ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2009, том 35, № 10, с. 889-895
МАЛЫЕ ТЕРМОЯДЕРНЫЕ УСТАНОВКИ
УДК 533.932;533.951
СПЕКТРАЛЬНЫЙ И СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ФЛУКТУАЦИЙ В ПЛАЗМЕ SOL И В ДИВЕРТИРУЕМОЙ ПЛАЗМЕ ТОРСАТРОНА "УРАГАН-3М"
© 2009 г. А. А. Белецкий, Л. И. Григорьева, Е. Л. Сороковой, Э. Л. Сороковой, В. В. Чечкин, А. С. Славный, Ю. С. Лавренович, Е. Д. Волков, П. Я. Бурченко, С. А. Цыбенко, А. В. Лозин, А. Е. Кулага, Н. В. Заманов, Ю. К. Миронов, В. С. Романов
Институт физики плазмы, Национальный научный центр "Харьковский физико-технический институт",
Харьков, Украина Поступила в редакцию 10.12.2008 г.
На торсатроне "Ураган-3М" с винтовым дивертором (l = 3, m = 9, R0 = 1 м, а « 0.12 м, i(а )/2п « 0.3) в условиях ВЧ-создания и нагрева плазмы были проведены исследования низкочастотных (5— 100 кГц) флуктуаций плотности (ионного тока насыщения) и потенциала в плазме SOL и потоках дивертируемой плазмы (ПДП). Обнаружено, что для точек, расположенных дальше (ближе) от крайней замкнутой магнитной поверхности (КЗМП), типичными являются более (менее) высокочастотные флуктуации. Наличие двух спектральных поддиапазонов свойственно и флуктуациям ПДП. При этом более высокочастотные флуктуации регистрируются на стороне тороидального дрейфа электронов, а более низкочастотные — на стороне тороидального дрейфа ионов. При L-H-переходе, когда вблизи КЗМП возникает слой с сильным широм поля Ег, происходит подавление более низкочастотных флуктуаций, а локальный радиальный турбулентный поток частиц уменьшается. Также представлены результаты исследований флуктуаций ионного тока насыщения и турбулентного потока методом анализа функции распределения вероятности (ФРВ). Произведены вычисления 3-го и 4-го моментов флуктуаций, характеризующих степень асимметрии и обостренность распределения по отношению к распределению Гаусса соответственно. Аналогичные вычисления были проведены и для флуктуаций ионного тока насыщения в ПДП.
PACS: 52.35.Ra; 52.25.Fi
1. ВВЕДЕНИЕ
Низкочастотные флуктуации плотности и потенциала на границе объема удержания — причина аномального переноса — давно являются объектом изучения в исследованиях по созданию и удержанию высокотемпературной плазмы в замкнутых магнитных ловушках (см., например, [1—3]). Амплитудные и частотные характеристики флуктуаций зависят от режима удержания плазмы и могут быть индикатором перехода в режим с улучшенным удержанием. В частности, исследования спонтанного L—H-перехода (далее "переход") в трехзаходном торсатроне "Ураган-3М" (У-3М), приводящего к формированию краевого транспортного барьера, наряду с характерными изменениями основных параметров плазмы, обнаружили значительное снижение амплитуды флуктуаций и уменьшение турбулентного радиального потока частиц в SOL [4, 5].
В данной работе рассматривается сравнительный анализ амплитудных, спектральных и статистических характеристик флуктуаций в граничной и дивертируемой плазме, позволивший получить новую информацию о явлениях,
происходящих в SOL и в диверторной области, и об их связи с процессами в объеме удержания. В частности, обнаруженная сильная вертикальная асимметрия спектров флуктуаций связана с асимметрией потерь быстрых ионов [6], а возрастание турбулентного потока непосредственно перед переходом в H-моду коррелирует с увеличением их выхода в дивертор [7]. Что касается статистического анализа, третий и четвертый моменты функции распределения вероятности (ФРВ), посчитанные для флуктуаций плотности (ионного тока насыщения Is) в ПДП на стороне дрейфа ионов B xVB, изменяются синфазно с изменением количества быстрых ионов в этих ПДП [8].
2. УСЛОВИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА И МЕТОДИКА ПОЛУЧЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ
В торсатроне У-3М (l = 3, m = 9, R0 = 1 м, а « ~ 0.12 м, i(а )/2я « 0.3) вся магнитная система заключена в большую (70 м3) вакуумную камеру диаметром 5 м, благодаря чему реализуется естественный открытый винтовой дивертор. Торои-
Рис. 1. Полоидальные сечения, в которых проводились измерения. Сечения VG7 и VG8 геометрически идентичны.
р
о
«
4+—
: 40 см м
р
св
я
дальное магнитное поле Вф = 0.7 Т, генерируется только винтовыми катушками, тороидальный дрейф ионов В х VВ направлен вверх. Плазма создается и нагревается ВЧ-полем на частоте ю ё юс1. ВЧ-мощность, подводимую к антенне, можно доводить до ~250 кВт в импульсе 30—60 мс. Рабочий газ (водород) непрерывно поступает в вакуумную камеру при давлении ~10-5 Тор. Линейно-
усредненная плотность электронов пе ~ 1012 см-3, электронная температура (по интенсивности излучения на второй гармонике электронной циклотронной частоты) достигает Те (0) ~ 600 эВ в центре и спадает до ~50 эВ (также по данным зон-довых измерений) вблизи КЗМП.
Низкочастотные флуктуации плотности плазмы (ионного тока насыщения ) регистрируются
при помощи 6 наборов плоских ленгмюровских зондов (диверторные зонды, ДЗ) в ПДП [6] и 2 наборов подвижных ленгмюровских зондов (ПЗ) в SOL [4]. Каждый набор ПЗ состоял из четырех одиночных цилиндрических зондов, что позволяло одновременно регистрировать флуктуации Is и двух плавающих потенциалов Vf для вычисления
турбулентного потока Г к ís(Vfi - Vj2) в двух геометрически идентичных полоидальных сечениях. Четвертый зонд использовался для измерения равновесных составляющих Is или Vf. Размеры ДЗ: 1.25 х 0.8 см2; размеры ПЗ: диаметр 0.5 мм, длина 3 мм. Расположение ДЗ и ПЗ в зазорах между винтовыми катушками (далее зазоры) показано на рис. 1. Здесь же представлено схематическое изображение винтовых катушек (вид сверху)
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2
(a)
выше средней плоскости
о сечение A7 •сечение D7
J_I_I_I_I_I_I_I_LTJ
(в)
ближе к КЗМП
• VG7 о VG8
(б)
ниже средней плоскости
о сечение A7 • сечение D7
J_i_i_i_i_i_i_i_ии
(г)
дальше от КЗМП
• VG7 о VG8
_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i
0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 /, кГц /, кГц
Рис. 2. Автоспектры мощности флуктуаций , регистрируемых в ПДП в сечении А7 и Д7 выше (а) и ниже (б) средней плоскости; регистрируемых подвижными зондами ближе и дальше от КЗМП: г = 10.4 см (в), и г = 12.0 см (г).
и указано расположение сечении, в которых проводились измерения. Каждый набор ДЗ был установлен за соответствующей Х-точкой на малом радиусе 27 см и регистрировал два ПДП, соответствующих двум плечам дивертора в каждом зазоре.
Теряемые из объема удержания ионы регистрировались при помощи набора 13 трехэлек-тродных электростатических анализаторов (ди-верторные анализаторы, ДА) [9]. ДА были расположены аналогично ДЗ в верхнем зазоре сечения А7 (рис. 1), в соседнем периоде винтовой обмотки (сечение А8).
Для регистрации данных использовался АЦП с частотой дискретизации 1.6 мкс на канал.
3. СПЕКТРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ФЛУКТУАЦИЙ ПЛОТНОСТИ В ПДП И В SOL
На рис. 2 представлены автоспектры мощности флуктуаций в сечениях А7 и D7 в максимумах ПДП в верхнем и нижнем зазорах. Каждый из этих максимумов расположен ближе к большой оси тора. Из полученных данных следует, что можно выделить две области частот, характерных для колебаний с максимальной мощностью — до
30 кГц (для флуктуаций выше средней плоскости тора, рис. 2a) и выше 30 кГц (для флуктуаций ниже средней плоскости, рис. 2б).
Установленным фактом для У-3М является вертикальная асимметрия верх—низ пространственного распределения ПДП [6], при которой больший амбиполярный поток выходит на стороне ионного тороидального дрейфа B х V B (в данном случае выше средней плоскости). В соответствующем неамбиполярном потоке преобладают ионы, а в потоке на стороне электронного дрейфа — электроны. Естественно предположить, что обнаруженная вертикальная асимметрия спектров связана с асимметрией плазменных потоков, а флуктуации с максимальной мощностью колебаний в частотном интервале до 30 кГц — с потерями ионов.
При изучении спектров флуктуаций плотности (ИТН) в плазме SOL, также как и в ПДП, были обнаружены два характерных спектральных диапазона, в которых сосредоточена максимальная мощность колебаний (рис. 2в, г). Здесь в двух сечениях VG7 и VG8, при перемещении ПЗ по радиусу наблюдается постепенное смещение мак-
Рис. 3. Спектральная мощность флуктуаций плотности (а), линейно усредненная плотность электронов пе (б) и ток ионов на диверторный анализатор Ц (в). Вертикальной штриховой линией на (б) и (в) отмечен момент Н-перехода,
симума мощности флуктуаций из области частот выше 30 кГц (г = 12.0 см, рис. 2г) в область частот ниже 30 кГц (г = 10.4 см, рис. 2в).
В пользу утверждения о связи флуктуаций в частотном диапазоне до 30 кГц с потерями ионов свидетельствует также динамика потерь высокоэнергичных ионов при Ь-Н-переходе, изученная при помощи электростатических анализаторов в сечении А. На рис. 3 представлено временное поведение тока ионов с энергиями более 300 эВ в этом сечении и линейно усредненной плотности электронов (рис. 3б). Как следует из рис. 3, при достижении критической плотности
п^ ~ 1.4 х 1012 см-3 спад пе прекращается. Это связано [7] с бифуркацией поля Ег и переходом в Н-моду удержания, что сопровождается скачкообразным уменьшением количества быстрых ионов, выходящих в ПДП в сечении А7 в направлении ионного дрейфа В х VВ (рис. 3в). Таким образом, динамика потерь ионов в данном сечении коррелирует с уменьшением мощности флуктуаций (рис. 3а).
4. ТУРБУЛЕНТНЫЙ ПОТОК. АНАЛИЗ ФУНКЦИИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕРОЯТНОСТИ
В У-3М L-H-переход сопровождается усилением шира поля E, которое меняет знак и становится отрицательным в пределах r « 9.5 -10.0 см в обоих сечениях VG7 и VG8 (рис. 4а). При этом непосредственно перед переходом в этой области наблюдается кратковременный всплеск среднего турбулентного потока (рис. 4б), по-видимому, связанный с кратковременным увеличением потерь быстрых ионов [7]. Поведение третьего и четвертого моментов (S, skewness и K, kurtosis) ФРВ-флуктуаций ИТН в SOL (рис. 4в и г, соответственно) зависит как от радиального положения ПЗ, так и от сечения, в котором проведены измерения. При этом наблюдается значительное отклонение S и K от значений, характерных для гауссовой ФРВ. Эти отклонения максимальны на различных радиусах в VG7 и VG8, что очевидно связано с искажением магн
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.