Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМ. В.Н. КАРАЗІНА

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

РОЗВИТОК МЕТОДІВ ЗОНДУВАННЯ ПЛАЗМИ ПУЧКОМ ВАЖКИХ ІОНІВ І ЙОГО РЕАЛІЗАЦІЯ НА СТЕЛАРАТОРІ TJ-II

Древаль Микола Борисович

01.04.08 - фізика плазми

Харків - 2005

Анотація

Древаль Н.Б. Розвиток методів зондування плазми пучком важких іонів і його реалізація на стелараторі TJ-II. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за фахом 01.04.08 - фізика плазми. - Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна, Харків, 2005.

Дисертація присвячена дослідженню шляхів удосконалювання методики зондування плазми пучком важких іонів (ЗППВІ) і її реалізації на геліаці TJ-II, а також вивченню профілів електричного полю плазми.

Розглянуто особливості оптимізації геометрії і вибір параметрів комплексу ЗППВІ в умовах значного відхилення зондувального пучка від площини інжекції під впливом магнітних полів TJ-II. Проведено експериментальну перевірку розрахунків розташування області ЗППВІ вимірювань.

Ключові слова: ЗППВІ діагностика, електричний потенціал плазми, електричне поле плазми, утримання плазми, стеларатор TJ-II.

Аннотация

Древаль Н.Б. Развитие метода зондирования плазмы пучком тяжелых ионов и его реализация на стеллараторе TJ-II. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.08 - физика плазмы. - Харьковский национальный университет им. В.Н. Каразина, Харьков, 2005.

Диссертация посвящена исследованию путей совершенствования методики зондирования плазмы пучком тяжелых ионов (ЗППТИ) и её реализации на гелиаке TJ-II, а также изучению профилей электрического поля плазмы.

Рассмотрены особенности оптимизации геометрии и выбор параметров комплекса ЗППТИ в условиях сильного отклонения зондирующего пучка от плоскости инжекции под влиянием магнитных полей TJ-II. Путём численного моделирования выбраны оптимальное размещение диагностического комплекса на стеллараторе TJ-II и необходимые параметры диагностического комплекса, что позволило получить детекторную линию, проходящую через все сечение плазмы. Проведена экспериментальная проверка расчётов расположения области ЗППТИ измерений.

Изучены факторы, влияющие на точность измерений потенциала. С целью повышения точности измерений модифицирован диагностический комплекс. Предложена и реализована методика измерений потенциала и плотности плазмы с учётом газовой калибровки, производимой в интервале между временем полного развала плазмы и началом изменения магнитных полей стелларатора. Сравнения предложенной методики со стандартной показывает, что существенно повышается относительная точность измерения радиального профиля потенциала.

Измерены временное поведение и радиальные распределения потенциала плазмы, электронной плотности и их флуктуаций в различных режимах работы и при различных сценариях разряда стелларатора TJ-II. Показано, что электрический потенциал плазмы уменьшается с ростом плотности плазмы и существенно зависит от мощности ЭЦР нагрева плазмы в ловушке.

Показано, что изменение электрического поля в гелиаке TJ-II под влиянием принудительного задания отрицательного потенциала улучшает удержание частиц плазмы и энергии в 2-4 раза и уменьшает уровень турбулентного переноса. За 20_100 мкс изменяется потенциал всего плазменного шнура на величину принудительно заданного напряжения, за период 1-5 мс происходит модификация условий разряда стеларатора, в частности рост электронной плотности.

Ключевые слова: ЗППТИ диагностика, электрический потенциал плазмы, электрическое поле плазмы, удержание плазмы, стелларатор TJ-II.

Dreval N.B. Development of heavy ion beam probe method of plasma diagnostic and its implementation on the stellarator TJ-II. - Manuscript.

Thesis for the scientific degree of candidate of science in physics and mathematics by speciality 01.04.08 - plasma physics. - Karazin Kharkiv National University, Kharkiv, 2005.

Thesis is devoted to the investigation and improvement of the Heavy Ion Beam Probe (HIBP) plasma diagnostic, its implementation in TJ-II heliac and investigations of the plasma electric field distributions.

The features of geometry optimization and HIBP device parameters selection in conditions of strong deviation of the probing beam from the injection plane under influencing of TJ-II magnetic fields were reviewed. Calculations of HIBP measurement area location identification were experimental verified.

The factors that influence on the accuracy of potential measurements were studied. With the purpose of increasing the measurements accuracy the diagnostic device was improved and special experimental technique of HIBP measurements was offered.

The behavior of plasma electric potential and electron density in the TJ-II stellarator was studied. The influence of limiter biasing on the electric field and electron density in the TJ_II plasma column as well as TJ-II confinement properties were investigated.

Keywords: HIBP diagnostic, plasma potential, plasma electric field, plasma confinement, stellarator TJ-II.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Підвищення ефективності утримання плазми у тороїдальних магнітних пастках (стеларатори, токамаки) і вивчення різноманітних режимів поліпшеного утримання є основним напрямком термоядерних досліджень останнього десятиліття. Виявлені режими поліпшеного утримання, наприклад Н-режим, прямо зв'язані з розподілом електричного поля у термоядерній магнітній пастці. Відповідно до сучасних уявлень, електричне поле розглядається як важливий фактор у фізиці утримання плазми та аномального переносу, отже, експериментальні дослідження поведінки електричного поля у термоядерних установках на даний момент мають високий пріоритет.

Для вивчення розподілу електричного поля необхідна діагностика з високими просторовою і часовою роздільними здатностями та з високою точністю вимірювання. Метод зондування плазми за допомогою пучка важких іонів (МЗППВІ) відповідає даним вимогам. Достоїнством методу є локальність проведених вимірювань, однак його реалізація досить складна і точність вимірювання залежить від багатьох факторів. Облік впливу цих факторів дозволяє істотно підвищити точність вимірювання розподілів електричного поля у плазмі тороїдальних магнітних пасток.

Для вивчення просторової структури електричного потенціалу необхідно забезпечити можливість ЗППВІ вимірювання в основній частині полоїдального перерізу магнітної пастки. В умовах сильного відхилення траєкторій зондувальних пучків від площини інжекції під впливом полоїдальної компоненти магнітного поля стеларатора TJ-II, область перерізу плазми, де можливо ЗППВІ вимірювання обмежена, і її розмір сильно залежить від параметрів діагностичного комплексу. Для збільшення розміру цієї області необхідна оптимізація параметрів діагностики шляхом числових розрахунків.

