ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2014, том 40, № 4, с. 334-344
= СТЕЛЛАРАТОРЫ :
УДК 533.9
ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ЭЛЕКТРОННО-ЦИКЛОТРОННОГО НАГРЕВА ПЛАЗМЫ НА СТЕЛЛАРАТОРЕ Л-2М НА ЛОКАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОРОТКОВОЛНОВОЙ ТУРБУЛЕНТНОСТИ
© 2014 г. Г. М. Батанов, В. Д. Борзосеков, Л. В. Колик, Д. В. Малахов, А. Е. Петров,
, К. А. Сарксян, Н. Н. Скворцова, Н. К. Харчев
Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Москва, Россия e-mail: sarksian@fpl.gpi.ru, batanov@fpl.gpi.ru
Поступила в редакцию 04.06.2013 г. Окончательный вариант получен 23.10.2013 г.
На стеллараторе Л-2М при электронно-циклотронном нагреве плазмы на второй гармонике гиро-частоты электронов методом коллективного рассеяния излучения (150 ГГц) изучено изменение энергии и спектров коротковолновых (ks = 35 см-1) флуктуаций плотности в локальной (r / a = 0.5-0.6) области плазменного шнура при варьировании мощности электронно-циклотронного нагрева от 90 до 170 кВт при введении секторного лимитера в периферийную зону плазмы (r/а > 0.8) и при изменении шафрановского сдвига магнитной оси с помощью поперечного магнитного поля. Результаты измерений усреднялись по 9-16 разрядам установки. Установлен рост энергии флуктуаций плотности с ростом мощности электронно-циклотронного нагрева и при введении секторного лимитера, который коррелирует с падением энергетического времени жизни. В спектрах флуктуаций найдена широкая спектральная полоса в диапазоне 3-50 кГц, спектральная плотность в которой на порядок превышает спектральную плотность в остальных частях спектра. Анализ Фурье спектров показал, что введение секторного лимитера вызывает рост спектральной плотности флуктуаций в области 3-50 кГц, что коррелирует с возрастанием доли квазикогерентных структур в турбулентных флуктуациях плотности.
DOI: 10.7868/S0367292114040015
А. А. Пшеничников
1. ВВЕДЕНИЕ
Проблема аномального переноса остается ключевой в физике высокотемпературной плазмы тороидальных систем. Обычно аномальный перенос связывают с микротурбулентностью, вызванной неустойчивостями различного типа (см. обзоры [1—3]). Однако вопрос о механизме турбулентности остается открытым. В одном из подходов в качестве механизма рассматривается турбулентность коротковолновых дрейфовых колебаний, вызванных электронно-температурной градиентной неустойчивостью (см. например [4, 5]). В другом подходе на основе адиабатически редуцированной одно-жидкостной магнитогидродинамической модели удается рассмотреть образование нелинейных крупномасштабных вихревых структур при неустойчивости коротковолновых возмущений (см. [6, 7]).
В экспериментальных исследованиях в области высокотемпературной плазмы доступны лишь измерения флуктуаций плотности, потенциала и температуры. Так, в последние годы, на токамаках с помощью методов коллективного рассеяния микроволн удалось установить влияние условий протекания разряда на ряд характеристик микротурбулентности. Изучено измене-
ние спектров колебаний при дополнительном электронно-циклотронном (ЭЦ) нагреве, изменение спектров при переходе в режимы улучшенного удержания, изучены некоторые статистические характеристики флуктуаций на периферии плазмы (см., например, [8, 9]).
В исследованиях на токамаке БШ-Э [10, 11] был установлен рост энергии коротковолновых флуктуаций с ростом мощности ЭЦ-нагрева и получены радиальные профили, продемонстрировавшие падение энергии флуктуаций в центре шнура и в его периферийной области по сравнению с областью наибольшего градиента температуры. С помощью периферийного ЭЦ-нагрева авторам в работе [11] удалось показать, что энергия флуктуаций падает с падением градиента температуры электронов. Такой результат коррелирует с зависимостью инкремента электронной температур-но-градиентной неустойчивости (БТО-моды) от градиента температуры электронов. Корреляция между энергией флуктуаций и градиентом температуры электронов была также получена и на токамаке ФТ-2 [12].
В нашей работе на стеллараторе Л-2М [13, 14] был установлен рост энергии коротковолновых флуктуаций с ростом мощности ЭЦ-нагрева и по-
казано различие в энергии шумов при разных удалениях от магнитной оси плазменного шнура (г/а = 0.3, г/а = 0.6). Кроме того, было получено возрастание энергии флуктуаций почти на порядок величины при введении секторного лимитера в периферийные слои плазмы. Данный результат не укладывается в представление о пропорциональности энергии турбулентных флуктуаций линейному инкременту неустойчивости БТО-моды, так как введение лимитера понижает температуру электронов и не приводит к заметному изменению градиентов температуры электронов и плотности плазмы. Видимо, наблюдается более сложное влияние условий ЭЦ-нагрева на энергию коротковолновой турбулентности, чем это следует из квазилинейной теории. Это может быть связано с тем, что для условий стелларатора Л-2М порог (критерий) БТО-неустойчивости во внутренних областях плазменного шнура (г/а < 0.8) существенно превышен. Поэтому представляет интерес изучить влияние и других факторов, оказывающих влияние на удержание плазмы, например, влияние радиального смещения магнитной оси по сечению камеры. Действительно, известно, что такое смещение к внутренней стороне тора ведет к росту температуры электронов и энергетического времени жизни тЕ, по-видимому, из-за уменьшения концентрации локально-запертых частиц вследствие уменьшения продольной неоднородности магнитного поля (подавление так называемых "риплов") [15—17]. На стеллара-торе Л-2М при смещении магнитной оси к внутренней стенке тора было установлено уменьшение концентрации надтепловых электронов в центральных областях плазменного шнура [18]. При смещении магнитной оси к внешней стенке тора теория предсказывает стабилизацию МГД-неустойчивости из-за образования магнитной ямы и возникновение второй зоны устойчивости [19]. Последний результат был подтвержден экспериментом на стеллараторе А^ [20].
