WWW.NEW.Z-PDF.RU
БИБЛИОТЕКА  БЕСПЛАТНЫХ  МАТЕРИАЛОВ - Онлайн ресурсы
 

«Вафин Ильдар Юсуфович ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПЛАЗМЫ ПО ИЗЛУЧЕНИЮ В МЯГКОЙ РЕНТГЕНОВСКОЙ ОБЛАСТИ ПРИ МОЩНОМ ЭЛЕКТРОННОМ ЦИКЛОТРОННОМ НАГРЕВЕ НА СТЕЛЛАРАТОРЕ Л-2М ...»

На правах рукописи

Вафин Ильдар Юсуфович

ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПЛАЗМЫ ПО ИЗЛУЧЕНИЮ

В МЯГКОЙ РЕНТГЕНОВСКОЙ ОБЛАСТИ ПРИ МОЩНОМ

ЭЛЕКТРОННОМ ЦИКЛОТРОННОМ НАГРЕВЕ

НА СТЕЛЛАРАТОРЕ Л-2М

01.04.08 – Физика плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата

физико-математических наук

Москва – 2013

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении нау­ ки Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией С. Е. Гребенщиков

Официальные оппоненты:

Мельников Александр Владимирович, доктор физико-математических наук, На­ циональный исследовательский центр «Курчатовский институт», ведущий науч­ ный сотрудник Салахутдинов Гаяр Харисович, доктор физико-математических наук, Нацио­ нальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», профессор

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-техниче­ ский институт им. А. Ф. Иоффе Российской академии наук

Защита диссертации состоится 02 декабря 2013 года на заседании диссертационного совета Д002.063.03 при ИОФ РАН по адресу г. Москва 119991, ул. Вавилова, 38 .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИОФ РАН .

Автореферат разослан 30 октября 2013 года

Ученый секретарь диссертационного совета Д 002.063.03 кандидат физико-математических наук /Т. Б. Воляк/

I.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В диссертации представлены результаты экспериментального исследования пара­ метров плазмы по излучению в мягкой рентгеновской области, в условиях мощного электронного циклотронного резонансного (ЭЦР) нагрева на стеллараторе Л-2М, после проведения процедуры боронизации. Основу диссертационной работы составили ре­ зультаты, полученные в ходе проведения экспериментов в условиях мощного ЭЦР на­ грева плазмы на стеллараторе Л-2М. Общей целью этих экспериментов было достиже­ ние очередного этапа на пути освоения энергии термоядерных реакций, создании про­ мышленного реактора. В результате исследований были получены рекордные для Рос­ сии параметры плазмы стелларатора–энергосодержание W=850 Дж, концентрация плазмы nem = 3 1019 m 3, электронная температура Те1 кэВ .

В работе приведены описания экспериментальной установки, диагностического комплекса мягкого рентгеновского излучения, представлены результаты расчетов и из­ мерений параметров плазмы. Исследован широкий спектр режимов работы экспери­ ментальной установки: концентрация плазмы менялась в пределах от ne = 0.5 1019 m 3 до ne = 3 1019 m 3, а мощность ЭЦР нагрева от 100 до 500 кВт. Обнаружены закономер­ ности в изменении параметров плазмы в условиях мощногоЭЦР нагрева .

Актуальность работы Отличительной особенностью современного этапа исследований по управляемо­ му термоядерному синтезу (УТС) в замкнутых магнитных системах является постепен­ ный переход к завершающей стадии этих исследований – строительству термоядерно­ го реактора. Непосредственной основой для этого этапа работ служили и служат ис­ следования, проведенные ранее на различных экспериментальных установках. Ре­ зультаты, представленные в данной работе были получены в процессе исследований плазмы на одной из таких установок - стеллараторе «Ливень-2М» (Л-2М) .

В ходе многолетних исследований плазмы на установке Л-2М совершенствова­ лась техника эксперимента – менялась технология подготовки рабочей камеры, увели­ чивалась мощность нагрева, модернизировалась сама установка. В связи с этим для ре­ шения новых экспериментальных задач возникла необходимость в дальнейшем совер­ шенствовании методов диагностирования .

Одной из таких задач, является достижение высоких температур частиц, в частно­ сти электронов. Эта задача актуальна в контексте решения проблемы УТС и стоит перед создателями всех установками находящихся в авангарде исследований [1], [2] .

На стеллараторе Л-2М решение этой задачи имеет свои особенности. Так, при достиг­ нутых в настоящее время мощностях нагрева PECRH от 200 кВт и выше, в ряде экспери­ ментов наблюдается «провальный» профиль концентрации плазмы [3]. При хордовых измерениях электронной температуры центра плазменного шнура это обстоятельство требует отдельного анализа ошибки вносимой «холодным» краем плазменного шнура в измеренное значение .

Измерения электронной температуры являются в свою очередь неотъемлемой ча­ стью вычислений различных параметров плазмы, один из них-эффективный заряд плазмы. Этот параметр является одним из наиболее важных, поскольку в процессе ис­ следования плазмы, удерживаемой магнитным полем, одним из показателей удачной организации удержания является наименьший уровень загрязнения плазменного шну­ ра атомами, входящими в состав стенок установки или же пленок на поверхности ра­ бочей камеры. И в зависимости от технологии подготовки рабочей камеры установки, химического состава материала стенки камеры, количество и характер примесей может меняться в довольно широком диапазоне. Измерения эффективного заряда предусмот­ рены и в рамках проекта ITER .

