Будь умным!

У вас вопросы?
У нас ответы:) SamZan.net

тематичних наук Харків ~ Дисертацією є рукопис

Работа добавлена на сайт samzan.net:


22

ХАРКІВСЬКИЙ  НАЦІОНАЛЬНИЙ  УНІВЕРСИТЕТ

ім.  В.Н. КАРАЗІНА

ОЧЕРЕТЕНКО ВІКТОР ЛЕОНІДОВИЧ

УДК 533.9

НВЧ РЕФЛЕКТОМЕТРІЯ РАДІАЛЬНИХ РОЗПОДІЛІВ

ПАРАМЕТРІВ ПЛАЗМИ В ПРОЦЕСІ ПЕРЕХОДУ В РЕЖИМ ПОКРАЩЕНОГО УТРИМАННЯ В ТОРСАТРОНІ

01.04.08 –фізика плазми

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Харків –

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті фізики плазми Національного наукового центру "Харківський фізико-технічний інститут" НАН України.

Науковий керівник: кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник, Скибенко Анатолій Іванович, Інститут фізики плазми Національного наукового центру "Харківський фізико-технічний інститут" НАН України.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, 

Греков Дмитро Леонідович, Інститут фізики плазми Національного наукового центру “Харківський фізико-технічний інститут”НАН України, провідний науковий співробітник; 

кандидат фізико-математичних наук,

Бориско Володимир Миколайович, Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна, доцент кафедри фізики плазми.

Провідна установа: Інститут радіофізики і електроніки ім. О.Я.Усикова НАН України, м. Харків.

Захист відбудеться " 19 "  травня       2006 р. о 15   годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.051.12 в Харківському національному університеті ім. В.Н.Каразіна, за адресою: 61108, м. Харків, пр. Курчатова, 31, читальний зал бібліотеки № 5.

З дисертацією можна ознайомитись у Центральній науковій бібліотеці Харківського національного університету ім. В.Н.Каразіна, за адресою: 61077, м. Харків, площа Свободи, 4.

Автореферат розісланий " 19 " _квітня__ 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради     Письменецький С.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми зумовлена необхідністю розробки безконтактних методів дослідження процесів переносу, утримання та нагріву плазми у торсатроні з врахуванням його конструктивних особливостей, які потребують проведення багаторакурсних вимірювань. Вирішення цієї задачі має важливе практичне значення, що пов'язано з визначенням умов створення режиму покращеного утримання плазми і, як наслідок, більш ефективного нагріву плазми ВЧ методами. Актуальність роботи підсилюється можливістю узагальнення результатів, отриманих на торсатроні "Ураган-3М" (У-3М), для світового стелараторного товариства. В останні роки розвиток таких методів активно здійснюється в країнах, де вирішується термоядерна проблема.

Таким чином, дисертаційна робота орієнтована на вирішення важливої наукової проблеми, що пов'язана з вивченням механізмів формування транспортних бар'єрів, які сприяють досягненню термоядерних режимів у стелараторних системах, за допомогою мікрохвильових методів діагностики.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Обраний напрям досліджень і отримані результати є однією з основних частин науково-дослідних робіт, що проводились в Інституті фізики плазми Харківського Національного наукового центру у рамках тем: "Исследование переноса частиц и энергии в распределенном винтовом диверторе торсатрона" № госреєстрації 0194U025334, "Влияние регулярных и турбулентных электромагнитных полей на процессы нагрева и переноса частиц в неоднородной магнитоактивной плазме" № госреєстрації 0195U000239, "Экспериментальные и теоретические исследования физических процессов при создании и нагреве плазмы ВЧ способом в торсатроне с дивертором Ураган-3М" № госреєстрації 0100U002758. Тематика досліджень відповідає державній науково-технічній "Програмі проведення фундаментальних досліджень по атомній науці і техніці Національного наукового центра "Харківський фізико-технічний інститут" до 2005 р." № госреєстрації 080901UР. При виконанні перелічених тем дисертант був виконавцем окремих розділів.

Мета і задачі дослідження. На основі експериментальних даних надвисокочастотної (НВЧ) рефлектометрії необхідно було визначити:

  •  радіальні профілі плазми;
  •  просторово-часові характеристики флюктуацій;
  •  швидкість полоїдального і тороїдального обертання плазми;
  •  радіальні розподіли електричного поля в плазмі;
  •  просторову кореляцію плазмових коливань у присепаратрисних областях граничної плазми та диверторних потоках;
  •  динаміку створення внутрішніх транспортних бар'єрів і переходу в режим покращеного утримання плазми.

Для досягнення мети розроблено діагностичний комплекс на основі НВЧ рефлектометрії, а також були використані інтерферометри та НВЧ резонаторний метод. З метою розширення діапазону значень вимірюваних параметрів плазми і покращення просторового розрізнення було здійснено багаторакурсне зондування плазми хвилями ортогональних поляризацій.

