научная статья по теме О МЕХАНИЗМЕ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ВЕРТИКАЛЬНОЙ АСИММЕТРИИ ВЕЛИЧИНЫ ДИВЕРТИРУЕМЫХ ПЛАЗМЕННЫХ ПОТОКОВ В ТОРСАТРОНЕ Физика

Текст научной статьи на тему «О МЕХАНИЗМЕ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ВЕРТИКАЛЬНОЙ АСИММЕТРИИ ВЕЛИЧИНЫ ДИВЕРТИРУЕМЫХ ПЛАЗМЕННЫХ ПОТОКОВ В ТОРСАТРОНЕ»

ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2007, том 33, № 3, с. 280-284

КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ

УДК 533.9

О МЕХАНИЗМЕ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ВЕРТИКАЛЬНОЙ АСИММЕТРИИ ВЕЛИЧИНЫ ДИВЕРТИРУЕМЫХ ПЛАЗМЕННЫХ ПОТОКОВ В ТОРСАТРОНЕ

© 2007 г. В. Г. Котенко

Национальный научный центр "Харьковский физико-технический институт", Украина

Поступила в редакцию 01.02.2006 г. Окончательный вариант получен 21.06.2006 г.

Предлагается наряду с существующими рассмотреть еще один возможный механизм возникновения "вертикальной" асимметрии величины дивертируемых плазменных потоков в тороидальных плазменных магнитных ловушках с винтовой конфигурацией дивертора. Основой механизма является возможность регулярного смещения частиц плазмы в определенном направлении. Такое смещение может быть обусловлено, например, вращением плазмы как целого.

PACS: 52.55.Hc

В работах [1-4] были проведены исследования пространственного распределения величины дивертируемых плазменных потоков (ДПП) в тороидальных плазменных магнитных ловушках с винтовой конфигурацией дивертора (торсатрон, гелиотрон). Было, в частности, установлено, что кроме естественной горизонтальной асимметрии величины ДПП вдоль большого радиуса тора, возникающей под влиянием тороидальности магнитного поля, в винтовом диверторе торсатрона существует явление вертикальной асимметрии величины ДПП вдоль прямой оси г тора. Суть его состоит в том, что результаты экспериментальных измерений величины ДПП (зондовый ионный ток насыщения) в верхнем относительно экваториальной плоскости тора (г = 0) полуторе (г > 0) систематически не совпадают с результатами аналогичных измерений в нижнем полуторе (г < 0). Особенно отчетливо это проявляется в тех полоидальных сечениях тора, где щели дивертора располагаются симметрично относительно следа экваториальной плоскости в этих сечениях. Здесь на симметричных парах зондов отношение измеряемых амплитуд ионного тока насыщения может достигать ~102. Явление наблюдено на различных установках в разных экспериментальных условиях, т.е. имеет, по-видимому, универсальный характер. В отличие от горизонтальной асимметрии механизм возникновения вертикальной асимметрии не является очевидным и требует своего объяснения. Обзор возможных механизмов возникновения вертикальной асимметрии величины ДПП можно найти в [5, 6]. В основном явление вертикальной асимметрии величины ДПП рассматривается как проявление эффектов, обусловленных особенностями поведения некоторых групп частиц плазмы, запертых между винто-

выми гофрами магнитного поля. Не исключается также возможность влияния эффектов, связанных с отклонениями реальной конфигурации магнитного поля от идеальной расчетной. В настоящем сообщении предлагается рассмотреть еще один возможный механизм возникновения вертикальной асимметрии величины ДПП. Для выяснения механизма рассмотрим геометрические особенности источника ДПП.

Как известно, источником ДПП является периферийная плазма переходных параметров (SOL-плазма), удерживаемая в слое стохастических силовых линий магнитного поля (СС). Плазма SOL и, соответственно, СС со стороны области удержания основной плазмы имеют внутреннюю границу в виде последней замкнутой магнитной поверхности. Форма и размеры этой поверхности могут быть получены как экспериментальным путем, так и в результате численных расчетов. В случае, если последняя замкнутая поверхность не имеет точек соприкосновения с какой-либо материальной поверхностью, можно предположить, что вид пространственного распределения ДПП будет зависеть в основном от размеров и формы внешней границы плазмы SOL, т.е. внешней границы СС.

В [7, 8] было показано, что представление о геометрии внешней границы СС может быть получено с помощью численных расчетов. Для этой цели использовалось понятие "длины связи" Lc силовой линии. Это длина отрезка силовой линии между точкой начала и точкой конца ее расчета в выбранном направлении (т.е. интегрирования уравнений силовой линии с шагом 5 = +h в направлении вектора магнитного поля или в обратном направлении с шагом 5 = -h). Граница СС опреде-

лялась как поверхность одинаковых длин связи Lc = const, иначе - эквиконнекта. При этом точкой начала расчета силовой линии является точка эквиконнекты, а конца расчета - точка пересечения с испытуемой поверхностью (в идеале имеются в виду приемные пластины дивертора). В проводившихся расчетах [7, 8] эквиконнектой считалась поверхность, для которой Lc = 2nR0, т.е. длина связи выбиралась такой, что не превосходила N = 1 обхода по длине тора (R0 - большой радиус тора). В качестве испытуемой поверхности для простоты рассматривалась поверхность тора с малым радиусом, равным среднему радиусу винтовых обмоток а. В принципе эквиконнекта может быть определена для любого N. При N —► ^ эквиконнекта переходит в последнюю замкнутую поверхность. В проводившихся расчетах считалось, что это происходит при N > 100.