На стеллараторе Л-2М с введением процедуры боронизации изменилась техноло­ гия подготовки рабочей камеры, а это вызвало изменения состава плазмы, что потребо­ вало, в итоге, пересчета ранее измеренного значения эффективного заряда плазмы [4] и дополнительного исследования процесса аккумуляции ионов примесей в плазменном шнуре, в условиях мощного энерговклада. Для этого были проведены измерения фак­ тора превышения в различные моменты времени. Под фактором превышения здесь по­ нимается превышение излучения, полученной в эксперименте плазмы над тормозным излучением чистой водородной плазмы: =(Ibp+ Irp)/ IbH, где Ibp и Irp – соответственно спектральные интенсивности тормозного и рекомбинационного излучения полученной в эксперименте плазмы, IbH–спектральная интенсивность тормозного излучения чистой водородной плазмы .

В основе, используемых в работе, рентгеновских методов измерения параметров плазмы, лежит тот факт, что функция распределения электронов по скоростям опреде­ ляет форму спектра непрерывного излучения плазмы .

Это обстоятельство успешно ис­ пользуется для изучения вида этой функции распределения [5]. Информация о функ­ ции энергетического распределения электронов и методы получения этой информа­ ции представляют интерес, как в общем физическом смысле, так и в узком приклад­ ном. С самой общей точки зрения эта зависимость представляет интерес для исследо­ ваний, поскольку описывает степень взаимодействия частиц в ансамбле и служит, та­ ким образом, характеристикой этого коллектива частиц. Прикладной аспект этой зада­ чи продиктован теми теоретическими представлениями, которые лежат в основе изме­ рений электронной температуры плазмы. При измерениях этой величины по излуче­ нию в диапазоне мягкого рентгеновского излучения необходимо, чтобы энергетиче­ ское распределение электронов соответствовало максвелловской функции. Это требо­ вание должно выполняться как при спектральных измерениях температуры, так и при амплитудных измерениях электронной температуры, т. е. - методом фольг. В против­ ном случае в измерения вносится методическая ошибка .

Эксперименты, проведенные на Л-2М, показали, что рост удельного энерговклада может приводить к отклонению функции распределения от максвелловской и появле­ нию группы высокоэнергичных – надтепловых электронов. Этот факт определил акту­ альность исследований функции энергетического распределения электронов .

Увеличение мощности ЭЦР нагрева и достижение высоких температур сопрово­ ждается ростом газокинетического давления, что в магнитных ловушках тороидально­ го типа приводит к увеличению величины параметра (отношения газокинетического давление к давлению магнитного поля) и смещению магнитных поверхностей и маг­ нитной оси по большому радиусу. Явление, первоначально было обнаружено в токама­ ках, и носит название «шафрановский сдвиг» [6]. Смещение магнитных поверхностей ограничивает допустимое значение т. к. это смещение может стать причиной нару­ шения структуры вложенных магнитных поверхностей. Изучение этого явления ведет­ ся на ряде стеллараторов [7], [8]. Работы в этом направлении велись и на стеллараторе Л-2М .

С введением в эксплуатацию нового гиротронного комплекса вновь возникла необходимость в измерениях шафрановского сдвига, но уже при мощностях нагрева больших, чем прежде. Кроме этого, в данной работе измерения проводились для более широкого диапазона значений энергосодержания плазмы .

Полученные результаты представляют интерес для понимания процессов, проис­ ходящих в плазме стелларатора, в условиях мощного ЭЦР нагрева .

Основной целью данной работы было исследовать в эксперименте параметры электронной компоненты плазмы стелларатора Л-2М в условиях мощного ЭЦР нагре­ ва, по излучению в мягком рентгеновском диапазоне.

В ходе работы необходимо было решить следующие задачи:

1) Получение данных о пространственном распределении электронной температуры .

2) Исследование особенностей хордовых измерений электронной температуры: а) по спектру мягкого рентгеновского излучения (МРИ) и б) по интенсивности МРИ, мето­ дом фольг. Определение величины ошибки, вносимой хордовым характером измере­ ний при различных режимах .

3) Определение функции энергетического распределения электронов, вид которой не­ максвелловский. Оценка степени отклонения полученного распределения от макс­ велловской функции .

4) Исследование влияния боронизации стенок рабочей камеры стелларатора на эффек­ тивный заряд плазмы при омическом режиме. Определение границы применимости вычислений эффективного заряда плазмы по спектру мягкого рентгеновского излуче­ ния

4) Измерение абсолютных значений интенсивностей мягкого рентгеновского излуче­ ния и его превышения над излучением чистой водородной плазмы в следствии накоп­ ления ионов примесей .

5) Измерение шафрановского сдвига оси магнитных поверхностей в режимах с широ­ ким диапазоном по мощности ЭЦР нагрева плазмы. Исследование влияния поперечно­ го магнитного поля на величину сдвига магнитной оси .

Научная новизна работы Проведение процедуры боронизации стенок рабочей камеры стеларатора Л-2М радикально изменило условия проведения эксперимента и параметры плазмы. Так, уже первые эксперименты с боронизацией показали, что существенно изменился состав плазмы-исчезли тяжелые примеси, концентрация ионов кислорода и углерода умень­ шились в 3–5 раз, а это, в свою очередь в 3–4 раза уменьшило радиационные потери плазмы, примерно на 30% увеличилась электронная температура, в 1.5–2 раза увеличи­ лось энергетическое время жизни плазмы .

С введением в эксплуатацию нового гиротронного комплекса мощность ЭЦР на­ грева плазмы возросла до PECRH = 500 кВт, это позволило проводить эксперименты с высокой плотностью плазмы nem = 3 10 m. В итоге, удалось достичь рекордного для установки значения энергосодержания W=850 Дж. Реализация таких эксперименталь­ ных сценариев послужит дальнейшему развитию стеллараторных технологий и внесет определенный вклад в разработку концепции будущего термоядерного реактора на базе стелларатора .

