Влияние высокочастотного нагрева на ионную компоненту плазмы в токамаке ФТ-1 тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.08, кандидат физико-математических наук Серебреный, Георгий Александрович

• Серебреный, Георгий Александрович
• кандидат физико-математических наук
• 1984

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Серебреный, Георгий Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. РАСПРОСТРАНЕНИЕ НИЖНЕГИБРИДНЫХ ВОЛН И ИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С ПЛАЗМОЙ В ТОКАМАКЕ.

§ I. Особенности распространения электромагнитных волн в плазме.

§ 2. Нижнегибридный резонанс.

§ 3. Лучевые траектории НГ волн в токамаке

§ 4. Возбуждение нижнегибридных волн в неоднородной плазме.

§ 5. Механизмы поглощения плазменных волн.

§ 6. Обзор экспериментальных работ по исследованию взаимодействия НГ волн с плазмой на тороидальных установках

ГЛАВА II. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА, ДИАГНОСТИКА,

СИСТЕМЫ ВВОДА ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ МОЩНОСТИ

§ I. Характеристики токамака ФТ-1.

§ 2. Диагностика токамака ФТ-1.

§ 3. Генератор и система ввода мощности НГ диапазона частот.

§ 4. СВЧ генератор и система ввода СВЧ мощности

ГЛАВА III. ИССЛЕДОВАНИЕ АСИММЕТРИИ ПОТОКА НЕЙТРАЛЕЙ ПЕРЕЗАРЯДКИ В ТОКАМАКЕ В РЕЖИМЕ ОМИЧЕСКОГО НАГРЕВА

§ I. Методы измерения ионной температуры на токамаках

§ 2. Эксперименты по исследованию асимметрии потоков нейтралей перезарядки относительно экваториальной плоскости на токамаке ФТ-1.

§ 3. Оценка асимметрии потока нейтралей, возникающей вследствие дрейфа запертых ионов

§ 4. Влияние радиального электрического поля на асимметрию потока нейтралей перезарядки.ЮО

§ 5. Определение скорости вращения плазмы по допплеровскому сдвигу контуров линий примесей в плазме.

§ 6. Выводы.

ГЛАВА. 1У. ОПТИМИЗАЦИЯ УСЛОВИЙ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО НАГРЕВА ИОНОВ В ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ НИЖНЕГО ГИБРИДНОГО

РЕЗОНАНСА.

§ I. Результаты первого этапа работ по исследованию НГН плазмы на ФТ-1.по

§ 2. Повышение эффективности антенны и выбор ее оптимального положения.

§ 3. Особенности режима токамака ФТ-I на втором этапе исследований.

§ 4. Сравнение эффективности антенн

§ 5. Энергобаланс ионов при дополнительном НГ е[агреве и его численное моделирование.

ГЛАВА У. ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ НЕУСТОЙЧИВОСТЬ ПРИ НАГРЕВЕ В ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ ВЕРХНЕГО ГИБРИДНОГО РЕЗОНАНСА.

§ I. Распространение и поглощение волн, нагрев плазмы при частоте, близкой к электронной циклотронной

§ 2. Параметрическая неустойчивость.

§ 3. Исследование параметрической неустойчивости на токамаке ФТ-1.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние высокочастотного нагрева на ионную компоненту плазмы в токамаке ФТ-1»

В настоящее время установки типа токамак явлштся самым близким прообразом реальной модели термоядерного реактора. Однако уже на первых этапах изучения токамака стало ясно, что достижение температур зажигания реактора в результате е;агрева плазмы током невозможно. Эффективность джоулева нагрева гадает с ростом температуры, сама же величина тока ограничена сверху условием гидромагнитной устойчивости ^. Поэтому одновременно с приближением параметров токамаков к демонстрационному реактору параллельно широко развиваются исследования по неомическим методам нагрева плазмы, в частности, различным высокочастотным методам. В настоящее время уже сформулированы основные физические требования к дополнительным методам нагрева ^\

1. Нагрев не должен приводить к ухудшению термоизоляции плазмы и появлению заметного количества примесей.

2. Необходимо, чтобы высокочастотная энергия выделялась в центральных областях плазменного шнура, где время удержания энергии максимально. Периферийный нагрев менее эффективен из-за больших потерь энергии за счет теплопроводности и излучения примесей.

3. Эффективность механизма поглощения вводимой энергии должна по крайней мере не падать с ростом температуры и плотности плазмы, а также величины вводимой энергии.

4. Желателен преимущественный нагрев ионов.

Нелинейные процессы не должны существенно снижать эффективность нагрева.

Первые эксперименты по ВЧ нагреву проводились на малых уровнях мощности и их целью являлось исследование физических процессов распространения и поглощения волн в плазме. В настоящее время мощности ВЧ генераторов для нагрева плазмы достигли мегават-тного уровня и одним из основных требований становится повышение эффективности передачи энергии волн основным компонентам плазмы.

На установке ФТ-I ФТИ им.А.Ф.Иоффе АН СССР с 1971 года проводятся исследования по нагреву плазмы в диапазонах нижнего и верхнего гибридных резонансов и электронно-циклотронного резонанса. Основные результаты первого этапа работ, выполненных с участием автора, в диапазоне нижнегибридного резонанса можно сформулировать в следующих пунктах /3»4.5,6,8,51,52,53,54/.

1. Разработана и применена в эксперименте система возбуждения ВЧ волн в плазме.

2. Впервые обнаружено, что при поглощении мощности образуется группа ускоренных ионов с эффективной температурой Ti9cp>Tio . Доля ускоренных ионов мала по отношению к полному числу ионов в плазме (^10%).

3. Обнаружен существенный нагрев электронов и заметный нагрев основной массы ионов в плазме при выполнении условий нижнего гибридного резонанса (ИГР).

Однако эффективность нагрева ионов была очень низкой. На нагрев основной массы ионов расходовалось около 5% ВЧ мощности. Поглощение ВЧ мощности происходило примерно на середине радиуса шнура. Наблюдалось насыщение роста числа быстрых атомов перезарядки по мере увеличения плотности плазмы.

