспроизводимость в пороговой плотности генерации быстрых ионов. Высказывается предположение о влиянии электронной температуры на механизм взаимодействия НГ волн с плазмой. Обсуждаются общие закономерности в результатах экспериментов с НГ нагреву на ФТ-2 и других установках, где подобные исследования проводились. Далее приводятся предположения о переходе в режим улучшенного удержания на ФТ-2 при НГ нагреве. Отмечается, что отсутствие данных об эволюции электронной температуры и плотности не позволяет с уверенностью говорить о таком переходе. В конце параграфа обозначаются основные физические задачи, которые являются насущными на ФТ-2 в рамках проведённого обзора. Следует вывод о необходимости разработки и создании на этом токамаке томсоновской диагностики, способной проводить детальные измерения эволюции электронного компонента.

Параграф 1.3 посвящен диагностике томсоновского рассеяния, её основным компонентам и обзору существующих в мире систем. В разделе 1.3.1 кратко описана суть диагностики и требования экспериментаторов к её параметрам. В разделе 1.3.2 подробно описаны основные составляющие диагностики томсоновского рассеяния. В разделе 1.3.3 дан обзор существующих систем томсоновской диагностики. В параграфе 1.3.4 приведены требования к диагностике применительно к ФТ-2 и дана оценка

ожидаемой точности измерений при использовании традиционного подхода к лазерному зондированию. Сделан вывод о том, что при традиционном подходе невозможно достичь требуемых параметров к системе зондирования по точности и временному разрешению измерений эволюции электронного компонента в условиях ФТ-2.

В разделе 1.3.5 обсуждается возможность применения в системе лазерного зондирования томсоновской диагностики ФТ-2 подхода, основанном на многопроходном внутрирезонаторном зондировании (МВЗ) плазмы. Приведена общая схема и основные принципы системы МВЗ. Сделан вывод о том, что именно этот подход может быть оптимальным для получения требуемых параметров создаваемой томсоновской диагностики.

В конце главы (раздел 1.5) сделана постановка задачи.

Глава 2 посвящена развитию МВЗ в томсоновской диагностике и реализации этого подхода в системах томсоновского рассеяния на установках ФТ-2 и TEXTOR.

В параграфе 2.1 подробно описана реализация диагностики на токамаке ФТ-2. Описано применение МВЗ и параметры системы, реализованные на ФТ-2. Приводятся параметры генерации лазера в многопроходной системе. Отмечается высокий уровень энергии (~ 70-100 Дж) в отдельном импульсе зондирования и высокая частота следования лазерных импульсов (~ 10-15 кГц). Далее описана система сбора света и приведены основные её параметры, обсуждается динамический диапазон измеряемых температур. Дана оценка ожидаемой точности измерений на основании ожидаемого числа рассеянных фотоэлектронов. В разделе 2.1.5 приводятся измерения динамики электронной температуры на стационарной стадии разряда. Отмечается хорошее соответствие статистического разброса температуры с погрешностью в отдельном измерении. Далее приводится график эволюции электронной температуры при быстрых изменениях параметров плазмы (восстановление температуры после срыва). Показана способность диагностики производить точные измерения с хорошим временным разрешением быстрых процессов в плазме с характерными временами ~ 1 мс. В конце параграфа приводятся достигнутые параметры диагностики при многопроходном внутрирезонаторном зондировании плазмы. Отмечается, что реализация МВЗ на ФТ-2 позволила проводить 10-20 отдельных измерений эволюции электронной температуры и плотности в одном разряде токамака с точностью ~ 3-7 % в центре плазмы и 10-20% на периферии, с пространственным разрешением ~ 6 мм и с временным интервалом до 100 мкс между отдельными измерениями, что вполне соответствует предъявляемым к диагностике требованиям.

Параграф 2.2 посвящен анализу возможности внутрирезонаторного зондирования в томсоновской диагностике токамака TEXTOR. Во введении выдвинуты требования к основным параметрам системы. Далее исследуется

возможность многопроходного зондирования на токамаках среднего размера в геометрии токамака TEXTOR. Приведены параметры лазерной генерации при 14-проходном зондировании в такой системе. Исследуется пространственное разрешение диагностики в такой системе. Сделан вывод о целесообразности реализации двухпроходного зондирования в условиях токамака TEXTOR. В разделе 2.3 описана реализация двухпроходного зондирования в системе томсоновского рассеяния на токамаке TEXTOR. В начале раздела проводится исследование работы лазера в двухпроходной схеме с пассивным модулятором добротности. Приведены осциллограммы лазерных генераций в такой схеме, отмечаются достаточно высокие параметры зондирования по частоте следования импульсов и пространственному разрешению. Отмечен низкий для томсоновской диагностики уровень зондирующей мощности. Основной недостаток схемы связывается с невозможностью генерации лазерных импульсов в заранее определённые моменты времени. Сделан вывод о необходимости применения активного модулятора добротности в двухпроходной схеме зондирования. Далее обсуждается исследование работы лазера в двухпроходной схеме с Ячейкой Поккельса в качестве активного затвора в резонаторе и результаты генерации лазера в такой системе. Затем описаны блок накачки и управления (2.3.5) и оптическая схема лазера (2.3.6). В разделе 2.3.7 показана схема лазерного зондирования, реализованная на токамаке TEXTOR, а также приведены параметры генерации лазера и характеристики пространственного разрешения такой системы. В разделе 2.3.8 представлена система сбора света, ключевым элементом которой является сверхбыстрый детектор (CMOS-камера), позволяющий делать до 10900 кадров в секунду. Далее (2.3.9) дана оценка ожидаемой точности измерений диагностики и сравнение с экспериментальной величиной погрешности. В разделах 2.3.10 и 2.3.11 в качестве иллюстрации возможностей диагностики приводятся данные измерений профиля электронной температуры в статическом острове, а также эволюция параметров электронного компонента в динамическом режиме при вращении магнитного острова m/n=2/l на токамаке TEXTOR. В заключении к главе 2 делается вывод об эффективности подхода МВЗ в томсоновской диагностике, а также приводятся основные параметры, достигнутые в системах томсоновского рассеяния на токамаках ФТ-2 и TEXTOR.

В Главе 3 исследуется влияние электронной температуры на взаимодействие НГ волны с плазмой в режиме перехода от генерации нижнегибридного тока к нагреву ионов. В разделе 3.1 приводится описание условий эксперимента, а также представлены основные экспериментальные данные. В следующем разделе проводится анализ результатов. Отмечается падение электронной температуры, вызванное уменьшением омического энерговклада, на стадии НГ генерации тока при сохранении постоянного уровня плотности плазмы. Предполагается, что падение электронной

температуры приводит к преодолению порога развития параметрической неустойчивости Р,ь ~ Теа/п/ . Приводятся факты, говорящие в пользу параметрического распада вводимой волны, в первую очередь это измерения высокочастотных колебаний на периферии плазмы с помощью ВЧ зонда. При включении НГ мощности в спектре ВЧ флуктуаций наблюдался рост сателлита, сдвинутого в низкочастотную область на 30 МГц. Частотный сдвиг сателлита соответствует значению ионной циклотронной частоты /с{ на периферии разряда на внешнем обводе со стороны слабого магнитного поля. Предполагается, что в этой области происходит параметрический распад вводимой НГ волны /о на дочерние волны с частотой /0 -/а и/С1, что приводит к резкому отключению генерации НГ тока, поскольку замедленные волны не могут поддерживать НГ ток из-за слабого их взаимодействия с электронами плато функции распределения, несущими этот ток. Переход к режиму взаимодействия с ионами характеризуется начинающимся сразу после выключения НГ тока ростом потока атомов перезарядки из центра плазмы с энергией ~ 1кЭв. Появление в центре плазмы ионов с энергией ~ 8Т,

свидетельствует о том, что исходная НГ волна испытывает сильное поперечное

£

замедление с ~-- 600. Волны с таким сильным замедлением

эффективно взаимодействуют с ионами плазмы, что отражается на росте ионной температуры. Оценка продольного замедления для волн сЖ- 600 в предположении нижнегибридного дисперсионного соотношения даёт величину N11-10. Такие волны могут также взаимодействовать и с электронами с энергией >2 кэВ по механизму Ландау, что подтверждается скачком уровня мягкого рентгеновского излучения в центре разряда. Таким образом, данные различных диагностик говорят в пользу предположения о том, что снижение электронной температуры сопряжено с возбуждением параметрической распадной неустойчвости НГ волны на периферии плазмы, что в итоге определяет наблюдаемое изменение механизма взаимодействия НГ волны с плазмой.

Глава 4 посвящена исследованию динамики электронного компонента в режимах с улучшенным удержанием на ФТ-2. В параграфе 4.1 анализируется эксперимент по НГ нагреву, в котором была продемонстрирована рекордно высокая для ФТ-2 эффективность нагрева ионной и электронной компонент при мощности дополнительного нагрева Рщн ~ 90кАУ. В разделе 4.1.1 дано подробное описание условий эксперимента и приведены основные экспериментальные данные. Отмечается сильный рост электронной температуры в центре разряда в области г < 3.5 см и образование резкого периферийного градиента на профиле плотности (Рисунок 1). В следующем разделе обсуждается методика моделирования энергобаланса с помощью кода АСТРА. Приводятся основные источники вкладываемой и теряемой мощности

в электронах согласно формуле V • де = Рон — Ре1 — Ргай —

3 д(пТе)

2 д1

описана процедура моделирования, включающая в себя подбор величины по совпадению измеренного и расчётного напряжений обхода. Далее анализируются результаты расчёта эффективного коэффициента температуропроводности, который во время ВЧ падает почти на порядок внутри области г < 6 см. Корреляция такого подавления теплопереноса с наблюдаемым в области г ~ 6 см ростом градиента на профиле плотности (Рисунок 1), может указывать на формирование на периферии плазменного шнура транспортного барьера. Переход в режим улучшенного удержания также подтверждается продолжающимся после выключения НГ нагрева ростом электронного энергосодержания (Рисунок 2).

В разделе 4.2 анализируются результаты эксперимента по дополнительному НГ нагреву плазмы с повышенной мощностью ВЧ

генератора (Ршн ~ 1801^). В разделе 4.2.1 описаны условия эксперимента, приведены основные экспериментальные данные. В начале следующего раздела, посвященного

моделированию энергобаланса и расчёту коэффициентов переноса, обсуждается вопрос о целесообразности учёта в уравнении энергобаланса прямого вклада от НГ волны в электроны. Затем приводятся результаты расчёта кодом АСТРА, которые показывают более чем двукратное падение эффективного коэффициента температуропроводности во время ВЧ в центральных областях плазмы. Переход в режим улучшенного

удержания, о котором также свидетельствует падение

свечения линии Нр, подтверждается ростом

электронного энергосодержания и во время ВЧ нагрева, и после его

2 1 0

1000 800 600 400-]

■ 1г VI ' "Т' : N. х10 ст"3 - Л- ■ , I . р . I . Г 1 1 1 1 1 1 • ч % \ 1.1.1,1,-

- Те, еУ — — омический разряд -

• • — - конец ВЧ импульса ■

- д. 4 мс после

■ х. окончания ВЧ

■

■--О-С А: О. А

и—1—I—1—I—1—г

3 4 г, ст

6

7

Рисунок 1 Эволюция профилей электронной температуры и плотности при НГ нагреве мощностью 90 кВт.