Отсюда возникла необходимость в определении основных параметров плазмы (электронной температуры, эффективного заряда плазмы) в новых условиях с учетом возникших особенностей режимов (провальный профиль плотности, высокий удель­ ный энерговклад). Эта работа была проделана на качественно ином уровне–с активным привлечением методов компьютерного моделирования. Кроме этого, были реализова­ ны новые возможности: определена функция энергетического распределения электро­ нов; исследован процесс аккумуляции ионов примесей в плазменном шнуре; для широ­ кого диапазона энергий плазмы измерено смещение оси магнитных поверхностей, ис­ следовано влияние поперечного поля на величину сдвига. Сделан вывод об отсутствии самосогласованности профилей газокинетического давления (стремлении плазмы сохранить пространственные профили газокинетического давления) .

Главными практическими результатами работы является получение дан­ ных об электронной компоненте плазмы в условиях мощного ЭЦР нагрева с удельной мощностью до 2 МВт/м3, а также демонстрация достаточно высокой эффективности и оперативной гибкости методов диагностирования по излучению в мягком рентге­ новском диапазоне, с одновременным анализом слабых сторон этих методов .

Научная ценность работы состоит в том, что в контексте рекордных для России успехов стеллараторных технологий с помощью диагностики мягкого рентгеновского излучения был решен комплекс задач. Для новых, более продвинутых условий экспе­ римента были получены конкретные значения параметров плазмы, проанализированы трудности в трактовке результатов измерений, что в итоге внесло свой вклад в даль­ нейшее развитие методов диагностирования .

Положения диссертационной работы, выносимые на защиту:

1) Уплощение пространственного профиля электронной температуры происходит с увеличением мощности нагрева в условиях высокого удельного энергвклада, в широ­ ких диапазонах концентраций плазмы (от ne = 0.5 1019 m 3 до ne = 3 1019 m 3 ), и мощно­ стей нагрева от 100 кВт до 500 кВт .

2) Измерения электронной температуры по излучению в мягком рентгеновском диапазоне носят хордовый характер. Это приводит к занижению измеряемой темпера­ туры. Обнаружено, что с введением в строй нового гиротронного комплекса, в услови­ ях мощного ЭЦР нагрева при провальном профиле концентрации плазмы занижение измеренной по спектру электронной температуры может превышать ранее определен­ ные 10% и достигать 15% .

3) В режимах с ЭЦР нагревом плазмы в стеллараторе Л-2М при высоких значени­ ях параметра =1019(P/ne), (здесь P–мощность ЭЦР нагрева в кВт, ne – средняя по хорде плотность (м-3)), распределение электронов по энергиям отклоняется от максвелловско­ го. Разработанная методика, позволяет определить немаксвелловскую функцию рас­ пределения электронов из измеренного спектра мягкого рентгеновского излучения .

4) С введением процедуры боронизации существенно изменился состав плазм: ис­ чезли ионы тяжелых элементов, и значения эффективного заряда плазмы оказались ин­ тервале от 1.5 до 3. До введения процедуры боронизации эти значения менялись в пре­ делах от 3 до 6.5. В условиях мощного ЭЦР нагрева с увеличением концентрации плаз­ мы значение эффективного заряда плазмы не изменяется .

5) Наблюдения эволюции фактора превышения показали, что значение этой ве­ личины практически не изменяется в течение импульса во всех рассмотренных режи­ мах. Из этого сделан вывод, что во время импульса в центре плазменного шнура значи­ тельной аккумуляции примесей не происходит. В основных режимах величина факто­ ра превышения не превосходит значения 20 .

6) В условиях мощного центрального ЭЦР нагрева (PECRH = 500 кВт, при этом среднее значение параметра 0.3%), измерен сдвиг магнитных поверхностей. Об­ наружено, что сдвиг слабо зависит от энергосодержания. Это возможно связано с пере­ стройкой, уплощением профиля газокинетического давления плазмы при увеличении энергосодержания. В экспериментах по измерению шафрановского сдвига на стеллара­ торе Л-2М при мощном центральном ЭЦР нагреве не был обнаружен эффект самосо­ гласования профиля газокинетического давления (т. е. нормированных профилей ГКД), который наблюдался в ряде токамаков .

Достоверность научных результатов Достоверность полученных в ходе исследований результатов обеспечена много­ кратным повторением измерений, сопоставлением данных измерений, выполненных различными диагностическими средствами, результатов численного моделирования .

Апробация работы Диссертация выполнена в отделе физики плазмы Института общей физики им. А .

М. Прохорова РАН. Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на семинарах ИОФ РАН, а также на международных и всероссийских конференциях по физике плазмы: XXXII–XL Международные конференции по физике плазмы и УТС (Звенигород, 2005–2013 гг.), XI–XIV Всероссийские конференции «Диагностика высокотемпературной плазмы» (2005–2011 г. г.), 20 и 17 Международ­ ные конференции по физике плазмы и УТС в Японии (Токи 2007 и 2010 гг.) Личное участие автора Все представленные в диссертации результаты получены автором лично либо при его активном участии. Автор участвовал во всех этапах проведения эксперимента: на­ стройке диагностического комплекса, получении экспериментальных данных, после­ дующем анализе и интерпретации результатов. Автором предложен алгоритм измере­ ния эволюции фактора превышения с помощью многохордовой диагностики «Диарен» .

Все работы, опубликованные в соавторстве, были выполнены при личном уча­ стии автора .

Объем и структура работы Диссертация состоит из введения, семи глав основного текста, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 147 страниц текста, в том числе: 2 табли­ цы, 51 рисунок и список литературы, состоящий из 92 наименований .

II. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведен краткий обзор истории создания экспериментальной установки и диагностического комплекса мягкого рентгеновского излучения .

Рассмотрены основные принципы диагностирования по излучению в мягкой рентгеновской области, преимущества и недостатки диагностики. Кратко описаны устройство и принцип работы приборов входящих в диагностический комплекс. В общих чертах представлены экспериментальные задачи, которые решаются диагностическим комплексом МРИ .