Наукова новизна одержаних результатів. В дисертаційній роботі одержано такі нові результати:

  1.  За допомогою аналізу відбитих хвиль різноракурсного двополяризаційного комплексу НВЧ рефлектометрії з перестроюванням частоти були отримані просторові розподіли густини плазми, флюктуацій плазми, спектри частот і хвильових чисел, радіальна та кутова когерентність коливань, їх кореляційна довжина.
  2.  Показано переваги рефлектометрії при використанні незвичайної хвилі у порівнянні зі звичайною хвилею. Дані переваги полягають у тому, що локація плазмового шару здійснюється в більш вузькому діапазоні частот, а сама хвиля менш чутлива до рефракції завдяки меншій кривизні відбиваючих шарів плазми та має меншу ширину області відбиття.
  3.  Проведено чисельний аналіз залежності амплітуди і фази відбитої від плазмового циліндра з флюктуаціями НВЧ хвилі в залежності від радіуса циліндра, амплітуди і довжини хвилі флюктуацій. Це дозволило обирати оптимальне значення параметрів зондуючої хвилі і хвилевого пучка.
  4.  Аналітично розраховано відхилення зондуючого мікрохвилевого пучка в залежності від кута входження його в плазму, що дозволило визначити граничний кут входження, при якому пучок повертається в антену.
  5.  Методом кореляційної рефлектометрії на основі аналізу зворотньо-відбитих мікрохвиль від полоїдально зміщених ділянок поверхні плазмового шару розроблено новий спосіб, що дозволяє вимірювати швидкість полоїдального обертання окремих шарів плазми. Радіальний розподіл швидкості обертання вимірюється шляхом зміни частоти зондування.
  6.  Методами НВЧ зондування виявлено і досліджено режим роботи торсатрона, при якому спостерігається перехід до режиму покращеного утримання плазми, завдяки створенню внутрішнього транспортного бар'єра поблизу раціональних магнітних поверхонь.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблені діагностичні методики, та отримані на їх основі результати вимірювань, дозволили підвищити рівень досліджень параметрів плазми на торсатроні "Ураган-3М", що пов'язані з визначенням часово-просторових характеристик густини плазми та її флюктуацій, обертання плазми в схрещених магнітному і електричному полях (ЕН обертання), а також декореляцією коливань.

Розроблені методики досліджень можуть бути використані як прості та дешеві засоби діагностики плазми (без утрати якості вимірювань) на різних установках термоядерного синтезу з магнітним утриманням плазми з метою вирішення проблеми покращеного утримання.

Обгрунтованість і достовірність одержаних результатів. У дисертації застосовано загальновизнані експериментальні методи дослідження високотемпературної плазми. Усі знайдені результати не суперечать загальним положенням фізики плазми. Нові результати підтверджуються теоретичними обчисленнями. Запропонована в роботі методика вимірювання швидкості полоїдального обертання окремих шарів плазми методом кореляційної рефлектометрії на основі аналізу зворотньо-відбитих мікрохвиль дає дані, які добре узгоджуються з отриманими іншими методами експериментальними результатами.

Особистий внесок здобувача. В дисертацію включено результати досліджень параметрів плазми у торсатроні, які засновані на комп'ютерній обробці сигналів відбитих мікрохвиль після взаємодії їх із плазмою. Зокрема, це розрахунки авто- і взаємнокореляційних функцій (АКФ і ВКФ), спектральних характеристик діагностичних сигналів і хвильових чисел плазмових коливань, когерентності коливань в плазмових шарах (рознесених просторово –полоїдально, тороїдально і радіально), кореляційних довжин коливань, що виконані здобувачем самостійно із застосуванням власно розроблених програм. Також здобувачем проведено числове моделювання процесів взаємодії мікрохвиль з плазмою, враховуючи характеристики плазми і магнітного поля. Проведено дослідження діагностичних сигналів на стаціонарність. Постановка задач і аналіз результатів експериментальних досліджень виконувались здобувачем спільно з науковим керівником. Розробка елементів вимірювальних засобів і проведення вимірювань виконувались здобувачем сумісно із співробітниками групи мікрохвилевих вимірювань ІФП ННЦ ХФТІ.

В роботі [1] здобувач провів дослідження характеристик НВЧ резонатора типу Фабрі-Перо, який був виготовлений з вуглеграфітових матеріалів. Дослідження проводилося у зв'язку з тим, що дзеркала резонатора, виготовлені з графіту, менше піддаються ерозії під впливом потоків плазми, нейтронів, гамма-випромінювання і тепла в термоядерних установках, ніж дзеркала з міді, що традиційно застосовуються.

