ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2004, том 30, № 5, с. 459-468
ДИАГНОСТИКА ПЛАЗМЫ
УДК 539.9.082
ПЕРВЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ПОЛУЧЕННЫЕ С ПОМОЩЬЮ СКАНИРУЮЩЕГО ИМПУЛЬСНОГО РАДАРА-РЕФЛЕКТОМЕТРА НА ТОКАМАКЕ ГЛОБУС-М
© 2004 г. Э. А. Азизов, А. В. Бабарыкин, А. В. Воронин*, В. К. Гусев*, А. Ю. Малышев, В. К. Марков, А. А. Петров, В. Г. Петров, Ю. В. Петров*, В. В. Рождественский*, Н. В. Сахаров*
ГНЦ РФ "Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований" *Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе РАН Поступила в редакцию 29.07.2003 г.
Окончательный вариант получен 01.10.2003 г.
Описывается сканирующий импульсный радар-рефлектометр, разработанный для измерения пространственного распределения концентрации электронов на сферическом токамаке Глобус-М (малый радиус плазмы а = 24 см, большой радиус Я = 36 см, тороидальное поле Вт = 0.5 Тл ток плазмы 1р = 200 кА и средняя плотность п = (3-10) х 1013 см3). Работа прибора основана на явлении отражения микроволнового излучения с несущей частотой / от слоя плазмы с критической плотностью п = (0.0111/)2, где п - электронная плотность плазмы в 1014 см3, / - частота излучения в ГГц. Зондируя плазму одновременно микроволновым излучением с разными частотами, можно восстановить пространственное распределение электронной плотности в плазме.Для получения микроволновых импульсов с разными несущими частотами используется сканирование по частоте. Для увеличения динамического диапазона по измеряемым плотностям в приборе применяются также каналы с фиксированными частотами. Прибор имеет 11 частотных каналов с частотами: 19.5 ГГц; 8 частот в диапазоне от 26 до 40 ГГц; 51.5 ГГц и 60.5 ГГц, что соответствует 11 точкам на профиле плотности: 0.47 х 1013 см-3; 8 точек в диапазоне (0.8-1.95) х 1013 см-3; 3.27 х 1013 и 4.5 х 1013 см-3. Данный прибор позволяет проводить детальные измерения профиля плотности плазмы с временным разрешением ~десятки микросекунд, что может оказаться полезным, в частности. для изучения процессов, связанных с формированием внутреннего транспортного барьера в плазме. Приводятся и обсуждаются первые результаты, полученные с помощью разработанного прибора в различных режимах работы установки Глобус-М.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время на установках с магнитным удержанием плазмы для измерения профиля электронной концентрации плазмы наряду с многоканальной интерферометрией и диагностикой томсоновского рассеяния широко применяются рефлектометры [1]. Работа последних основана на явлении отражения микроволнового излучения с несущей частотой / от слоя плазмы с критической для данной частоты плотностью п. Обычно используют зондирование плазмы обыкновенной волной (поляризация волны параллельна направлению тороидального магнитного поля в токамаке). В этом случае, как известно, имеет место простое соотношение [2]
п = (0.0111 / )2,
(1)
ев однозначно связана с выбранной частотой зондирования. Расстояние до этих слоев можно определить, измеряя время распространения излучения до точки отражения и обратно. Время распространения т можно измерять непосредственно, или через соотношение [3]
ЭФ
(2)
т =
Эю'
где Ф - сдвиг фазы, испытанный волной с циклической частотой ю в плазме. При зондировании плазмы обыкновенной волной показатель преломления п(ю, х) не зависит от внешнего магнитного поля и групповое время задержки т^,.:
х,ю) = ЭФ(Ю' х> -
где п - электронная плотность плазмы в 1014 см-3, / - частота излучения в ГГц. При зондировании плазмы на нескольких частотах можно получить информацию о положении нескольких областей отражения. При этом плотность в каждом из сло-
= -|п(ю, х)йх + -Ю|
Эю
2ю гЭп(ю, х)йх
Эю
где хс - координата точки отражения.
х
х
0
0
Используя измеренные или вычисленные, согласно (2), значения времени задержки для каждой выбранной частоты тк, можно провести восстановление профиля плотности в предположении его монотонности, с использованием рекуррентной формулы для кусочно-линейной аппроксимации [4]
Хк = Хк -1 -
С тк
+ а -
к-1
; = 1
(4)
х
У
^ ( X; - 1 - X;) / (V1 - П -1/Пк + 4\—П~1П к )
где хк - координата точки отражения для к-й частоты, тк - измеренное время задержки для этой частоты, пк - соответствующая критическая плотность, а - радиус плазмы. Время задержки считается относительно времени задержки без плазмы, координата х0 соответствует границе плазмы (п0 = 0); ее на первом этапе можно считать совпадающей со стенкой камеры. В последующем эту координату можно брать из магнитных измерений или определять из данных двух каналов радара с низшими частотами. Все координаты в формуле (4) отсчитываются от геометрического центра разрядной камеры. Вопрос о выборе границы плазмы, т.е. проблема инициализации, имеет большое значение для рефлектометричес-ких измерений. На результаты восстановления профиля плотности влияет выбор не только границы плазмы, но и формы профиля плотности.