В первой главе приводится сравнительное описание тороидальных магнитных систем двух типов – стеллараторов и токамаков – и достигнутый на этих установках в последние годы прогресс. Далее, в параграфе 1 .

2 дается описание экспериментальной установки стелларатор «Ливень-2М». Это классический стелларатор, большой радиус рабочей камеры – 1000 мм, малый радиус – 175 мм, винтовая обмотка имеет две пары заходов. Соленоид продольного поля образован 28 катушками, укрепленными между 4 дюралевыми кольцами. Помимо основных обмоток – соленоида продольного поля и винтовой обмотки –- стелларатор снабжен еще двумя группами вспомогательных обмоток. Они служат для создания вертикальной, перпендикулярной к экваториальной плоскости тора компоненты магнитного поля B. Питание установки осуществляется от конденсаторной батареи. При разряде конденсаторной батареи в цепи возникает синусоидальный ток, в камере создается магнитное поле, которое пропорционально току. Продольное магнитное поле создается тороидальными катушками, последовательно к секциям тороидальных катушек включена в цепь винтовая обмотка .

Установка может работать как в омическом режиме нагрева, так и в электронном циклотронном резонансном режиме. Основным рабочим режимом является электронно-циклотроннный. В параграфе 1.3 представлены основные направления исследований на Л-2М и достигнутые параметры плазмы .

Во второй главе подробно описан диагностический крмплекс мягкого рентгеновского излучения, который включает спектрометр МРИ KEVEX, и многохордовую диагностику МРИ «Диарен». Также упоминается о диагностических комплексах стелларатора, детектирующих излучение в других диапазонах. Разобраны конструкции и принципы работы этих приборов. Показано размещение диагностики МРИ на стеллараторе (рис.1) Рис. 1 Схема размещения диагностического комплекса мягкого рентгеновского излучения на стеллараторе Л-2М. Цифрами обозначены: 1 – спектрометр мягкого рентгеновского излуче­ ния KEVEX, 2 – детектор спектрометра, 3 – линейка диафрагм, 4 – поперечное сечение ка­ меры стелларатора, 5 – линейка детекторов прибора «Диарен», 6 – поперечное сечение плаз­ менного шнура, 7 – механизм перемещения линейки диафрагм, 8 – механизм перемещения набора фольг .

Существенным для приборов, входящих в диагностический комплекс МРИ яв­ ляется их способность взаимно дополнять друг друга. Это, в свою очередь, обеспечи­ вает необходимую достоверность и оперативный простор измерений .

В третьей главе в параграфе 3.1 перечислены параметры эксперимента при основном режиме работы стелларатора – режиме ЭЦР нагрева. В этом режиме созда­ ние и нагрев плазмы осуществляется с использованием 75 ГГц гиротронов, необыкно­ венной волной на второй гармонике гирочастоты. Эксперименты проводятся в основ­ ной конфигурации магнитного поля, при мощности ЭЦР нагрева от 100 до 600 кВт, при этом концентрация частиц меняется в пределах от ne 0.5 1019 m 3 до ne 3 1019 m 3 .

В параграфе 3.2 рассмотрены измерения электронной температуры центра плаз­ менного шнура по спектру МРИ. При фиксированной плотности с ростом мощности электронная температура растет, а пространственный профиль электронной температу­ ры уплощается. На рис. 2 представлены профили электронной температуры плазмы, которые это демонстрируют. Профиль, изображенный на рис. 2 а) был измерен при мощности нагрева 180 кВт и концентрации частиц 1.6 1013 см-3, следующий про­ филь (рис. 2 б)) измерялся при мощности 300 кВт и концентрации 1.3 1013 см-3 .

–  –  –

Рис. 2 Профили электронной температуры, измеренные в двух экспериментах: а) ne1,610cm-3 и мощностью нагрева P180 кВт, б) ne1,310-13cm-3 и мощностью нагрева P300 кВт Измерения по спектру МРИ носят хордовый характер. Методами компьютерного моделирования показано, что в условиях мощного ЭЦР нагрева, при «провальном»

профиле концентрации плазмы, искажения вносимые в измерения электронной темпе­ ратуры краем плазменного шнура затрагивают значительную часть измеренного спек­ тра. Обнаружено, что в условиях мощного ЭЦР нагрева при «провальном» профиле концентрации плазмы занижение измеренной по спектру электронной температуры может превышать ранее установленные (для не «провального» профиля концентрации) 10% [9] и достигать 15%. В параграфе 3.3 анализируются измерения профиля элек­ тронной температуры методом фольг. Эти измерения также носят хордовый характер .

Методами компьютерного моделирования показано, что эти измерения также подвер­ жены искажениям, вносимым краем плазменного шнура .

Таким образом, проведенный анализ показал, что искажения электронной темпе­ ратуры, измеренной по излучению в рентгеновской области, в зависимости от профиля концентрации плазмы лежат в пределах от 5 до 15% .

В четвертой главе по спектру МРИ исследуется функция энергетического рас­ пределения электронов вид которой a priori не максвелловский. Эксперименты, прове­ денные на Л-2М, обнаружили, что рост удельного энерговклада может приводить к от­ клонению функции распределения от максвелловской и появлению группы высоко­ энергичных – надтепловых электронов. В параграфе 4.1 дается постановка задачи, при­ водятся результаты похожих экспериментов, проведенных на стеллараторе LHD .

С целью сравнения экспериментов по ЭЦР нагреву оказывается удобным пользо­ ваться параметром - =1019(P/ne), здесь P – мощность ЭЦР нагрева в кВт, а ne – средняя по хорде плотность плазмы (м-3). Поскольку эта величина пропорциональна мощности нагрева, приходящейся на частицу, удается сравнивать эксперименты, проведенные на установках, отличающихся по размеру. Так, на стеллараторе Л-2М было обнаружено, что при 200 кВт/м-3 наступает существенное изменение спектров электронного цик­ лотронного излучения, что указывает на появление группы высокоэнергичных элек­ тронов[10], [11]. Было также установлено, что зависимость Te=f(), где Te – централь­ ная электронная температура плазменного шнура, имеет характерный излом при 300 кВт/м-3, этот излом можно объяснить как завышение электронной температуры, вы­ званное отклонением функции распределения электронов по скоростям от макс­ велловской [11] .