В роботі [2] здобувач провів дослідження формування внутрішнього транспортного бар'єра (ВТБ) у торсатроні У-3М. Проведено порівняльні дослідження радіальних профілів густини, швидкості полоїдального обертання, спектрів сигналів рефлектометра, рівня флюктуацій густини до утворення ВТБ та при його наявності. Також проведено порівняльні дослідження густини плазми в торсатроні та диверторних потоках. Такі дослідження дозволили виявити характерні ознаки переходу в режим покращеного утримання плазми.

В роботі [3] здобувачем на основі рефлектометрічних вимірювань були розраховані профілі густини плазми і її флюктуацій у різних режимах ВЧ створювання плазми в торсатроні У-3М. Методом кореляційної НВЧ рефлектометрії були визначені профілі радіальних хвилевих чисел флюктуацій та полоїдальної швидкості обертання. Були розраховані профілі: густини електронів, флюктуацій густини плазми та швидкості полоїдального обертання для режимів створювання плазми однією рамковою ВЧ антеною (при нормальному і реверсованому напрямку магнітного поля) і двома ВЧ антенами –рамковою і типу "коленвал". Проведені дослідження дозволили виявити вплив напрямку тороїдального магнітного поля на величину радіального електричного поля, визначеного зі швидкості полоїдального обертання і, як наслідок, вплив на утримання плазми в торсатроні.

В роботі [4] здобувачем був розроблений спосіб розділення фазової і амплітудної складових флюктуацій рівня відбитих хвиль включно з випадком значної зміни рівня зондуючої хвилі. Розроблений спосіб представлення частотної залежності флюктуацій фази дозволив визначити фазу відбитих хвиль у радіанах. Проведено порівняння взаємно-кореляційних функцій відбитих НВЧ сигналів від ділянок плазмового шару, рознесених полоїдально, при наявності штучного збурення і без нього, яке підтвердило обертання шару. Відновлено радіальні профілі швидкості ЕН обертання і електричного поля.

В роботі [5] здобувачем були проведені стендові дослідження полоїдального обертання за допомогою кореляційної НВЧ рефлектометрії на механічній моделі циліндра з гофрованою поверхнею. Швидкість обертання циліндра змінювалась, але величина її була відома. Показано, що швидкість обертання можливо визначити вимірюванням періодів АКФ або ВКФ відбитих НВЧ сигналів. Установлено, що ці періоди не залежать від кута нахилу антени до поверхні відбиття. Напрямок обертання визначається по співвідношенню часових зсувів максимумів ВКФ у залежності від заданої відстані між зондуючими антенами.

В роботі [6] здобувачем було проведено вимірювання профілів густини плазми із зовнішньої та внутрішньої сторін тора за допомогою НВЧ рефлектометрії на звичайній (О-) і незвичайній (Х-) хвилях. Виявлено збіг величин густини плазми на зовнішніх магнітних поверхнях, але на приосевих поверхнях при зростанні ВЧ потужності нагріву максимум густини зміщувався назовні відносно магнітної осі. Рівень флюктуацій із зовнішньої сторони тора більше, ніж з внутрішньої. Спектри флюктуацій із зовнішньої та внутрішньої сторін тора подібні і мають досить високу когерентність. Це дало можливість припустити наявність полоїдального обертання плазми.

В роботі [7] здобувач провів дослідження ВКФ НВЧ сигналів О- і Х-хвиль, відбитих від шарів плазми з різними радіальними відстанями. Двополяризаційне зондування плазми проводилось в одному хвилеводному каналі, який збуджувався О- і Х-хвилями, за допомогою спеціального хвилеводного пристрою, що дозволяв разом живити хвилевод обома (О і Х) хвилями. Проведено комп'ютерне моделювання для визначення амплітудної та фазової складових відбитих сигналів від циліндричних шарів плазми в залежності від довжини хвилі та амплітуди флюктуацій плазми.

В роботі [8] здобувачем були проведені порівняльні дослідження флюктуацій густини в граничній плазмі торсатрона У-3М за допомогою НВЧ рефлектометрічних і зондових методів. У плазмі визначено положення шару відбиття по максимуму когерентності відбитої НВЧ Х-хвилі і зондових сигналів. По кореляційним вимірюванням визначена швидкість течії плазми в диверторних потоках. Для дослідження густини і її флюктуацій у диверторних потоках був використаний НВЧ резонатор, подібний до наведеному в [1].

