научная статья по теме ДИАГНОСТИКА МГД-НЕУСТОЙЧИВОСТЕЙ НА СФЕРИЧЕСКОМ ТОКАМАКЕ ГЛОБУС-М Физика

Текст научной статьи на тему «ДИАГНОСТИКА МГД-НЕУСТОЙЧИВОСТЕЙ НА СФЕРИЧЕСКОМ ТОКАМАКЕ ГЛОБУС-М»

ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2007, том 33, № 2, с. 99-108

= ТОКАМАКИ

УДК 533.9:621.039.61

ДИАГНОСТИКА МГД-НЕУСТОЙЧИВОСТЕЙ НА СФЕРИЧЕСКОМ ТОКАМАКЕ ГЛОБУС-М

© 2007 г. М. И. Патров, С. Е. Бендер*, В. К. Гусев, Д. Э. Кравцов**, И. А. Миронов*, Ю. В. Петров, А. В. Сушков**

Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, С.-Петербург, Россия * Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова, Россия ** РНЦ "Курчатовский институт", Институт ядерного синтеза, Москва, Россия

Поступила в редакцию 20.04.2006 г. Окончательный вариант получен 08.06.2006 г.

Описан диагностический комплекс магнитогидродинамических возмущений плазмы сферического токамака Глобус-М (большой радиус 0.36 м, малый - 0.24 м, аспектное отношение 1.5), состоящий из полоидального и тороидального массивов магнитных зондов Мирнова, включающих 28 и 16 зондов соответственно, а также 32-х канального детектора мягкого рентгеновского излучения, выполненного на основе пропорциональных счетчиков. Изложены методы обработки экспериментальных сигналов магнитных зондов, позволяющие определять полоидальный и тороидальный номера мод доминирующего винтового возмущения. Приводятся результаты измерений и обработки экспериментальных данных ряда разрядов токамака при токе плазмы 150-250 кА, средней электронной концентрации до 1 х 1020 м-3 и тороидальном магнитном поле 0.4 Тл. Кратко обсуждаются особенности поведения МГД-возмущений и их влияние на параметры плазменного шнура в различных фазах разряда.

PACS: 52.55.Fa, 52.70.-m, 52.55.Tn

1. ВВЕДЕНИЕ

Для сферических токамаков характерна существенная неоднородность тороидального магнитного поля вдоль большого радиуса, а также соизмеримость величины полоидального и тороидального магнитных полей, что приводит к резкой асимметрии полоидальной структуры МГД-неустойчивостей. Более устойчивая магнитная конфигурация сферического токамака по сравнению с традиционным позволяет организовать разряд при большом токе плазмы в низком тороидальном магнитном поле с достаточной величиной запаса МГД-устойчивости на границе плазменного шнура qa < 3 [1]. Следствием этого в таких режимах должно являться развитие в плазме сферического токамака преимущественно низкомодовых винтовых МГД-возмущений, имеющих резкую фазовую и амплитудную асимметрию вдоль полоидального угла. На рис. 1 представлен ход силовой линии магнитного поля при величине запаса устойчивости на поверхности равного магнитного потока q = 4 и схематичное изображение соответствующей асимметричной полоидальной структуры винтового возмущения с q = m/n = 4 (m и n - полоидальное и тороидальное числа возмущения).

Для исследования МГД-неустойчивостей плазмы токамаков традиционно применяют наборы магнитных зондов Мирнова и датчиков мягкого

рентгеновского излучения. В статье подробно описан диагностический комплекс МГД-неустой-чивостей, применяемый в ходе экспериментов на сферическом токамаке Глобус-М, параметры которого описаны в [2]. Диагностический комплекс МГД-неустойчивостей состоит из полоидального и тороидального массивов магнитных зондов и 32-х канальной камеры мягкого рентгеновского излучения. В статье также изложены методы обработки экспериментальных данных и полученные с их помощью результаты.

2. СИСТЕМА МАГНИТНЫХ ЗОНДОВ

Система магнитных зондов, спроектированная и созданная сотрудниками НИИЭФА им. Д.В. Ефремова и ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, введена в действие в 2004-2005 гг. Предварительные результаты анализа МГД-неустойчивостей с помощью этой системы изложены в [3]. Основной задачей, решаемой системой магнитных зондов, является регистрация флуктуаций полоидального магнитного поля плазменного шнура токамака и восстановление структуры винтовых МГД-возмущений.

Система состоит из полоидального и тороидального массивов внутрикамерных магнитных зондов, включающих в себя 28 и 16 зондов, соответственно. Массив, состоящий из 28 зондов (рис. 2а), установлен в одном тороидальном сече-

(а)

(б)

поверхность равного магнитного потока

силовая линия магнитного поля

возмущение т = 4

граница плазменного шнура

Рис. 1. Ход силовой линии магнитного поля в токамаке с малым аспектным отношением при да = 4 (а) и схематичное изображение полоидальной структуры МГД-возмущения с т = 4 (б).

(а)

27

Я28

V

V о

16

14;

В 0

13"

12 11

1 м

Рис. 2. Расположение зондов Мирнова: а) - полоидального Положение полоидального массива указано пунктиром.

нии и измеряет тангенциальную составляющую магнитного поля плазменного шнура. Каждый из этих зондов представляет собой катушку высотой 16 мм и диаметром 8.5 мм (sw - 63 см2, сопротивление 9 Ом, где sw - произведение эффективной площади зонда на число витков). Этот массив зон-

(зонды 1-28); б) - тороидального массивов (зонды 1Т-16Т).