В диапазоне электронно-циклотронных частот были получены следующие основные результаты 10,56,58,59,60,61,62,63,64/.

1. Впервые был осуществлен нагрев необыкновенной волной, вводимой со стороны сильного магнитного поля и проведено сравнение эффективности нагрева при вводе обыкновенной волны со стороны слабого магнитного поля. При этом эффективность нагрева сохранялась на высоком уровне 50-70$ вплоть до плотностей в 2,5 - 3 раза превышающих критическую.

2. Проведены измерения радиальных распределений электронной температуры при различных положениях зоны электронного циклотронного резонанса и различных плотностях методом томсоновского рассеяния. Показана возможность управления профилем электронной температуры.

В Ходе экспериментов для определения ионной температуры широко применялся анализатор нейтральных атомов перезарядки, разработанный в ФТИ им.А.Ф.Иоффе АН СССР с целью локализации выделения энергии при ВЧ и СВЧ нагреве проводился анализ распределения потока атомов по сечению шнура. При этом уже первые эксперименты показали, что наблюдается асимметрия потока нейтрали относительно экваториальной плоскости. Она проявляется не только при дополнительных методах нагрева, но и в омическом режиме. Причем эту асимметрию нельзя было объяснить с общепринятой точки зрения, которая объясняет асимметрию потока дрейфом локально запертых частиц.

Анализ нейтральных атомов перезарядки, проведенный во время СВЧ импульса, обнаружил возникновение надтепловнх ионов. Времена нарастания потока таких ионов были порядка сотен микросекунд,что показывало невозможность нагрева ионов в результате возрастания температуры электронов.

Исходя из этого были определены основные задачи исследовании,результаты которых представлены в данной диссертации:

1. Определение оптимальных условий нагрева ионов на частотах диапазона НГР.

2. Исследование явления образования быстрых ионов при нагреве электронов на частотах диапазона ЭЦР.

3. Исследование анизотропии потока атомов перезарядки при нагреве на частотах ЭЦР, НГР и в омическом режиме.

Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения. В первой главе на основе литературных данных рассматриваются теоретические и экспериментальные аспекты нижнегибридного нагрева плазмы в токамаках.

Заключение диссертации по теме «Физика плазмы», Серебреный, Георгий Александрович

§ 5. Выводы.

Таким образом, экспериментально и численными оценками показано, что асимметрия потоков нейтральных атомов на токамаке ФТ-1 в диапазоне энергий атомов не может быть объяснена влиянием дрейфовых траекторий локально-запертых и тороидально-запертых ионов на энергетическую функцию распределения'ионов.

Предлагается объяснение асимметрии как результата вращения плазмы.

Вращение плазмы подтверждается оптическими измерениями по допплеровскому смещению линий ионов углерода и кислорода.

Асимметрия при более высоких энергиях атомов перезарядки ( Е(- > ЮЪо ) является результатом обоих механизмов: вращения плазмы и возмущения энергетического распределения ионов группой тороидально-запертых ионов.

ГЛАВА 1У. ОПТИМИЗАЦИЯ УСЛОВИЙ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО НАГРЕВА ИОНОВ В ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ НИЖНЕГО ГИБРИДНОГО РЕЗОНАНСА

§ I. Результаты первого этапа работ по исследованию НГ нагрева плазмы на токамаке ФТ-1

Первые эксперименты по НГ нагреву на токамаке ФТ-1 были выполнены в 1971 году /3.4,5,6,9,51,52,53,54/# в процессе поисковых работ были испытаны различные типы антенн в виде штырей и петель для возбуждения нижнегибридных волн. Ширина патрубков токамака ФТ-1 не позволяет использовать в качестве антенны много-волноводную систему типа "грилл", в которой оптимальный спектр мощности замедленных волн обеспечивается определенной фазировкой волноводных излучателей. В качестве излучателя исгйжьзовался плоский коаксиал в сочетании с гребенчатой поверхностью (рис.2.7). В этом случае спектральный состав ВЧ мощности определяется в основном геометрическими параметрами замедляющей структуры и коаксиального возбудителя.

Для изучения распространения волн были проведены исследования в "холодном" режиме Те ~ ЮэВ прямыми зондовыми измерениями ВЧ полей. Зондовые измерения показали, что ВЧ мощность проникала в приосевые области разряда, но значительная ее часть поглощалась в некотором слое вблизи поверхности.

Основные эксперименты по исследованию нагрева плазмы были проведены в "горячем" режиме (Тс = 200-450эВ). В этих экспериментах мощность ВЧ генератора была 60-100кВт при длительности импульса Гсу = (1*5)мс и частоте 400 МГц.

Результаты этих исследований, изложенные в § I, опубликова

AiT 52 53 54/ ны в работах / в 1971-1979г.г. и подробно рассмотрены в диссертации В.В.Дьяченко В этих экспериментах было обнаружено сильное воздействие ВЧ мощности на режим токамака. Возрастание плотности в течение ВЧ импульса при = 5мс достигало 30$ от первоначального значения. Вместе с возрастанием плотности наблюдалось увеличение свечения различных спектральных линий водорода и примесных ионов. На рис.4.1 приведены временные зависимости интенсивности свечения линий Н^ , 0JT, С¥и У> ft) при типичных параметрах разряда В0 - 9кГс, Л^» = I.IO^3, If = 27кА, TBCf = = 5мс, Р^ = 60кВт. Было обнаружено, что прирост интенсивности свечения линии водорода Н^ при НГН вдоль по тору неравномерен. В сечении, в котором расположена антенна, прирост интенсивности свечения почти в 3 раза выше, чем в противоположном сечении. Причина такой вспышки линии Нр у антенны, вероятно, в увеличении потока нейтрального водорода в разряд из области ВЧ ввода, который затем ионизуется, вызывая рост плотности. Исследование относительного увеличения интенсивности спектральных линий иона одного сорта, но разной кратности ионизации, например, Одд-, 0щ, Оду, 0у позволяет сделать вывод, что введение ВЧ мощности существенно не увеличивает поступление в разряд легких примесей. Нагрев электронов был зафиксирован в нескольких сериях измерений методом томсоновского рассеяния излучения лазера. На рис.4.2 приведены типичные профили электронной температуры при омическом нагреве (сплошные линии) и в конце I и Змс ВЧ импульса (пунктирные линии).