В роботі [9] здобувачем були проведені кореляційні вимірювання характеристик флюктуацій плазми, були визначені локальні значення густини, швидкості полоїдального обертання та електричного поля в плазмі. На основі розроблених програм розраховано : взаємнокореляційні функції відбитих НВЧ сигналів, часові залежності полоїдальної швидкості обертання різних шарів плазми і радіальний розподіл електричного поля в плазмі.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень по темі дисертації доповідалися на таких наукових конференціях:

  1.  III Міжнародний симпозіум "Фізика і техніка міліметрових і субміліметрових хвиль" (Харків, 1998 р.).
  2.  VII Українська конференція з керованого термоядерного синтезу та фізики плазми (Київ, 1999 р.).
  3.  12-та Міжнародна конференція по стелараторам (Mедісон, США, 1999 р.).
  4.  ІІІ Міжнародна конференція з фізики плазми і плазмовим технологіям РРРТ-3 (Мінськ, 2000 р., доповідь представлялася дисертантом).
  5.  VIII Українська конференція і школа з фізики плазми і керованого термоядерного синтезу (Алушта, 2000 р.).
  6.  V Міжнародна конференція по рефлектометрії (Нагоя, Японія, 2001 р.).
  7.  29-та Європейська конференція з фізики плазми і керованого термоядерного синтезу (Moнтре, 2002 р.).
  8.  Міжнародна конференція і школа з фізики плазми і керованого синтезу (Алушта, 2002 р.).
  9.  Робоча група по електричним полям, структурам і релаксаціям краєвої плазми (С-Петербург, 2003 р.).
  10.   10-та Міжнародна конференція і школа з фізики плазми і керованого синтезу  (Алушта, 2004 р.),

а також на наукових семінарах в Інституті фізики плазми ННЦ ХФТІ.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 6 друкованих робіт у наукових журналах [1-6] і 3 у збірниках праць міжнародних конференцій [7-9 ].

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків та списку використаних джерел. Повний обсяг дисертації становить 141 сторінку і включає 77 рисунків, 5 таблиць та 110 найменувань використаних літературних джерел.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

Вступна частина дисертації визначає місце проведених досліджень у колі загальних питань діагностики та фізики плазми, актуальність вибраної теми, наукову новизну отриманих результатів і їх практичне значення.

Перший розділ містить короткий огляд виконаних раніше робіт, які мають відношення до теми дисертаційної роботи, і проводиться обґрунтування необхідності досліджень параметрів плазми методами НВЧ рефлектометрії.

Другий розділ присвячено особливостям використання методів НВЧ рефлектометрії на торсатроні "Ураган-3М". В підрозділі 2.1 розглянуто конструкцію, параметри та особливості створення плазми в торсатроні "Ураган-3М". Приведено конструкцію торсатрона, магнітну систему, конфігурацію магнітних поверхонь, елементи НВЧ комплексу діагностики (рис. 1).

В підрозділі 2.2 розглянуто особливості застосування НВЧ методів діагностики плазми на торсатроні "У-3М". Комплекс мікрохвилевих засобів на установці   включає   НВЧ   інтерферометрію   для   вимірювання    інтегральної

Рис. 1. Засоби діагностики на торсатроні У-3М (1-7 антени НВЧ рефлекто-метрів, 8- антени 2-мм інтерферометра, 9- НВЧ резонатор, 10, 11- ВЧ антени).

густини плазми, НВЧ рефлектометрію плазми, НВЧ резонансометрію для дослідження густини плазми диверторних потоків. В підрозділі 2.3 розглянуто особливості НВЧ рефлектометрії плазми на торсатроні "Ураган-3М". Виходячи з того, що переріз плазми у торсатроні має трикутну форму, виникає необхідність зондування плазми у різних напрямках до екваторіальної площини. При НВЧ зондуванні шарів плазми різної густини і просторового розташування бажано використовувати як звичайні, так і незвичайні хвилі, тобто виникає наявна потреба застосування двополяризаційної рефлектометрії. Розроблена методика розповсюдження О- і Х-хвиль по єдиному хвилеводному каналу дозволяє, у разі потреби, застосування хвиль тієї або іншої поляризації за допомогою спеціального хвилеводного переходу. Таким чином, у різних розрядах із широким коливанням значень густини плазми, можливо зондування на О- або на Х-хвилі. У зв'язку з тим, що середній радіус плазми в У-3М становить ~13 см і магнітна вісь зміщена назовні, використання довгохвилевої частини діапазону на звичайній хвилі не може забезпечити задовільного просторового розрізнення. Показано переваги рефлектометрії на незвичайній хвилі в порівнянні зі звичайною хвилею, тому що локація плазмового шару у цьому випадку виконується в більш вузькому діапазоні частот, вона менш чутлива до рефракції завдяки меншій кривині відбиваючих шарів, має меншу ширину невизначеності області відбиття. Застосування рефлектометрії на незвичайній хвилі потребує врахування просторового розподілу магнітного поля. Тому для обраного напряму зондування розраховано необхідні значення частоти Х-хвилі для зондування шарів плазми з однаковою густиною, але просторово рознесених уздовж плазмового шнура. Проведений аналіз залежності амплітуди і фази відбитої хвилі від плазмового циліндра з флюктуаціями відбиваючого шару в залежності від радіуса циліндра, амплітуди і довжини хвилі флюктуацій, дозволяє вибирати оптимальні значення параметрів зондуючої хвилі і хвилевого пучка. В підрозділі 2.4 розглянуто технологію збору й обробки експериментальних даних, часові параметри запису інформації за допомогою АЦП і периферійного обладнання комп'ютера.