отключения. Далее обсуждается влияние сильного смещения плазменного шнура во время импульса нагрева на изменение теплопереноса. Анализируются результаты эксперимента с сильным смещением плазменного шнура в отсутствие НГ нагрева, в котором с помощью управляющих полей воспроизводится скорость и величина смещения плазменного шнура наружу при ВЧ нагреве. Показано, что смещение шнура без ввода ВЧ мощности не приводит к падению теплопереноса, а скорее наоборот, только ухудшает его. Сравнение двух экспериментов с сильным смещением шнура показывает, что подавление переноса и рост энергосодержания при НГ нагреве явились следствием ввода ВЧ мощности в плазму. Утверждается, что смещение шнура и поджатие канала тока, происходящие вследствие нагрева плазмы, могут способствовать переходу в режим улучшенного удержания при дополнительном ВЧ нагреве, однако определённо не являются первопричиной такого перехода.

В разделе 4.2.4 проводится сравнение динамики коэффициента эффективной температуропроводности с временой эволюцией интенсивности микрофлуктуаций плотности с ~ 60 сш"1 на периферии плазмы, измеряемой диагностикой усиленного рассеяния. Отмечается хорошая корреляция этих сигналов во время ВЧ нагрева. Расчёт на основании экспериментальных данных радиального электрического поля в неоклассическом приближении, сделанный в разделе 4.2.5, позволяет оценить динамику шира скорости полоидального вращения плазмы, который существенно вырастает во время ВЧ. Корреляция шира Юехв с динамикой теплопереноса и уровнем турбулентности позволяет предположить в данном случае механизм подавления турбулентности за счёт роста шира соЕхв, что в итоге приводит к наблюдаемому улучшению удержания энергии в плазме. В разделе 4.2.6 анализируется эффективность НГ нагрева в режимах с улучшенным удержанием. Сделан вывод о том, что НГ мощность напрямую в электроны не вкладывается, а рост электронного энергосодержания во время ВЧ нагрева объясняется падением электронного переноса в плазме. В параграфе 4.3 исследуется влияние быстрой динамики тока плазмы на электронный перенос в плазме токамака ФТ-2. Наблюдаемое улучшение удержания в электронном компоненте так же, как и в эспериментах с НГ нагревом, достаточно хорошо

и й

Рисунок 2 Эволюция электронного энергосодержания во время и после НГ нагрева

коррелирует с динамикой низкочастотной составляющей в спектре микрофлуктуаций плотности, а также с ростом рассчитанного в неоклассическом приближении на основании экспериментальных профилей шира скорости полоидального вращения плазмы. В выводах к главе (параграф 4.4) предполагается наличие общих закономерностей в наблюдаемом подавлении переноса в обсуждаемых динамических экспериментах на ФТ-2.

В разделе Заключение диссертационной работы изложены основные выводы и результаты:

1. Опыт применения многопроходного внутрирезонаторного зондирования в лазерных системах томсоновских диагностик на токамаках ФТ-2 и TEXTOR показал эффективность данного подхода в диагностике. Благодаря нему получены параметры томсоновской диагностики, недостижимые при традиционном подходе к зондированию плазмы.

Томсоновская диагностика на токамаке ФТ-2 позволяет проводить измерения эволюции электронной температуры и плотности в одном разряде токамака с временным интервалом до 100 мкс между отдельными измерениями и с точностью измерений ~ 3-7 % в центре токамака и ~ 10-20 % на периферии при пространственном разрешении ~ 6 мм. Диагностика позволяет производить 10 -20 измерений электронной температуры и плотности за один разряд токамака. На токамаке TEXTOR проведены измерения с временным интервалом 200 мкс между отдельными измерениями и с точностью измерений ~ 3.5% для плотности и ~ 6 % для температуры при центральной плотности n ~ ЗхЮ13 см"3 с пространственным разрешением ~ 9 мм. При этом за один разряд токамака производится до 30 измерений пространственных профилей, до 100 пространственных точек в каждом.

Такие измерения дают возможность детально исследовать поведение электронной температуры и плотности в быстрых динамических процессах в плазме.

2. В режиме с отключением нижнегибридной генерации тока на ФТ-2 показано, что электронная температура может быть ещё одним параметром, помимо плотности, который влияет на пороги развития параметрических неустойчивостей в плазме. В режиме с переходом от нижнегибридной генерации тока к генерации быстрых ионов снижение электронной температуры при постоянном уровне плотности является причиной отключения нижнегибридного тока и переходу к взаимодействию замедленной нижнегибридной волны с ионами, связанного с развитием параметрической неустойчивости на периферии плазмы. Утверждение о решающей роли электронной температуры в изменении механизма взаимодействия НГ волны с плазмой хорошо согласуется с теоретическими положениями и экспериментальными наблюдениями.

3. В результате проведения экспериментов по НГ нагреву плазмы на токамаке ФТ-2 обнаружен нагрев электронов, сопровождающий

значительный нагрев ионов (ДТ, -180 Эв) при мощности НГ нагрева PLH ~ 90 кВт. Электронная температура в самом центре плазменного шнура вырастает более чем в 2 раза. Существенная динамика Те наблюдается внутри области г < 3.5 см. Появление значительного градиента на профиле плотности в области г ~5-6 см может указывать на образование здесь транспортного барьера. Анализ энергобаланса плазмы свидетельствует о существенном подавлении электронной температуропроводности внутри области г < 6 см во время ввода ВЧ мощности. На подавление электронного теплового переноса указывает также продолжающийся после окончания импульса ВЧ рост электронной температуры.

4. Наблюдаемый рост электронной температуры в различных режимах с НГ нагревом связывается не с вкладом энергии от внешнего источника, а с улучшением удержания в электронном компоненте. Обнаружено, что эффективность электронного НГ нагрева не зависит от мощности ВЧ источника, а определяется исключительно степенью подавления переноса.

5. Проведённый анализ экспериментальных данных в динамических режимах (с НГ нагревом и с быстрым подъёмом тока) на токамаке ФТ-2 свидетельствует о переходе плазмы в этих экспериментах в состояние улучшенного удержания, что подтверждается существенным падением коэффициентов электронного переноса, ростом электронного энергосодержания, снижением уровня периферийной турбулентности.

6. Обнаружена корреляция подавления электронной температуропроводности и роста шира скорости полоидального вращения, рассчитанного согласно неоклассической теории по экспериментальным профилям температуры и плотности, для значительной части плазменного шнура как в экспериментах с НГ нагревом, так и в экспериментах с быстрым подъемом тока. Подавление электронного теплового переноса в режимах с НГ нагревом и быстрым подъёмом тока, по всей видимости, связано с существенным ростом градиента радиального электрического поля в областях плазмы г ~ 4-6 см. Подтверждением этих предположений является измеренная динамика уровня коротковолновой микротурбулентности в диапазоне колебаний, связанной с диссипативной модой дрейфовой неустойчивости на запертых электронах. Изменение уровня флуктуаций плотности хорошо согласуется с эволюцией коэффициентов переноса и динамикой шира скорости полоидального вращения плазмы.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ В РЕФЕРИРУЕМЫХ ИЗДАНИЯХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1) Кантор М.Ю., Куприенко Д.В. Лазерное многопроходное зондирование в томсоновской диагностике плазмы. // Письма в ЖТФ.- 1997.- т.23, 8. - с. 65-72; Techn. Phys. Letters. - 1997. - v. 23,4. - p. 321-323.

2) Кантор М.Ю., Будников B.H., Дьяченко В.В. и др. Измерение эволюции электронной температуры с помощью многоимпульсной томсоновской диагностики при НГ нагреве плазмы токамака ФТ-2. // Физика плазмы. -1998. - 24,3. - с.230-233.

3) Kantor M.Yu., Kouprienko D.V. High repetition rate probing laser for Thomson scattering diagnostics. // Review of Scientific Instruments. - 1999. -v. 70, 1. - p.780-782.

4) B.H. Будников, В.В. Буланин, Л.А. Есипов и др. "Нелокальный" перенос в экспериментах с быстрым подъемом тока на токамаке ФТ-2. // Письма в ЖТФ. - 1999. - т.25, 12. - с. 1053-1059.

5) S.I.Lashkul, V.N.Budnikov, A.A.Borevich et al. Mechanizm of the transport barrier formation at lower hybrid heating in the FT-2 tokamak experiments. // Plasma Physics and Controlled Fusion. - 2000. - v.42. - p. A169 - A174.

6) В.Н.Будников, В.В.Дьяченко, П.Р.Гончаров и др. Механизм подавления нижнегибридной генерации тока на токамаке ФТ-2. // Письма в ЖТФ. — 2000. - т.26,2. - с. 41-46.

7) M.Yu. Kantor, С J. Barth, D.V. Kouprienko, H.J. van der Meiden. Test of a periodic multipass-intracavity laser system for the TEXTOR multiposition Thomson scattering diagnostics. // Review of Scientific Instruments. - 2001. -v. 72, 1. - p.l 159-1161.

8) S.I.Lashkul, V.N.Budnikov, E.O.Vekshina, V.V.Dyachenko, L.A.Esipov, E.R.Its, M.Yu.Kantor, D.V.Kouprienko, A.Yu.Popov, S.V.Shatalin. Effect of the Radial Electric Field on Lower Hybrid Plasma Heating in the FT-2 Tokamak. // Plasma Physics Reports. -2001. -V27, 12. -p.1001-1010.

9) S.I.Lashkul, V.N.Budnikov, V.V.Dyachenko, L.A.Esipov, E.R.Its, M.Yu.Kantor, D.V.Kouprienko, A.Yu.Popov, P.R.Goncharov, S.V.Shatalin, E.O.Vekshina, V.B.Yermolayev. Formation of Transport Barriers in Lower Hybrid Experiment at FT-2 tokamak. // Journal of Plasma and Fusion Research. -2001. - vol.4, -c.229-233.

10) S.I.Lashkul, V.N.Budnikov, V.V.Dyachenko, P.R.Goncharov, L.A.Esipov, E.R.Its, M.Yu.Kantor, D.V.Kouprienko, A.D.Lebedev, S.V.Shatalin, E.O.Vekshina.Processes in SOL Plasma at the Transition into Improved Confinement Mode in FT-2 Tokamak. // Plasma Phys. Control. Fusion. -2002. -v.44.-p.653-663.