Типичная величина прироста температуры Те, измеренная в точке = 7,5см в конце 1мс равняется ЮОэВ. В дальнейшем про

Рис.4.1. Осциллограммы интенсивности спектральных линий и плотности плазмы при НГ нагреве.

Рис.4.2. Распределение Те (т.) в омическом и НГ нагреве по данным о лазерных измерении. исходит заметный рост плотности. При этом поверхностные слои плазмы охлаждаются, а область НГ резонанса смещается наружу в холодную плазму. При смещении области НГ резонанса к периферии эффективность нагрева падает, так как время жизни энергии на периферии мало.

Область наибольшего нагрева электронов соответствует положению НГ резонанса в холодной плазме. На рис.4.3 показаны пространственные профили прироста температуры А , построенные на основании лазерных измерений при разных положениях области НГР в разряде, соответствующих различным величинам плотности he . Распределение прироста и соответствующее положение зоны НГР обозначены одинаковыми номерами. Эти кривые получены при примерно одинаковом магнитном поле Й = 9-10кЭ. По мере уменьшения плотности зона НГР и максимум смещаются ближе к центру плазменного шнура.

Совокупность оптических и лазерных измерений достоверно указывает на нагрев электронов плазмы под действием ВЧ мощности. Нагрев отмечается во всех режимах установки, однако при наличии гибридных условий в центре шнура эффективность нагрева значительно выше.

В "горячих" режимах разряда не наблюдалось расладных спектров волн накачки достаточно заметной мощности, характерных для нелинейных процессов. В "горячем" разряде ВЧ зонды располагались в тени диафрагмы. Наблюдалась линейная зависимость амплитуды зондовых сигналов от мощности ВЧ генератора. Спектры сигналов периферийных зондов оказались симметрично уширенными относительно несущей частоты генератора.

Рис.4.3. Распределение по радиусу дТ0 (ъ) при разных положениях области НГР.

Рис. 4.4. Граница области затухания Ландау на электронах.

Оценки показывают, что волны с замедлениями Уц > 7 могут поглощаться в разряде за счет затухания Ландау ( Ми > )•

Доля мощности в участке спектра с Уц > 7 достигала 20% полной мощности (рис.2.6).

На рис.4.4 приведена граница области сильного затухания по механизму Ландау на электронах в зависимости от величины и замедления Ун . Область поглощения заштрихована. Волны с = = 10-15 должны поглощаться в слое плазмы с Тс = 70-140эВ, то есть на радиусе 6-10см, соответственно для волн с Уп = 7 область поглощения находится в центре шнура.

Другая возможность - столкновительно поглощение замедленных волн. Эффективность столкновительного поглощения в горячей плазме очень мала ( = - 10"^), но при большом числе обходов вокруг тора волна может полностью затухнуть.

Нагрев ионной компоненты плазмы изучался методом анализа потока атомов перезарядки и измерения допплеровского уширения спектральных линий примесных ионов. Типичные распределения атомов перезарядки по энергиям приведены на рис.4.5. При введении ВЧ мощности независимо от наличия резонансных условий в плазме наблюдалась группа ускоренных ионов. На рис.4.5 кривые 2 и 3 изображают энергетические распределения атомов перезарядки при одинаковых плотности плазмы и токе разряда, и двух значениях тороидального магнитного поля Во - бкГс и & = ЮкГс. Мощность генератора Рвч - 60кВт. В последнем случае (наличия области НГР в центре плазмы) интенсивность потока ускоренных атомов существенно больше. Эффективная температура группы ускоренных ионов Т,^ = 400-500эВ, однако полное число частиц этой группы состав

Bi, X9B

Рис.4.5. Энергетические распределения атомов перезарядки.

I - омический режим, 2 - НГ нагрев, BQ = 6 кГс, 3 - НГ нагрев, Вв = 10 кГс, Пео = 7,5.Ю12 см""3,

I = 30 кА 1

Е:=<ЭВ0*В

О £ 10

Рис.4.6. Зависимость интенсивности потока атомов перезарядки от магнитного поля. I- /?£(о) = 6 .Ю^см""3, 2Пе(о) = 9.1012см"3, 3 Ле(о) = 1,2.Ю13см~3 ляет малую долю полного числа ионов в плазме.

Интенсивность потока быстрых атомов зависит линейно от уровня вводимой ВЧ мощности в диапазоне от 10 до 100кВт. При изменении магнитного поля и плотности при достижении параметров гибридных условий в центре плазмы наблюдается резкое увеличение счета быстрых атомов. На рис.4.6 показана зависимость интенсивности потока атомов перезарядки с Е{ = 980эВ при изменении величины магнитного поля для трех различных концентраций плазмы и зависимость интенсивности потока для двух фиксированных значений

Борис1/-!. Стрелки с номерами соответствующих кривых указывают расчетные значения в0 и ft* , при которых в центре разряда появляется область НГ резонанса.

В этих же режимах изучалось время жизни ускоренных ионов путем регистрации интенсивности потока нейтрали с энергией 980эВ после окончания ВЧ импульса. На рис.4.7 показана гистограмма (I), показывающая временной спад потока нейтрали в режиме разряда

8 = ЮкГс, Т)с = 5.1012см~3 при Рву = 70кВт и ^ = 1мс, а гистограмма 2 - для ZTQy = Змс. Пунктиром (3) изображена экспонента с постоянной времени f = 75мкс, соответствующая начальному участку гистограммы. Зависимость 4 показывает расчетное уменьшение потока частиц с Е(- = 980эВ за счет кулоновского торможения с Т = 900мкс. При воздействии импульса большей длительности число энергичных ионов возросло, а число "долгоживущих" ионов (под-' считанных спустя 150мкс от конца ВЧ импульса) увеличилось в 3 раза. При отсутствии НГ условий в разряде "долгоживущие" ионы не зарегистрированы. Наличие долгеживущей группы ионов можно объяснить появлением в разряде под действием НГ нагрева ускоренных a огн.

