ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2013, том 39, № 6, с. 511-522
= СТЕЛЛАРАТОРЫ
УДК 533.9
РАССЕЯНИЕ НАЗАД ИЗЛУЧЕНИЯ ГИРОТРОНА ПРИ ЭЦ-НАГРЕВЕ ПЛАЗМЫ В СТЕЛЛАРАТОРЕ Л-2М И КОРОТКОВОЛНОВАЯ ТУРБУЛЕНТНОСТЬ
© 2013 г. Г. М. Батанов, В. Д. Борзосеков, Л. М. Коврижных, Л. В. Колик, Е. М. Кончеков, Д. В. Малахов, А. Е. Петров, К. А. Сарксян, Н. Н. Скворцова, В. Д. Степахин, Н. К. Харчев
Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Москва, Россия e-mail:tinborz@gmail.com Поступила в редакцию 13.08.2012 г. Окончательный вариант получен 06.11.2012 г.
Изучено рассеяние назад (9 = п) излучения гиротрона на коротковолновых флуктуациях плотности (k± = 30 см-1) в плазме стелларатора Л-2М при электронно-циклотронном нагреве на второй гармонике гирочастоты электронов (75 ГГц). Анализировалось рассеяние О-волны, возникавшей при расщеплении линейно поляризованного излучения гиротрона на Х- и О-волны. При гомодинном детектировании рассеянный сигнал рассматривался как результат интерференции опорного сигнала, квазипостоянной составляющей и быстро осциллирующей компоненты рассеянного излучения.
2
Дана оценка коэффициентов отражения для квазипостоянной R=(Y) и быстро осциллирующей
R~ (Y) компонент рассеянного излучения. Показано, что рост R~ (Y) от 3.7 х 10-4 до 5.2 х 10-4 с ростом мощности электронно-циклотронного нагрева от 190 кВт до 430 кВт коррелирует с падением энергетического времени жизни от 1.9 мс до 1.46 мс. Оценка величины коротковолновых флуктуа-
ций плотности дала значение (n~)/ (n2e) = 3 х 10-7. Показано, что энергия флуктуаций сосредоточена в диапазоне частот 10...150 кГц, а регистрируемые коротковолновые флуктуации можно характеризовать как структурную турбулентность с содержанием в структурах ~10% энергии флуктуаций. Моделирование процессов переноса показало, что неоклассические потоки тепла малы по сравнению с аномальными потоками. Сделано предположение о решающей роли коротковолновой турбулентности в аномальном переносе тепла.
DOI: 10.7868/S0367292113060012
1. ВВЕДЕНИЕ
Проблема аномального теплопереноса в тороидальных ловушках высокотемпературной плазмы остается открытой до сих пор. Одним из источников аномальной теплопроводности может быть коротковолновая турбулентность, вызванная развитием градиентной электронно-температурной неустойчивости с кре ~ 0.1—0.4 (к — модуль волнового вектора флуктуаций, ре = ^Ге/юе — гирорадиус электронов) [1, 2]. В экспериментах на токамаке БШ-Э было показано, что рост энергии коротковолновой турбулентности коррелирует с ростом тепловых потоков при росте мощности электронно-циклотронного (ЭЦ) нагрева, тогда как энергия длинноволновых флук-
туаций остается неизменной [3, 4].1 Аналогичные результаты получены на стеллараторе Л-2М:
1 Обстоятельный обзор проблемы аномального транспорта и коротковолновой турбулентности содержится в работе [5].
в [6, 7] был установлен рост энергии коротковолновых шумов при удвоении мощности ЭЦ-нагре-ва и вызванное этим ростом падение энергетического времени жизни, в то время как энергия длинноволновых флуктуаций изменялась слабо. Упомянутые эксперименты на Л-2М были выполнены при удельной мощности ЭЦ-нагрева ~0.4—0.8 МВт м-3. Введение в строй на Л-2М первой очереди нового комплекса ЭЦ-нагрева [8] позволяет расширить диапазон изменения мощности нагрева. Данная работа посвящена изучению коротковолновой турбулентности при увеличении удельной мощности нагрева до ~2 МВт м-3.
2. СХЕМА ЭКСПЕРИМЕНТА И МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ
Стелларатор Л-2М представляет собой классический двухзаходный стелларатор, большой радиус которого = 100 см, а средний радиус граничной магнитной поверхности г0 = 11.5 см. Угол
Рис. 1. Схема эксперимента обратного рассеяния излучения греющего гиротрона на флуктуациях плотности плазмы в стеллараторе Л-2М. Конструкция квазиоптического ответвителя: 1 — слюдяная пластина; 2 — поглотитель; 3 — коллиматор излучения; 4 — поляризационная сетка; 5 — детектор мощности излучения гиротрона; 6 — детектор рассеянного излучения.
вращательного преобразования на магнитной оси ц(0)/2я = 0.18, а на последней неразрушенной магнитной поверхности ц(г0)/2я = 0.78.
Создание и ЭЦ-нагрев плазмы осуществлялись с помощью гиротрона фирмы ГИКОМ с рекуперацией энергии электронного пучка на резонансе частоты гиротрона (75 ГГц) со второй гармоникой гирочастоты электронов. Область резонанса по центральной хорде приходилась на центр вакуумной камеры (Я = 100 см). Вводимая мощность варьировалась от 0.15 МВт до 0.55 МВт, что соответствовало удельной мощности 0.6— 2.2 МВт м-3. Средняя плотность плазмы варьировалась от 1.2 х 1013 см-3 до 2.5 х 1013 см-3. Электронная температура в центральной области плазмы Те(0) лежала в интервале 0.6 кэВ — 1 кэВ, магнитное поле В = 1.3 Тл.