11) S.I.Lashkul, V.N.Budnikov, A.D.Gurchenko, E.Z.Gusakov, V.V.Dyachenko, L.A.Esipov, E.R.Its, M.Yu.Kantor, D.V.Kouprienko, K.M.Novik, A.Yu.Popov, S.V.Shatalin, A.Yu.Stepanov, E.O.Vekshina, V.B.Yermolaev.

Dynamics of the Transport Barrier Formation on the FT-2 Tokamak Caused by Low Hybrid Heating. // Czechoslovak Journal of Physics. 2002. - v.52, 10. -p.l 149-1159.

12) H.J.vanderMeiden, C.J.Barth, T.Oyevaar, S.K.Varshney, A.J.H.Donne, M.Yu.Kantor, D.V.Kouprienko, A.Alexeev, W.Biel, A.Pospieszczyk. 10kHz repetitive high-resolution TV Thomson scattering on TEXTOR. // Rev.Sci.Instrum. -2004. -v.75. -p.3849.

13) A.J.H.Donne et al. Overview of Core Diagnostics for TEXTOR. // Fusion Science and Technology. -2005. - v. 47, 2. - p.220-245.

14) E.Z.Gusakov, A.D.Gurchenko, A.B.Altukhov, A.Yu Stepanov, L.A.Esipov, M.Yu Kantor, D.V.Kouprienko. Investigation of ETG mode-scale component of tokamak plasma turbulence by correlative enhanced scattering diagnostics. // Plasma Physics and Controlled Fusion. -2006. - v. 48, 5A. - p.A371-A376.

15) H.J. van der Meiden, S.K.Varshney, C.J.Barth, T.Oyevaar, R.Jaspers, A.J.H.Donne, M.Yu.Kantor, D.V.Kouprienko, E.Uzgel, W.Biel, A.Pospieszczyk and TEXTOR Team. 10 kHz repetitive high-resolution TV Thomson scattering on TEXTOR: Design and performance. // Review Of Scientific Instruments. -2006. - v.77. - 10E512.

16) E.Z.Gusakov, A.D.Gurchenko, A.B.Altukhov, V.V.Bulanin, L.A.Esipov, M.Yu Kantor, D.V.Kouprienko, S.I.Lashkul, A.V.Petrov, A.Yu Stepanov. Investigation of small-scale tokamak plasma turbulence by correlative UHR backscattering diagnostics. // Plasma Phys. Control Fusion. -2006. -v.48(12B). - B443-B451.

17) A.D. Gurchenko, E.Z. Gusakov, A.B. Altukhov, A.Yu. Stepanov, L.A. Esipov, M.Yu. Kantor, D.V. Kouprienko, V.V. Dyachenko and S.I. Lashkul. Observation of the ETG mode component of tokamak plasma turbulence by the UHR backscattering diagnostics. // Nucl. Fusion. -2007. - v.47. - p.245-250.

ЛИТЕРАТУРА, ЦИТИРУЕМАЯ В АВТОРЕФЕРАТЕ

1 Будников В.В. и др. // Письма в ЖЭТФ. 1994. т.59, вып. 10, с. 651

2 Гусев В.К., Кантор М.Ю., Раздобарин Г.Т., Авт. Свид. N 1421072, Открытия и изобретения, 1990, N8, с. 286.

3 Кантор М.Ю., Куприенко Д.В. Лазерное многопроходное зондирование в томсоновской диагностике плазмы. // Письма в ЖТФ, 1997, т.23, 8, стр 65-72; Techn. Phys. Letters, 1997, v. 23,4, p. 321-323.

4 В.Н.Будников, В.В.Дьяченко, П.Р.Гончаров и др. Механизм подавления нижнегибридной генерации тока на токамаке ФТ-2. // Письма в ЖТФ, 2000, т.26, 2, с. 41-46

5 Кантор М.Ю., Будников В.Н., Дьяченко В.В. и др. Измерение эволюции электронной температуры с помощью многоимпульсной томсоновской диагностики при НГ нагреве плазмы токамака ФТ-2. // Физика плазмы, 1998, 24, 3, с.230-233; Plasma Phys. Reports, 1998, v. 24, 3, p. 202-205.

6 S.I.Lashkul, V.N.Budnikov, A.A.Borevich et al. Mechanizm of the transport barrier formation at lower hybrid heating in the FT-2 tokamak experiments. // Plasma Physics and Controlled Fusion, 2000, v.42 p. A169- A174

7 S.I.Lashkul, V.N.Budnikov, V.V.Dyachenko, L.A.Esipov, E.R.Its, M.Yu.Kantor, D.V.Kouprienko, A.Yu.Popov, P.R.Goncharov, S.V.Shatalin, E.O.Vekshina, V.B.Yermolayev. Formation of Transport Barriers in Lower Hybrid Experiment at FT-2 tokamak. // Journal of Plasma and Fusion Research, vol.4, Japan, 2001,229233.

8 A. J.H.Donne et al. Overview of Core Diagnostics for TEXTOR. // Fusion Science and Technology, v. 47,2 (2005) p.220-245

9 M.Yu.Kantor, A.J.H.Donne, R.Jaspers, D.V.Kouprienko, H.J.van der Meiden, T.Oyevaar, A.Pospieszczyk, G.W.Spakman, S.K.Varshney, E.Uzgel. Multipulse Thomson scattering on TEXTOR. 13th International Symposium on Laser-Aided Plasma Diagnostics. // Takayama, Japan, September 18-21,2007.

10 H.J. van der Meiden, S.K.Varshney, C.J.Barth, T.Oyevaar, R.Jaspers, A.J.H.Donne, M.Yu.Kantor, D.V.Kouprienko, E.Uzgel, W.Biel, A.Pospieszczyk and TEXTOR Team. 10 kHz repetitive high-resolution TV Thomson scattering on TEXTOR: Design and performance. // Review Of Scientific Instruments, 77, 10E512 2006.

11 Pereverzev G and Yushmanov P N 2002 ASTRA automated system for transport analysis in a tokamak Rep. 5/98, Max-Planck-Institut f ur Plasmaphysik, Garching.

Лицензия ЛР № 020593 от 07.08.97

Подписано в печать 21.11.2008. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,25. Уч.-шд. л. 1,25 Тираж 100 Заказ 3753.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29.

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Роль электронного компонента в экспериментах при нижнегибридном нагреве плазмы. Обзор литературы и постановка задачи.

1.1 Нижнегибридный нагрев на токамаках. Область применения.

1.2 Эксперименты по НГ нагреву на ФТ-2.

1.3 Томсоновская диагностика в исследованиях высокотемпературной плазмы

1.3.1 Введение

1.3.2 Основные компоненты томсоновской диагностики и принципы их работы

1.3.3 Обзор существующих систем томсоновской диагностики

1.3.4 Требования к диагностике

1.3.5 Принципы многопроходного внутрирезонаторного зондирования плазмы.

1.4 Постановка задачи

ГЛАВА 2. Многопроходное внутрирезонаторное зондирование (МВЗ) плазмы в томсоновской диагностике.

2.1 Реализация на ФТ

2.1.1 Токамак ФТ-2.

2.1.2 Система зондирования

2.1.3 Система сбора света

2.1.4 Точность измерений

2.1.5 Измерения эволюции Те на ФТ

2.2 О возможности применения многопроходного внутрирезонаторного зондирования на больших установках

2.3 Реализация внутрирезонаторного подхода в двухпроходной системе зондирования на токамаке TEXTOR.

2.4 Выводы и перспективы

ГЛАВА 3. О влиянии электронной температуры на эффективность взаимодействия НГ волны с плазмой за счёт механизма параметрического распада.

3.1 Эксперимент с подавлением режима генерации НГ тока плазмы.

3.2 Анализ результатов

3.3 Выводы

ГЛАВА 4. Динамика электронного компонента в режимах с улучшенным удержанием энергии на токамаке ФТ

4.1 Эффективный нижнегибридный нагрев на токамаке ФТ-2.

4.2 Влияние нижнегибридного нагрева плазмы на электронный перенос в токамаке ФТ

4.3 Влияние быстрой динамики тока плазмы на электронный перенос в плазме токамака ФТ

4.4 Общие закономерности подавления электронного теплового переноса в динамических режимах токамака ФТ-2.

Исследования по управляемому термоядерному синтезу (УТС) в мире ещё на ранней стадии своего развития пришли к необходимости развития методов дополнительного нагрева плазмы, без которых невозможно достижение условий термоядерной реакции. Применение дополнительных к джоулеву нагреву способов нагрева плазмы началось довольно давно (в 70-е годы). С развитием методов и способов увеличения энергосодержания плазмы практически сразу пришло понимание того, что для повышения эффективности нагрева недостаточно технологического усовершенствования источников нагрева (увеличения мощности, длительности импульса нагрева), так как энергетическое время жизни плазмы падает с ростом вкладываемой мощности те ~ Р"05. Крайне важным с точки зрения эффективности дополнительного нагрева является получение режимов разряда, которые бы обеспечили наиболее эффективную передачу энергии от внешнего источника (электромагнитной волны или частиц) к ионам и электронам плазмы.

Качественным скачком в поиске эффективных сценариев развития плазменного разряда явилось обнаружение режимов с улучшенным удержанием энергии на различных плазменных установках. Начало этому положило наблюдение так называемой Н-моды на немецком токамакс ASDEX в 1982г. [1], после чего началось активное исследование режимов с улучшенным удержанием и способов их получения на различных установках. Важным этапом в развитии этих исследований стало обнаружение периферийного и внутреннего транспортных барьеров, образование которых существенным образом влияло на качество удержания в плазме. В наше время изучение транспортных барьеров, режимов с улучшенным удержанием, механизмов перехода и отключения этих режимов, являются приоритетными направлениями исследований в УТС во всём мире.

На токамаке ФТ-2, главным направлением исследований которого было изучение взаимодействия волн нижнегибридного диапазона с плазмой, в своё время также были обнаружены режимы с улучшенным удержанием в различных сценариях разряда, например, при нижнегибридном (НГ) нагреве плазмы [2]. Однако о переходе в новое качественное состояние плазмы в этих экспериментах можно было судить лишь по косвенным признакам: по падению свечения линии Hp , по подавлению турбулентности, по росту глобального энергосодержания на основании данных диамагнитных измерений. Для подтверждения факта перехода в состояние с улучшенным удержанием, а также для понимания механизмов этого перехода требовался анализ локального энергобаланса плазмы, что в свою очередь требовало проведение локальных измерений основных параметров плазмы, в том числе электронной плотности и температуры. Проводимые на тот момент измерения Те рентгеновской диагностикой из-за низкой достоверности результатов не позволяли провести анализ электронного энергобаланса.

