научная статья по теме К ТЕОРИИ ИЦР-НАГРЕВА СТОЛБА ПЛАЗМЫ (МЕТОДИЧЕСКАЯ ЗАМЕТКА) Физика

Текст научной статьи на тему «К ТЕОРИИ ИЦР-НАГРЕВА СТОЛБА ПЛАЗМЫ (МЕТОДИЧЕСКАЯ ЗАМЕТКА)»

ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2004, том 30, № 9, с. 795-810

КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ В ПЛАЗМЕ

УДК 533.9

К ТЕОРИИ ИЦР-НАГРЕВА СТОЛБА ПЛАЗМЫ (МЕТОДИЧЕСКАЯ ЗАМЕТКА)

© 2004 г. А. В. Тимофеев

РНЦ "Курчатовский институт" Поступила в редакцию 11.11.2003 г.

Получена система волновых уравнений, описывающая электромагнитные колебания плазменного столба с частотой порядка ионной циклотронной при произвольной температуре электронов. Эта система, в частности, учитывает резонансное взаимодействие электронов с колебаниями в режиме ТТМР. Проанализирован эффект усиления плазмой электромагнитных полей, возбуждаемых токовыми антеннами. Рассмотрена эволюция полей по мере роста плотности плазмы, начиная с нулевой (вакуум). Определены основные характеристики процесса ИЦР-нагрева плазмы по методу малой добавки в проектируемой установке ЭПСИЛОН.

ВВЕДЕНИЕ

Характерная длина волны электромагнитных колебаний, используемых для ИЦР-нагрева плазмы, обычно сравнима с ее размером или превышает его. Такие колебания тесно связаны с антенной, а структура их электромагнитных полей существенно зависит от формы последней. Наиболее успешными для ИЦР-нагрева плазменного шнура в продольном магнитном поле оказались токовые антенны, в которых электрический ток имеет как продольную компоненту, так и поперечную (азимутальную). Такими антеннами являются, например, винтовые и антенны типа На-гоя. В винтовых антеннах токонесущий проводник обвивает плазменный шнур по винту. Антенны типа Нагоя состоят из продольных и азимутальных участков. ИЦР нагрев обязан поперечной - лево поляризованной составляющей ВЧ электрического поля. Преимущество упомянутых выше антенн состоит в том, что в присутствии плазмы поперечное электрическое поле, возбуждаемое ими, может не ослабляться, а усиливаться по сравнению с вакуумным. Происходит это потому, что указанные антенны возбуждают две различные моды электромагнитных колебаний, поперечные электрические поля которых в вакууме противофазны. Плазма по-разному реагирует на эти моды, что может вести к усилению суммарного поперечного электрического поля, см. например [1, 2]. В настоящей работе проанализирована физическая природа электромагнитных полей, возбуждаемых токовыми антеннами в вакууме, и их последовательная трансформация по мере роста плотности плазмы. Обсуждается влияние альфвеновского и плазменного ре-зонансов.

При ИЦР-нагреве ВЧ-мощность обычно вкладывается в т. н. малую добавку резонансных ио-

нов примеси (ю = ю,', ю - частота ВЧ-колебаний, ю,' - циклотронная частота ионов примеси). Соотношение между частотой колебаний и циклотронной частотой основных ионов -ю; существенно влияет на структуру электромагнитных полей. Рассмотрены случаи как легкой примеси (ю > ю;), так и тяжелой (ю < ю;).

Реакция плазмы на электромагнитные поля зависит от температуры электронов, в частности, от определяемого ею соотношения между фазовой скоростью колебаний вдоль магнитного поля и тепловой скоростью электронов. Чтобы сделать анализ пригодным при произвольной величине этого соотношения, потребовалось включить в рассмотрение эффекты конечного ларморовского радиуса электронов. С ними, в частности, связан т.н. эффект ТТМР (Transit Time Magnetic Pumping) - резонансное взаимодействие заряженных частиц с поперечным (по отношению к основному магнитному полю) электрическим полем электромагнитных колебаний в условиях черенковского резонанса. Данный эффект, наряду с другими, обусловленными конечностью ларморовского радиуса электронов, может стать существенным при высокой плотности плазмы. В этом случае приближение нулевого ламоровско-го радиуса, использованное в [1-4], становится неадекватным.