В-. • 9809в.

0,5 о о,г 4 V -Н>

Ряс.4.7. Зависимость интенсивности потока атомов перезарядки от плотности I. В0 =5 кГс, 2 Ва = 10 кГс.

Рис.4.8. Гистограммы изменения интенсивности потока атомов перезарядки после окончания ВЧ импульса. I - TBi = I мс 2- Тву= 3 мс, 3 Z = 100 мкс 4 Г = 500 мкс пролетных ионов. Б результате рассеяния на большие углы в процессе замедления эти ионы попадают в анализатор.

При предположении, что основная часть и "Хвост" энергетического распределения ионов описываются максвелловским распределением с двумя различными температурами оценивалась доля энергичных частиц от полного числа ионов ^, она не превышала 2%. При этом, учитывая, время жизни ионов "хвоста" можно оценить мощность, расходуемую на образование быстрых ионов. Она оказалась 15кВт и составляла около 20$ мощности ВЧ генератора. Результаты изменения энергосодержания в разряде при введении ВЧ мощности приведены в таблице (рис.4.8). 14

Искажение энергетической функции распределения ионов в результате поглощения ВЧ энергии не позволило достоверно определить возможный нагрев ионов в диапазоне энергий 400-1000эВ, по которому определяется температура ионов в режиме омического нагрева. Спустя бООмкс после окончания ВЧ импульса интенсивность "хвоста" энергетического распределения существенно уменьшилась. При этом температура основной массы ионов, определенная по интенсивности потоков энергий 400-1000эВ равнялась 150эВ при 90эВ в омическом режиме. С целью проверки эффекта нагрева ионной компоненты плазмы при ВЧ накачке использовался оптический метод измерения 7? по допплеровскому уширению спектральных линий СУ, 0У максимум свечения которых находился в центре.

Контуры линий снимались в режиме счета квантов по точкамЯ . Усреднение отсчетов производилось по пяти разрядам. Форма контура хорошо соответствовала кривой Гаусса. Экспериментальные данные вводились в ЭВМ, которая с учетом погрешностей измерения, связанhapQH. eg- ц$н ОМ. о.н + 1нс ВЧ аил ЗмсВУ 0Н + 5мсВЧ

1%> СМ'3 зю Зчо'2 Чо,г эВ 129 160 140

Аж 26 зг,е 29J

Oi> э В 65" GS 94 447

Дъс 43.2 т Zk fe+Ei Аж 39,2. Ч5Л 53,1

So-H. Аж 6.6 т

Док 9.У 16

Рис.4.9. Таблица основных результатов. режиме, 2 при НГ нагреве 3 - аппаратурная ширин? ных со статистическим разбросом числа квантов, подбирала оптимальную кривую Гаусса.

Значение температуры, измеренное по уширению линии СУ в омическом режиме было в интервале 60-80эВ, то есть несколько меньшем, чем значение температуры, получешюе по спектрам нейтралей перезарядки.

Возможно, это связано с усреднением по зоне светимости спектральной линии вдоль луча зрения монохроматора. На рис.4.10 показана одна из пар допплеровских контуров линии СУ, снятая в одной серии измерений в режиме В = 9кГс, ftc = 5.I0*2, X = 27кА. Контур измерен при ВЧ нагреве с уровнем мощности РВч- 60кВт. Стрелкой изображена ширина инструментального контура. Контур I снят для того же моменты времени в омическом режиме. При введении ВЧ мощности ионная температура возрастала на 30-40эВ в случаях, когда зона НГР находилась по расчету в центре шнура. В разрядах с нерезонансными параметрами плазмы ( 8 = бкГс) нагрев ионов не обнаружен.

Таким образом, в результате экспериментов первого этапа можно сделать следующие выводы:

1. ВЧ волны проникают внутрь плазмы и эффективно поглощаются примерно на середине радиуса.

2. Формируемый антенной системой спектр замедленных ВЧ волн не оптимален с точки зрения нагрева ионов. Значительная доля энергии, видимо, содержится в коротковолновой части спектра, которая преимущественно поглощается электронами.

3. Образующийся "хвост" энергетического распределения ионов не успевает отдать свою энергию основной массе ионов и быстро теряется в результате того, что такие ионы плохо удерживаются магнитным полем и большая часть их дрейфовых траекторий выходит за пределы разрядной камеры. Доля энергии ВЧ генератора, вложенная в основную массу ионов, мала.

§ 2. Повышение эффективности антенны и выбор ее оптимального

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации изложены результаты исследований, являющихся продолжением работ по высокочастотному нагреву в диапзонах нижнего и верхнего гибридных резонансов на установке ФТ-I. В течение всего периода исследований применялась диагностика по анализу нейтральных атомов со средней энергией, в несколько раз превышающей ионную температуру основной плазмы 0 .

Эксперименты на ФТ-I по нагреву в диапазоне НГР ведутся более 10 лет. На первом этапе поисковых работ было впервые обнаружено явление образования небольшой группы ионов с 1} "STio и велись поиски эффективного способа ввода ВЧ энергии. В результате была создана антенная система, представляющая из себя пассивную замедляющую структуру, возбуждаемую плоским коаксиалом.

Создание такой антенны и применение достаточно мощного ВЧ генератора {60-100кВт при длительности импульса 1-5мс) в сочетании с усовершенствованной лазерной диагностикой для определения профиля электронной температуры и плотности и аппаратурой для энергетического анализа нейтральных атомов позволили провести количественный анализ баланса энергий при нагреве плазмы.