Исходя из этого была поставлена задача исследования динамики локального электронного энергобаланса. Это потребовало проведения на токамаке ФТ-2 достоверных измерений электронной температуры, причём в динамическом режиме с высоким пространственным разрешением, поскольку проводимые на токамаке эксперименты, например, с НГ нагревом или с подбросом тока плазмы, характеризуются быстрым изменением плазменных параметров. Термин «быстрые» здесь и далее по тексту означает проведение измерений эволюции электронного компонента при быстрых нестационарных процессах с характерными временами порядка нескольких сотен микросекунд. Единственной диагностикой, которая может обеспечить высокую точность локальных измерений эволюции электронной температуры с хорошим пространственным разрешением, является томсоновская диагностика.

Выполнение физической программы потребовало в первую очередь создания диагностики томсоновского рассеяния на токамаке ФТ-2, позволившей проводить измерения электронной температуры с частотой следования измерительных импульсов до 10-15 кГц. Столь высокого временного разрешения в сочетании с высоким пространственным разрешением диагностики и точностью измерений удалось добиться благодаря развитию метода [3, 4], основанного на лазерном многопроходном внутрирезонаторном зондировании плазмы.

Благодаря данным томсновской диагностики удалось подтвердить влияние электронной температуры на характер взаимодействия НГ волны с плазмой [5], обнаружить эффективный нагрев электронов [6] и формирование транспортного барьера [7, 8] при вводе нижнегибридной мощности в плазму, а также провести анализ локального электронного энергобаланса плазмы в динамических режимах токамака ФТ-2 [7].

Система лазерного внутрирезонаторного зондирования плазмы была разработана и установлена также на токамаке TEXTOR [9]. Использование многоимпульсной лазерной системы и быстрой TV камеры для регистрации спектров рассеяния позволило впервые измерить быструю эволюцию профилей электронной температуры и плотности вдоль всего диаметра плазмы одновременно с высокой частотой и пространственным разрешением. Такие уникальные возможности нашли эффективное применение для исследования подавления магнитных островов при ЭЦР нагреве [10, 11]

Работа выполнена главным образом в лаборатории физики высокотемпературной плазмы ФТИ им. Иоффе РАН, а также на токамаке TEXTOR в институте физики плазмы Juelich, Germany.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Разработка и создание системы томсоновской диагностики на токамаке

ФТ-2, основанной па принципах внутрирезонаторного зондирования, позволяющей проводить измерения эволюции электронной температуры и плотности с частотой до 10-15 кГц. внутрирезонаторного зондирования плазмы для томсоновской диагностики токамака TEXTOR. в которой реализована возможность одновременного высокого пространственного разрешения (измерения эволюции до 100 пространственных точек на профилях электронной температуры и концентрации) с высоким временным разрешением (частота проведения измерений ~ 5 кГц).

2.

Разработка и создание системы лазерного двухпроходного

3.

Эффект влияния снижения электронной температуры при постоянной плотности плазмы на переход режима поглощения мощности нижнегибридных волн от электронного к ионному, связанного с возбуждением параметрической распадной неустойчивости на периферии плазмы.

4.

Обнаружение эффекта существенного роста электронной температуры при нижнегибридном нагреве плазмы в режиме взаимодействия с ионным компонентом.

Эффект подавления электронного теплового переноса в центральной части плазменного шнура в экспериментах с НГ нагревом и быстрым подъёмом тока плазмы на токамаке ФТ-2.

Новизна работы

Создана система томсоновской диагностики для токамака ФТ-2 с высоким временным разрешением измерений электронной температуры и плотности, построенная на принципах многопроходного внутрирезонаторного. зондирования плазмы.

Впервые показана возможность применения лазерного внутрирезонаторного зондирования плазмы на токамаках среднего размера.

Впервые создана томсоновская диагностика, совмещающая высокое пространственное разрешение с большой частогой измерений, работающая на токамаке TEXTOR

Впервые обнаружен значительный рост энергосодержания электронного компонента при НГ нагреве плазмы и формирование внутреннего транспортного барьера в режиме взаимодействия с ионами. Впервые обнаружено подавление электронного переноса в экспериментах с нижнегибридным нагревом и быстрым подъёмом плазменного тока во внутренней части плазменного шнура токамака ФТ-2. Найдена корреляция между снижением электронного теплового переноса в центральной области щнура, увеличением шира скорости полоидального вращения плазмы и подавлением турбулентности, измеренным во внешней области разряда.

Достоверность научных результатов

Результаты диссертационной работы экспериментально обоснованны. Достоверность результатов обеспечивается многократным повторением экспериментов и высокой точностью измерений. Кроме того, имеется хорошее соответствие с теоретическими предсказаниями.

Практическая значимость работы

Создание томсоновской диагностики на токамаке ФТ-2 с высоким временным и пространственным разрешениями измерений электронной температуры и плотности позволило серьёзно продвинуться в понимании механизмов взаимодействия нижнегибридных волн с плазмой. Новая диагностика позволила провести подробный анализ переходов к режимам с улучшенным удержанием в динамических экспериментах на токамаке ФТ-2. Продемонстрирована возможность применения внутрирезонаторного зондирования плазмы в томсоновской диагностике на токамаках средних размеров. Это открывает возможность применения метода и на более крупных плазменных установках для создания томсоновской диагностики с высокой частотой и пространственным разрешением.

Краткое содержание работы.

В Главе 1 дан обзор экспериментов по нижнегибридному нагреву на различных установках, в том числе и на ФТ-2. Во второй части этой главы проводится обзор диагностических систем томсоновского рассеяния, их характерных особенностей, обсуждаются тенденции развития диагностики. Сформулированы задачи данной работы.

В Главе 2 описан принцип многопроходного внутрирезонаторного зондирования (МВЗ) плазмы, его реализация в системе зондирования на токамаке ФТ-2, описание диагностической аппаратуры и основные свойства диагностической системы. Вторая часть главы 2 посвящена разработке и тесту методики МВЗ для больших плазменных установок. В третьей части главы описывается реализация системы двухпроходного зондирования на токамаке TEXTOR, дано описание системы и первые физические результаты.

Глава 3 посвящена исследованию влияния электронной температуры на эффективность взаимодействия НГ волны с плазмой за счёт механизма параметрического распада. На примере эксперимента с отключением НГ генерации тока показана роль электронной температуры в этих процессах.

В первой части Главы 4 говорится об экспериментах по эффективному НГ нагреву плазмы на ФТ-2. Вторая часть этой главы посвящена исследованию влияния нижнегибридного нагрева плазмы на электронный перенос в токамаке ФТ-2, а третья часть - исследованию динамики электронного компонента в режимах с быстрым подъёмом тока. Во всех режимах анализируется корреляция электронного теплового переноса с динамикой расчётных значений шира скорости полоидального вращения плазмы и уровнем турбулентности. Обсуждаются общие закономерности подавления электронного теплового переноса в динамических режимах токамака ФТ-2. В Заключении приведены основные итоги работы и выводы.

Апробация работы.

В диссертацию включены результаты, полученные в период с 1996 по 2007 гг.

Результаты работы представлялись в 30 докладах на международных конференциях:

1) Kantor М.Yu., Kouprienko D.V., Lashkul SЛ., Zavadsky V.M., Photon recycling Thomson scattering diagnostics for precise measurements of electron temperature evolution at fast transient processes in plasma of FT-2 tokamak, Proceed. 23rd EPS Conf. on Contr. Fusion and Plasma Phys. Kiev, 1996, v. Ill, p 1100-1103.

2) Lashkul S.I., Budnikov V.N., Bulanin V.V. et al. Improved core confinement study under fast current ramp up in the LHH experiment at FT-2 tokamak. Proceed. 24th EPS Conf. on Contr. Fusion and Plasma Physics.,Berchtesgaden, 1997, V. II, p. 669-672.

3) Budnikov V.N., Dyachenko V.V., Esipov L.A. et al. The effect of plasma boundary on absorption of lower hybrid waves and plasma improved confinement in FT-2 tokamak. Proceed. 24th EPS Conf. on Contr. Fusion and Plasma Physics., Berchtesgaden, 1997, V. II, p. 681-684.

4) Lashkul S.I., Budnikov V.N., Bulanin V.V. et al. Fast current ramp up in the LHH experiment at FT-2 tokamak and improved core confinement study. Proceed. 2-nd Europhysics Topical Conf. on Radio Frequency Heating and Current Drive of Fusion Devices, Brussels, January 1998, p.l61-164.

5) Lashkul S.I., Budnikov V.N., Chechik E.O. et al. The plasma boundary effect study on absorption of lower hybrid waves and plasma improved confinement in FT-2 tokamak. Proceed. 2-nd Europhysics Topical Conf. on Radio Frequency Heating and Current Drive of Fusion Devices, Brussels, January 1998, p. 165-168.

6) Budnikov V.N., Chechik E.O., Dyachenko V.V. et al. Study of the linear and parametric absorption of lower hybrid waves in plasma on the FT-2 tokamak. Proceed. 25th EPS Conf. on Contr. Fusion and Plasma Physics., Prague, 1998, p.1356-1359.

7) Kantor M.Yu., Borevich A.A., Budnikov V.N. et al. The application of intracavity Thomson scattering to the study of fast transient plasma processes. Proceed. 25th EPS Conf. on Contr. Fusion and Plasma Physics., Prague, 1998, p. 1566-1569.

8) Lashkul S.I., Budnikov V.N., Bulanin V.V. et al. The non-local transport effect study in fast current ramp up experiment at the FT-2 tokamak. Proceed. 25th EPS Conf. on Contr. Fusion and Plasma Physics., Prague, 1998, p.1880-1883.

9) A.A.Borevich, V.N.Budnikov, E.O.Chechik et al. A study of the LHCD termination mechanism in the FT-2 tokamak. Proceedings 26th EPS Conf. on Contr. Fusion and Plasma Phys., Maastricht, 1999, p.l789-1792.

10) S.I. Lashkul, V.N. Budnikov, A. A. Borevich et al. Mechanism of the transport barriers formation at lower hybrid heating in the FT-2 tokamak experiments. Proceedings of 26th EPS Conf. on Contr. Fusion and Plasma Phys., Maastricht, 1999, p. 1729-1732.

11) M.Yu. Kantor, C.J. Barth, D.V. Kouprienko, H.J. van der Meiden. Test of a periodic multipass-intracavity laser system for the TEXTOR multiposition Thomson scattering diagnostics. Proceedings of 27th EPS Conf. on Contr. Fusion and Plasma Phys., Budapest, 2000, P.l.113.