Численные методы, развитые в настоящей работе, использовались для оценки перспектив ИЦР-нагрева в проектируемой системе ЭПСИЛОН [5]. Анализ показывает, что хотя в принципе возможны различные варианты нагрева, по-видимому, оптимален нагрев плазмы с тяжелой примесью резонансных ионов, например, водород с добавкой дейтерия при достаточно высокой температуре электронов (>1 кэВ).

1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОК В КОЛЕБАНИЯХ

Выясним какие приближения допустимы при анализе ИЦР-нагрева по методу малой добавки. В условиях циклотронного резонанса ионы наиболее интенсивно взаимодействуют с левополя-ризованной составляющей поперечного электрического поля колебаний, используемых для нагрева. При временной зависимости переменных полей вида е-юг эта составляющая дается выражением Е+ = ~~ (Ег + гЕе). Здесь используется цилин-72

дрическая система координат, ось 0Z которой направлена вдоль основного магнитного поля, термины "поперечный" и "продольный" отмечают направление относительно этого поля. Резонансное взаимодействие с правополяризованной и продольной составляющими электрического поля обусловлено эффектами конечного ларморов-ского радиуса и при кр; < 1 является более слабым (к - волновое число, р; - средний ларморов-ский радиус ионов). Разумеется, эти утверждения справедливы, если плазма не подавляет лево поляризованное электрическое поле. Избежать этого удается при ИЦР-нагреве малой добавки.

Основная (нерезонансная) ионная компонента с одинаковой по порядку величины интенсивностью взаимодействует со всеми составляющими электрического поля. При описании нерезонансного взаимодействия эффекты теплового движения ионов можно не учитывать.

Указанным приближениям соответствует следующее выражение для ионного тока:

J

.(О

= --^((^-1 )Е± + X Ь), (1)

(0 1/ (0 ("К (;) 1/ (О ('К (О 1 где £Г = ~(е+ + е- ), £(,) = =(ег-е- ), е+; = 1 -

ю

р>

Ю(Ю - ю;)

2

+

ю

Р'

юк 11V

"Л ^ (С'),

,(о

= 1 -

т;

юр

ю р

2

, ■, юр; - ленгмюровская ча-ю(ю + ю;) ю(ю + ю') р

стота основных ионов, ю; - их циклотронная частота; величины, характеризующие ионы добавки,

отмечены штрихом, £=

ю-ю,. к | V Т;

v т; =

2Т' —" , ^ -

т,

компоненты тензора диэлектрической проницаемости в качестве сомножителей содержат наряду

с большим параметром Г ^^

малый (к±ре)%е, где

X =

ю

к | V Те

при ю < куте и Хе =

к|| v-

Те

ю

при ю > к||УТе.

В случае горячих электронов (ю <§ куТе) эти компоненты тензора имеют тот же порядок величины, что и ионные, использованные при получении (1). Поэтому подход [1-4], в которых недиагональные компоненты тензора диэлектрической проницаемости не учитывались из-за малости ларморовского радиуса электронов, требует уточнения. Дальнейшее рассмотрение показывает, что эти компоненты существенны при достаточно высокой плотности плазмы. Отметим, что при сравнимых температурах вклад в недиагональные компоненты основных ионов мал ввиду к|| v т;

множителя Х; = -1;— , а ионов добавки - ввиду их

ю

малого числа.