В настоящей работе более полно представлены результаты, изложенные в [13, 14], а именно: представлены результаты измерений целых серий разрядов с близкими макроскопическими параметрами, что позволило получить средние величины энергии флуктуаций, фурье-спектров флуктуаций плотности и энергетического времени жизни и определить статистические отклонения измеренных величин от их среднего значения. Кроме того, с помощью анализа автокорреляционных функций флуктуаций получены сведения об изменениях доли квазикогерентных структур в коротковолновой турбулентности. Дополнительно к изучению влияния на турбулентность мощности излучения при ЭЦ-нагреве и влияния секторного лимитера изучено влияние смещения магнитной оси с помощью поперечного магнитного поля. Выявлено также и существо-
вание квазипостоянной составляющей в регистрируемом сигнале рассеянного излучения.
2. УСЛОВИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА, МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ И ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
Эксперименты выполнялись в основной магнитной конфигурации стелларатора Л-2М при значении угла вращательного преобразования на магнитной оси ц = 0.17, а на последней неразрушенной магнитной поверхности ц = 0.8. Средний радиус магнитных поверхностей a = 11.5 см. ЭЦР-нагрев плазмы осуществлялся на второй гармонике гирочастоты электронов (75.3 ГГц — основная частота гиротрона). Положение области гирорезонанса соответствовало положению оси вакуумной камеры (R = 100 см) и было смещено относительно магнитной оси невозмущенной магнитной конфигурации к внешней стороне тора на A R = 2.6 см. Пучок гиротрона фокусировался с помощью зеркал и имел гауссовскую форму с диаметром в центре плазмы 4 см. Мощность ЭЦ-нагрева варьировалась от 100 до 200 кВт. Длительность импульса излучения составляла 10—15 мс. Средняя плотность плазмы, измеренная по центральной хорде 2 мм интерферометром, для середины разряда (54—55 мс от начала импульса магнитного поля) составляла (1.5-1.7) х 1013 см-3.
Граничные условия на периферии плазмы изменялись с помощью введения в плазменный шнур секторного графитового лимитера. Ширина лимитера 8 см, а его край вырезан по форме граничной магнитной поверхности. Эксперименты выполнялись либо при выдвинутом лимитере, либо при его углублении за граничную магнитную поверхность на 2 см. Лимитер находился при плавающем потенциале, значение которого относительно стенок камеры составляло 40-60 В.
Смещение магнитной оси выполнялось с помощью наложения поперечного магнитного поля Bv, которое составляло -20 Гс, что соответствовало смещению внутрь тора. Значение Bv соответствовало компенсации смещения магнитной оси, вызванного конечным давлением плазмы.
Измерение радиальных профилей температуры электронов осуществлялось по измерениям мощности электронно-циклотронного излучения (ЭЦИ) на второй гармонике гирочастоты электронов для внутренней области плазмы (r/a < 0.6) и с помощью спектроскопии ионов примесей (B IV, C III и др.) для периферийной области (см. [21, 22]). Измерения радиальных профилей плотности плазмы выполнялись с помощью интерферометра Майкельсона, использующего излучение HCN-лазера (длина волны 327 мкм).
Рис. 1. Схема измерений рассеяния излучения второй гармоники гиротрона (150 ГГц) на коротковолновых флуктуа-циях (ks = 35 см-1) плотности плазмы в стеллараторе Л-2М: 1 — гиротрон; 2 — квазиоптическое зеркало; 3 — интерферометр Фабри—Перо; 4 — полное излучение гиротрона; 5 — опорное 2 мм излучение, выделенное из полного излучения гиротрона; 6 — рассеянное на флуктуациях плотности 2 мм излучение; 7 — входное окно; 8 — сечение вакуумной камеры; 9 — линза; 10 — полупрозрачное зеркало; 11 — отрезок трубки из оргстекла, внутри покрытый поглотителем; 12 — рупорная антенна с отрезком прямоугольного 2 мм волновода; 13 — детектор 2 мм излучения; 14 — сечение магнитных поверхностей; У — усилитель, АЦП — аналого-цифровой преобразователь; ПК — персональный компьютер.
Радиальные профили температуры во внутренних областях плазмы имеют колоколообраз-ную форму с максимумом на оси вакуумной камеры, т.е. смещены наружу от магнитной оси невозмущенной магнитной конфигурации примерно на 2 см (шафрановский сдвиг). Вблизи граничной поверхности регистрируется скачок температуры в 100—200 эВ. Введение лимит
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.