12) Lashkul S.I., Budnikov V.N., Borevich A.A. et al. Transport barrier dynamics with Lower Hybrid heating in the FT-2 tokamak experiments. Proceedings of 27th EPS Conf. on Contr. Fusion and Plasma Phys., Budapest, 2000, P.2.012.

13) Lashkul S.I., Budnikov V.N., Dyachenko V.V. et al. Formation of Transport barriers in Lower Hybrid experiment at FT-2. 11th International Toki Conference on plasma physics and controlled nuclear fusion. 2000, Toki-city, Japan.

14) S.I.Lashkul, V.N.Budnikov, V.V.Dyachenko, L.A.Esipov, E.Z.Gusakov, E.R.Its, M.Yu.Kantor, D.V.Kouprienko, A.Yu.Popov, S.V.Shatalin, E.O.Vekshina.Radial electric field effects in experiments at FT-2 tokamak. Proceedings of 28th EPS Conference on Controlled Fusion and PlasmaPhysics. Madeira, 2001, ECAVol.25A, P-4.030.

15) H.J.v.d.Meiden, C.J.barth, T.Oyevaar, A.J.H.Donne, N.J.LopesCardozo, F.C.Schiiller, M.Yu.Kantor, D.V.Kouprienko, W.Biel, A.Pospieszczyk. Multi-pulse 20khz TV Thomson scattering with high spatial resolution on TEXTOR-94. 10th International Symposium on Laser-Aided plasma diagnostics. Fukuoka, 2001.

16) S.I.Lashkul, V.N.Budnikov, A.D.Gurchenko, E.Z.Gusakov, V.V.Dyachenko, L.A.Esipov, E.R.Its, M.Yu.Kantor, D.V.Kouprienko, K.M.Novik, A.Yu.Popov, S.V.Shatalin, V.L.Selenin, A.Yu.Stepanov, E.O.Vekshina, V.B.Yermolajev.Dynamics of the Transport Barrier Formation on the FT-2 Tokamak Caused by Low Hybrid Heating. 29th EPS Conference on Controlled Fusion and PlasmaPhysics. 2002, Vol.26B, P4.090.

17) M.Yu.Kantor, D.V.Kouprienko, C.J.Barth, H.J.vanderMeiden, T.Oyevaar, S.K.Varsney, A.J.H.Donne, F.C.Schiiller, N.J.Lopes Cardozo, W.Biel, A.Pospieszczyk. A 10kHz Intracavity Laser System for High-Resolution TV Thomson Scattering on TEXTOR. Proceeding of the 30th EPS Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics. StPetersburg. 2003,27A, P-4.76.

18) S.K.Varshney, H.J.vanderMeiden, C.J.Barth, T.Oyevaar, M.Yu.Kantor, D.V.Kouprienko, A.J.H.Donne, N.J.LopesCardozo, E.Westerhof, F.C.Schiiller, R.Jaspers, K.H.Finken and the TEXTOR team. Investigation of DED generated MHD islands in the TEXTOR plasma with 10kHz Thomson scattering system. Proceeding of the 31st EPS Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics. London, 2004, ECAVol.28G, P-1.127.

19) A.B.Altukhov, V.V.Bulanin, L.A.Esipov, V.V.Dyachenko, M.V.Gorokhov, A.D.Gurchenko, E.ZGusakov, M.A.Irzak, M.Yu.Kantor, D.V.Kouprienko, S.I.Lashkul, A.V.Petrov, A.N.Saveliev, A.Yu.Stepanov, S.V.Shatalin, E.O.Vekshina. Influence of Lower Hybrid heating on poloidal plasma rotation and small-scale turbulence in FT-2 tokamak. Proceeding of the 31st EPS Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics. London, 2004, ECA Vol.28G, P-l .174.

20) S.I.Lashkul, S.V.Shatalin, A.B.Altukhov, A.D.Dyachenko, L.A.Esipov, M.Yu.Kantor, A.V.Pavlov, D.V.Kouprienko, A.Yu.Stepanov, A.P.Sharpeonok, E.O.Vekshina. Suppression of the particle fluctuation-induced fluxes and spectral analyses of the plasma oscillations with ITB and ETB formation at FT-2 experiment. Proceeding of the 32nd EPS Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics. Tarragona, 2005, ECAVol.29C, P4-046.

21) E.Z.Gusakov, A.D.Gurchenko, A.B.Altukhov, A.Yu.Stepanov, L.A.Esipov, M.Yu.Kantor, D.V.Kouprienko.First observation of ETG mode component of tokamak plasma turbulence by correlative UHR backscattering diagnostics. Proceeding of the 32nd EPS Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics. Tarragona, 2005, ECAVol.29C, D4-007.

22) S.K.Varshney, A.J.H.Donne, G.M.D.Hogeweij, H.J.vanderMeiden, T.Oyevaar, E.Uzgel, K.A.Razumova, V.F.Andreev, I.S.Bel'bas, M.Yu.Kantor, D.V.Kouprienko and the TEXTOR team. Transient transport processes in the TEXTOR plasma studied with multi-pulse Thomson scattering. Proc.l2th International Symposium on Laser-Aided Plasma Diagnostics, Salt Lake City, USA 2005.

23)H.J.van der Meiden, T.Oyevaar, S.K.Varshney, E.Uzgel, M.Yu.Kantor, D.V.Kouprienko, A.Pospieszczyk, C.J.Barth and A.J.H.Donne. Multi-pulse Thomson Scattering System for TEXTOR. Proc. 12th International Symposium on Laser-Aided Plasma Diagnostics, Salt Lake City, USA 2005. Invited paper.

24) E.Z. Gusakov, A.D. Gurchenko, A.B. Altukhov, V.V. Bulanin, L.A. Esipov, M.Yu. Kantor, D.V. Kouprienko, S.I. Lashkul, A.V. Petrov, A.Yu. Stepanov (Investigation of ETG Mode Micro Turbulence in FT-2 Tokamak), Proc. of 21 IAEA Fusion Energy Conference, Chengdu, 2006, (International Atomic Energy Agency, Vienna, 2006), IAEA-CN-149/EX/P4-32. http://www-pub.iaea.org/MTCD/Meetings/FEC2006/exp4-32.pdf

25) S.I. Lashkul, A.B. Altukhov, A.D. Gurchenko, E.Z. Gusakov, V.V. Dyachenko, L.A. Esipov, M.Yu. Kantor, D.V. Kouprienko, A.V. Pavlov, A.Yu. Popov, S.V.Shatalin, A.P. Sharpconok, A.Yu. Stepanov, E.O.Vekshina (Effective Heating and Improved Confinement Transition in Lower Hybrid Experiment on FT-2 Tokamak), Proc. of 21 IAEA Fusion Energy Conference, Chengdu, 2006, (International Atomic Energy Agency, Vienna, 2006), IAEA-CN-149/EX/P6-18. http://www-pub.iaea.org/MTCD/Meetings/FEC2006/exp6-18.pdf

26) H.J. van der Meiden, S.K.Varshney, C.J.Barth, T.Oyevaar, RJaspers, A.J.H.Donne, M.Yu.Kantor, D.V.Kouprienko, E.Uzgel, W.Biel, A.Pospieszczyk and TEXTORTeam. 10 kHz repetitive high-resolution TV Thomson scattering on TEXTOR: Design and performance (invited talk). 16th Topical Conference on High Temperatuare Plasma, 07 - 11 May 2006 Williamsburg, Virginia, USA. Invited Paper.

27) S.I. Lashkul, A.B. Altukhov, V.V. Bulanin, V.V. Dyachenko, L.A. Esipov, A.D. Gurchenko, E.Z. Gusakov, M.Yu. Kantor, D.V. Kouprienko, A.V. Petrov, A.Yu. Popov, S.V.Shatalin*, A.Yu. Stepanov, E.O. Vekshina, A.Yu. Yashin. Improved Confinement Transition in Lower Hybrid Heating Experiment on FT-2 Tokamak. Proc. of the 34th EPS and PI. Phys. Warshava, 2007, P2.055

28) S.I. Lashkul, A.B. Altukhov, A.O. Bogdanenko, V.V. Dyachenko, L.A. Esipov, M.Yu. Kantor, D.V. Kouprienko, A.D. Lebedev, A.P. Sharpeonok. Spectral Measurements and Visualization of the Plasma Processes during Effective Heating in Lower Hybrid Experiment on FT-2 Tokamak. Proc. of the 34th EPS and PI. Phys. Warshava, 2007, P2.148

29) M.Yu.Kantor, A.J.H.Donne, RJaspers, D.V.Kouprienko, H.J.van der Meiden, T.Oyevaar, A.Pospieszczyk, G.W.Spakman, S.K.Varshney, E.Uzgel. Multipulse Thomson scattering on TEXTOR. 13th International Symposium on Laser-Aided Plasma Diagnostics. // Takayama, Japan, September 18-21, 2007. Invited

30) M.Yu.Kantor, L.A.Esipov, D.V.Kouprienko, I.C.Nascimento, J.H.F.Severo, S.P.Yaroshevich. Local Diagnostics of Hydrogen Atom and Molecular Density Based on Laser Induced Ionization in FT-2 Tokamak. // 13th International Symposium on Laser-Aided Plasma Diagnostics. Takayama, Japan, September 18-21, 2007.

Представляемые результаты также неоднократно докладывались на российской ежегодной Звенигородской конференции по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу.

Также результаты этой работы опубликованы в 17 статьях в реферируемых журналах:

1) Кантор М.Ю., Куприенко Д.В. Лазерное многопроходное зондирование в томсоновской диагностике плазмы. // Письма в ЖТФ,- 1997.- т.23, 8. - с. 65-72; Techn. Phys. Letters. - 1997. - v. 23, 4. - p. 321-323.

2) Кантор М.Ю., Будников B.H., Дьяченко В.В. и др. Измерение эволюции электронной температуры с помощью многоимпульсной томсоновской диагностики при НГ нагреве плазмы токамака ФТ-2. // Физика плазмы. — 1998. - 24, 3. - с.230-233.

3) Kantor M.Yu., Kouprienko D.V. High repetition rate probing laser for Thomson scattering diagnostics. // Review of Scientific Instruments. - 1999. - v. 70, 1. - p.780-782.

4) B.H. Будников, В.В. Буланин, JI.A. Есипов и др. "Нелокальный" перенос в экспериментах с быстрым подъемом тока на токамаке ФТ-2. // Письма в ЖТФ. — 1999. - т.25, 12. - с.1053-1059.

5) S.I.Lashkul, V.N.Budnikov, A.A.Borevich et al. Mechanizm of the transport barrier formation at lower hybrid heating in the FT-2 tokamak experiments. // Plasma Physics and Controlled Fusion. - 2000. - v.42. - p. A169 - A174.