При этом было обнаружено, что 50$ мощности вкладывалось в электроны, примерно 30$ шло на образование высокоэнергичных ионов и 5$ расходовалось на нагрев основной массы ионов. Наблюдалось значительное увеличение плотности плазмы до 30$. Несомненности результаты свидетельствовали о неолтимальном спектре волн, возбуждаемых антенной системой и о низкой эффективности нагрева ионов в результате потери группы ионов высоких энергий, образующихся при НГ нагреве.

Достоинством метода НГН является возможность прямого нагрева ионов при волноводной системе ввода энергии. Поэтому наиболее интересной и главной задачей исследований, описанных в диссертации, была определена задача повышения эффективности нагрева ионов.

В ходе исследований были решены следующие вопросы, касающиеся НГ нагрева ионов:

Путем изменения конструктивных размеров возбудителя пассивной замедляющей структуры был оптимизирован спектр замедлений волн.

С целью определения влияния тороидального дрейфа ионов с El,'*"10Tio на эффективность нагрева ионов были проведены сравнительные эксперименты с антеннами, отличающимися положением по отношению к направлению тороидального дрейфа и расположенными ниже и выше плазменного шнура.

В широких интервалах изменения плотности и магнитного поля было обнаружено различие в эффективности верхней и нижней антенн в нагреве основной массы ионов.

При изменении направления продольного магнитного поля соотношение эффективностей верхней и нижней антенн также изменялось.

В результате этих экспериментов можно заключить, что низкая эффективность нагрева ионов на первом этапе определялась неудачным расположением антенны на внешней стороне тороидальной разрядной камеры, что вело к потерям горячих ионов в результате тороидального дрейфа локально-запертых ионов и тороидально-запертых ионов в результате выхода дрейфовых траекторий за радиус диафрагмы. Этот эффект усиливался в результате поглощения ВЧ энергии в области, близкой к внешней поверхности плазменного шнура. Малая плотность плазмы приводила к плохой термализации ускоренных ионов. Сам факт различия эффективности антенн является доказательством существенного поглощения волны на небольшом участке лучевой траектории вблизи антенны. Результатом эффективного поглощения ВЧ волны ионами в небольшом объеме плазмы можно объяснить образование группы ионов высоких энергий, наблюдаемой во всех экспериментах по НГ нагреву.

Эти эксперименты показывают еще одну возможность повышения эффективности нагрева основной массы ионов. При высокой плотности плазмы энергия волны поглощается на периферии разряда небольшим количеством ионов. При условии оптимального положения антенны энергия механизмом тороидального дрейфа переносится в центральную область.

В исследованных интервалах изменения плоскости и продольного магнитного поля установки SET—X при использовании для НГН оптимально расположенной антенны с повышением этих величин наблюдается монотонное увеличение эффективности нагрева. Это свидетельствует об улучшении термализации группы горячих ионов. Оценка эффективности нагрева ионов подтверждает это заключение.

Особенно привлекательна в таком способе передачи энергии ВЧ волны в центральную область шнура возможность нагрева ионов в относительно широком интервале изменения плотности в сторону ее увеличения без изменения частоты генератора.

Совпадение величин экспериментально определенной ионной температуры 7К<?) с данными расчета по транспортному коду является убедительным доказательством нагрева основной массы ионов.

В качестве экспериментального подтверждения нагрева основной массы ионов можно рассматривать хорошее совпадение экспериментального спектра нейтральных атомов перезарядки после окончания ВЧ импульса с энергетическим спектром, полученным пукем пересчета спектра омического режима.

Подтверждением является также соответствие характерного времени изменения интенсивности потока нейтралей перезарядки после окончания ВЧ импульса с энергетическим временем ионов.

Эксперименты по нагреву электронов в диапазоне ЭЦР-ВГР ведутся на токамаке ФГ-I с 1972 пода. За это время выяснились несомненные достоинства этого метода для нагрева электронов и получены основные экспериментальные зависимости, подтверждающие высокую эффективность передачи энергии ВЧ волн электронам. Разработана конструкция волноводной системы, позволяющая возбуждать необыкновенную волну со стороны сильного магнитного поля в тороидальной плазме.

Обнаруженный с участием автора эффект образования "хвоста" энергетического распределения ионов при нагреве в диапазоне ВГР требовал, несомненно, изучения, так как свидетельствовал о наличии нежелательной параметрической неустойчивости.

В результате анализа спектров колебаний, развивающихся во время ВГР нагрева в СВЧ и ВЧ диапазонах можно сделать заключение, что при ЭЦ нагреве необыкновенной волной развивается рас-падная параметрическая неустойчивасть. Образование "хвоста" Энергетического распределения ионов является результатом поглощения низкочастотной ветви колебаний, близкой к диапазону частот НГР при этих экспериментальных условиях.

Насыщение амплитуды колебаний в низкочастотной части спектра при повышении СВЧ мощности до 140кВт, а также относительно невысокая интенсивность потока нейтральных атомов показывают, что эта неустойчивость не опасна на этом уровне мощности СВЧ нагрева.

При исследовании потоков нейтральных атомов перезарядки обнаружено, что в омическом режиме наблюдается асимметрия потоков относительно экваториальной плоскости в широком диапазоне энергий. Зависимость асимметрии потока нейтралей в омическом режиме от плотности плазмы не соответствует обычному объяснению асимметрии как результата дрейфа локально-запертых ионов. Кроме того, гофрировка продольного поля в токамаке ФТ-I довольно низка, так • как магнитная система установки состоит из 32 катушек. При таком уровне гофрировки смещение концентрации локально-запертых ионов с в результате тороидального дрейфа не может создать существенной асимметрии потоков относительно экваториальной плоскости.

Предлагаемое объяснение асимметрии потока нейтралей перезарядки в области малых энергий как результат вращения плазмы является наиболее вероятным объяснением зависимости асимметрии от энергии ионов. В результате вращения плазмы из симметричных относительно экваториальной плоскости точек в анализатор попадают атомы с различным соотношением скоростей Уц и при одной и той же энергии анализируемых атомов.