Первый вариант (непосредственные измерения т) реализуется в многоканальном импульсном радаре-рефлектометре, где профиль электронной плотности воспроизводится по временам задержки микроволновых импульсов разной частоты, отраженных от областей плазмы с соответствующими критическими плотностями. В этом случае каждый частотный канал состоит из источника микроволнового излучения, приемника и измерительного тракта [4]. Количество частотных каналов такого рефлектометра определяет число экспериментальных точек на профиле плотности.
Второй вариант реализуется в сканирующем фазовом рефлектометре, где время задержки определяется из измерений фазы на разных частотах после аппаратного или программного дифференцирования согласно (2). Этот вариант позволяет, в принципе, существенно уменьшить число измерительных каналов и соответственно стоимость устройства, работая в режиме непрерывного изменения (сканирования) частоты. Однако в
этом случае для обеспечения достаточной надежности измерений необходимы значительные меры по организации доступа к объекту исследований, поскольку фазовые измерения подвержены "сбоям", в том числе и из-за наличия многократных переотражений типа "антенна - плазма" [5-7].
Режим непосредственного измерения времени распространения микроволнового импульса до отражающей области плазмы и обратно, в котором работает импульсный радар-рефлектометр, обладает несомненными преимуществами перед фазовыми рефлектометрами, благодаря тому, что, во-первых, в течение времени проведения однократного измерения (несколько нсек) плазменный шнур действительно можно считать "замороженным", и, во-вторых, времяпролетные измерения позволяют устранить неоднозначность результатов измерений, характерную для большинства фазовых методов рефлектометрии.
При выборе диапазона рабочих частот рефлектометра, предназначенного для измерения профиля плотности в токамаках небольшого и среднего размеров (Т-11, Т-10, Глобус-М), где плотность плазмы в центре плазменного шнура при работе в режимах с омическим нагревом не превышает 1014 см-3, верхнюю частоту рефлектометра, согласно (1), можно ограничить 60-80 ГГц, поскольку при приближении точки отсечки к центру шнура, где снижается градиент плотности, ошибки рефлектометрических измерений существенно возрастают. Нижняя частота диапазона обычно выбирается из условия достижения динамического диапазона по плотности около 10. Надо отметить, что выбор низшей частоты влияет на точность восстановления профиля плотности. Дело в том, что неопределенность неизмеряемой части профиля наиболее сильно влияет на низшую плотность и ее влияние убывает по мере роста частоты. С этой точки зрения, низшую частоту зондирования следует выбирать как можно меньшей, но с уменьшением частоты возникают проблемы сопряжения антенной системы с плазмой и падает точность определения координат отражающего слоя.
ОПИСАНИЕ СКАНИРУЮЩЕГО ИМПУЛЬСНОГО РАДАРА-РЕФЛЕКТОМЕТРА
В разработанном приборе сохранен принцип импульсного зондирования, т.е. производится измерение времени распространения специально сформированных микроволновых импульсов небольшой длительности (~5 нс), имеющих время нарастания фронта не более 2 нс. Такой способ позволяет относительно просто избавиться от паразитных переотражений в тракте и в камере то-камака за счет применения фильтрации типа "временное окно" [4], а также повысить надеж-
Рабочие частоты сканирующего импульсного радара-рефлектометра и соответствующие им критические плотности
Частота, ГГц/№ канала 19.5/8 25.99/7 27.17/6 29.26/5 31.64/4 33.75/3 35.95/2 37.97/1 39.83/0 51.5/11 60.5/10
Критическая плотность, 1014см-3 0.047 0.083 0.091 0.1055 0.123 0.14 0.159 0.1776 0.195 0.327 0.451
ность измерений, поскольку непосредственно измеряется время задержки импульса в плазме [8], а не фаза, как в обычных фазовых рефлектометрах. При этом, однако, возникает проблема точного измерения малых (~1 нс) времен задержки отраженного от плазмы микроволнового импульса, которая решена при разработке прибора.
Для получения микроволновых импульсов с разными несущими частотами в приборе используется быстрое (~15 мкс) сканирование по частоте. Это позволяет существенно снизить количество измерительных каналов, при достаточно подробном восстановлении профиля плотности в измеряемом диапазоне и соответственно уменьшить стоимость всего прибора в целом. Однако выпускаемые в настоящее время сканируемые по частоте источники микроволнового излучения на твердотельных элементах (VCO, voltage controlled oscillators) имеют динамический диапазон по частоте не более 1.5, что соответствует динамическому диапазону по плотности не более 2.25. Микроволновые генераторы на лампах обратной волны (ЛОВ), обеспечивая необходимый диапазон сканирования, не позволяют проводить сканирование по частоте с требуемым быстродействием. Поэтому для получения необходимого в реальных плазменных экспериментах динамического диапазона по плотности ~10 необходимо применить или несколько VCO на разные частотные диапазоны, или дополнить канал со сканированием частоты несколькими каналами с фиксированными частотами. В приборе реализован второй вариант, поскольку он существенно дешевле.
Таким образом, в окончательном варианте прибор содержит 1 кана
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.