6) В.Н.Будников, В.В.Дьяченко, П.Р.Гончаров и др. Механизм подавления нижнегибридной генерации тока на токамаке ФТ-2. // Письма в ЖТФ. — 2000. - т.26, 2.-е. 41-46.

7) М. Yu. Kantor, С .J. Barth, D.V. Kouprienko, H .J. van der Meiden. Test of a periodic multipass-intracavity laser system for the TEXTOR multiposition Thomson scattering diagnostics. // Review of Scientific Instruments. - 2001. - v. 72, 1. - p.l 159-1161.

8) S.I.Lashkul, V.N.Budnikov, E.O.Vekshina, V.V.Dyachenko, L.A.Esipov, E.R.Its, M.Yu.Kantor, D.V.Kouprienko, A.Yu.Popov, S.V.Shatalin. Effect of the Radial Electric Field on Lower Hybrid Plasma Heating in the FT-2 Tokamak. // Plasma Physics Reports. -2001.-V27, 12. — p. 1001—1010.

9) S.I.Lashkul, V.N.Budnikov, V.V.Dyachenko, L.A.Esipov, E.R.Its, M.Yu.Kantor,

D.V.Kouprienko, A.Yu.Popov, P.R.Goncharov, S.V.Shatalin, E.O.Vekshina, V.B.Yermolayev. Formation of Transport Barriers in Lower Hybrid Experiment at FT-2 tokamak. // Journal of Plasma and Fusion Research. - 2001. - vol.4. - c.229-233.

10) S.I.Lashkul, V.N.Budnikov, V.V.Dyachenko, P.R.Goncharov, L.A.Esipov, E.R.Its, M.Yu.Kantor, D.V.Kouprienko, A.D.Lebedev, S.V.Shatalin, E.O.Vekshina.Processes in SOL Plasma at the Transition into Improved Confinement Mode in FT-2 Tokamak. // Plasma Phys. Control. Fusion. -2002. - v.44. - p.653-663.

11) S.I.Lashkul, V.N.Budnikov, A.D.Gurchenko, E.Z.Gusakov, V.V.Dyachenko, L.A.Esipov,

E.R.Its, M.Yu.Kantor, D.V.Kouprienko, K.M.Novik, A.Yu.Popov, S.V.Shatalin, A.Yu.Stepanov, E.O.Vekshina, V.B.Yermolaev. Dynamics of the Transport Barrier Formation on the FT-2 Tokamak Caused by Low Hybrid Heating. // Czechoslovak Journal of Physics. 2002. - v.52, 10. - p.l 149-1159.

12) H.J.vanderMeiden, C.J.Barth, T.Oyevaar, S.K.Varshney, A.J.H.Donne, M.Yu.Kantor, D.V.Kouprienko, A.Alexeev, W.Biel, A.Pospieszczyk. 10kHz repetitive high-resolution TV Thomson scattering on TEXTOR. // Rev.Sci.Instrum. - 2004. -v.75. - p.3849.

13) A.J.H.Donne et al. Overview of Core Diagnostics for TEXTOR. // Fusion Science and Technology. -2005. - v. 47, 2. - p.220-245.

14) E.Z.Gusakov, A.D.Gurchenko, A.B.Altukhov, A.Yu Stepanov, L.A.Esipov, M.Yu Kantor, D.V.Kouprienko. Investigation of ETG mode-scale component of tokamak plasma turbulence by correlative enhanced scattering diagnostics. // Plasma Physics and Controlled Fusion. -2006. - v. 48, 5A. - p.A371-A376.

15) H.J. van der Meiden, S.K.Varshney, C.J.Barth, T.Oyevaar, R.Jaspers, A.J.H.Donne, M.Yu.Kantor, D.V.Kouprienko, E.Uzgel, W.Biel, A.Pospieszczyk and TEXTOR Team. 10 kHz repetitive high-resolution TV Thomson scattering on TEXTOR: Design and performance. // Review Of Scientific Instruments. -2006. - v.77. - 10E512.

16) E.Z.Gusakov, A.D.Gurchenko, A.B.Altukhov, V.V.Bulanin, L.A.Esipov, M.Yu Kantor, D.V.Kouprienko, S.I.Lashkul, A.V.Petrov, A.Yu Stepanov. Investigation of small-scale tokamak plasma turbulence by correlative UHR backscattering diagnostics. // Plasma Phys. Control Fusion. -2006. - v.48(12B). - B443-B451.

17) A.D. Gurchenko, E.Z. Gusakov, A.B. Altukhov, A.Yu. Stepanov, L.A. Esipov, M.Yu.

Kantor, D.V. Kouprienko, V.V. Dyachenko and S.I. Lashkul. Observation of the ETG mode component of tokamak plasma turbulence by the UHR backscattering diagnostics. // Nucl.

Fusion. -2007. - v.47. - p.245-250.

3.3. Выводы к Главе 3

Таким образом, эксперимент с отключением генерации НГ тока явился хорошим доказательством предположения о влиянии электронной температуры на пороги развития параметрических пеустойчивостей в плазме при её взаимодействии с НГ волнами.

Анализ экспериментальных данных показал, что отключение нижнегибридной генерации тока на ФТ-2 в условиях постоянной плотности плазмы сопряжено с развитием параметрической неустойчивости и генерацией замедленных волн, которые могут быть следствием снижения Те. Продуктом распада волны являются замедленные дочерние волны, которые могут эффективно взаимодействовать с ионами плазмы, в отличие от исходной волны, что находит своё отражение в росте ионной температуры после отключения нижнегибридного тока.

Подтверждается гипотеза о влиянии электронной температуры на механизм взаимодействия НГ волны с плазмой.

Глава 4. Динамика электронного компонента в режимах с улучшенным удержанием энергии на токамаке ФТ-2.

Настоящая глава посвящена исследованию динамики теплового переноса в электронном компоненте в режимах с улучшенным удержанием энергии. Подробно анализируются эксперименты, в которых было обнаружено существенное подавление электронного переноса.

В разделе 4.1 будет рассказано об эксперименте по нижнегибридному нагреву на ФТ-2, в котором была продемонстрирована рекордно высокая для ФТ-2 эффективность нагрева ионной и электронной компонент при мощности дополнительного нагрева Plhh ~ 90kW. Измеренный в этом эксперименте [7] во время ВЧ импульса дополнительный нагрев электронов поддерживался в течение достаточно длительного времени (~ 5 ms) после отключения импульса нагрева, что объясняется подавлением теплового электронного переноса при вводе НГ мощности в плазму. Подавление переноса связывается с возникновением внутреннего транспортного барьера, на появление которого указывает образование резкого градиента на профиле плотности во время ВЧ импульса.

В разделе 4.2 анализируются результаты эксперимента по дополнительному НГ нагреву плазмы с повышенной мощностью ВЧ генератора (Plhii ~ 180kW). В этом же разделе обсуждается влияние смещения плазменного шнура и пикирования канала тока, обычно сопровождающих эксперименты с НГ нагревом, на результат нагрева и динамику теплового переноса. С этой целью проводится анализ эксперимента с сильным смещением плазмы в омическом режиме нагрева. Кроме того, обсуждается зависимость эффективности нагрева рлазмы от вводимой мощности.

В разделе 4.3 подробно анализируется эксперимент по быстрому подъёму плазменного тока [79], где наблюдаемый рост электронной температуры не может быть объяснён только дополнительным омическим нагревом электронов и связывается также с улучшением удержания тепла в электронном компоненте.

Во всех случаях детальное рассмотрение удержания энергии в электронном канале проводится на основе анализа энергобаланса посредством кода АСТРА с использованием измеренных параметров плазмы, в том числе, профилей ионной и электронной температуры (Т;, Тс), плотности (пе) и радиационных потерь (Prad). Также анализируется роль радиального электрического поля и шира полоидального вращения плазмы в этих экспериментах. Поскольку снижение теплопереноса в электронном компоненте обычно объясняется подавлением мелкомасштабной турбулентности плазмы, то для анализа поведения микрофлуктуаций плотности и динамики мелкомасштабной дрейфовой турбулентности привлекаются данные измерений корреляционной диагностикой усиленного рассеяния [80, 81].

В разделе 4.4 проводится сравнительный анализ указанных режимов, обсуждаются общие закономерности наблюдаемого подавления переноса в электронном компоненте, вызванного различными внешними воздействиями.

4.1. Эффективный нижнегибридный нагрев на токамаке ФТ-2.

В главе 3 речь шла об экспериментах на ФТ-2, в которых омическая плотность плазмы была существенно (почти в 2 раза) меньше плотности линейной трансформации для вводимой в плазму НГ волны. Как уже обсуждалось выше, с повышением плотности происходит переход к режиму нижнегибридного нагрева ионов. На токамаке ФТ-2 экспериментально обнаружен диапазон омических плотностей плазмы (2.8-3.6 х 1013см~3), в котором наблюдается максимально эффективный нагрев ионного компонента.

В данной главе речь пойдёт об эксперименте, в котором наблюдалась максимальная эффективность нагрева ионов, а также максимальный прирост центральной электронной температуры при мощности генератора Рнг ~ 90 кВт. Задачей эксперимента было исследование динамики электронного компонента в этом рекордном режиме, а также оценка коэффициентов электронного переноса в результате взаимодействия НГ волны с плазмой.

4.1.1. Эксперимент

Серия экспериментов [82] на ФТ-2 проводилась в следующих условиях. В стандартном омическом разряде на токамаке (Bt = 2.2 Тл, I = 22 кА) на стационарной стадии разряда вводился импульс ВЧ мощности длительностью 5мс. Нагрев происходил на частоте 920МГц, ВЧ мощность подводилась двухволноводным гриллом с внешней стороны тора и составляла величину ~ 90 кВт.

В этих экспериментах проводились легальные измерения эволюции электронной температуры и плотности, а также ионной температуры в центре разряда во время ВЧ нагрева и в постнагревной стадии. Динамика электронной температуры и плотности измерялась с помощью системы томсоновской диагностики (20 измерительных импульсов с частотой следования 5-7 кГц, Е,онд ~ ЮОДж/имп) [83]. Профиль ионной температуры измерялся с помощью сканирующего 5-ти канального анализатора атомов перезарядки.

Уже на исходных данных эволюции электронной температуры, представленных в координатах у (координаты вертикальной оси измерений томсоновской диагностики, вдоль оси зондирования лазера), наблюдался существенный рост электронной температуры, особенно в центральной части плазменного шнура, Рис. 42.

1000800600400 А

200

971211

1-'-1

1-г

T,'eV /v^ у = 0 ст|

800600400200 : 0

LH pulse

1-2 cm

28

30 r

32 ^ 34 t, ms

36

38

Рис. 42

Эволюция Те в центре шнура в точках на оси зондирования лазера у= 0 см, у= -2 см, у= -3 см

971211

Рис. 43

Профили Те и пе вдоль оси зондирования лазера «у»

На Рис. 43 показана динамика исходных профилей Те и п^, построенных в зависимости от у (плотность здесь дана в относительных единицах). Стоит отметить сильный рост центральной температуры с явным пикированием профиля и образованием резкого градиента в центральном керне разряда, а также образование существенного градиента на профиле плотности на периферии плазмы.