В настоящей работе были проделаны аналогичные расчеты для одной из рассмотренных ранее [9] моделей магнитной системы торсатрона У-2М [10].

На рис. 1 изображен вид сверху на винтовые обмотки расчетной модели. Магнитная система содержит 2 винтовые обмотки (зачернены). Пространство между ними - это щели винтового дивертора. В конструкции предусмотрена дополнительная диагностическая щель меньших размеров. Она делит каждую из винтовых обмоток на 2 равные части, что не оказывает принципиального влияния на результат.

На масштабных рис. 2а,б,в пунктирными линиями изображены полученные из расчета сечения замкнутых магнитных поверхностей. Сплошными линиями, охватывающими замкнутые магнитные поверхности, представлены сечения поверхности внешней границы СС, т.е. эквиконнекты. Внутренний круг обозначает сечение вакуумной камеры торсатрона У-2М. Трапециевидные фигуры очерчивают контуры сечений витков проводника винтовых обмоток торсатрона в пропорциях, соответствующих их реальным размерам. Точки внутри фигур отражают положение тонких токонесущих проводников расчетной модели.

Рисунок 2а представляет результат интегрирования уравнений силовых линий магнитного поля с шагом s = + h, т.е. в направлении вектора магнитного поля. Из него видно, что в рассматриваемой магнитной системе основная часть площади поперечного сечения тора находится вне эквиконнекты, т.е. занята короткими силовыми линиями с длиной связи Lc < 2nR0 в выбранном направлении интегрирования. Попавшие сюда частицы плазмы, не накапливаясь, быстро уходят на стенку вакуумной камеры. Намного меньше площадь между эквиконнектой и последней замкнутой магнитной поверхностью, где длина связи в выбранном направлении интегрирования может быть весьма

Рис. 1. Винтовые обмотки расчетной модели торсатрона У-2М (зачернены). Указаны тороидальные

азимуты полоидальных сечений (см. рис. 2а,б,в).

значительной, Ьс > 2кЯ0. Это есть площадь сечения СС, где удерживается SOL-плазма. Собственно эквиконнекта представляет собой множество точек, для которых длина связи в выбранном направлении интегрирования одинакова, Ьс = 2кЯ0, в пределах точности проводимых вычислений, Ыс/Я0 ~ 10-3.

Вид сечений эквиконнекты указывает на то, что ее поверхность имеет очень сложную форму и не является эквидистантной относительно последней замкнутой магнитной поверхности. В сечении ф = 0°, где щели винтового дивертора и замкнутые магнитные поверхности симметричны относительно следа экваториальной плоскости тора, эквиконнекта асимметрична относительно этого следа. В верхнем полуторе, в отличие от нижнего, она достигает стенки вакуумной камеры. Это означает, что на некоторых зондах верхней винтовой щели будут регистрироваться потоки непосредственно SOL-плазмы, а на зондах нижней щели - поток частиц плазмы, образующийся, главным образом, за счет диффузии SOL-плазмы поперек магнитного поля. Таким способом может реализоваться вертикальная асимметрия величины ДПП. Реализация, однако, возможна при условии, что частицы плазмы регулярным образом смещаются в направлении, которое совпадает с выбранным направлением интегрирования уравнений силовой линии. Такое смещение может быть обусловлено, например, вращением плазмы как целого.

Если направление смещения частиц плазмы поменять на обратное, то вертикальная асимметрия меняет знак. Это следует из рис. 26, где изображены результаты расчетов интегрирования уравнений силовой линии с шагом 5 = -И. Видно, что положение сечений эквиконнекты изменилось. Теперь в сечении ф = 0° эквиконнекта достигает поверхности вакуумной камеры в нижнем полуторе. Тем самым подтверждается достаточ-

Рис. 2. Характерные полоидальные сечения магнитных поверхностей и эквиконнекты (сплошная линия) в пределах одного полупериода магнитного поля расчетной модели торсатрона У-2М (см. рис. 1): а) - интегрирование уравнений силовой линии с шагом ^ = +к; б) - интегрирование с шагом ^ = -к; в) - сечения главной эквиконнекты. Жирная горизонтальная линия - след экваториальной плоскости тора.

но очевидный факт зависимости длины связи от направления интегрирования силовой линии (см. Приложение). Это, разумеется, не относится к силовым линиям, образующим замкнутые магнитные поверхности, длина которых бесконечна в обе стороны от точки начала расчета.

Отсутствие вертикальной асимметрии ДПП следует ожидать в случае покоящейся плазмы. На рис. 2в изображены сечения т.н. главной, или результирующей эквиконнекты. Вне главной эквиконнекты длина связи Ьс < 2пЯ0 для обоих направлений интегрирования, внутри же Ьс > 2кЯ0 хотя

бы в одном из направлений интегрирования. Из рисунка видно, что в интересующем нас сечении ф = 0° сечение эквиконнекты симметрично относительно следа экваториальной плоскости. Следовательно, отличия в измеряемых величинах ионного тока насыщения на симметричные зонды здесь не должны наблюдаться.

Таким образом, вероятный механизм вертикальной асимметрии величины ДПП может быть обусловлен взаимодействием 2-х факторов, которые ранее не учитывались. Первый из них - это зависимость длины связи дивертируемых сило-

Ь-

А

Рис. 3. Длины связи Ь+ , Ьс точки А силовой линии 2 относительно поверхности 1.

вых линий магнитного поля от направления интегрирования. Его учет выявляет факт существ

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»