Для согласованности анализа необходимо также учесть поперечную составляющую электронного тока, вызываемую продольным электрическим полем. Другие существенные составляющие поперечного тока электронов обязаны дрейфу электронов в скрещенных полях (электрическое поле колебаний и основное магнитное поле) и эффекту ТТМР. В компонентах тензора диэлектрической проницаемости эффект ТТМР дает слагаемые порядка (^юр^ (к±Ре)25е, где 5е = ехр ку-) ] " доля резонансных электронов. Для ионов эффект ТТМР несуществен ввиду малого числа резонансных частиц.

Электронный ток будем определять с помощью возмущения функции распределения /, вызываемого переменным электромагнитным полем. Для его нахождения используем кинетическое уравнение, линеаризованное по малым возмущениям,

/ -

йг

и-к = -£ V • Е/0

интеграл вероятности от комплексного аргумента, Ь = Б0/В0. Продольная компонента тока в (1) не учитывается, так как она мала по сравнению с электронной.

При нахождении продольного тока электронов необходимо учитывать как продольное электрическое поле, так и поперечное (см., например, [6]). Соответствующие недиагональные

Здесь /0(е, п) - невозмущенная функция распределения электронов, зависящая от интегралов движения: энергии е = ту 2/2 и б - компоненты обоб-

щенного импульса п

2

— + "ю- . Рассматривается

цилиндр плазмы, плотность которой меняется по радиусу, магнитное поле считается однородным, направленным по 0Z. Возмущенные величины

2

2

е

удобно представить в виде Фурье-разложений, например, Е(г, г) = | йкг Екг ехр(г'(-юг + к- + шб + к ¿)).

частям приводим это выражение к следующему виду:

2

Стандартный метод интегрирования по траекториям приводит к выражению

fK = e f-1 b •( v х Ekr) f 0-

■*■ eVUJe

ю - k i iv i i

j, , V±Pe ю„

v i iEi i , kr +i —2~c Bi i

(2)

х| f 0 +

1- i ^e sin (ao-v))

. (e)

2

ю c

-юb х E + - V х (b(Qiщ - N Qe| i))

j i, = ю Ni Q2 (- Bi i + 2 i ^Ni iZe2 Ei

.ю-

ю

где

Ql = -2 (^1 -—-—2 iMeW(Ze), Q2 = -

Юe

ю

Pe

ююeNl

+ iJnZeW (Ze)), W - интеграл вероятности от ком-

(27^1/2

me

плексного аргумента, Ze =

ю

k i iV Te'

VTe =

Re j • E* =

ю mею p

-Z2

TT—-P- Zee" х

44% Tek2

(4)

х ( E2 + 2

k | | T e

cme ю

Im (Ei B, *) + 2

kWTe

cme ю,

B

Здесь последнее слагаемое в скобках обязано эффекту ТТМР, а второе - учитывает интерференцию ТТМР с черенковским резонансным взаимодействием.

Выражение (4) может быть получено также из следующего:

Ие j • Е* =

Траектории электронов брались в виде v(t) = = (v± cos(a0 + юet), v± sin(a0 + юet), vj i), r(t) = r(0) +

+ J^dtv( t), a0 - начальная фаза ларморовского

вращения. В (2) ларморовский радиус электронов считался малым по сравнению с длиной волны, а частота колебаний - по сравнению с электронной циклотронной юе, v = arctg (m/rkr), = k±v±/юе, b = B0/B0.

С помощью (2) находим выражение для плотности электронного тока, вызываемого переменным электромагнитным полем,

= 70(j) J^5(ю-ki vi eEi + ЦеVi Bi il2f

(5)

где Ц =

2

mev± 2B

магнитный момент электрона.

(3)

(1 +

Выражение (5) показывает, что на электрон наряду с силой, вызываемой электрическим полем, действует также диамагнитная, направленная вдоль основного магнитного поля ^ = -^УцВц. Данный результат вполне естествен, так как в случае низкочастотных длинноволновых колебаний электрон, вращающийся по ларморовской окружности, может рассматриваться как точечная заряженная частица, обладающая магнитным моментом.

Разумеется, электрон обменивается энергией н

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