600

800

Электронная температура в центре Рис. 44 начинает расти с некоторой задержкой ~2 мс после старта ВЧ импульса. Примечательно, что с окончанием ВЧ импульса

400

200

LH pulse

О"!--1---1-■--■-г

28 30 32 34 36 t, ms электронная температура не падает, а даже продолжает испытывать некоторый рост. Поскольку в этой динамике помимо изменений локальной величины Тс присутствует и движение плазменного шнура, приводящее к

Рис. 44 изменению его

Заключение. Основные выводы и результаты работы

1. Опыт применения многопроходного внутрирезонаторного зондирования в лазерных системах томсоновских диагностик на токамаках ФТ-2 и TEXTOR показал эффективность данного подхода в диагностике. Благодаря нему получены параметры томсоновской диагностики, недостижимые при традиционном подходе к зондированию плазмы.

Томсоновская диагностика на токамаке ФТ-2 позволяет проводить измерения эволюции электронной температуры и плотности в одном разряде токамака с временным интервалом до 100 мкс между отдельными измерениями и с точностью измерений ~ 3-7 % в центре токамака и ~ 10-20 % на периферии при пространственном разрешении - 6 мм. Диагностика позволяет производить 10-20 измерений электронной температуры и плотности за один разряд токамака.

На токамаке TEXTOR проведены измерения с временным интервалом 200 мкс между отдельными измерениями и с точностью измерений ~ 3.5% для плотности и ~ 6 % для

13 3 температуры при центральной плотности n ~ 3x10 см" с пространственным разрешением ~ 9 мм. При этом за один разряд токамака производится до 30 измерений пространственных профилей, до 100 пространственных точек в каждом. Такие измерения дают возможность детально исследовать поведение электронной температуры и плотности в быстрых динамических процессах в плазме.

2. В режиме с отключением нижнегибридной генерации тока на ФТ-2 показано, что электронная температура может быть ещё одним параметром, помимо плотности, который влияет на пороги развития параметрических неустойчивостей в плазме. В режиме с переходом от нижнегибридной генерации тока к генерации быстрых ионов снижение электронной температуры при постоянном уровне плотности является причиной отключения нижнегибридного тока и переходу к взаимодействию замедленной нижнегибридной волны с ионами, связанного с развитием параметрической неустойчивости на периферии плазмы. Утверждение о решающей роли электронной температуры в изменении механизма взаимодействия НГ волны с плазмой хорошо согласуется с теоретическими положениями и экспериментальными наблюдениями.

3. В результате проведения экспериментов по НГ нагреву плазмы на токамаке ФТ-2 обнаружен нагрев электронов, сопровождающий значительный нагрев ионов (AT; ~ 180 эВ) при мощности НГ нагрева Plh ~ 90 кВт. Электронная температура в самом центре плазменного шнура вырастает более чем в 2 раза. Существенная динамика Те наблюдается внутри области г < 3.5 см. Появление значительного градиента иа профиле плотности в области г ~5-6 см может указывать иа образование здесь транспортного барьера. Анализ энергобаланса плазмы свидетельствует о существенном подавлении электронной температуропроводности внутри области г < б см во время ввода ВЧ мощности. На подавление электронного теплового переноса указывает также продолжающийся после окончания импульса ВЧ рост электронной температуры.

4. Наблюдаемый рост электронной температуры в различных режимах с НГ нагревом связывается не с вкладом энергии от внешнего источника, а с улучшением удержания в электронном компоненте. Обнаружено, что эффективность электронного НГ нагрева не зависит от мощности ВЧ источника, а определяется исключительно степенью подавления переноса.

5. Проведённый анализ экспериментальных данных в динамических режимах (с НГ нагревом и с быстрым подъёмом тока) на токамаке ФТ-2 свидетельствует о переходе плазмы в этих экспериментах в состояние улучшенного удержания, что подтверждается существенным падением коэффициентов электронного переноса, ростом электронного энергосодержания, снижением уровня периферийной турбулентности.

6. Обнаружена корреляция подавления электронной температуропроводности и роста шира скорости полоидального вращения, рассчитанного согласно неоклассической теории по экспериментальным профилям температуры и плотности, для значительной части плазменного шнура как в экспериментах с НГ нагревом, так и в экспериментах с быстрым подъемом тока. Подавление электронного теплового переноса в режимах с НГ нагревом и быстрым подъёмом тока, по всей видимости, связано с существенным ростом градиента радиального электрического поля в областях плазмы г ~ 4-6 см. Подтверждением этих предположений является измеренная динамика уровня коротковолновой микротурбулентности в диапазоне колебаний, связанной с диссипативной модой дрейфовой неустойчивости на запертых электронах. Изменение уровня флуктуаций плотности хорошо согласуется с эволюцией коэффициентов переноса и динамикой шира скорости полоидального вращения плазмы.

1. F. Wagner et al., Phys. Rev. Lett. 49 (1982) 1408

2. Будников B.B. и др. Письма в ЖЭТФ. 1994. т.59, вып. 10, с. 651

3. Гусев В.К., Кантор М.Ю., Раздобарин Г.Т., Авт. Свид. N 1421072, Открытия и изобретения, 1990, N8, с. 286.

4. Кантор М.Ю., Куприснко Д.В. Лазерное многопроходное зондирование в томсоновской диагностике плазмы. Письма в ЖТФ, 1997, т.23, 8, стр 65-72; Techn. Phys. Letters, 1997, v. 23, 4, p. 321-323.

5. В.Н.Будников, В.В.Дьяченко, П.Р.Гончаров и др. Механизм подавления нижнегибридной генерации тока на токамаке ФТ-2. Письма в ЖТФ, 2000, т.26, 2, с. 41-46

6. S.I.Lashkul, V.N.Budnikov, A.A.Borevich et al. Mechanizm of the transport barrier formation at lower hybrid heating in the FT-2 tokamak experiments. Plasma Physics and Controlled Fusion, 2000, v.42 p. A169-A174

7. A.J.H.Donne et al. Overview of Core Diagnostics for TEXTOR. Fusion Science and Technology, v. 47, 2 (2005) p.220-245

8. Porkolab M Phys. Fluids 17 1432; 1977 20 2058

9. Karney С F F 1979 Phys. Fluids v.22,Nl 1 (1979), p.2188-2209.

10. Brambilla M and Chen Y P 1982 Proc. 3rd Joint Varenna-Grenoble Int. Symp. Heating in Toroidal Plasmas (Grenoble) vol 2 pp 565-9.

11. GoJant V E and Fedorov V I, High-Frequency Plasma Heating in Toroidal Thermonuclear Devices (Moscow: Energoatomizdat) pp 69-96, 116-41, 1986.

12. Cairns R.A., "Radiofrequency heating of plasmas", ЮР, 1991.

13. Karney C.F., Fisch N.L., Phys. Fluids, v.22, N9 (1979), p.1817-1824.

14. Голант B.E., Письма в ЖТФ, 41(1971), с.2493-2503.

15. Lallia P., Proc. of the 2nd Topical Conf. on RF Plasma Heating, Lubbock, Texas, USA (1974), р.СЗ-1-C3-6.

16. Brambilla M., Nuclear Fusion, v. 16 (1976), p. 47-54.

17. Голант B.E., Пшшя А.Д., УФН 104, N3(1971), c.413-457.

18. Рубенчик A.M., Письма в ЖТФ, 2, N11 (1976), с. 521-525.

19. Berger R.L. et al, Phys. Fluids, v.20, N11 (1977), p. 1864-1875.

20. Пилия А.Д, Фёдоров В.И., ЖЭТФ, 60 (1971), c.389-399.

21. Баранов Ю.Ф., Фёдоров В.И, Письма в ЖТФ, т.4 (1978), с.800-804.

22. Porkolab М. et al. Phys. Rev. Lett, 1977, v.38, N5, p.230-233.

23. Porkolab M Phys. Fluids 17 1432; 1977 20 2058

24. Gormezano С et al, Proc. 3rd Joint Varenna-Grenoble Int. Symp. Heating in Toroidal Plasmas (Grenoble), vol 2 (Brussels: CEC) p 439, 1982.

25. Uehara К and Nagashima T, Proc. 3rd Joint Varenna-Grenoble Int. Symp. Heating in Toroidal Plasmas

26. Grenoble) vol 2 (Brussels: CEC) p 485. 1982

27. Van Houtte D et al 1984 Proc. 4th Int. Symp. Heating in Toroidal Plasmas (Rome) vol 1 (Varenna) 1, 554-570. 1984

28. Soldner F et al., Proc. 12th Euro. Conf. Controlled Fusion and Plasma Physics (Budapest) vol 9F part II, p 244. 1985.

29. Stevens I E et al 1982 Proc. 3rd Joint Varenna-Grenoble Int. Symp. Heating in Toroidal Plasmas (Grenoble) vol 2 (Brussels: CEC) p 455.

30. Porkolab M et al 1984 Proc. 4th Int. Symp. Heating in Toroidal Plasmas (Rome) vol 1 (Varenna: International School of Plasma Physics) pp 529—45.

31. F. Alladio et al., "Lower Hybrid Heating Experiments on FT", proceedings of 4th Symp. Heating in Toroidal Plasmas (Varenna), 1, 546. 1984.

32. Porkolab M et. Al., Proc. 10th Int. Conf. Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion Research (London) vol 1 (Vienna: IAEA) p 463, 1985.

33. Tonon G., Plasma Pliys and Contr. Fus., 1984, v.26, N1 A, p. 145-155.

34. Golant V.E. et al., Contr. Fus. And Plasma Phys., Oxford, 1979, p.46.

35. De Marco F. et al., Heating in Toroidal Plasmas, Rome, 1984, v.l, p.546-553.

36. A. Ekedahl et al, Profile control experiments in JET using off-axis lower hybrid current drive, Nuclear Fusion, Vol. 38, No. 9, 1397-1407, (1998)

37. T. Suzuki et.al., Off-axis Current Drive and Current Profile Control in JT-60U , 21th IAEA Fusion Energy Conference (Chengdu), 2006.

38. A Tuccillo et al., Progress in LHCD: a tool for advanced regimes on ITER, Plasma Phys. Control. Fusion 47 (2005) B363-B377.

39. V N Budnikov and M A Irzak, Mechanism of ion and electron LH heating on the FT-2 tokamak, Plasma Phys. Control. Fusion 38 (1996) A135-A147.