В работе численными оценками показано, что асимметрия в результате особенностей дрейфовых траекторий тороидально-запертых ионов для параметров ФТ-I также мала для ионов с энергиями (2-4)Т{0 по сравнению с экспериментально наблюдаемой, но для ионов высоких энергий этот механизм также увеличивает асимметрию потоков. Вращение плазмы подтверждается оптическими измерениями.

В заключение я выражаю глубокую благодарность моему научно^ руководителю кандидату физ.-мат.наук, старшему научному сотруднику М.М.Ларионову за постоянный интерес к работе и полезные обсуждения. Большую благодарность хочу выразить членам коллектива токамака ФГ-1 Д.Г.Булыгинскому, Л.С.Левину, А.Д.Лебедеву, А.И.Токунову, Н.В.Шустовой, М.Ю.Кантору, В.Л.Савицкому, а также сотрудникам лаборатории В.В.Дьяченко, М.А.Ирзаку, В.И.Иванову за помощь в проведении экспериментов.

Искренне благодарен теоретикам нашей лаборатории Ю.Ф.Баранову и А.Н.Савельеву за проведение численных расчетов и обсуждение результатов экспериментов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Серебреный, Георгий Александрович, 1984 год

1. Арцимович Л.А. Управляемые термоядерные реакции. М., 1961, с.467.

2. Аликаев В.В. ВЧ и СВЧ методы нагрева плазмы. В кн.: Итоги науки и техники, т.1, ч.2, ГЛ., ВИНИТИ, 1981, с.80-99.

3. Ларионов М.М., Серебреный Г.А., Щербинин О.Н. Исследование распространения нижнегибридных волн в токамаке ФТ-I. Физика плазмы, т.5, вып. 2, с. 239-2 , тэ

4. Гладковский И.П., Голант В.Е., Дьяченко В.В., Ларионов М.М., Рождественский В.В., Садовников В.А., Щербинин О.Н. Взаимодействие электромагнитных волн с плазмой тороидального разряда. ЖТФ, 1973, т.43, Ш 8, с.1632-1636.

5. Баранов Ю.Ф., Булыгинский Д.Г., Голант В.Е., Иванов В.И., Ларионов М.М., Левин Л.С., Токунов А.И., Федоров В.И., Шустова Н.В. Исследование электронного циклотронного нагрева плазмы на токамаке ФТ-I. Физика плазмы, 1982, т.8, ii? 4,с.682-693.

6. Гусев В.К., Ильин B.C., Ларионов М.М., Лебедев А.Д., Михайловский 10.К., Раздобарин Г.Т. Лазерные измерения радиальных распределений электронной концентрации и температуры на установке токамак ФТ-1. Физика плазмы, 1978, т.4, $ 2, с.269--274.

7. Дьяченко В.В. Исследование нижнегибридного нагрева плазмы в токамаке ФТ-1. Диссертация. ФХИ шт.А.Ф.Иоффе, Ленинград,1980.

8. Булыгинский Д.Г., Ларионов М.М., Миклухо О.В., Токунов А.И., Шустова Н.В. Некоторые особенности разряда с низкой плотностью плазмы в токамаке ФТ-1. Физика плазмы, 1980, т.6, М, с.860-863.

9. Дьяченко В.В., Щербинин О.Н. Физические основы нижнегибридного нагрева плазмы на установке токамак ФТ-2. Црепринт ФТИ игл.А.Ф.Иоффе АН СССР & 755, с.1-22.

10. Афросимов В.В., Гладковский И.П., Кисляков А.И., Петров М.П. Корпускулярная диагностика горячей плазмы. ЖТФ, 33, 1963,с.205-210.

11. Эллис В., Буксбаум С., Берне А. Волны в анизотропной плазме. Атомиздат, 1966, с.130.

12. Гинзбург В.Л., Рухадзе А.А. Волны в магнитоактивной плазме. М., 1975. с 252.

13. Стикс Т. Теория плазменных волн. М., 1965. с 270.

14. Голант В.Е. 0 проникновении волн в плазму при частотах, близких к нижней гибридной. ЖТФ, 1971, т.41, с.2492-2500.

15. Баранов 10.Ф., Щербинин О.Н. 0 возбуждении замедленных поперечно магнитных волн для нагрева плазмы в диапазоне нижних гибридных частот. Физика плазмы, 1977, т.З, в.2, с.246-255.

16. Баранов Ю.Ф., Щербинин О.Н. О возбуждении замедленных поперечно-магнитных волн для нагрева плазмы в диапазоне нижних гибридных частот. Препринт ФТИ им.А.Ф.Иоффе $ 515, 1976, с.1-32.

17. Баранов Ю.Ф., Федоров В.И. Лучевые траектории нижнегибридных волн в токамаке. Письма в ЖТФ, т.4, вып.13, с.800-804.

18. Баранов Ю.Ф., Щербинин О.Н. 0 распределении ВЧ полей в плазме при возбуждении замедленных поперечно-магнитных волн. Физика плазмы, т.7, в.З, с.646-652.

19. Гинзбург В.Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. ГЛ., 1967, с.252.

20. Шафранов В.Д. Электромагнитные волны в плазме. Сб. Вопросы теории плазмы, вып.З, М., 1963, с.3-138.

21. Силин В.П. Параметрическое воздействие излучения большой мощности на плазму. Наука, М., 1973.с 490.

22. Афросимов В.В., Кисляков А.И., Петров М.П. Авторское свидетельство № 409316, 1973.

23. Гапонов А.В., Петелин Н.И., Юлпатов В.К. Индуцированное излучение возбужденных осцилляторов и его использование в высокочастотной электронике. Изв.вузов. Радиофизика, 1967,т.10, гё 9-10, с.1414-1453.

24. Ошер Дж. Корпускулярная диагностика. Диагностика плазмы. ГЛ., 1967, под ред.Р.Хадидстоуна, с.426-502.