Третій розділ присвячено вимірюванню радіальних розподілів густини плазми і її флюктуацій. Радіальні профілі густини плазми і просторово-часові параметри флюктуацій плазми дозволили виявити важливіші характеристики стану плазми у торсатроні.

В підрозділі 3.1 розглянуто комплекс НВЧ рефлектометрії плазми на торсатроні "Ураган-3М", за допомогою якого визначались просторові характеристики густини плазми та її флюктуацій. В комплексі НВЧ рефлектометрії використовуються гомодинні схеми локації плазми на фіксованих частотах хвилями ортогональної поляризації: звичайній хвилі, для якої напрямок вектора електричного поля співпадає з напрямком тороїдального магнітного поля, і незвичайній хвилі, для якої вектор магнітного поля спрямований уздовж тороїдального магнітного поля. Для розглянутої схеми гомодиного рефлектометра приведено параметри зондуючих пучків, розраховано відхилення параксіального мікрохвилевого пучка від напрямку зондування в залежності від кута входу пучка в плазму. В підрозділі 3.2 розглянуто методику відновлення профілю густини плазми на торсатроні "Ураган-3М". Описано отримані профілі густини плазми у різних режимах створення плазми ВЧ способом одною або двома антенами.

В підрозділі 3.3 проведено дослідження залежності відгуку сигналу рефлектометра від характеру флюктуацій плазми. При аналізі відгуку розглянута дія різних фізичних процесів, що обумовлюють взаємодію падаючої хвилі з флюктуаціями густини, на основі двох випадків. У першому випадку флюктуації відбитої хвилі, в основному, зумовлені флюктуаціями густини в шарі відсічки. У другому випадку флюктуації сигналу суттєво залежать від розподілу флюктуацій у шарі розсіяння, що передує області відсічки. Характер відгуку рефлектометра можливо проаналізувати за допомогою співвідношення хвилевих чисел зондуючої хвилі, плазмових флюктуацій і градієнтної довжини густини. При аналізі відбиття хвилі, враховуючи, що в шарі відсічки коефіцієнт заломлення  0 і хвилеве число k обертається в 0, метод Вентцеля–Крамерса–Брілюена не можливо застосувати в безпосередній близькості до шару відсічки. Тому було введене хвилеве число Ейрі, що визначається величиною [10] 

kА= 0.63ko/3L-1/3,      (1)

де ko= 2/o (o –вакуумна довжина хвилі зондування), L = n/n–градієнтна довжина густини плазми. На основі розрахунків встановлено, що при хвилевому числі флюктуацій kf 

kf  2kА= 1.26ko/3L-1/3,     (2)

відгук відбитої хвилі визначається лише модуляцією густини поблизу відсічки, а при більших kf значне розсіювання може мати місце і в перехідному шарі плазми. В експериментах на "Урагані-3М" при зондуванні мікрохвилями з = 11.7 см і L = 110 см, kА 13 см-1. Розрахунки свідчать, що при kf  < 2 см-1 умова (2) виконується у всьому діапазоні зондуючих довжин хвиль. Тоді приблизний вираз для флюктуацій фазового зсуву буде:

max1  2,     (3)

де no –величина флюктуації густини, nкр –критична густина. Другий випадок фазового відгуку відноситься до хвилевих чисел, що задовольняють умові

1.26ko/3L-1/3 < kf  < 2ko.      (4)

У цьому разі фазовий відгук оцінюється рівнем флюктуацій в області розсіяння, що визначається правилом Брега, з локалізацією в точці

xB=,      (5)

і характеризується величиною флюктуацій фази

max2  .    (6)

Місце локалізації флюктуацій у загальному випадку не збігається із шаром відсічки. У цьому разі рефлектометрічні вимірювання дають неозначений результат про характер флюктуацій, тому що вони не прив'язані до певного шару плазми. Тоді відношення флюктуацій фази буде

,     (7)

і зважаючи, що > (де  і  - величини kf для формул (3) і (6), відповідно) в модуляції відбитої хвилі буде переважати вклад від шару відсічки. Таким чином, при відносно малих kf величини флюктуацій фази за рахунок Брегівського розсіяння малі, а при kf > 2 см-1 флюктуації фази за рахунок цього розсіяння порівняні з вкладом флюктуацій шару відсічки.

В підрозділі 3.4 розглянуто проблему оптимізації розміру зондуючого мікрохвильового пучка при НВЧ рефлектометрії на торсатроні “Ураган-3М”.