Експерименти по примусовому введенню у плазму електричного поля дозволяють безпосередньо вивчати механізми його впливу на утримання плазми. Вимірювання радіального профілю потенціалу методом ЗППВІ у експериментах з завданням електричного поля периферії плазмового шнура стеларатора-геліака TJ-II дозволяє встановити зв'язок між електричним полем і характером утримання плазми.

Таким чином, розробка діагностики електричних полів у плазмі замкнених магнітних пасток методом МЗПВІ і безпосереднє вивчення профілів потенціалу та їх ролі в процесах покращення утримання плазми у цих магнітних пастках є актуальною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційну роботу виконано в Інституті Фізики Плазми Національного Наукового Центру “Харківський Фізико-Технічний Інститут” у рамках тематичного плану інституту з фізики плазми та КТС, що виконувався у рамках програми АНТ-2001-2005 (реєстраційній номер № 080901UP0009 від 08.10.2001) та міжнародного співробітництва з інститутом CIEMAT (Мадрид, Іспанія) контракти:

Діагностика плазми пучком важких іонів для стеларатора ТJ-II (№ 089/96, 1.01.1996-1.01.2000). Джерело живлення аналізатора енергії для діагностики пучком важких іонів на ТJ-II (1.10.1997-1.10.1998). Розробка, виготовлення й експлуатація систем заглушення жорсткого рентгенівського випромінювання (1.03.2000-1.03.2001). Модернізація і технічне обслуговування системи діагностики плазми пучком важких іонів на стелараторі ТJ-ІІ, розробка і виготовлення нового екранованого детектора для аналізатора (16.07.2001-16.07.2002.). Модернізація і технічне обслуговування системи діагностики зондуванням пучком важких іонів (ЗППВІ) для стеларатора TJ-II. Реконструкція детектора вторинних частинок на детектор із двома щілинами (01.09.2003-31.08.2004). Гранти INTAS-01-0593, INTAS 2001-2056.

Мета і задачі досліджень. Мета дисертації полягає у підвищенні вірогідності методів зондування плазми пучком важких іонів та у вимірюванні профілю потенціалу плазми стеларатора TJ-II в експериментах з примусовим введенням у плазму електричного поля. Для досягнення цієї мети в дисертації поставлені такі задачі:

1) Дослідження характеристик електростатичного аналізатора енергії стосовно до МЗППВІ діагностики. Розробка конструкції детекторного вузла аналізатора, що підвищує точність його вимірювань. Розгляд різних методів експериментальної верифікації розрахунків. Розробка і застосування методики обробки експериментальних даних ЗППВІ діагностики на стелараторі TJ-II.

2) Розрахунок геометрії діагностичного комплексу зондування пучком важких іонів і оптимізація його параметрів для стеларатора TJ-II (CIEMAT, Іспанія). Розрахунок конфігурації детекторних сіток діагностики для різних режимів роботи стеларатора і розподілів напруг на відхиляючих пластинах комплексу ЗППВІ, необхідних для вимірювання у кожній області детекторної сітки.

3) Вимірювання величини і профілю потенціалу, профілю електронної густини плазми у стелараторі TJ-II в експериментах із зовнішнім завданням електричного поля на периферії плазми шляхом додатка різниці потенціалу зовнішнього джерела між двома різними діафрагмами тороїдальної магнітної пастки (“limiter biasing”). Аналіз впливу зовнішнього завдання потенціалу плазми на поведінку характеристик плазми, що утримується у геліаці TJ-II.

Об'єкт дослідження - Метод зондування плазми пучком важких іонів (МЗППВІ). Діагностичний комплекс ЗППВІ стеларатора TJ-II. Плазма стеларатора TJ-II.

Предмет дослідження - Просторове розрізнення методу ЗППВІ, розмір області плазми тороїдальної магнітної пастки, в якій можливі вимірювання за допомогою МЗППВІ (детекторної сітки) в залежності від конфігурації діагностичного комплексу. Детекторні сітки для різних режимів роботи стеларатора TJ-II і засоби експериментальної перевірки розрахунків, що визначають форму детекторних сіток. Точність електростатичного аналізатора енергії зондуючого пучка. Електричний потенціал і електронна густина плазми стеларатора TJ-II при примусовому завданні потенціалу плазми стеларатора (“limiter biasing”).

Методи дослідження - Дослідження характеристик електростатичного аналізатора енергії проводилося за допомогою пучка іонів заданої енергії методами калібрування на стендовій установці, а також газового калібрування безпосередньо на стелараторі TJ-II. Вибір та оптимізація параметрів діагностичного комплексу ЗППВІ проводилася за допомогою численних розрахунків магнітних полів, траєкторій первинних та вторинних діагностичних пучків. Перевірка точності розрахунків проводилася за допомогою спеціально розроблених експериментів, описаних у дисертації. Вимірювання потенціалу плазми, електронної густини і їх флуктуацій проводилося за допомогою створеного діагностичного комплексу методом ЗППВІ.

Наукова новизна отриманих результатів.

1) Створена програма тривимірного комп'ютерного моделювання проходження діагностичного пучка крізь плазму, яка утримується у магнітному полі складної конфігурації стеларатора TJ-II, що дозволяє знайти розташування області виміру за допомогою зондування плазми пучком важких іонів (ЗППВІ). На базі цієї програми обрано оптимальне розміщення діагностичного комплексу на стелараторі TJ-II і оптимізовано його параметри.

2) Проведено ряд експериментів з удосконалення електростатичного аналізатора енергії. Уперше запропонована, розрахована і створена конструкція детекторного блоку аналізатора, що дозволяє підвищити точність ЗППВІ вимірювань шляхом заглушення емісії з колекторних пластин.

3) Створено і введено в експлуатацію діагностичний комплекс ЗППВІ на стелараторі TJ-II, системи керування комплексом і системи збору експериментальних даних.

4) Розроблено і поставлено ряд експериментів з перевірки програми відтворення локалізації і розміру області виміру ЗППВІ діагностики (просторового розрізнення ЗППВІ).