25. Коган В.И. 0 выходе термоядерных реакций. В сб. Физика плазмы и проблемы управляемых термоядерных реакций. Изд. АН СССР, М., 1958, с.109-129.

26. Богданов С.П., Волосов В.И. Измерение ионной температуры плазмы по нейтронному излучению. В сб. Диагностика плазмы, М., Атомиздат, 1971, с.338-343.

27. Готт Ю.В., Юрченко Э.И. Особенности применения методов корпускулярной диагностики для определения ионной температуры в токамаках. Физика плазмы, т.9, в.З, 1983, с.646-655.

28. Ковршшых Л.М. 1С определению температуры плазмы по энергетическому спектру нейтралов перезарядки. Физика плазмы,т.8, в.5, 1982, c.II05-III2.

29. Днестровский Ю.Н., Костомаров Д.П. Математическое моделирование плазмы. И-, 1922{3-19.

30. Юшманов П.Н. Ионная теплопроводность в гофрированном магнитном поле при низкой частоте соударений. Письма в ЖЭТФ, т.33, в.2, 1981, с.97-100.

31. Петров М.П. Распределение потока атомов перезарядки из плазмы по сечению плазменного шнура на установке токамак 4. Письма в ЖЭТФ, т. 17, в.2, с.ПО-ПЗ.

32. Кисляков А.И. Поток быстрых атомов в режиме с низким запасом устойчивости ср на установке Алкатор С. Физика плазмы, т.8, в.5, 1982, c.I023-I027.

33. Бугаря В.И., Иванов В.И., Крупин В.А. Измерение скоростей вращения плазменного шнура в токамаке ТМ-4. Сборник докладов III Всесоюзного совещания но диагностике высокотемпературной плазмы, Дубна, 1983, с.44.

34. Жилинский А.П., Кутеев Б.В., Ларионов М.М., Лебедев А.Д., Рожанский В.А., Цендин Л.Д. Определение скорости полоидаль-ного вращения плазмы в токамаке ФТ-1. Письма в ЖЭТФ, т.30, в.7, с.405-408.

35. Березовский Е.Л., Извозчиков А.В., Петров М.П., Гуревич А. В., Димант Я.С., Днестровский Ю.Н., Ефремов С.П., Костомаров Д.П., Смирнов Д.П. Кинетический конвективный перенос ионов в токамаках. Препринт ФТИ им.А.Ф.Иоффе IB 852, с.1-52.

36. Михайловский А.Б. Гидродинамическая теория вращения плазмы в токамаке. Физика плазмы, т.9, в.З, 1983, с.594-604.

37. Арцимович Л.А. Замкнутые плазменные конфигурации. М., 1969, с.145.

38. Гравье Р. Состояние исследований на токамаках. Физика плазмы, т.5, в.6, 1979, с.1399-1419.

39. Грибов Ю.В., Цаци С.В., ЛОшманов П.Н. Гофрировка токамаков. Препринт ИАЭ 3681/7. М., 1982.

40. Арцимович Л.А., Сагдеев Р.З. Физика плазмы дяя физиков. А., М., 1979. сЗ-IG

41. Петров М.П. Корпускулярная диагностика квазистационарной термоядерной плазмы. Физика плазмы, т.2, в.З, 1976, с.371--390.

42. Афросимов В.В., Березовский Е.П., Извозчиков А.Б., Петров •МЛ. Корпускулярная диагностика по перезарядке ионов плазмы на искусственной мишени в установке токамак 4. Физика плазмы, т.6, в.2, 1980, с.240-249.

43. Демченко П.А., Крупник Л.И. Пучки тяжелых ионов для исследования плотной плазмы. Диагностика плазмы. 1981, с.214-218.

44. Раздобарин Г.Т., Щеглов Д.А. Применение метода лазерного рассеяния для диагностики плазмы. Диагностика плазмы. 1981, с.6-16.

45. Пшшя А.Д. 0 пороге распадной неустойчивости в неоднородной плазме. Письма в ЯЭТФ, т.17, в.7, с.374-376.

46. Голант В.Е., Федоров В.И. Нижнегибридный нагрев плазмы в токамаках. В кн.: Высокочастотный нагрев плазмы. Горький, 1983, с.71-105.

47. Golant V.E., Gusev V.K., Djachenko V.V., Ivanov V.I., La-„rionov M.M., Lebedev A.D., Levin L.S., Rasdobarin G.T.,

48. Tokunov A.I., Sherbinin O.H., Serebreny G.A. Investigation' of lower hybrid plasma heating at tokamak FT-1. Proceed.of the 7th Intern.Conf. on Plasma Physics and Contr.Hucl.Fusion, Innsbruck, 1978, v.1, p.113-119.

49. Larionov M.M., Levin L.S. Investigation of energy absorption prosses in plasma using light intensity measurements. Proceed, of the Conf. the Phenomena in Ionised Gases. Prague, 1973, p.476.

50. Karney C.F., Bery A. Hon linear orbit perturbation and ion heating. Report PRR 76/7 Hit, Boston (USA), 1976.

51. Golant V.E., Larionov M.M., Pakhomov L.P., Podushnikova K.A., Rozdestvensky V.V., Serebreny G.A. Microwave absorption in upper hybrid frequency range in tokamak FT-1. Proceed. of the 3th Intern.Symp. on Toroidal Plasma Confinement, Garching, 1973, E 5.

52. D.G.Bulyginsky, S.G.Goncharov, V.V.Djachenko, M.Yu.Kantor, M.M.Larionov, A.D.Lebedev, L.S.Levin, A.I.Tokunov, H.V.f

53. Shustova. Investigation of additional heating and plasma rotation in FT-1 tokamak. 10th Intern.Conf. on Plasma Physics and Contr.Nucl.Fusion Research, London 1984, F-II-4-2.

54. Bulyginsky D.G., Golant V.E., Larionov M.M., Shustova IT.V. Tokunov A.I. Electron cyclotron plasma heating experiments at FT-1 tokamak. Proceed, of the 9th Europ.Conf. on Contr. Fusion and Plasma Phys., Oxford 1979, v.2, p.547.