Далее, в параграфе 4 .

2 описываются условия проведения эксперимента, отмечает­ ся, что эксперименты в этом направлении проводились для водородной плазмы, в условиях, когда стенки рабочей камеры подвергались боронизации. Эта технология подготовки стенок позволила существенно понизить концентрацию ионов примеси в водородной плазме, избавиться от неконтролируемого роста концентрации плазмы в течение импульса ЭЦР-нагрева. В итоге, все это позволило существенно повысить мощность нагрева, избежав при этом радиационного коллапса и осуществить ЭЦР на­ грев при неизменной во времени низкой плотности плазмы, достигнув, таким образом, достаточно высокого значения мощности нагрева приходящейся на частицу .

–  –  –

где ni – концентрация ионов сорта I, f e - электронная функция распределения по энер­ гиям, Zi – заряд ядра т. к. экранированием электронных оболочек в измеряемом диапа­ зоне энергий частиц можно пренебречь, - константа, определяемая выбранной си­ стемой единиц. В случае отклонения энергетической функции распределения от макс­ велловской, после дифференцирования формулы (2) имеем dI ( E ) / dE = Af e ( E ) / E (2) .

Отсюда получаем выражение для функции энергетического распределения:

f e = ( E / A)dI ( E ) / dE (3) .

Таким образом, соотношение (3) дает возможность определить вид функции рас­ пределения по измеренным спектрам мягкого рентгеновского излучения. Это было сделано. Из спектра МРИ была восстановлена немаксвелловская функция энергетиче­ ского распределения электронов. Для измерения спектров использовался спектрометр МРИ KEVEX. В параграфе 4.4 представлены результаты исследования функции энер­ гетического распределения электронов по спектру МРИ. На рис. 3 представлен вид восстановленной немаксвелловской функции энергетического распределения электро­ нов .

–  –  –

Рис. 3 Восстановленная немаксвелловская функция энергетического распределения электронов .

В ходе исследования было установлено, что в режимах с ЭЦР нагревом плазмы в стеллараторе Л-2М при высоких значениях параметра, пропорционального мощно­ сти приходящейся на частицу (300 кВт/м-3), распределение электронов по энергиям отклоняется от максвелловского, причем отклонение затрагивает и тепловую часть функции распределения и т. о. охватывает весь спектр. В этих условиях оказывается невозможным определить электронную температуру плазмы .

Разработана методика, позволяющая определить немаксвелловскую функцию распределения электронов из измеренного спектра мягкого рентгеновского излучения .

В пятой главе приводятся измерения эффективного заряда плазмы Zeff при оми­ ческом режиме нагрева. На стеллараторе Л-2М ранее проводились такого рода измере­ ния. Но с внедрением в практику экспериментов на Л-2М процедуры боронизации ра­ бочей камеры, из спектральных измерений в ультрафиолетовом и видимом диапазонах было установлено, что состав примесей довольно сильно изменился. Пренебрежимо малым стало влияние тяжелых примесей–железа, никеля и хрома и на этом фоне оказа­ лось необходимым учитывать влияние более легких примесей. В параграфе 5.2 приве­ дена методика вычисления Zeff из измерения сопротивления плазменного шнура. В па­ раграфе 5.3 даны сведения о погрешности измерения. В параграфе 5.4 исследовано влияние убегающих электронов на проводимость плазмы в стеллараторе и как след­ ствие на измеренное значение Zeff. В параграфе 5.5 описываются вычисления Zeff по спектру МРИ (используется модель, в рамках которой доминирует единственная при­ месь–бор) и проводится сравнение полученных значений Zeff со значениями, получен­ ными из измерений сопротивления плазменного шнура .

Проведенные исследования показали, что с введением процедуры боронизации существенно изменился состав плазмы–исчезли ионы тяжелых элементов. До введения процедуры боронизации измерения эффективного заряда плазмы, проведенные по электропроводности, давали значения от 3 до 6.5. С введением процедуры борониза­ ции значения эффективного заряда плазмы, измеренные этим же методом, лежат в ин­ тервале от 1.5 до 3. Было также установлено, что с увеличением концентрации плазмы значение эффективного заряда плазмы не изменяется .

Сравнение значений эффективного заряда, вычисленных по спектру мягкого рентгеновского излучения и по электропроводности, показывает, что в случае, когда фактор превышения не превосходит 20, оба метода хорошо согласуются. И тогда име­ ется возможность вычислять эту величину, и при электронном циклотронном режиме нагрева плазмы. В импульсах, когда фактор превышения превосходит значение 20, до­ пущение о доминировании одной примеси: бора, не работает, и вышеизложенный ме­ тод требует более сложного анализа .

Шестая глава посвящена исследованию процесса аккумуляции ионов примесей в плазменном шнуре, в широком диапазоне концентраций и мощностей нагрева. Для этого в ходе экспериментов, с помощью многохордовой диагностики МРИ «Диарен»

наблюдалась эволюция фактора превышения (см. (4). В параграфе 6.1 дан краткий об­ зор подобных исследований, проведенных на различных установках. В параграфе 6.2 представлен алгоритм расчета величины по излучению в мягком рентгеновском диапазоне. В основе алгоритма лежит тот факт, что прибор «Диарен» в каждый момент времени в течение импульса, детектируя излучение, формирует сигнал напряжения ue, который пропорционален, полученной в эксперименте мощности рентгеновского излу­ чения. Значение этого сигнала сравнивалось со значением сигнала, которое соответ­ ствовало бы излучению чистой водородной плазмы uH, из соотношения сигналов опре­ делялся фактор превышения :

ue = (4) .

uH Для вычисления величины uH использовалась компьютерная программа, модели­ рующая рентгеновское излучение чистой водородной плазмы. Расчеты проводились для двух моментов времени – 55 мс м 60 мс, для центральной хорды, проходящей на расстоянии примерно 6 мм от центра плазменного шнура .