Линейно поляризованный гауссов пучок излучения гиротрона транспортировался по четырех-зеркальному тракту и фокусировался на граничной магнитной поверхности, проходя через входное согласованное кварцевое окно стелларатора. Характерный радиус пучка в каустике 2 см, длина каустики 25 см.
Угол падения пучка на граничную поверхность составлял 78° в тороидальном и полоидальном направлениях. Из-за наличия радиальной компоненты магнитного поля линейно поляризованный пучок расщеплялся на две волны: необыкновенную (Х) и обыкновенную (О). Необыкновенная волна почти полностью поглощается в центральной области плазменного шнура (Я ~ 100 см); О-волна, пе-
ресекая плазму по центральной хорде, практически не поглощается [9]. Доля микроволновой мощности пучка в О-волне составляет около 15% мощности всего пучка.
Диагностика коротковолновых флуктуаций плотности проводилась путем регистрации рассеянного назад (на 180°) пучка излучения гиротрона, осуществлявшего создание и ЭЦ-нагрев плазменного шнура. Согласно условию Брэгга рассеяние назад происходит на флуктуациях с волновым числом к5 = 2к0 = 31.4 см-1 (к0 — волновое число падающей волны). При Те(0) = 1 кэВ величина кре = 0.17, где ре - гирорадиус электронов. Х-вол-на испытывает рассеяние на своей траектории до области гирорезонанса, т.е. примерно на половине длины центральной хорды. О-волна пронизывает весь плазменный шнур, и ее рассеяние практически происходит на длине в 2 раза большей, чем для Х-волны. Таким образом, информация об энергии и спектрах коротковолновой турбулентности оказывается усредненной по сечению плазмы.
Рассеянное назад излучение регистрировалось с помощью квазиоптических направленных от-ветвителей (рис. 1). Падение пучка под углом 12° относительно нормали к граничной магнитной поверхности обеспечивает отсутствие в рассеянном сигнале излучения, испытавшего зеркальное отражение на границе плазменного шнура. Делительные слюдяные пластинки в каждом ответви-теле с коэффициентом отражения ~3% позволяют одновременно регистрировать сигналы пря-
мой мощности и отраженный или рассеянный назад (на 180°). Приемная часть ответвителя состоит из поглощающей диафрагмы, поглощающего коллиматора и приемного прямоугольного волновода с кристаллическим детектором (Д-407), перед окном которого располагалась металлическая диафрагма. Использование прямоугольного одномодового волновода позволяет регистрировать сигнал с одной компонентой поля: Х-компо-нентой, параллельной полю в падающей волне, и У-компонентой, ортогональной полю в падающей волне. Таким образом, при приеме рассеянного сигнала можно было раздельно регистрировать рассеяние Х- и О-волн.
При регистрации У-компоненты использовалась гомодинная схема детектирования. Для этого перед поглощающей диафрагмой прямого сигнала располагалась поляризационная сетка, ответвляющая в канал рассеянного сигнала малую часть (< 0.1) излучения, направляемого делительной пластинкой в канал прямой мощности.
Показания детектора канала прямой мощности калибровались с помощью поглощающего калориметра. Детектор отраженной (рассеянной) мощности калибровался с помощью слюдяной пластинки с заданным коэффициентом отражения (4%), располагавшейся после второго ответ-вителя перед входным окном стелларатора.
Сигналы детекторов регистрировались с помощью широкополосных предусилителей с верхней частотой 2.5 МГц, согласованных с АЦП с тактовой частотой 40 МГц. Оцифровка сигналов выполнялась обычно с частотой 5 МГц.
На рис. 2 приведен пример сигнала прямой мощности и Х-компоненты рассеянного сигнала, а на рис. 3 показан сигнал прямой мощности и У-компоненты рассеянного сигнала с использованием схемы гомодинного детектирования.
Остановимся на форме продетектированных сигналов. Для сигналов прямой мощности характерна слабая модуляция амплитуды (~1-2%) спустя 0.5-0.8 мс после переднего фронта микроволнового импульса. Эта величина задержки коррелирует с задержкой в пробое газа и нарастанием средней плотности плазмы, измеренной по центральной хорде, до своего максимального значения. Такая же задержка регистрируется на Х-ком-поненте рассеянного сигнала. После задержки 0.5-0.8 мс следует резкий всплеск рассеянного излучения, носящий характер шумового сигнала. Весь сигнал представляет собой широкие всплески, интенсивность которых меняется с интервалом от 0.5 до 2-4 мс. Наибольшая интенсивность приходится на первые миллисекунды ЭЦ-нагрева плазмы, а затем их амплитуда падает в 2-3 раза.
Особенностью У-компоненты рассеянного сигнала является наличие сигнала постоянной амплитуды между 48 и 49 мс до возникновения
интенсивного шумового сигнала. Естественно принять его за величину опорного сигнала, регистрируемого до образования плазменного шнура. Однако при более детальном рассмотрении этого интервала времени на переднем фронте виден резкий всплеск продолжительностью 10-20 мкс. Амплитуда этого всплеска вдвое превосходит последующую величину сигнала вплоть до резкого фронта интенсивных шумов. Это свидетельство образования плазмы в магнитном поле на внутренней стенке стелларатора в результате микроволнового пробоя на стенке. Только в таком случае возможно образование О-волны и ее интерференция с опорным сигналом.
Шумовой сигнал Y-компоненты, как видно из рис. 3, промодулирован низкой частотой (<1 кГц). Эта низкочастотная модуляция сохраняется при усредне
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.