5) Запропоновано і реалізовано методику вимірювання потенціалу і густини плазми з урахуванням газового калібрування, що проводиться в інтервалі між руйнуванням плазми і початком зміни магнітних полів стеларатора. Це дозволило підвищити точність ЗППВІ вимірювання. Створено програму обробки експериментальних даних з урахуванням газового калібрування.

6) Виміряні радіальні розподіли потенціалу плазми, електронної густини, і їх флуктуацій, а також їх часова поведінка в різних режимах роботи та при різних сценаріях розряду стеларатора TJ-II, зокрема у “limiter biasing” експерименті.

7) Показано, що електричний потенціал плазми зменшується із зростанням густини плазми та суттєво залежить від потужності ЕЦР нагрівання плазми у пастці.

8) Примусове завдання потенціалу плазми суттєво покращує утримання плазми у геліаці TJ-II та зменшує рівень турбулентного переносу.

Практичне значення отриманих результатів. Діагностичний комплекс дозволяє вимірювати просторову і часову поведінку потенціалу, електронної густини плазми і їх флуктуацій, а також флуктуацій струму плазми. Здобута точність вимірювання потенціалу плазми ~ 20 В із просторовою роздільною здатністю 1 см, і часовою роздільною здатністю 2мкс. Обміряно просторовий розподіл і часову поведінку потенціалу плазми й електронної густини в різних режимах роботи та сценаріях розряду у стелараторі TJ-II. Разом з даними інших діагностик ці дані дозволяють описати картину поведінки плазми стеларатора в різних режимах його роботи. Ці результати встановлюють зв'язок між розподілом електричного поля і умовами утримання плазми в тороїдальних магнітних пастках та можуть бути застосовані в подальших експериментах на геліаці TJ-II, а також в інших експериментах, що проводяться на токамаках Т_10, ТУМАН-3М та стелараторі У-2М.

Особистий внесок здобувача. Здобувачем створено програму розрахунків проходження діагностичного пучка крізь плазму стеларатора TJ_II і визначення області виміру параметрів плазми за допомогою діагностики ЗППВІ [2]. На її базі здобувачем здійснено оптимізацію розміщення і вибір параметрів діагностичного комплексу [2, 5, 24], що дозволило робити вимірювання просторових розподілів уздовж заданої детекторної лінії [13, 14, 17, 24] зокрема такої, що охоплює весь радіальний переріз плазмового шнура [17, 24] стеларатора. За допомогою програми розрахунків здобувачем були визначені області полоїдального перерізу плазми, де можливі ЗППВІ вимірювання, і розраховані параметри діагностичного комплексу, що є необхідними для вимірювання в заданій області плазми [2, 5, 24].

Здобувач брав участь у створенні програми розрахунку ослаблення зондувального пучка іонів цезію при ЗППВІ вимірюваннях на стелараторі TJ-II. За допомогою цієї програми він оцінив граничну електронну густину плазми стеларатора, нижче якої можна зневажити впливом ослаблення пучка [2].

Здобувач створив комплекс програм керування діагностичним комплексом ЗППВІ стеларатора TJ-II [2, 5], брав участь у створенні і налагоджені діагностичного комплексу [1, 2, 4, 5, 13, 14].

Здобувач вів серію експериментів з підвищення точності вимірювання потенціалу за допомогою електростатичного аналізатора енергії, що застосовується у ЗППВІ діагностики [2, 3, 6]. Він брав участь у розробці, створенні і експериментальній перевірці уперше використаної конструкції колекторного блоку аналізатора. Ця конструкція дозволяє заглушити електронну емісію з прийомних пластин аналізатора, що зумовлюється як зондувальним пучком [2, 3, 6], так і впливом плазми [6]. Здобувач провів експерименти з вивчення методики визначення вхідного кута зондувального пучка в аналізатор енергії [6, 7].

Здобувач брав активну участь у розробці методики експерименту, що дозволяє підвищити точність вимірювання потенціалу плазми [6,24] і створив програму обробки експериментальних даних на базі цієї методики.

Здобувач брав безпосередню участь у великій кількості експериментів з ЗППВІ вимірювань параметрів плазми стеларатора TJ-II [8-24].

У роботах [8, 9, 16, 17, 20, 22] здобувач спільно з керівником програми “limiter biasing” експерименту геліаку TJ-II вибрав умови ЗППВІ вимірювань. Здобувач вів ЗППВІ вимірювання в цих експериментах та обробив дані діагностики ЗППВІ в “limiter biasing” експериментах. Здобувач взяв участь у порівнянні поведінки отриманих профілів потенціалу та електронної густини з результатами інших методів діагностування плазми, та в аналізі утримання плазми під впливом зовнішнього завдання потенціалу у геліаці TJ-II.

Апробація результатів дисертації.

Результати досліджень, що ввійшли в дисертаційну роботу, доповідалися на наступних конференціях:

13^th IAEA TCM on small fusion devises (Chengdu, China, 1999); 27 Звенигородська конференція по фізиці плазми й КТС (Звенигород, Росія, 2000); Workshop on the Role of Electric Fields in Plasma Confinement end Exhaust (Budapest, Hungary, 2000); 13^th Topical Conference on High Temperature Plasma Diagnostics (Tucson, USA, 2000); 21^th Symposium on Fusion Technology - SOFT 2000 (Madrid, Spain, 2000); 28 ^th EPS Conf. on Contr. Fusion and Plasma Phys. (Funcharal, Portugal, 2001); 22^th Symposium on Fusion Technology - SOFT 2002 (Helsinki, Finland, 2002); 9^th EU-US Transport Task Force Workshop (Cordoba, Spain, 2002); 29^th EPS Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics (Montreux, Switzerland, 2002); 13^th International Stellarator Workshop (Canberra, Australia, 2002); 11^th International Congress on Plasma Physics - ICPP2002 (Sydney, Australia, 2002); 14^th International Stellarator Workshop (Greifswald, Germany, 2003); 30^th EPS Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics (St. Petersburg, Russia, 2003); The Satellite Meeting of the 30^th EPS Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics (St. Petersburg, Russia, 2003); 7^й Української конференції по керованому термоядерному синтезі і фізиці плазми (Київ, Україна, 1999); 8^th Ukrainian conference and school on plasma physics and controlled fusion (Alushta, Ukraine, 2000); 9^th Ukrainian conference and school on plasma physics and controlled fusion (Alushta, Ukraine, 2002); 31^st EPS Conference on Contr. Fusion and Plasma Physics (London, England, 2004); 10^th International conference and school on plasma physics and controlled fusion (Alushta, Ukraine, 2004); INTAS Strategic Scientific Workshop "Role of Electric Fields in Plasma Confinement in Stellarators and Tokamaks" (Alushta, Ukraine, 2004); 12^th International Congress on Plasma Physics, Workshop on Electric Fields, Structures and Relaxation in Edge Plasmas (Nice, France, 2004); 20^th IAEA Fusion Energy Conference (Vilamoura, Portugal, 2004).