В итоге проведенные наблюдения эволюции фактора превышения показали, что значение этой величины практически не изменяется в течение импульса во всех рассмотренных режимах. Из этого следует, что во время импульса в центре плазменно­ го шнура значительной аккумуляции примесей не происходит .

Концентрация ионов примесей в плазменном шнуре, в определенной степени, за­ висит от качества боронизации стенок рабочей камеры. Для водородной плазмы в пер­ вые несколько рабочих дней после проведения боронизации качество защитного по­ крытия может улучшаться за счет выгорания примесей в течение импульсов. В основ­ ных режимах величина фактора превышения не превосходит значения 20 .

В седьмой главе представлены результаты экспериментального измерения шафрановского сдвига оси магнитных поверхностей. В параграфе 7.1 описаны подоб­ ные эксперименты, проведенные на некоторых установках .

В параграфе 7.2 изложена методика измерений. Измерения сдвига магнитной оси проводились с помощью диагностики мягкого рентгеновского излучения «Диарен». В каждый момент времени прибором регистрировалась мощность рентгеновского излу­ чения. Излучение принималось по 8-ми хордам, лежащим в плоскости поперечного се­ чения стелларатора, при этом крайние хорды пересекали экваториальную плоскость на расстоянии 94.5 см и 105 см от главной оси тора. Таким образом, в ходе эксперимента измерялся профиль интенсивности мягкого рентгеновского излучения. При ЭЦР режи­ ме нагрева плазмы поглощение СВЧ мощности происходит на второй гармонике элек­ тронного циклотронного резонанса и соответствует центральному нагреву плазменно­ го шнура, это дает возможность определить положение оси магнитных поверхностей по координате максимума, измеренного профиля интенсивности излучения .

В параграфе 7.3 представлены условия проведения эксперимента и полученные результаты. Эксперименты проводились при основном режиме работы стелларатора – при ЭЦР нагреве водородной плазмы, в условиях, когда стенки рабочей камеры под­ вергались боронизации. Нагрев производился гиротронным комплексом, который включал в себя два гиротрона мощностью 200 кВт и 400 кВт. Концентрация плазмы измерялась с помощью субмиллиметрового интерферометра Майкельсона. Средние по центральной хорде значения плотности плазмы менялись в пределах от nem = 1.5 1019 m 3 3 до nem = 3 10 m. Электронная температура центра плазменного шнура менялась в интервале от 0.7 кэВ до 0.8 кэВ. Энергосодержание плазмы меня­ лось от 300 Дж до 800 Дж и среднее значение соответственно лежало в преде­ лах от 0.1% до 0.3% .

В результате измерений было обнаружено, что сдвиг оси магнитных поверхно­ стей, вопреки теории, слабо зависит от энергосодержания, что по видимому связано с перестройкой, уплощением профиля газокинетического давления плазмы при увеличе­ нии энергосодержания. В экспериментах по измерению шафрановского сдвига на стеллараторе Л-2М, в условиях мощного центрального ЭЦР нагрева не был обнаружен эффект самосогласования профиля газокинетического давления, который наблюдался в ряде токамаков .

Основные результаты и выводы 1 Установлено, что электронная температура падает с ростом концентрации ча­ сти. При фиксированной плотности частиц с увеличением мощности центрального ЭЦР нагрева электронная температура растет, при этом уплощается пространственный профиль температуры. .

2. Установлено, что при мощном ЭЦР нагреве хордовый характер измерений электронной температуры приводит к занижению измеренной температуры, причем за­ нижение может превосходить принятую ранее величину-10%, достигать 15% и в опре­ деленной степени определяется профилем концентрации плазмы .

3. Обнаружено, что при высоких значениях параметра (=1019(P/ne), здесь P – мощность ЭЦР нагрева в кВт, а ne – средняя по хорде плотность плазмы (м-3), вид функции энергетического распределения электронов отклоняется от максвелловского .

Отклонения затрагивают и тепловую часть функции распределения. С помощью диа­ гностики мягкого рентгеновского излучения была разработана методика определения функции энергетического распределения электронов, вид которой немаксвелловский .

4. Обнаружено, что с введением процедуры боронизации существенно изменился состав плазмы. Значения эффективного заряда плазмы лежат в интервале от 1.5 до 3 .

Тогда как, до введения боронизации эти значения лежали в интервале от 3 до 6.5 .

5. Установлено, что в условиях мощного ЭЦР нагрева, за время импульса величи­ на фактора превышения практически не изменяется во всех рассмотренных режимах .

Изменения происходят в приделах точности измерений, относительная погрешность измерений составляет ±60%. Таким образом, в плазменном шнуре не происходит за­ метного накапливания ионов .

6. Установлено, что при центральном ЭЦР нагреве шафрановский сдвиг оказы­ вается меньшим теоретически предсказанного. При центральном ЭЦР нагреве не на­ блюдалось самосогласование профиля газокинетического давления .

Публикации по теме диссертации

1. И.Ю. Вафин, А.И. Мещеряков. Определение электронной температуры плазмы ме­ тодом фольг в рентгеновском диапазоне при неоднородном распределении параметров по сечению плазменного шнура // Тезисы докладов XXXIII Международной (Звениго­ родской) конференции по физике плазмы и УТС. Г. Звенигород, 13-17 февраля 2006г .

