Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время рефлектометрия плазмы является одной из наиболее бурно развивающихся диагностик [1], в основе которой лежит явление полного внутреннего отражения зондирующей электромагнитной волны плазмой. Причинами столь активного развития являются возрастающие требования к диагностическим средствам, применяемым на современных термоядерных установках [2]. Наиболее важными из них являются: весьма ограниченный диагностический доступ к исследуемой плазме, обусловленный наличием бланкета и биологической защиты; увеличенные размеры плазменного шнура, требующие большего числа измерений по пространству; значительно возросшие радиационные нагрузки на функциональные элементы диагностической схемы. Эти и ряд других требований ставят серьёзные проблемы для традиционных методов измерения плотности плазмы. В свою очередь, при реализации рефлектометрических измерений требования к диагностическому доступу довольно умеренные, а возможность канализации микроволнового излучения позволяет сравнительно легко решать проблемы радиационной стойкости вакуумных окон и других элементов схемы.
Положение отражающего слоя в плазменном шнуре целиком определяется частотой зондирующего излучения и локальными параметрами плазмы: главным образом электронной концентрацией и магнитным полем. Меняя частоту зондирования, можно исследовать плазменные слои от периферийной зоны с малой концентрацией до центральных областей с большой плотностью. Наличие сильного тороидального магнитного поля иногда позволяет исследовать практически весь плазменный шнур, используя зондирование необыкновенной волной только со стороны слабого поля. Поскольку в общем случае волна дважды проходит сквозь слои плазмы, расположенные до точки отражения, информация, содержащаяся в отражённом излучении, носит интегрально-локальный характер, и для однозначного восстановления профиля плотности плазмы из полученных данных необходимы измерения на нескольких частотах. С другой стороны, параметры отражённой волны (фаза, амплитуда, групповое время задержки) наиболее чувствительны к локальным значениям электронной концентрации и магнитного поля в отражающем слое, что позволяет независимо производить локальные исследования плазменных колебаний.
Существует достаточно широкий спектр приборов и методов, использующих принципы рефлектометрии для диагностики плазмы токамака [3]. Однако, большинство из них основывается на измерении фазового набега волны, отражённой от плазмы. Таким образом, измерения являются однозначными только в пределах 0 -2х, что часто приводит к значительным трудностям в интерпретации
данных из-за таких эффектов, как "потеря когерентности" [ "убегание фазы" [5]. Кроме того, при фазовых измерениях так иначе всегда используется усреднение отражённого сигнале времени, т. е. процесс однократного измерения занимает н отрезок времени (обычно несколько мке или более), подразумевает само по себе стационарность исследуемого объ в этом промежутке времени. В то же время эксперимента исследования показывают, что высокочастотная часть спе флуктуации плотности плазмы зачастую уходит в мегагерці область [6], и тогда возникает вопрос о правомерности та усреднения. Широкие возможности для преодоления этих проС открывает использование коротких микроволновых импульсов зондирования плазмы токамака с последующим H3Mepeh времени задержки отражённых сигналов. Идея этого ме впервые была предложена одновременно автором даі диссертации и голландскими учёными S.H. Heijnen and С Hugenholtz на совещании по диагностике ITER в 1990 г..
В настоящей работе разработан метод многочасто импульсной рефлектометрии плазмы токамака, к осное особенностям которого можно отнести то, что:
измеряемая величина - абсолютное время задержки сигь отражённого от исследуемой плазмы, позволяет однозн трактовать полученные данные;
в течение времени однократного измерения времени заде[ отражённого сигнала (время прохождения микроволнового импу через плазму) плазменный шнур действительно можно счу неподвижным;
влияние паразитных переотражений в передающих трактах камере токамака устраняются при помощи фильтрации "временного окна".
Учитывая перечисленные выше особенности мет представляется перспективным применение импулы рефлектометрии для измерения профиля плотности плазмі исследования плазменных колебаний в крупномасштабных токам нового поколения, а также для исследований электронной плотн сильно турбулентной лабораторной плазмы. В частне импульсная рефлектометрия может оказаться альтернативой хорошим дополнением традиционной интерферометрии в уело ограниченного доступа к плазме.