дов размещен в защитных трубках из аустенит-ной нержавеющей стали (по 11 зондов в двух и 6 зондов в третьей трубке) с внешним диаметром 10 мм и толщиной стенки 0.5 мм, запаянных с одного конца и открытых на атмосферу с другого. Вывод трубок из вакуумной камеры осуществлен

через телескопические уплотнения на основе штуцерного соединения [4].

Массив, состоящий из 16 зондов (рис. 26), установлен в горизонтальной плоскости по тороидальному обходу. Зонды являются двухкомпо-нентными и измеряют тангенциальную и нормальную (по отношению к вакуумной камере) составляющие полоидального магнитного поля. Каждый из тороидальных зондов представляет собой прямоугольную катушку размером 20 х х 12 х 3 мм (тангенциальная обмотка -^ ~ 220 см2, сопротивление 33 Ом; нормальная обмотка - sw ~ 280 см2, сопротивление 30 Ом). От разрушающего воздействия плазмы зонды и выводы катушек зондов защищены, соответственно, корпусами и экранами из нержавеющей стали толщиной 0.1 мм. Точность расположения магнитных зондов составляет около 1 мм. Провода выводов зондов от катушек до выхода из вакуумной камеры скручены в витую пару и припаяны на герметичный электрический ввод типа РСГ50.

Ввиду того, что технологический цикл подготовки токамака к эксперименту включает прогрев вакуумной камеры до температуры около 200°С, для изготовления обмоток магнитных зондов был выбран термостойкий провод типа ПНЭТ-имид толщиной 180 мкм.

Оценки величины скин-эффекта, проведенные в соответствии с [5], показали, что защитная трубка полоидального массива ограничивает полосу частот регистрируемых колебаний величиной около 100 кГц, корпуса тороидальных зондов - 400 кГц. Скиновое время при частоте регистрируемого сигнала 20 кГц составляет около 1.8 мкс для зондов полоидального массива и около 0.4 мкс для тороидального.

3. МЕТОД ОБРАБОТКИ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ СИГНАЛОВ

МАГНИТНЫХ ЗОНДОВ

Для исследования структуры винтовых возмущений, регистрируемых магнитными зондами, традиционно применяются методы корреляционного анализа. В ходе такого анализа [6] необходимо проводить разложение экспериментальных сигналов по собственным пространственным функциям возмущения, которые заданы уравнением силовой линии магнитного поля и, в общем случае, неизвестны. Возникающие математические сложности затрудняют проведение подобного анализа, поэтому на практике можно применить разложение экспериментальных сигналов в классе гармонических функций:

Ьр = Ьр0 8ш (Ш + т ф - п0),

(1)

тороидальный углы, т и п - соответствующие номера мод.

Хотя при интерпретации результатов такого анализа возникают значительные трудности, связанные с появлением в спектре неограниченного числа гармоник из-за неучета фазовой асимметрии полоидальной структуры возмущения [7], данный метод позволяет выделить величину т доминирующего МГД-возмущения [8]. Для более корректного определения номера моды доминирующего возмущения применяется разложение экспериментальных сигналов в классе заранее заданных функций, отражающих фазовую и амплитудную асимметрию возмущений вдоль полои-дального угла. Построение такого класса функций осуществляется заменой полоидального угла ф на угловую координату V, в которой функция возмущения в полоидальном направлении становится периодической. Например, для неустойчи-востей плазменного шнура токамака Т-10 авторами [8] найдено

V = агС^

Н (В р ( ф ) )

. Вр( ф) ]

(2)

где Н(Вр(ф)) - функция Гильберта полоидального возмущения Вр(ф), определяемая как

Н(Вр(ф)) = Цу.р. |

Вр(т)

ф - Т

ёх,

(3)

где Ьр0 - амплитуда возмущения, t - время, ш -частота вращения моды, ф и 0 - полоидальный и

v.p. - главное значение интеграла.

Применительно к анализу винтовых неустой-чивостей плазменного шнура сферического токамака использование методов, описанных в [6-8], практически невозможно, т.к. сопряжено с рядом специфических сложностей. Во-первых, необходимо учитывать неоднородность величины тороидального магнитного поля, вытянутость и тре-угольность плазменного шнура. Во-вторых, в сферическом токамаке, как и в других токамаках с вытянутым сечением, чрезвычайно сложно расположить зонды на одинаковом удалении от плазмы, например, зонды 1-3 полоидального массива находятся на расстоянии менее 1 см от плазменного шнура, а зонды 7-8 - более чем 10 см (см. рис. 2). В-третьих, в регистрируемый зондами полоидального массива сигнал (в особенности, если речь идет о зондах, расположенных на куполах вакуумной камеры: 6-9 и 21-24), кроме тангенциальной составляющей, существенный вклад вносит также нормальная компонента полоидального магнитного поля.

Для определения полоидального номера моды т доминирующего винтового МГД-возмущения в большинстве случаев даже в геометрии сферического токамака можно ограничиться редуцированным анализом экспериментальных сигналов,

зонд 16

ДФх6 = 0

Дф20 = п/4

зонд 24

120.50

/ / *»„ / / \ **ч \ Ч / \ \

/ / \ \ \ \ \ Ч \ 4 \ ч А \ч......7/

зонд 28

ч \ и ^ /г ч / ч\ / \\ Л \ \ \ \

\ \ \ \ \ \ \ \ / // // «ч /у / ч \ ч ч

Дф24 = п/4

Дф28 = 3п/4

120.75

время, мс

Рис. 3. Сигналы зондов Мирнова на фронте тока плазмы (пунктир - экспериментальные сигналы, сплошная линия -аппроксимация экспериментальных сигналов гармонической функцией), Дф - задержка фазы возмущения. Разряд 13532.

суть которого заключается в следующем. Частота доминирующего возмущения в те

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»