2. Основний зміст дисертації

У вступі формулюються основні питання, які є предметом дослідження дисертації, підкреслюється актуальність цих питань для проблеми КТС і відзначається зв'язок дисертаційної роботи з тематикою досліджень, що проводяться в ІФП ННЦ ХФТІ. Крім того, обґрунтовані наукова новизна отриманих результатів і їх практичне значення.

У розділі I приведено огляд опублікованого у науковій літературі матеріалу, присвяченого аналізу електричних полів у плазмі тороїдальних магнітних пасток та їх впливу на процеси утримання плазми. Далі подано аналітичний огляд матеріалу щодо методів вимірювання потенціалу і електричного поля в плазмі.

У розділі II описано метод зондування плазми пучком важких іонів і його можливості. Описано також сучасний стан методу і особливості вимірювання потенціалу, електронної густини та їх флуктуацій за його допомогою.

Розділ III присвячено оптимізації параметрів діагностичного комплексу ЗППВІ для стеларатора-геліака TJ-II за допомогою програми розрахунків траєкторій зондувальних пучків і детекторних сіток діагностики.

Програма містить алгоритм розрахунку магнітних полів по заданій геометрії котушок стеларатора шляхом їх розбивки на набір кільцевих і прямолінійних струмів. Розрахунок траєкторій зондувального пучка, форми області виміру ЗППВІ діагностики і детекторних сіток здійснюється шляхом числового розв'язання рівняння руху зондувального пучка у магнітному полі.

Досліджено вплив фокусування траєкторій зондувальних пучків магнітним полем у полоїдальній і тороїдальній площинах на можливості діагностики. Знайдено геометрію діагностичного комплексу, в якій вплив фокусування траєкторій у полоїдальній площині незначний. Виявлено, що траєкторії зондувальних пучків у TJ-II істотно тривимірні і існує сильне фокусування їхніх проекцій у тороїдальній площині. Це фокусування залежить від магнітної конфігурації TJ-II і енергії зондувального пучка. Фокусування істотно обмежує геометрію комплексу ЗППВІ, при якій детекторна лінія (крива, по якій проходить область ЗППВІ вимірювання, коли змінюється полоїдальний кут інжекції та фіксованої енергії пучка) проходить крізь весь переріз плазми. На рис.1 показано приклад даного обмеження у стандартній магнітній конфігурації TJ-II, отриманий у серії експериментів з перевірки розрахунків.

Оптимізація геометрії діагностичного комплексу, вибір складу і параметрів його компонентів здійснювався з урахуванням фокусування траєкторій на основі розглянутих у даному розділі критеріїв. Знайдено геометрію діагностичного комплексу, у якій детекторна сітка покриває майже весь переріз плазмового шнура для основних магнітних конфігурацій стеларатора TJ-II. Проаналізовано детекторні сітки для деяких магнітних конфігурацій, детекторні лінії, уздовж яких проводилися ЗППВІ вимірювання. Показано детекторну сітку для одночасних ЗППВІ вимірювань у двох областях простору при використанні двощілинного аналізатора енергії.

Рис.1 Детекторні лінії при різному тороїдальному положенні вторинного іонопровода. Магнітна конфігурація TJ-II 100_44_64, енергія пучка Eb=125кеВ. Імпульс №9044 - центр вторинного іонопровода у центрі патрубка, 9062 - зміщений на 1 см у бік зменшення тороїдального кута, 9079 - зміщений на 2 см у бік зменшення кута, 9298 - зміщений на 2 см у бік збільшення кута.

Визначити просторову локалізацію області ЗППВІ виміру й оптимізувати умови експерименту можна тільки розрахунковим шляхом, тому від точності розрахунків залежать результати вимірювань. Описано способи експериментальної перевірки розрахунків і приведено результати експериментів по перевірці розрахунків, що проведені на TJ-II. Під час описаних експериментів виявлено, що величина розбіжності експериментальних даних з розрахунками становить 10% від нормованого радіуса.

Розділ IV присвячено опису діагностичного комплексу, систем керування і збору даних, створених для ЗППВІ діагностики на стелараторі TJ-II, пакету програм, необхідних для роботи діагностики.

Основні параметри комплексу ЗППВІ: іони Cs⁺, енергія іонів 80-200 кеВ, струм зондуючого пучка до 100 мкА, струм пучка вторинних іонів 10-200 нА, точність виміру енергії 10 - 30еВ.

Розглянуто особливості ЗППВІ вимірювань на установках стелараторного типу і вимоги до точності вимірів на стелараторі TJ-II. Проаналізовано фактори, що впливають на точність ЗППВІ вимірів і показано, що більшість з них пов'язані з електростатичним аналізатором енергії. Розглянуто методи калібрування аналізатора. Запропоновано методику заглушення електронної емісії у детекторному блоці аналізатора і вперше створено конструкцію блоку колекторних пластин аналізатора, яка заглушує як відхід електронів, що викликані вторинною емісією, з колекторних пластин, так і їх перескок із пластини на пластину. У даній конструкції кожна з колекторних пластин оточена електростатичним полем, що повертає емісійні електрони назад до пластини. Представлено результати експериментів, що підтверджують заглушення вторинної емісії та пов'язані з нею помилки вимірювання потенціалу плазми, зокрема рівень шуму, який виникає під впливом плазми, може зменшитись на порядок.

Запропоновано і реалізовано експериментальну методику, що враховує більшість факторів, які впливають на ЗППВІ виміри. Принцип методики показано на рис.2. Для калібрування комплексу ЗППВІ необхідно проводити вимірювання у відсутності електричних полів.