Целью настоящей работы является разработка но
метода диагностики высокотемпературной плазмы - многочасто
импульсной рефлектометрии, пригодного для исследования прос
плотности и колебаний плазмы в условиях близких к зажигав
горению самоподдерживающейся реакции синтеза, физиче
обоснование этого метода и развитие алгоритмов обраб
экспериментальных данных, а ті
проведение экспериментальных исследований динамики профиля плотности плазмы токамака, низкочастотных колебаний в плазме и сравнительного анализа рефлектометрических результатов с данными других диагностик на существующих экспериментальных установках типа токамак.
Научная новизна работы состоит в том, что:
1. Разработан новый метод диагностики
высокотемпературной плазмы - импульсная рефлектометрия,
позволяющий проводить исследования динамики профиля и
колебаний плотности плазмы токамака. Дано физическое
обоснование этого метода. Развиты алгоритмы обработки
экспериментальных данных импульсной рефлектометрии.
-
Проведены первые экспериментальные исследования динамики плотности плазмы и плазменных колебаний на токамаках Т11-М и START с использованием метода импульсной рефлектометрии.
-
В ходе экспериментальных исследований получены качественно новые результаты:
* наличие "пьедестала" у профиля плотности плазмы в
режимах с малым аспектным отношением шнура (А < 2);
* эффект роста градиента плотности плазмы в периферийной
зоне в момент образования натурального дивертора в плазме
токамака START.
4. С помощью импульсной рефлектометрии проведены
исследования развития "внутреннего перезамыкания" в плазме
токамака START.
Практическая ценность работы:
1. Разработан метод, позволяющий проводить измерения
профиля электронной концентрации и исследования колебаний
горячей плазмы с хорошим временным (около 10 мкс) и
пространственным разрешением (около 1 см при однократном
измерении).
2. Проведены расчётно-теоретические исследования
процессов распространения и отражения микроволновых сигналов в
неоднородной флуктуирующей плазме, результаты которых являются
основой при разработке новых методик, использующих
зондирование плазмы короткими импульсами, и при интерпретации
данных, полученных с помощью импульсной рефлектометрии. В
результате этих исследований выработаны рекомендации по выбору
оптимальных параметров микроволновых импульсов, используемых
для зондирования плазмы, и методов временной привязки к ним, а
также путём численного решения волнового уравнения найдены
амплитудно-частотные зависимости между флуктуациями плотности
плазмы и измеряемыми в эксперименте флуктуациями времени
задержки сигналов, отражённых от плазмы.
3. При помощи импульсной рефлектометрии проведены
исследования спектров флуктуации плазмы на токамаках Т11-М и
START, в результате которых идентифицированы различные ветви
колебаний, соответствующие винтовым модам плазмы токамака.
4. Разработана эффективная высокопроизводител
программная оболочка системы сбора и обработки дан позволяющая в интерактивном режиме оперативно анализиро экспериментальные результаты рефлектометрии и др диагностик.
Автор выносит на защиту:
*метод многочастотной импульсной рефлектоме термоядерной плазмы;
*способы временной привязки к флуктуирую микроволновым сигналам;
*результаты расчётно-теоретических исследов;
взаимодействия микроволновых сигналов с флуктуациями плотн плазмы;
*результаты экспериментальных исследований динаг профиля и колебаний плотности плазмы на токамаках Т11-і START
*результаты исследования явления внутрен
перезамыкания в плазме токамака START.
Апробация работы. Результаты, изложенные
диссертации, докладывались и обсуждались на Всесою; конференции по физике плазмы и УТС (Звенигород, 1992), н Совещании по диагностике высокотемпературной плазмы (Сэ Петербург, 1993), на 20-й Европейской конференции по фи: плазмы и УТС (Лиссабон, 1993), на 22-й Европейской конфереі-по физике плазмы и УТС (Борнмут, 1995), на междунарої совещаниях по диагностике ITER, а также на научных семин; Кэлхэмской лаборатории и отделения физики токамаков-реактс ТРИНИТИ. Основные результаты диссертации отражены публикациях, список которых приведён в конце автореферата.
Структура и объём работы. Диссертация состоит введения, трёх глав, заключения, двух приложений и спі цитируемой литературы. Принята сквозная нумерация литератур ссылок, параграфы и рисунки нумеруются по главам. Диссерт; содержит 163 страницы текста, включающего 77 рисун Библиография содержит 149 наименований.