В підрозділі 3.5 розглянуто методику дослідження просторово-часових характеристик флюктуацій на торсатроні "Ураган-3М". Для з'ясування впливу параметрів флюктуацій на процес переносу частинок і тепла в плазмі, розглянуто такі характеристики флюктуацій, як їх амплітуди, спектри частот і хвилевих чисел. З осцилограм фазових биттів звичайної і незвичайної хвиль, використовуючи низькочастотні складові коливань, визначаються часові еволюції відбиваючих слоїв, що були використані для відновлення профілю густини. Високочастотні складові коливань використовуються для аналізу флюктуацій густини: їх амплітуд, спектрів, когерентності і кореляційних довжин. Коефіцієнт когерентності розраховувався по формулі [11]:

,    (8)

де G, G, G,2- спектри фазових коливань кожної хвилі і їх взаємний спектр.

Використовуючи залежність коефіцієнта когерентності від відстані між шарами відбиття можливо визначити довжину кореляції флюктуацій з урахуванням співвідношення

,     (9)

де о- когерентність при збіганні місцезнаходження відбиваючого шару для О- і Х-хвиль, r- відстань між шарами відсічки, Lкор- радіальна кореляційна довжина флюктуацій густини.

У зв'язку з тим, що флюктуації рівня сигналу містять також флюктуації амплітуди, розглянуто особливості використання метода крос-детектування для визначення рівня флюктуацій густини. На основі простої схеми з двома інтерферометрічними плечами, коли фаза хвилі в одному плечі зсунута на 90 по відношенню до другого, розглядаючи тільки змінну частину сигналів, можливо вимірювання фазового зсуву мікрохвилі, що викликаний густиною плазми. Вираховуючи відношення сигналів, величина фазових флюктуацій в залежності від часу визначається з рівняння:

(t)=arctg(sin(t)/cos(t)).     (10)

В подальших дослідженнях виник інтерес до частотної залежності флюктуацій фази. Для цього з отриманої часової залежності флюктуацій фази (t) визначається її середня величина  і спектр флюктуацій фази , що дозволяє визначити спектральну флюктуацію фази в радіанах із  співвідношення

· ni ,    (11)

де ni - кількість точок спектра, по яким проводиться усереднення амплітуд (рис. 2).

Рис. 2. Змінювання спектрів флюктуацій фази для трьох часових інтервалів.

Аналіз спектрів флюктуацій фази (рис. 2) по величині і характеру змінювання спектрів із часом показує, що коли відбиваючий шар знаходиться в області утримання (при відносно меншій густині плазми, t = 22-23 мс) амплітуди флюктуацій низькі, хоч спектри коливань широкі. При зростанні густини в пастці шар відбиття для зондуючої Х-хвилі виходить на межу області утримання і амплітуда коливань у частотній смузі (f= 5ч20 кГц) збільшується, порівняно з коливаннями на більш високих частотах (f= 40ч100 кГц).

Четвертий розділ присвячено визначенню швидкості полоїдального і тороїдального обертання плазми за допомогою кореляційної НВЧ рефлектометрії. Сформульовано необхідність і можливість вимірювання швидкості обертання плазми за допомогою НВЧ рефлектометрії. Розглянуто експериментальне обґрунтування метода на моделі, що імітує обертання плазмового шару. Виявлено періодичність ВКФ відбитого сигналу, рівного періоду обертання тестової поверхні. Ця методика дозволила визначити радіальну залежність полоїдальної швидкості в торсатроні "Ураган-3М" при наявності штучно-спричинених збурень плазми, а також у різних режимах створення плазми на торсатроні "Ураган-3М". Метод кореляційної рефлектометрії дозволяє простежити швидкість обертання окремих шарів плазми, якщо змінювати частоту зондування у відповідності з радіальним розподілом густини. В експерименті на торсатроні "Ураган-3М" частота змінювалась від 16.5 до 25.5 ГГц. Часова залежність швидкості обертання для різних шарів густини плазми зображена на рис. 3.

Рис. 3. Часова залежність швидкості обертання різних шарів густини плазми

(з густиною і середнім радіусом, відповідно): 1- 4.310 см-3 і 12 см, 2- 3.510 см-3 і 14 см, 3- 6.510 см-3 і 4.8 см, 4- 7.7510 см-3 і 3.8 см, 5- 8.11012см-3 і 3 см.