Унизу зображено скануючу напругу на полоїдальних відхиляючих пластинах, що задає положення області виміру діагностики. З 1025 по 1250 мс показано діагностичні сигнали з плазми. З 1259 по 1300 мс сигнали з утворенням вторинного пучка на газі при постійних полях стеларатора. Частина 1 рисунка показує дані для вимірювання одного просторового профілю плазми. Частина 2 показує струми вторинного пучка, утворені на газі при проході області виміру через плазмовий переріз і використані для калібрування. Частина 3 показує плазмове навантаження на пластинах аналізатора, узяте в момент часу, коли діагностичний пучок цілком не потрапляє в аналізатор.

Рис.2 Струми з колекторних пластин аналізатора енергії на TJ-II.

Для цього проводився додатковий напуск гелію в процесі робочого імпульсу після розвалу плазми у тих же магнітних полях геліаку. Для кожної точки радіальних розподілів із величин струмів з колекторних пластин, виміряних у процесі проходження діагностичних пучків крізь плазму (частина 1 рис. 2), віднімаються токи плазмового навантаження, показаного у частині 3, та за допомогою даних профілю токів газового калібрування, показаного у частині 2, розраховується потенціал плазми. Для кожної радіальної позиції області ЗППВІ вимірювання потенціал плазми розраховується за формулою: =2FU_a(i_пл - i_г), де F - функція аналізатора, U_a - напруга на аналізаторі, i_пл та i_г - приведені токи вторинного пучка з плазми (з частини 1 рис. 2), та з газу (з частини 2 рис. 2), розраховані за формулою: i = (i₁ - i₂ ) / (i₁ + i₂), де i₁, i₂ - струм пучка на верхній та нижній пластинах аналізатора, відповідно.

Порівняння запропонованої методики зі стандартною показує, що на 20-90% підвищується відносна точність виміру радіального профілю потенціалу. Також з'являється прив'язка для абсолютного вимірювання потенціалу плазми.

У розділі V коротко описано основні напрямки фізичної програми проведених на стелараторі TJ-II досліджень, коротко приведено експериментальні дані щодо залежності поведінки потенціалу від інших параметрів плазми у стандартній магнітній конфігурації стеларатора. Далі розглянуто способи введення в плазму електричного потенціалу зовнішнього джерела і приведено результати вимірювань потенціалу та електронної густини плазми в “limiter biasing” експерименті. Розглянуто еволюцію утримання плазми стеларатора TJ-II під впливом примусового завдання потенціалу плазми.

Дослідження на стелараторі TJ-II спрямовані на вивчення властивостей плазми і характеристик її утримання залежно від форми магнітних поверхонь стеларатора, вивчення впливу резонансних магнітних поверхонь і островів на утримання плазми і процеси переносу, вивчення залежності режиму утримання плазми від різних параметрів TJ-II, таких як потужність ЕЦР нагрівання, а також вивчення механізмів заглушення турбулентного переносу.

Типові радіальні розподіли потенціалу плазми і електронної густини в стелараторі TJ-II у стандартній магнітній конфігурації (100_44_64) представлені на рис. 3.

Як показано в серії експериментів, значення потенціалу збільшується із зростанням потужності ЕЦР нагрівання і падає із зростанням електронної густини плазми.

У “limiter biasing” експерименті на TJ-II різниця потенціалів подавалася на 2 діафрагми, які розташовані на зовнішній стороні камери у протилежних перерізах тора стеларатора на радіусах R₁ і R₂, зміщених на відстань R₁ _ R₂ = 5 _ 15 мм.

Рис.3 Типовий для ЕЦР плазми стеларатора TJ-II у стандартній магнітній конфігурації радіальний профіль потенціалу А і повного струму пучка Б, що пропорційний профілеві електронної густини плазми.

При цьому в одній серії експериментів на більш занурену в плазму діафрагму подавався негативний потенціал, а в інших - позитивний. Надалі будемо називати ці експерименти негативною і позитивною поляризацією плазми відповідно. Величина напруги, що вводилась у плазму, складала 100_250В. ЗППВІ вимірювання проводилися в перерізі, розташованому майже під прямим кутом до перерізів діафрагм стеларатора, що поляризують плазму.

Результати ЗППВІ вимірювань показують, що під впливом як негативної, так і позитивної поляризації змінюється потенціал не тільки периферії плазми, але й усього плазмового шнура стеларатора TJ-II, що проілюстровано на рис.4.

При цьому у випадку негативної поляризації електричне поле локалізується головним чином на периферії, а саме в районі області введення зовнішнього потенціалу. Потенціал усього плазмового шнура змінюється протягом 20_100 мкс на величину порядку напруги поляризації, що прикладається. Порівняння ЗППВІ вимірів потенціалу центральної частини плазми і даних зондових вимірів на периферії показує, що затримка між зміною потенціалу центральної частини плазмового шнура і його периферії незначна ( 20 мкс).

Рис.4 Профілі потенціалу без подачі і з подачею негативної і позитивної напруг поляризації. На осі X відкладено нормований радіус плазми, на осі Y - електричний потенціал плазми.

Під час відгуку потенціалу плазмового шнура інші параметри основного перерізу плазмового шнура залишаються практично незмінними, що показано на рис.5. Після встановлення нового розподілу потенціалу відбувається зміна умов розряду стеларатора, зокрема зростання електронної густини і покращення утримання плазми.

Рис.5 Часова еволюція параметрів плазми геліаку TJ_II під впливом негативної поляризації плазми.

Характерний час цього процесу складає 1-5 мс. Як сказано вище, потенціал плазми пов'язаний з електронною густиною. Ріст густини плазми спричинює падіння потенціалу.

За негативної поляризації плазми, згідно даним томсонівського розсіювання і ЕЦР діагностики та інтерферометрії, відбувається поліпшення утримання частинок та енергії у 2-4 рази. Аналіз зібраних експериментальних даних щодо випромінювання домішок і аналіз сумарного випромінювання плазми свідчать про відсутність значного підвищення домішок у “limiter biasing” експериментах.

Згідно з зондовими вимірюваннями спостерігалась різна реакція плазмових флуктуацій на її поляризацію. Слабке поліпшення утримання частинок, що відбувається без помітної зміни турбулентного транспорту, чергується зі значним поліпшенням утримання, що характеризується значним зменшенням турбулентного потоку. Ці результати свідчать про різні механізми впливу електричного поля на утримання плазми.

