ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2004, № 2, с. 54-62
_ ЭЛЕКТРОНИКА
- И РАДИОТЕХНИКА
РАЗВИТИЕ КОНЦЕПЦИИ РЕФЛЕКТОМЕТРИЧЕСКОИ ДИАГНОСТИКИ ТОКАМАКА ITER ДЛЯ ЗОНДИРОВАНИЯ ПЛАЗМЫ СО СТОРОНЫ ОБЛАСТИ СИЛЬНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ
© 2004 г. В. А. Вершков, С. В. Солдатов, Д. А. Шелухин, А. О. Уразбаев
Институт ядерного синтеза ФГУ РНЦ "Курчатовский институт" Россия, 123182, Москва, пл. И В. Курчатова, 1 E-mail: vershkov@nfi.kiae.ru Поступила в редакцию 24.06.2003 г. После доработки 01.10.2003 г.
Исследуются возможности рефлектометрической диагностики в установке ITER при зондировании со стороны области сильного магнитного поля. При этом возможно измерение профиля плотности и скорости турбулентного вращения плазмы по отражению с.в.ч.-волны от плазмы с критической плотностью вплоть до центра шнура на нижней необыкновенной волне. Система позволяет также зондировать плазменный шнур и на обыкновенной волне. В работе предлагается использовать комбинированную зеркально-рупорную антенную систему. В условиях ограниченного пространства для размещения рупоров это дает значительное (до 20 дБ) увеличение сигнала по сравнению с рассматривавшейся ранее системой из двух рупоров. Приводятся результаты расчетов по оптимизации элементов волноводного тракта с помощью двумерного полноволнового кода. Рассматривается возможность при рефлектометрии на нижней необыкновенной волне изучать вращение плазмы по эффекту Доплера при использовании антенн контроля формы плазменного шнура. Приводятся теоретические оценки величины эффекта в реальной плазменной конфигурации ITER.
ВВЕДЕНИЕ
Рефлектометрическая диагностика плазмы основана на анализе амплитуды и фазы с.в.ч.-вол-ны, отраженной от области плазмы, в которой показатель преломления волны обращается в нуль. В установках токамак [1] плазменный шнур имеет форму тора со сложной формой сечения, вдоль которого внешние обмотки создают сильное тороидальное магнитное поле. В плазме в магнитном поле возможно распространение с.в.ч.-волн с вектором электрического поля, направленным как вдоль (обыкновенная волна - о.-волна), так и поперек магнитного поля (необыкновенная волна -н.-волна). Показатель преломления для обыкновенной волны не зависит от магнитного поля. Отражение волны происходит от области плазмы, в которой частота зондирующего излучения сравнивается с плазменной частотой /р, зависящей только от электронной плотности пе следующим образом [2]:
f o fp
(1)
Распространение с.в.ч.-волны, поляризованной поперек магнитного поля, сильно зависит от индукции магнитного поля. Существуют две ветви возможных колебаний - верхняя необыкновенная (в.н.) и нижняя необыкновенная (н.н.) волны.
В.н.- и н.н.-волны отражаются от областей плазмы, в которых частота волны зондирующего излучения равна соответственно верхней необыкновенной /ш или нижней необыкновенной /1х частотам, связанным с электронной плотностью пе и индукцией магнитного поля В следующим выражением [2]:
f = If2 + f2 + fc f =
J ux, Ix Л W Р Л — О' J c
eB
2 n mec
(2)
где fc - электронная циклотронная частота.
Фаза отраженных о.- и н.-волн несет информацию о положении отражающего слоя с соответствующей плотностью плазмы, если известно распределение магнитного поля для н.-волны. Измеряя фазу отраженных волн на многих частотах, можно восстановить пространственное распределение плотности плазмы.
Анализ спектров флуктуаций амплитуды и фазы отраженной волны при зондировании плазмы под разными углами к магнитному полю может дать информацию о флуктуациях плотности плазмы и их движении. Благодаря тому, что рефлектометрическая диагностика позволяет измерять целый ряд важных параметров плазмы, она в настоящее время широко используется на токамаках [3].
Особо привлекательно ее применение в проектируемом международном термоядерном экспе-
риментальном реакторе ITER, в условиях больших потоков нейтронов и распыления стенок быстрыми частицами с последующим осаждением распыленных материалов на удаленные от плазмы поверхности. Эти процессы создают большие проблемы при проектировании большинства диагностических устройств, так как приводят к повреждениям таких их элементов, как изоляторы, оптические зеркала, световоды и вакуумные окна. В отличие от других диагностик, при рефлек-тометрии в области больших потоков нейтронов внутри вакуумной камеры используются только металлические волноводные элементы, а вакуумное окно может быть вынесено за нейтронную защиту, в области с малым уровнем нейтронного потока. Эти обстоятельства определяют ее высокую надежность и хорошую совместимость с условиями в реакторе.
Однако хотя рефлектометрическая диагностика обеспечивает высокую информативность и хорошо совместима с реакторными условиями, высокая температура плазмы и специфические плоские профили плотности плазмы, ожидаемые в реакторе, создают большие трудности для ее практической реализации. Первоначальная концепция рефлектометрической диагностики центральных областей плазмы была изложена в работе [4]. Целью данной работы является дальнейший анализ проблем рефлектометрии и выбор оптимальной концепции в условиях установки ITER.
ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЙ ЗОНДИРОВАНИЯ И ЧАСТОТНОГО ДИАПАЗОНА
На рис. 1 показаны формы вакуумной камеры и плазменного шнура. Показаны также модули бланкета, защищающие камеру и обмотки, создающие магнитное поле, от потоков нейтронов из плазмы. Зондирование плазмы с помощью рефлектометра можно осуществить при условии совпадения направления луча наблюдения с нормалью к отражающей поверхности для широкого диапазона зондирующих частот. Для о.-волны это условие выполняется для всех лучей, направленных на центр плазменного шнура. Однако для н.-волн такое зондирование в широком диапазоне частот возможно только по горизонтальным направлениям - с наружного либо внутреннего обводов тороидального шнура плазмы.
На рис. 2 показаны зависимости циклотронной, а также частот отражения о.- и н.-волн от большого радиуса тора R для основного сценария ITER (а) и разряда с половинным тороидальным магнитным полем (б). Соответствующие частоты рассчитаны по формулам (1), (2). Пунктирные линии соответствуют частотам без релятивистских поправок, а сплошные с учетом релятивистского увеличения массы электронов при большой температуре плазмы [5]. Видно, что ожидаемый в
Рис. 1. Геометрия вакуумной камеры ITER и форма плазменного шнура. Штрихпунктирная линия - главная ось тора. Модули бланкета укреплены на вакуумной камере. Показано также расположение в камере волноводного тракта для диагностики со стороны сильного магнитного поля. Сверху изображена его вертикальная проекция. Цифрами показаны критические участки тракта: 1 - двойной изгиб в плоскости широкой стенки; 2 - изгиб в плоскости малой стенки на 40°; 3 - изгиб по малой стенке на 120°; 4 - изгиб в плоскости малой стенки на 90°.
ITER плоский профиль плотности и релятивистский сдвиг критических частот делают невозможным проникновение о.-волны в центральные области шнура с любых направлений, так как частота имеет минимальное значение в центре и, следовательно, отражение при любых частотах будет происходить только на периферии плазмы в области радиусов >8 м. Для н.н.-волны зондирование центра с наружного обвода тора также невозможно, так как критическая частота также максимальна на периферии плазмы. В случае холодной плазмы в.н.-волна может отражаться от центральных областей при зондировании с наружного обвода тора, так как критическая частота спадает с увеличением радиуса. Однако хорошо видно, что в горячей плазме релятивистские поправки приводят к значительному снижению критических частот в центральной области и образованию плато частоты в области радиусов 6.5-8 м, что делает невозможным зондирование этой области. Релятивистские расчеты также указывают на наличие сильного поглощения с.в.ч.-волны и высокий уровень фонового излучения плазмы на частотах в.н.-волны, что исключает также и зондирование более глубоких областей (4.5-6.5 м) [4]. Таким образом, учет релятивистских эффектов при плоском профиле плотности делает не-
Частота, ГГц
Рис. 2. Частоты отсечки для различных типов волн для режима Seen 2 установки ITER (а) в зависимости от большого радиуса R токамака и режима с уменьшенными в 2 раза магнитным полем и плотностью плазмы (б). 1 - н.н.-волна, 2 - о.-волна, 3 - электронная циклотронная частота, 4 - в.н.-волна, 5 - удвоенная электронная циклотронная частота (сплошные линии получены с учетом релятивистских поправок, пунктирные - без поправок).
возможным диагностику внутренних областей плазмы как на о.-, так и на н.-волнах.
В то же время видно, что зондирование плазмы с внутреннего обхода тора на н.н.-волне позволяет проводить измерения профиля плотности плазмы вплоть до центра шнура даже при плоском распределении плотности плазмы. Рост критической частоты н.н.-волны с радиусом связан, согласно формуле (2), с уменьшением индукции магнитного поля в токамаке при увеличении большого радиуса пропорционально 1/R. Одновременно при таком зондировании устраняются все перечисленные трудности зондирования с наружного обвода тора (со стороны слабого магнитного поля). Так, релятивистские поправки для н.н.-волны и уровень фонового излучения в этой области частот малы, а поглощение отсутствует.
Следует особо отметить, что использование н.н.-волны снижает область используемых частот до хорошо освоенного диапазона сантиметровых волн и позволяет применять доступные и более мощные перестраиваемые с.в.ч.-генераторы. Таким образом, релятивистские эффекты и плоские профили плотности делают невозможным зондирование центральных областей со стороны слабого магнитного поля, и единственной возможностью оказывается использование н.н.-волны с внутреннего обвода тора (со стороны сильного магнитного поля).
Из рис. 2 следует, что для измерения со стороны сильного поля можно использовать о.-волну с частотами до 90 ГГц и н.н.-волну с частотами до 42 ГГц. В случае половинного магнитного поля и соответствующего снижения плотности плазмы диапазон частот уменьшается. Таким образом, принимая запас по максимальной плотности равный двум, получаем максимальную ч
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.