П'ятий розділ присвячено дослідженню переходу в режим покращеного утримання плазми на торсатроні "Ураган-3М". Викладено результати дослідження динаміки формування внутрішнього транспортного бар'єра в плазмі ВЧ розряду в торсатроні "Ураган-3М" за допомогою НВЧ методів діагностики. Основною передумовою даної роботи була гіпотеза про можливість збільшення поперечної електропровідності () в шарі, суміжному до раціональних магнітних поверхонь (РМП) стохастизованих магнітних силових ліній за рахунок подовжнього руху електронів в шарі без зіткнень. Наявність шару зі збільшеною  повинно приводити до формування області високого ширу радіального електричного поля Er поблизу РМП і, відповідно, до пригнічення флюктуацій параметрів плазми. Перехід у режим покращеного утримання плазми в торсатроні "Ураган-3М" з острівною магнітною конфігурацією спостерігався при деякому пороговому значенні потужності ВЧ нагрівання. Явища, що супроводжують перехід до нового стану плазми, визначені з рефлектометрічних вимірювань. Утворення ВТБ із переходом до режиму покращеного утримання плазми досягалось при відносно низькій густині (максимальне значення густини N 2.510 cм-3). Для дослідження еволюції радіальних профілів густини використовувалась локація плазми Х-хвилями в діапазоні 2030 ГГц і О-хвилями –ГГц. Початок переходу до ВТБ виразно проявився у швидкій зміні амплітуди й фази відбитої Х-хвилі. Іншим проявом збільшення переходу є 30% зростання густини плазми. Вивчення профілю густини показало еволюцію радіуса відбиваючого шару, що відповідає розширенню профілю при згладжуванні центральної частини зі збільшенням градієнту на периферії (рис. 4). Більш сильний ефект переходу був спостережений при вивченні еволюції радіального профілю швидкості полоїдального обертання, що визначалась через взаємно-кореляційні функції двох хвиль, відбитих від різних ділянок одного шару плазми. Для визначення ідентичності інформації, одержаної з кореляційного аналізу відбитих сигналів про швидкість обертання флюктуацій плазми, проведено порівняння періодів кореляції флюктуацій НВЧ сигналів і флюктуацій фази, що спричинені флюктуаціями густини. Ці періоди співпадають із досить високою точністю.

Рис. 4. Еволюція профілів густини Ne і температури Te при переході до ВТБ.

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі досліджено методами НВЧ рефлектометрії, розробленими автором, еволюцію радіальних розподілів параметрів плазми в торсатроні "Ураган-3М" в процесі переходу в режим покращеного утримання частинок і енергії плазми.  

Основні результати проведених досліджень можна сформулювати таким чином.

1. Удосконалений комплекс НВЧ рефлектометрії плазми на торсатроні "Ураган-3М" дозволяє вимірювати просторово-часові характеристики густини плазми і її флюктуацій завдяки дослідженням і розробкам, виконаним автором.

2. Проведено числовий аналіз залежності амплітуди і фази відбитої хвилі від плазмового циліндра з флюктуаціями відбиваючого шару від радіуса циліндра, амплітуди і довжини хвилі флюктуацій для оптимізації параметрів зондуючої хвилі і хвилевого пучка.

3. Аналітично розраховано відхилення зондуючого мікрохвилевого пучка в залежності від кута входження його в плазму. Це дозволило визначити граничний кут входження, при якому пучок повертається в антену.

. Розглянуто особливості використання метода крос-детектування для визначення рівня флюктуацій густини у зв'язку з тим, що флюктуації рівня НВЧ сигналу містять також флюктуації амплітуди.

. Автором удосконалені методи відновлення профілів густини плазми, її флюктуацій, спектрів частот, хвилевих чисел, а також просторової і спектральної когерентності коливань плазми з врахуванням особливостей вимірювань на трьохзахідному торсатроні "Ураган-3М".

6. Для визначення когерентності коливань у різних шарах плазми, спектральної залежності фази коливань у цих шарах, радіальних хвилевих чисел, кореляційних довжин, розроблена методика зондування плазми хвилями ортогональних поляризацій в одному каналі з вибором частот, що забезпечують необхідну відстань між відбиваючими шарами плазми. Це дозволило розділити ці частоти без спеціальних радіотехнічних пристроїв і проводити вимірювання на більш коротких довжинах хвиль.

7. Визначено просторово-часові характеристики і кореляційні довжини флюктуацій густини плазми, величини радіальних хвилевих чисел і когерентності коливань у різних режимах роботи торсатрона "Ураган-3М".

8. Запропоновано і досліджено метод визначення полоїдальної і тороїдальної швидкості обертання плазми з флюктуаціями за допомогою вимірювання часової затримки або періоду ВКФ НВЧ сигналів, що відбиваються від шарів однакової густини, рознесених у полоїдальному чи тороїдальному напрямку.

. Розроблена схема застосування метода кореляційної НВЧ рефлектометрії для вимірювання швидкості обертання плазми на торсатроні "Ураган-3М" і проведені вимірювання з використанням Х- і О-хвиль різної частоти.

10. Проведено одночасне вимірювання полоїдальної і тороїдальної швидкості обертання плазми. Показано, що в стелараторі при визначенні напруженості електричного поля вклад полоїдального обертання переважає над вкладом тороїдального обертання. Одночасне застосування кореляційного і Доплерівського методів визначення швидкості обертання виявило задовільний збіг результатів і дозволяє розширити об'єм отриманої інформації.