М.: ЗАО НТЦ ПЛАЗМАИОФАН, 2006г. С.87 .

2. И.Ю. Вафин, А. И. Мещеряков. Особенности измерения электронной температуры плазмы в тороидальных ловушках по рентгеновскому излучению. // Тезисы докладов XL Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС. Г. Зве­ нигород, 11-15 февраля 2013г. М.: ЗАО НТЦ ПЛАЗМАИОФАН, 2013г. С. 37 .

3. Nikolay K. Kharchev, German M. Batanov, Mikhail S. Berezhetskii, Valentin D. Borzosekov, Oleg I. Fedyanin, Stanislav E. Grebenshchikov, Irina A. Grishina, Yuri V .

Kholnov, Leonid V. Kolik, Eugeny M. Konchekov, Lev M. Kovrizhnikh, Natalia F. Lariono­ va, Dmitriy V. Malakhov, Aleksey I. Meshcheryakov, Aleksandr E. Petrov, Eugeniy I .

Pleshkov, Karen A. Sarksyan, Sergey V. Shchepetov, Nina N. Skvortsova, Vladimir D .

Stepakhin, Ildar Yu. Vafin, Dmitriy G. Vasilkov and Genadiy S. Voronov. Recent ECRH Ex­ periments in the L-2M Stellarator with the Use of a New High-Power Gyrotron. Plasma and Fusion Research, Volume 6, 2402142 (2011)

4. Д.К. Акулина, И.Ю. Вафин, Г.А. Гладков, С.Е. Гребенщиков, А.И. Мещеряков. Об отклонении функции распределения электронов по скоростям от максвелловского при ЭЦР нагреве плазмы в стеллараторе Л-2М в режимах с высокими удельными энергов­ кладами // Физика плазмы, 2006. Т. 32, №2, С. 122 .

5. И.Ю.Вафин, С.Е.Гребенщиков, А.И.Мещеряков Ю.И.Нечаев, О процедуре восста­ новления функции энергетического распределения электронов из спектра мягкого рентгеновского излучения.// Физика плазмы, 2008 т 34, №12, стр. 1098-1103

6. И.Ю.Вафин, С.Е.Гребенщиков, А.И.Мещеряков, Измерение эффективного заряда плазмы стелларатора Л-2М в режиме омического нагрева после боронизации стенок вакуумной камеры// Тезисы докладов XIII Всероссийской конференции « Диагностика высокотемпературной плазмы». Г. Звенигород, 8-13 июня 2009г. М ФГУП «ГНЦ РФ ТРИНИТИ», 2009г, С. 88

7. И.Ю. Вафин, И. И. Мещеряков, А. А. Летунов, В. П. Логвиненко, Е. В. Воронова .

Измерение радиального распределения фактора превышения в режимах с ЭЦР нагре­ вом плазмы в стеллараторе Л-2М // Тезисы докладов XXXIX Международной (Звени­ городской) конференции по физике плазмы и УТС. Г. Звенигород, 6-10 февраля 2012г .

М.: ЗАО НТЦ ПЛАЗМАИОФАН, 2012г. С. 87 .

8. И.Ю. Вафин, С. Е. Гребенщиков, А. И. Мещеряков. Шафрановский сдвиг магитных поверхностей в стеллараторе Л-2М в условиях высокого удельного энерговклада. // Те­ зисы докладов XXXVIII Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС. Г. Звенигород, 14-18 февраля 2011г. М.: ЗАО НТЦ ПЛАЗМАИОФАН, 2011г. С. 81 .

9. И.Ю. Вафин, С. Е. Гребенщиков А. И. Мещеряков. Экспериментальное наблюдение Шафрановского сдвига магнитных поверхностей в стелараторе Л-2М в условиях высо­ кого удельного энерговклада ЭЦР нагрева// Тезисы докладов XIV Всероссийской кон­ ференции «Диагностика высокотемпературной плазмы». Г. Звенигород, 5-10 июня 2011г. М ФГУП «ГНЦ РФ ТРИНИТИ», 2011г .

Список использованной литературы [1] A. J. H. Donn’e, A. E. Costley, R. Barnsley, H. Bindslev, R. Boivin, G. Conway, R. Fish­ er, R. Gianella, H. Hartfus, M. G. von Hellerman, E. Hodgson, L. C. Ingesson, K. Itami, D .

Johnson, Y. Kawano, T. Kondoh, A. Krasilnikov, Y. Kusama, A. Litnovsky, P. Lotte, P .

Nielsen, T. Nishitani, F. Orsitto, B. J. Peterson, G. Razdobarin, J. Sanches, M. Sasao, T. Sug­ ie. G. Vayakis, V. Voitsenya, K. Vukolov, C. Walker, K. Young. The Progress in ITER Physics Basis. Chapter 7: Diagnostics. Nucl. Fusion 47 (2007) S337 – S384 .

[2] Интернет-источник, сайт National Institute for Fusion Science www.lhd.nifs.ac.jp [3] А. А. Летунов, Е. В. Воронова, С. Е. Гребенщиков, В. П. Логвиненко. Немонотон­ ные распределения плотности электронов плазмы стелларатора Л-2М при высоких мощностях ЭЦР-нагрева. // тезисы докладов XXXIX международной Звенигородской конференция по физике плазмы и УТС, 2012, стр. 93 [4] D. K. Akulina, E. D. Andryukhina, M. S. Berezhetskij, S. E. Grebenshchikov, I. S .

Danilkin, B. I. Kornev, O. I. Fedyanin, I. S. Sbitnikova, Yu. V. Khol’nov, I. S. Shpigel Current Equilibrium and Effective Ion Charge in L-2 Stellarator Plasma. Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion Research IAEA.// Vienna, Vol. 2, p. 287-302 (1979) IAEA [5] S. Muto, S. Morita, S. Kubo, T. Shimozumo, H. Idei, and Y. Yoshimura. First Measurement of Hard X-Ray Spectrum Emitted from High-Energy Electrons in ElectronCyclotron Heated Plasma of LHD.// Review of Scientific Instruments V.74, №3, p.1993, 2003 .