40. Будников B.H. и др., Письма в ЖЭТФ, т.48, в.9, с.480-483, 1988.

41. Novik К М and Piliya A D 1993 Plasma Phys. Control. Fusion 35 357-81

42. Budnikov V N 1991 Nucl. Fusion 31611

43. Budnikov V N et al 1995 Proc. 22nd Euro. Conf. Controlled Fusion and Plasma Physics (Bournemouth) vol 19C, part IV (European Physical Society) p 385

44. Будников B.H., Новый взгляд па эксперименты по нижнегибридному нагреву натокамаках, ФТИ, препринт 1385, 1989.

45. Budnikov V N et al 1995 Proc. 22nd Euro. Conf. Controlled Fusion and Plasma Physics (Bournemouth) vol 19C. part II (European Physical Society) p 85

46. J.J. THOMSON, "Conduction of Electriciy through Gases", University Press Cambridge (1903), p. 268; J.J. THOMSON, "On the Number of Corpuscles in an Atom", Phil. Mag. 11, 769 (1906).

47. D.E. EVANS and J. KATZENSTEIN, "Laser light scattering in laboratory plasmas", Rep. Prog. Phys. 32, 207(1969).

48. M. MATTIOLI, "Incoherent Light Scattering from High Temperature Plasmas", EUR-CEA-FC-752 (1974).

49. M Mattioli and R Papoular, Plasma Physics, v.17, p.165-172

50. G. FIOCCO and E. THOMPSON, "Thomson scattering of optical radiation from an electron beam", Phys. Rev. Let. 10, 89(Febr 1963).

51. N.J. PEACOCK, P.C. ROBINSON, M.J. FORREST, P.D. WILCOCK and V.V. SANNIKOV, "Measurements of the electron temperature by Thomson Scattering in Tokamak T3", Nature 224, 488 (1969).

52. C.W. GOWERS et al., "Recent developments in LIDAR Thomson scattering measurements on JET", Rev. Sci. Instrum. 66, 471 (1995).

53. D. JOHNSON etal., "Multichannel Thomson Scattering Systems with High Spatial Resolution", Rev.Sci. Instrum. 57, 1856(1986).

54. T.N. CARLSTROM et al., "Design and Operation of the Multipulse Thomson Scattering Diagnostic on DIII-D", Rev. Sci. Instrum. 63, 4901 (1992).

55. A. COTE et al., "Thomson Scattering Diagnostic for the TdeV Tokamak", Rev. Sci. Instrum. 66, 487 (1995).

56. H. MURMANN et al., "The Thomson-Scattering Systems of the ASDEX-Upgrade Tokamak", Rev. Sci. Instrum. 63, 4941 (1992).

57. C.J. BARTH, et al., "A high resolution multiposition Thomson scattering system for the RTP tokamak", Rev. Sci. Instrum. 68, 3380 (1997).

58. C.J. BARTH, "Thomson scattering measurements of the electron velocity distribution function in the TORTURtokamak", Thesis University of Utrecht, 1989.

59. D. Johnson et al., TFTR Thomson scattering system, Review of Scientific Instruments, Vol.56, Issue 5, pp. 1015-1017, 1985.63MNA Beurskens et al 2001 Plasma Phys. Control. Fusion 43 13-38

60. Narihara K, Yamada 1, Hayashi H and Yamauchi К 2001 Design and performance of the Thomson scattering, diagnostic on LHD Rev. Sci. Instrum. 72 1122

61. T.Hatae et al., YAG laser Thomson scattering diagnostic on JT-60U, Rev. Sci. Instrum. 70 772-775, 1999.

62. H. Yoshida et al. Multilaser and high spatially resolved multipoint Thomson scattering system for the JT-60U tokamak, Rev. Sci. Instrum. Vol. 70, 751-754, 1999.

63. С.Ю.Толстяков и др. Разработка диагностики томсоновского рассеяния на токамаке Глобус-М. ЖТФ, 2006, том 76, выпуск 7, с. 27-33.

64. T.Yu. Akatova, D.G.Bulyginsky et al: Proc. of the 17th Conf. on Contr. Fusion and Plasma Heating, Amsterdam, 1990, v. IV, p. 1684.

65. Kantor M.Yu., Kouprienko D.V. High repetition rate probing laser for Thomson scattering diagnostics. Review of Scientific Instruments, 1999, v. 70, 1, p.780-782.

66. M.Yu. Kantor, C.J. Barth, D.V. Kouprienko, H.J. van der Meiden. Test of a periodic multipass-intracavity laser system for the TEXTOR multiposition Thomson scattering diagnostics. Review of Scientific Instruments, 2001, v. 72, 1, p. 1159-1161

67. HJ.van der Meiden, CJ.Barth, T.Oyevaar, S.K.Varshney, A.J.H.Donne, M.Yu.Kantor, D.V.Kouprienko, A.Alexeev, W.Biel, A.Pospieszczyk. 10kHz repetitive high-resolution TV Thomson scattering on TEXTOR. Rev.Sci.Instrum. 75, 3849 (2004)

68. Special Issue, Fusion Eng. Design 37 (1997) 335, edited by K.H. Finken.

69. Л.А.Есипов, И.Е.Сахаров, Е.О.Чечик и др. Измерение флуктуационных потоков частиц в тени диафрагмы токамака ФТ-2.// Журнал технической физики, 1997, т.67, 4, с.48-54.

70. M.Yu.Kantor, A.A.Borevich, V.N.Budnikov et al. A study of the LHCD termination mechanism in the FT-2 tokamak.// Proceed, of 26th EPS Conf. on Contr. Fusion and Plasma Phys., Maastricht, 1999.p. 1789-1792.

71. Будников B.H., Булапин B.B., и др. Физика Плазмы, 1998. Т.24, в.З, с.262-265.

72. Bulanin V.V. et al, Proc. Of 23 EPS Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics, 1996, V.201. C, p.855

73. B.H. Будников, B.B. Буланин, Л.А. Есипов и др. "Нелокальный" перенос в экспериментах с быстрым подъемом тока на токамаке ФТ-2. Письма в ЖТФ, 1999, т.25, 12, с. 1053-1059

74. S.I.Lashkul, V.N.Budnikov, E.O.Vekshina, V.V.Dyachenko, L.A.Esipov, E.R.Its, M.Yu.Kantor,

75. D.V.Kouprienko, A.Yu.Popov, S.V.Shatalin. Effect of the Radial Electric Field on Lower Hybrid Plasma Heating in the FT-2 Tokamak. PlasmaPhysicsReports, V27, 12, 2001, 1001-1010.

76. Kantor M.Yu., Kouprienko D.V. High repetition rate probing laser for Thomson scattering diagnostics. Review of Scientific Instruments, 1999, v. 70, 1, p.780-782.

77. Pereverzev G and Yushmanov P N 2002 ASTRA automated system for transport analysis in a tokamak Rep. 5/98, Max-Planck-lnstitut f'ur Plasmaphysik, Garching

78. Голант B.E., Фёдоров В.Н. Высокочастотные методы нагрева плазмы в тороидальных термоядерных установках. М.; Энергоатомиздат, 1986

79. Калмыков С.Г. и др. Препринт ИФ АН УССРб 336 1984

80. Гончаров С.Г. и др. Физика плазмы, 1985, т.11, 9, с. 1043-1048.88 13th Czechoslovak seminar on plasma physics and technology, Liblice, 1985, IPPCZ-253, p. 54-62.

81. W. Horton 1999 Rev. Mod. Phys. 71 735

82. Itoh S-I and Itoh К 1988 Phys. Rev. Lett. 60 2276

83. Biglari H, Diamond P H and Terry P W 1990 Phys. Fluids В 2 1

84. Groebner R J, Burrell К H and Seraydarian 1990 Phys. Rev. Lett. 64 3015

85. К Itoh and S-I Itoh. Plasma Phys. Control. Fusion 38 (1996) 1^19.

86. Hinton F L and Hazeltine R D 1976 Rev. Mod. Phys. 48 239

87. Waltz R E et al 1994 Phys. Plasmas 1 2229

88. Gurchenko A D et al. 35 EPS Conference on Plasma Phys., Hersonissos, Crete, ECA Vol. 32, 04.046 (2008)

89. S.I.Lashkul et al. Czechoslovak Journal of Physics, v.52, 10, p.l 149-1159 (2002)

90. S.I.Lashkul, V.N.Budnikov, V.V.Dyachenko, P.R.Goncharov, L.A.Esipov, E.R.Its, M.Yu.Kantor,

91. D.V.Kouprienko, A.D.Lebedev, S.V.Shatalin, E.O.Vekshina.Processes in SOL Plasma at the Transition into Improved Confinement Mode in FT-2 Tokamak. Plasma Phys. Control. Fusion 44(2002) 653-663.

92. S.I. Lashkul, A.B. Altukhov, V.V. Bulanin, V.V. Dyachenko, L.A. Esipov, A.D. Gurchenko, E.Z. Gusakov, M.Yu. Kantor, D.V. Kouprienko, A.V. Petrov, A.Yu. Popov, S.V.Shatalin*, A.Yu. Stepanov,

93. E.O. Vekshina, A.Yu. Yashin. Improved Confinement Transition in Lower Hybrid Heating Experiment on FT-2 Tokamak. Proc. of the 34th EPS and PI. Phys. Warshava, 2007, P2.055

94. Fielding, S.J., et al., Plasma Phys. Control. Fusion 42 (2000) A191.

95. Askinazi, L.G., et al., Plasma Physics Reports 25 (1999) 110.

96. M.V. Andreiko, L.G. Askinazi 1, V.E. Golant et al, Confinement Bifurcations by Poloidal Magnetic Flux Perturbations in the TUMAN-3M. 29th EPS Conference on Plasma Phys. and Contr. Fusion Montreux, ECA Vol. 26B, 0-1.02 (2002)

97. Lao, L.L., et al., Plasma Phys. and Contrail. Nucl. Fusion Res. 1992 (Proc. 14th IAEA Conf. Wuerzburg, 1992), IAEA, Vienna (1993) Vol.1 565.

98. Toi, I., et al., Phys. Rev. Lett. 64 (1990) 1895.

99. O'ROURKE, J., BALET, В., CHALLIS, C., etal, Controlled Fusion and Plasma Physics (Proc. Of 18th European Conf., Berlin, 1991), Vol.l5C, Parti,EPS (1991), p.37.

100. ZARNSTORFF, M.C., BARNES, C.W., EFTHIMION, P.C et al., Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion Research (Proc. 13th Int. Conf., Washington, DC, 1990), IAEA, Vienna, 1991, Vol. I, p. 109.

101. S.I. Lashkul, A.B. Altukhov, V.V. Dyachenko, et. al. Proc. of the ICAMDATA 05, Paris, 2006, p 91.