Під час поліпшеного утримання, ініційованого поляризацією плазми, спостерігалася пульсуюча поведінка світіння лінії H і потенціалу плазми.

плазма магнітний стеларатор

Висновки

У дисертаційній роботі наведено розв'язання питань, що стосуються удосконалення методики зондування плазми пучком важких іонів (ЗППВІ). Проведено налагодження комплексу ЗППВІ та його адаптацію для проведення вимірювань на стелараторі-геліаці TJ-II (CIEMAT, Іспанія). Проведено вимірювання величини і профілю потенціалу, профілю електронної густини плазми у TJ-II в експериментах із зовнішнім завданням електричного поля та аналіз його впливу на поведінку плазми, що утримується у геліаці TJ-II. У рамках вищезазначених робіт зроблено наступне:

1) Створено програму тривимірного комп'ютерного моделювання проходження діагностичного пучка крізь стеларатор TJ-II, знаходження області виміру діагностики ЗППВІ. Розрахунки показали, що траєкторії зондувального пучка значно відхиляються від площини інжекції пучка. Постійно існує сильне тороїдальне фокусування траєкторій зондувального пучка, що залежить від режиму роботи стеларатора та обмежує довжину детекторної лінії. На базі створеної програми обрано оптимальне розміщення діагностичного комплексу на стелараторі TJ-II і його необхідні параметри, що дозволило уникнути впливу тороїдального фокусування та одержати детекторну лінію, яка охоплює весь переріз плазми.

2) З метою підвищення вірогідності діагностичних результатів проведено ряд досліджень характеристик електростатичного аналізатора енергії. Вперше запропоновано, розраховано і створено конструкцію детекторного блоку аналізатора, яка дозволяє підвищити точність ЗППВІ вимірювань шляхом заглушення емісії з колекторних пластин, зокрема може знизити рівень шуму, виникаючого під впливом плазми, на порядок величини.

3) Запропоновано і поставлено ряд експериментів по перевірці точності розрахунків розташування області виміру ЗППВІ діагностики і її розміру (просторового розрізнення МЗППВІ). Показано, що точність розрахунків відносно нормованого радіуса плазми складає 0.1 ( що становить ~ 1см ).

4) Запропоновано і реалізовано методику вимірювань потенціалу і густини плазми з урахуванням газового калібрування, яке проводиться в інтервалі між часом розвалу плазми і початком зміни магнітних полів стеларатора. Порівняння запропонованої методики зі стандартною показує, що на 20-90% підвищується відносна точність вимірювання радіального профілю потенціалу, а також з'являється прив'язка для абсолютного вимірювання потенціалу плазми. Створено програму обробки експериментальних даних за цією методикою.

5) Виміряні часова поведінка і радіальні розподіли потенціалу плазми, електронної густини і їх флуктуацій у різних режимах роботи і за різними сценаріями розряду стеларатора TJ-II. Показано, що електричний потенціал плазми зменшується із зростанням густини плазми і суттєво залежить від потужності ЕЦР плазми у пастці.

6) Показано, що зміна електричного поля у геліаці TJ-II під впливом примусового завдання негативного потенціалу покращує утримання частинок плазми та енергії у 2-4 рази та зменшує рівень турбулентного переносу. За 20_100 мкс змінюється потенціал усього плазмового шнура на величину примусово заданої напруги, за період 1-5 мс відбувається модифікація умов розряду стеларатора, зокрема зростання електронної густини.

Список опублікованих робіт за темою дисертації

1. Bondarenko I.S., Chmyga A.A., Dreval N.B., Khrebtov S.M., Komarov A.D., Kozachok A.S., Eliseev L.G., Mavrin V.A, Melnikov A.V., Zimeleva L.G., Hidalgo C., Garcia-Cortes I., Coelho P., Cunha M., Goncalves B., Malaquias A., Nedzelskiy I.S., Varandas C.A.F. Developments of the heavy ion beam probing diagnostic and new results in the plasma electric potential investigations // Problems of Atomic Science and Technology.-Series: Plasma Pysics. - 2000. - N 6, - P.178-180.

2. Bondarenko I.S., Chmyga A.A., Dreval N.B., Khrebtov S.M., Komarov A.D., Kozachok A.S., Krupnik L.I., Melnikov A.V., Coelho P., Cunha M., Goncalves B., Malaquias A., Nedzelskiy I.S., Varandas C.A.F., Hidalgo C., Garcia_Cortes I. Installation of the advanced heavy ion beam probing diagnostic on the TJ-II stellarator // Czechoslovak Journal of Physics. - 2000. - V. 50, N 12. - P.1397-1412.

3. Nedzelskiy I.S., Dreval N.B., Khrebtov S.M., Komarov A.D., Kozachok A.S., Krupnik L.I. Modified Biased Split Detector for the HIBP Electrostatic Energy Analyzer // Review of Scientific Instruments. - 2001. - V.72, N 1. - P.575-578.

4. Bondarenko I.S., Chmuga A.A., Dreval N.B., Khrebtov S.M., Komarov A.D., Коzасhек A.S., Krupnik L.I., Coelho P., Cunha M., Goncalves B., Malaquias A., Nedzelskiy I.S., Varandas C.A.F., Hidalgo C., Garcia-Cortes I., Melnikov A.V. Installation of an advanced heavy ion beam diagnostic on the TJ-II stellarator // Review of Scientific Instruments. - 2001. - V. 72, N 1. - P.583-585.

5. Bondarenko I.S., Chmyga A.A., Coelho P., Cunha M., Varandas C.A.F., Dreval M.B., Garcia-Cortes I., Goncalves B., Hidalgo C., Khrebtov S.M., Komarov A.D., Коzасhек A.S., Krupnik L.I., Malaquias A., Melnikov A.V., Nedzelskiy I.S., Rodriguez-Rodrigo L. The First Operation of the Advanced Heavy Ion Beam Probing Diagnostic (HIBP) on the TJ-11 Flexible Heliac // Fusion Engineering and Design. - 2001. - V.56-57. - P.935-939.