[6] В. Д. Шафранов. Равновесие тороидального плазменного шнура в магнитном поле.// Атомная энергия. Декабрь 1962 г, том 13, выпуск 6, стр. 521 – 529 [7] Y. Liang, K. Ida, K. Y. Watanabe, S. Sakakibara, M. Yokoyama, H. Yamada, A. Komori, K. Narihra, K. Tanaka, T. Tokuzava, Y. Nagayama, Y. Nakamura, N. Ohyabu, K. Kawahata, S. Sudo. Measurement of Shafranov Shift with Soft X-ray CCd Camera on Large Helical Device.// Plasma Phys. Control. Fusion 44 (2002) p. 1383–1392 [8] H. Yamada, K. Ida, H. Iguchi. Shafranov Shift in the Low Aspect Ratio Heliotron/Torsatron Compact Helical System.// Nuclear Fusion, Vol. 32, N 1, (1992), p. 25 – 32 .

[9] S. Sesnic, M. Diesso, K. Hill, A. Holland. Profile Correction to Electron Temperature and Enhancement Factor in Soft-X-Ray Pulse-Height-Analysis Measurements in Tokamaks.// Rev. Sci. Instrum. 59, 1810 (1988), issue 8 [10] D. K. Akulina., G. M. Batanov, M. S. Berezhetskiy, G. S. Voronov, G. A. Gladkov, S .

E. Grebenshchikov, I. S. Danilkin, N. P. Donskaya. L. V. Kolik, N. F. Larionova, A. I .

Meshcheryakov, K. A. Sarksyan, O. I. Fedyanin, N. K. Kharchev, Yu. V. Khol’nov, S. V .

Shchepetov // Proc. 12th Joint Workshop on Electron Cyclotron Emision and Electron Cyclotron Heating.// Aix-en Provence, France, 2002. Singapore: World Scientific Publishing Co., 2003. P. 413 [11] Д. К. Акулина, Г. М. Батанов, М. С. Бережецкий, Г. С. Воронов, Г. А. Гладков, С .

Е. Гребенщиков, И. С. Данилкин, Н. Ф. Ларионова, А. И. Мещеряков, К. А. Сарксян, О .

И. Федянин, Н. К. Харчев, Ю. В. Хольнов, С. В. Щепетов. Влияние плотности плазмы и мощности нагрева на интенсивность электронно-циклотронного излучения в стелла­ раторе Л-2М.// Физика плазмы. 2003. Т. 29, с. 1108 .

[12] Brussard P.J., van de Hulst H. C. Approximation Formula for Nonrelativistic Bremsstralung and Average Gaunt Factors for a Maxwellian Electron Gas.// Rev. Modern Phys. 1975V. 34, N. 3, P. 507



Похожие работы:

«Шестой Международный Уральский Семинар РАДИАЦИОННАЯ ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ Тезисы докладов 20 – 26 февраля February 20 – 26 The Sixth International Ural Seminar RADIATION DAMAGE PHYSICS OF METALS AND ALLOYS Abstracts Снежинск Snezhinsk Россия Russia Организационный комитет Гощицкий Б.Н., ИФМ УрО РАН, Ека...»

«2. УКАЗАНИЯ К РЕШЕНИЮ 9 класс 1. Вспомните, что такое гидрид металла. И повторите тему "Термохимические расчеты".2. Обратите внимание, что в условии данной задачи нет слов ".Все указанные соединения содержат общий элемент".3. На основании...»

«УДК 537.8 DOI: 10.17277/vestnik.2016.03.pp.456-462 ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА НАЛИЧИЯ ДЕФЕКТОВ В ПРОВОДНИКАХ В. М. Иванов1, А. В. Лановая2, Н. П. Моторина1, Е. О. Федосова1, С . Фофана1 Кафедры: "Электроэнергетика" (1); "Высшая математика" (2), ФГБОУ ВО "ТГТУ", г. Тамбов, Р...»

«ПРОРЫВ В КОСМОС Профессор М.И. ПАНАСЮК, директор Научно-исследовательского института ядерной физики имени Д. В. Скобельцына Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова Исследования космоса после запусков первых искусственных спутников Земли позво...»

«Лекция 4. Автор: Сергей Евгеньевич Муравьев кандидат физико-математических наук, доцент кафедры теоретической ядерной физики НИЯУ МИФИ Основное отличие жидкостей от твердых тел заключается в...»

«Задачный тур (Автор задач 1-4 – В.В.Еремин, задачи 5 – А.А.Дроздов) Химия 1. Нанокристалл селенида вольфрама имеет массу 2.8410–18 г и содержит 53.8% вольфрама Простые задачи по массе. Сколько всего атомов входит в состав нанокристалла? (8 баллов) Решение: 1 способ:Найдем брутто-формулу селенида вольфрама: (W) : (Se) = (53....»

«МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ, АСПИРАНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ ПО ФУНДАМЕНТАЛЬНЫМ НАУКАМ “ЛОМОНОСОВ-2013” СЕКЦИЯ “ФИЗИКА” Сборник тезисов Том 1 ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ МГУ МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОСС...»

«Успенский Б.В., Посохов Е.А., Питак Я.Н., Цыганков А.В. Органические соединения в технологии силикатов. Учебное пособие по спецкурсу 1. Введение В настоящее время наиболее эффективные результаты получены на стыке наук и химическая технология не является исключением из общего правила. Например, различные добавки органическ...»

















 
2018 www.new.z-pdf.ru - «Библиотека бесплатных материалов - онлайн ресурсы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 2-3 рабочих дней удалим его.