55. Bulyginsky D.G., Golant V.E., Larionov M.M., Shustova II.V. Tokunov A.I. Electron cyclotron plasma heating experiments at FT-1 tokamak. Proceed, of the 2nd Joint Grenoble-Varen-na Intern.Symp. on Heating in Toroidal Plasmas, Como 1980, v.1, p.187-191.

56. Stringer Т.Е. Effect of the magnetic field ripple on diffusion in tokamaks. Nuclear Fusion, 1972, v.12, Ho 6,p.689-694.

57. Brambilla N., Lallia P., Trong N. Lower hybrid resonance heating of the JET plasma. Report EUR-CEA-FC-792. Fonte-nay-aux-Ro ses.

58. Stix Т.Н. Absorption of plasma waves. Phys.Fluids, 1960, v.3, p.19-24.

59. Glagolev V.M. Propagation and absorption of ion hybrid waves in a weakly inhomogeneous plasma layer. Part 1. Plasma Physics, 1972, v.14, No 3, p.301-314.

60. Berger R.L., Perkins F.W., Troyon P. Coupling of slow and fast waves to plasma near the LH frequency. Report PPPL 1366 Princeton (USA) 1977.

61. Kuehl H.H. Electromagnetic radiation from an electric di-pole in cold anisotropic plasma. Phys. of Fluids, 1962, v.5, No 9, p.1095-1103.

62. Baranov Yu.F. and Fedorov V.I. Lower hybrid wave propagation in tokamak plasmas. Proceed, of the 2nd Joint Greno-ble-Varenna Intern. Symp., Como (Italy), 1980, v.1, p.313 -316.

63. Baranov Yu.P., Pedorov V.I. Lower hybrid wave propagation in tokamaks. Nuclear Fusion, 1980, v.20, No 9, p.1111-1118.

64. Fedorov V.I. Theory of lower hybrid heating in tokamaks. Proceed, of the 2nd Joint Grenoble-Varenna International Symposium, Como (Italy), 1980, v.1, p.303-312.

65. Petula group. Four waveguide grill experiment in Petula. Proceed, of the 2nd Joint Grenoble-Varenna International Symposium, Como (Italy), 1980, v.1, p.343-354.

66. Gormezano C. Lower hybrid heating in the Wega tokamak.

67. Proceed, of the 3rd Joint Varenna-Grenoble International Symposium, Grenoble, 1982, v.II, p.439-453.

68. Stevens J.E. Lower hybrid heating and current drive on

69. РЬТ. Proceed, of the 3rd. Joint Varenna-Grenoble Intern. Symposium, Grenoble, 1982, v.II, p.455-469.

70. Porkolab M. Lower hybrid heating experiments on the Alca-tor С and the Versator II tokamak. Proceed, of the 3rd Joint Varenna-Grenoble Intern. Symposium, Grenoble, 1982, v.II, p.469-483.

71. Vehara К and ITagashima T. Lower hybrid heating experiment in JFT-2 tokamak. Proceed, of the 3rd Joint Varenna-Grenoble Intern. Symposium, Grenoble, 1982, v.II, p.485-503.

72. Ohkubo It. Lower hybrid heating and current drive in the JIPP T-2 torus. Proceed, of the 3rd Joint Varenna-Greno-ble Intern. Symposium, Grenoble, 1982, v.II, p.543-549.

73. Barbato E., Santinic F. Lov/er hybrid wave trajectories and heating simulation in tokamak discharges. Proceed, of the 2nd Joint Grenoble-Varenna Intern. Symposium, Como (Italy), 1980, v.I, p.417-425.

74. Petrov M.P. Neutral particle diagnostics of plasma. Plasma Physics and Contr.Nucl.Fusion Research, IAEA Vienna 1975, v.1, p.43.

75. Stott P.E. Ion energy containment in un compressed discharges in the АТС tokamak. Plasma Physics, 1976, 18, 41, p.251-263.

76. Cott Yu.V., Yurchenko E.I. The role of trapped particles in distorsion of temperature profile by means of charge-exchange neutrals. Tenth European Conf. on Gontr.Fusion and Plasma Physics, v.1, 1981, M A 16.

77. F.S.McDermott, G.Bekefi, K.E.Hackett, I.S.Levine, Ivl.Porko-lab. Observation of the parametric decay instability during electron cyclotron resonance heating on the Versa-tor II tokamak. Phys. Fluids, 1982, v.25(9), p.1488-1490.

78. V.Stefan and A.Bers. Parametric absorption in electron cyclotron resonance heating of tokamak plasmas. Phys.Fluids, 1984, v.27(1), p.175-183.

79. Дьяченко B.B., Щербинин О.Н. Об использовании периодических замедляющих систем для возбуждения волн в плазме при частотах, близких к нижней гибридной. ЖТФ, 1976, т.46, № 10,с.2043-2050.

80. Дьяченко В.В., Щербинин О.Н. 0 возбуждении замедленных волн в плазменных установках с гофрированными стенками. Письма в ЖТФ, 1975, т.1, с.443-446.

81. Чернетский А.В., Зиновьев О.А., Козлов О.В. Аппаратура и методы плазменных исследований. М., Атомиздат, 1965, 364 с.

82. Петров М.П. Исследование атомов и ионов водорода в плазме токамаков методами корпускулярной диагностики. Диссертация. ФТИ им.А.Ф.Иоффе, Ленинград, 1976.

83. Леонов В.М., Романова Е.Л., Полевой А.Р. Измерение энергии атомов водорода в периферийных областях плазменного шнура токамака T-II. Сборник докладов III Всесоюзного совещания по диагностике высокотемпературной плазмы. Дубна, 1983,с. 44.

84. Аликаев В.В., Литвак А.Г., Суворов Е.В., Фрайман А.А. Электронно-циклотронный нагрев плазмы в тороидальных системах. В сб.: Высокочастотный нагрев плазмы, Горький, 1983,с.6-70.