6. Bondarenko I.S., Chmyga A.A., Dreval M.B., Eliseev L. G., Khrebtov S.M., Komarov A.D., Kozachok A.S., Krupnik L.I., Melnikov A.V., Nedzelskij I.S. ACCURACY OF ELECTROSTATIC ENERGY ANALYZER IN HIBP DIAGNOSTIC // Problems of Atomic Science and Technology. - 2002.- N 4. - P.196-199.

7. Nedzelskiy I.S., Malaquias A., Goncalves B., Varandas C.A.F., Cabral J.A.C., Dreval N.B., Khrebtov S.M., Komarov A.D., Kozachok A.L., Krupnik L.I. Evaluation of the incident angle of the beam into 30^o electrostatic energy analyzer directly during HIBP operation in plasma experiments // Review of Scientific Instruments. - 2003. - V.74, Issue 3. - P.1850-1852.

8. Pedrosa M.A., Hidalgo C., McCarthy K.J., Lуpez-Sбnchez A., Ochando M.A., Pastor I., Baciero A., Calderуn E., Estrada T., Herranz J., Lуpez-Razola J., Milligen B.V., Tafalla D., Tabarйs F., Dreval N., Chmyga A., Khrebtov S.M., Komarov A.D., Kozachok A.S., Krupnik L., Eliseev L., Melnikov A.V. and the TJ-II team. Edge turbulence during limiter biasing experiments in the TJ-II stellarator // Czechoslovak Journal of Physics. - 2003. - V. 53, N.10. - P.877-885.

9. Hidalgo C., Pedrosa M.A., Dreval N., McCarthy K.J., Eliseev L., Ochando M.A., Estrada T., Pastor I., Ascasibar E., Calderon E., Cappa A., Chmyga A.A., Fernandez A., Goncalves B., Herranz J., Jimenez J.A., Khrebtov S.M., Komarov A.D., Kozachok A.S., Krupnik L., Lopez-Fraguas A., Lopez-Sanchez A., Melnikov A.V., Medina F., van Milligen B., Silva C., Tabares F., Tafalla D. Improved confinement regimes induced by limiter biasing in the TJ-II stellarator // Plasma Phys. Control. Fusion. - 2004. - V. 46, N 1. - P.287-297.

10. Estrada T., Krupnik L., Dreval N., Melnikov A., Khrebtov S.M., Hidalgo C., van Milligen B., Castejon F., Ascasibar E., Eliseev L., Chmyga A.A., Komarov A.D., Kozachok A.S. and Tereshin V. Electron internal transport barrier formation and dynamics in the plasma core of the TJ-II stellarator // Plasma Phys. Control. Fusion. - 2004. - V. 46, N 1. - P.277-286.

11. Ascasibar E., Alejaldre C., Alonso J., Almoguera L., Baciero A., Balbin R., Blanco E., Blaumoser M., Botija J., Branas B., Cappa A., Carrasco R., Castejon F., Cepero J.R., Chmyga A.A., Doncel J., Dreval N.B., Eguilior S., Eliseev L., Estrada T., Fedyanin O., Fernandez A., Fontdecaba J.M., Fuentes C., Garcia A., Garcia-Cortes I., Goncalves B., Guasp J., Herranz J., Hidalgo A., Hidalgo C., Jimenez J.A., Kirpitchev I., Khrebtov S.M., Komarov A.D., Kozachok A.S., Krupnik L., Lapayese F., Likin K., Liniers M., Lopez-Bruna D., Lopez-Fraguas A., Lopez-Razola J., Lopez-Sanchez A., de la Luna E., Malaquias A., Martin R., Medrano M., Melnikov A.V., Mendez P., McCarthy K.J., Medina F., van Milligen B., Nedzelskiy I.S., Ochando M., Pacios L., Pastor I., Pedrosa M.A., de la Pena A., Petrov A., Petrov S., Portas A., Romero J., Rodriguez-Rodrigo L., Salas A., Sanchez E., Sanchez J., Sarksian K., Schchepetov S., Skvortsova N., Tabares F., Tafalla D., Tribaldos V., Varandas C.F.A., Vega J. and Zurro B. Confinement and stability on the TJ-II stellarator // Plasma Phys. Control. Fusion. - 2002. - V. 44, N 12B. - P. B307-B322.

12. Castejon F., Ascasibar E., Alejaldre C., Alonso J., Almoguera L., Baciero A., Balbin R., Blanco E., Blaumoser M., Botija J., Branas B., Cappa A., Carrasco R., Cepero J.R., Chmyga A.A., Doncel J., Dreval N.B., Eguilior S., Eliseev L., Estrada T., Fedyanin O., Fernandez A., Fontdecaba J.M., Fuentes C., Garcia A., Garcfa-Cortes I., Goncalves B., Guasp J., Herranz J., Hidalgo A., Hidalgo C., Jimenez J.A., Kirpitchev I., Khrebtov S.M., Komarov A.D., Kozachok A.S., Krupnik L., Lapayese F., Likin K., Liniers M., Lopez-Bruna D., Lopez-Fraguas A., Lopez-Razola J., Lopez-Sanchez A, de la Luna E., Malaquias A., Martin R., Medrano M., Melnikov A.V., Midez P., McCarthy K.J., Medina F., van Milligen B., Nedzelskiy I.S., Ochando M., Pacios L., Pastor I., Pavlov S.S., Pedrosa M.A., de la Pefla A., Petrov A., Petrov S., Portas A., Romero J., Rodriguez_Rodrigo L., Salas A., Sanchez E., Sanchez J., Sarksian K., Schchepetov S., Skvortsova N., Tabares F., Tafalla D., Tribaldos V., Varandas C.F.A., Vega J. and Zurro B. Perturbative transport experiments on tj-ii flexible heliac // Problems of Atomic Science and Technology. -2002.-N.4. - P. 8-13.

13. Chmuga A.A., Dreval N.B., Khrebtov S.M., Komarov A.D., Kozachok A.S., Krupnik L.I., Melnikov A.V., Gonзalves B., Malaquias A., Nedzelskiy I.S., Varandas C.A.F., Castellano J., Estrada T., Hidalgo C., Lopez J., de la Luna E. PLASMA POTENTIAL MEASUREMENTS BY HEAVY ION BEAM PROBE IN TJ-II STELLARATOR // Proc. of 28th EPS Conference on Plasma Physics and Controlled Fusion. - Funchal(Portugal). - 2001. - ECA V.25A. - P.2157-2160.

14. Chmuga A.A., Dreval N.B., Khrebtov S.M., Komarov A.D., Kozachok A.S., Krupnik L.I., Melnikov A.V., Coelho P., Gonзalves B., Malaquias A., Nedzelskiy I.S., Varandas C.A.F., Castellano J., Estrada T., Hidalgo C., Lopez J., de la Luna E. Plasma potential measurements by heavy ion beam probe in the tj-ii stellarator // Proc. of 13th International Stellarator Workshop. -2002. - Australia - No.OIV.

15. Chmuga A.A., Dreval N.B., Khrebtov S.M., Komarov A.D., Kozachok A.S., Krupnik L.I., Tereshin V., Eliseev L., Melnikov A.V., Gonзalves B., Malaquias A., Nedzelskiy I.S., Varandas C.A.F., Estrada T., Hidalgo C., Lopez J., de la Luna E., van Milligen B., Pedrosa M.A., Tribaldos V. Plasma potential measurements by heavy ion beam probe in the tj-ii stellarator //. Proc. Of 29th EPS Conference on Plasma Physics and Controlled Fusion. - Montreux(Switzerland).- 2002.- ECA V.26B. - P.1.09.

16. Melnikov A.V., Hidalgo C., Chmyga A.A., Dreval N., Eliseev L., Gоnзаlvеs B., Khrebtov S.M., Komarov A.D., Kozachok A.S., Krupnik L., Perfilov S.V., Pedrosa M.A., Van Oost G., Silva C., Tereshin V. Plasma potential measurements by HIBP diagnostic in fusion plasmas: influence of biasing in TJ-II stellarator and T-10 tokamak // Proc. of 14th International Stellarator Workshop.- Greifswald (Germany) - 2003. - P. I.Th5.

17. Krupnik L.I., Chmyga A.A., Dreval N.B., Khrebtov S.M., Komarov A.D., Kozachok A.S., Tereshin V.I., Estrada T., Hidalgo C., Lopez J., de la Luna E., van Milligen B., Pedrosa M.A., Sanchez E., Tribaldos V., Eliseev L., Melnikov A.V., Gonzalves B., Nedzelskiy I.S., Varandas C.F.A. Radial electric fields and confinement in the TJ-II stellarator // Proc. of 30th EPS Conference on Plasma Physics and Controlled Fusion. -St. Petersburg(Russia).- 2003.- ECA V.27A. - P-1.24.

18. Estrada T., Krupnik L., Dreval N., Melnikov A., Khrebtov S.M., van Milligen B., Castejуn F., de la Luna E., Hidalgo C., Ascasibar E., Eliseev L., Chmyga A.A., Komarov A.D., Kozachok A.S., Tereshin V. e-ITB and transient behaviour in the plasma core of TJ-II Stellarator // Proc. of 30th EPS Conference on Plasma Physics and Controlled Fusion. -St. Petersburg(Russia).- 2003.- ECA V.27A. - O-2.1A.

19. Medina F., Ochando M. A., Krupnik L., Pedrosa M.A., Chmyga A.A., Dreval N.B, Eliseev L., Hidalgo C., Khrebtov S.M., Komarov A.D., Kozachok A.S., Melnikov A.V., Alonso A., de Pablos J. L. Electron distribution function and radial electric fields in the TJ-II stellarator // Proc. of 31th EPS Conference on Contr. Fusion and Plasma Physics. - London . - 2004. - P4-182.

20. Krupnik L.I., Alonso A., Chmyga A.A., Dreval N.B., Eliseev L.G., Hidalgo C., Khrebtov S.M., Komarov A.D., Kozachok A.S., Melnikov A.V., de Pablos J. L., Pedrosa M.A., Tereshin V.I. Radial electric fields and confinement in the TJ-II stellarator // Proc. of 31th EPS Conference on Contr. Fusion and Plasma Physics. - London . - 2004. - P4-181.

21. Castejon F., Ochando M., Estrada T., Pedrosa M.A., Ascasibar E., Cappa A., Chmyga A.A., Dreval N.B., Eguilior S., Eliseev L., Fernandez A., Herranz J., Hidalgo C., Khrebtov S.M., Komarov A.D., Kozachok A.S., Krupnik L., Lopez-Bruna D., Lopez-Fraguas A., Melnikov A.V., McCarthy K. J., Medina F., Pastor I. On the influence of the magnetic topology on transport and radial electric fields in the TJ-II stellarator // Proc. of 31th EPS Conference on Contr. Fusion and Plasma Physics. - London . - 2004. - P4-177.

22. Melnikov A.V., Hidalgo C., Chmyga A.A., Dreval N.B., Eliseev L.G., Khrebtov S.M., Komarov A.D., Kozachok A.S., Krupnik L.I., Pastor I., Pedrosa M.A., Perfilov S.V., McCarthy K., Ochando M.A., Van Oost G., Silva C., Goncalves B., Dnestrovskij Yu.N., Lysenko S.E., Ufimtsev M.V., Tereshin V.I. Plasma Potential Measurements by the Heavy Ion Beam Probe Diagnostic in Fusion Plasmas: Biasing Experiments in the TJ-II Stellarator and T-10 Tokamak // Fusion Science and Technology. - 2004. V. 46 N 1.- P. 299-311.

23. Estrada T., Krupnik L., Dreval N., Melnikov A., Khrebtov S.M., Hidalgo C., van Milligen B., Castejon F., Ascasibar E., Eliseev L., Chmyga A.A., Komarov A.D., Kozachok A.S. and Tereshin V. Electron internal transport barrier formation and dynamics in the plasma core of the TJ-II stellarator // Plasma Phys. Control. Fusion. - 2004. - V. 46 N 1. - P. 277-286.

24. Dreval N.B., Krupnik L.I., Chmyga A.A., Khrebtov S.M., Komarov A.D., Kozachok A.S., Hidalgo C., Eliseev L., Melnikov A.V. Specefic experimental techniques in heavy ion beam probe measurements in stellarator devices // Proc. of INTAS Strategic Scientific Workshop "Role of Electric Fields in Plasma Confinement in Stellarators and Tokamaks". - Alushta. - 2004. - Book of abstracts p.17.

Размещено на Allbest.ru