11. На основі вимірювань за допомогою мікрохвильових методів досліджено формування ВТБ у торсатроні "Ураган-3М" поблизу раціональних магнітних поверхонь. Формування цього бар'єра має місце вище деякого порога потужності нагріву і супроводжується наступними явищами:

  •  перехід в режим покращеного утримання плазми супроводжується різкою зміною амплітуди і фази відбитої НВЧ хвилі, що пов'язано зі швидкою зміною положення відбиваючого шару плазми.
  •  формування областей високого шира V і Er поблизу РМП. При формуванні ВТБ поблизу РМП відбувається зміна знака радіального електричного поля;
  •  розширення в центрі і збільшення градієнта профілю густини плазми на периферії;
  •  зменшення рівня флюктуацій густини плазми;
  •  декореляція флюктуацій густини і зменшення радіальної кореляційної довжини;
  •  зменшення співвідношення густини плазми в диверторних потоках і області утримання плазми.

В результаті формування ВТБ здійснюється перехід у режим покращеного утримання плазми. Час переходу в цей режим скорочується при збільшенні потужності нагріву. Перехід у новий стан супроводжується збільшенням швидкості полоїдального обертання плазми і зміною напряму обертання, що відповідає зміні характеру і величини радіального електричного поля. В результаті вказаних процесів зменшується радіальний перенос частинок і тепла, спостерігається підвищення густини і температури плазми.

СПИСОК  ОПУБЛІКОВАНИХ  РОБІТ  ЗА  ТЕМОЮ  ДИСЕРТАЦІЇ

  1.  Berezhnyj V.L., Fomin I.P., Skibenko A.I., Ocheretenko V.L., Voitsenya V.S. Graphite-made UHF resonator of Fabry-Perot type for investigation of the plasma divertor flow in fusion devices and the small-scale particles of a substance // Problems of Atomic Science and Technology. Series: Plasma Physics. Issues 3(3), 4(4), Kharkov, 1999, p. 292-294.
  2.  Skibenko A.I., Pavlichenko O.S., Volkov E.D., Fomin I.P., Berezhnyj V.L., Pinos I.B., Podoba Yu.Ya., Nazarov N.I., Ocheretenko V.L., Tsybenko S.A., Litvinov A.P. ITB formation dynamics in the Uragan-3M torsatron inferred from microwave reflectometry // Problems of Atomic Science and Technology. Series: Plasma Physics. Kharkov, 2002, v.7, n.4, p.62-64.
  3.  Skibenko A.I., Berezhnyj V.L., Fomin I.P., Kotsubanov V.D., Nazarov N.I., Nikol’sky I.K., Pavlichenko O.S., Pinos I.B., Tsybenko S.A., Volkov E.D. Radial profiles of plasma density and poloidal rotation velocity measured by microwave reflectometry for different regimes of RF plasma production in “Uragan3-M”torsatron // Problems of Atomic Science and Technology. Series: Plasma Physics. Issue (6), n.6, Kharkov, 2000, p. 47-49.
  4.  Скибенко А.І., Бережний В.Л., Волков Є.Д., Назаров Н.І., Нікольський І.К., Очеретенко В.Л., Павличенко О.С., Пінос І.Б., Фомін І.П. Визначення швидкості полоїдального обертання і напруженості електричного поля в плазмі торсатрона за допомогою НВЧ полоїдально-кореляційної рефлектометрії // Укр. фізичн. журнал, т. 46, н. 4, 2001, с. 443-448.
  5.  Pavlichenko O.S., Skibenko A.I., Ocheretenko V.L., Berezhniy V.L., Pinos I.B., Fomin I.P. Poloidal rotation velocity measurement in toroidal plasmas via microwave reflectometry // Proc. of the 5th Intern. Workshop on Reflectometry,  5-7 March, 2001, Nagoja, Japan. Research report, NIFS-PROC-49, 2001, p.85-87.
  6.  Berezhnyj V.L., Volkov E.D., Nazarov N.I., Ocheretenko V.L., Pavlichenko O.S., Pinos I.B., Skibenko A.I., Fomin I.P. Studies of poloidal asymmetry of plasma density and fluctuations in the Uragan-3M torsatron via microwave reflectometry // Problems of Atomic Science and Technology. Series: Plasma Physics 1(1), 2(2), Kharkov, 1999, n.1, p.43-45.
  7.  Berezhnyj V.L., Skibenko A.I., Ocheretenko V.L., Pavlichenko O.S., Pinos I.B., Fomin I.P. Optimization of UHF reflectometer device for study of plasma density profile and fluctuation in magnetically confined plasmas // Third Int. Kharkov Symposium "Physics and Engineering of Millimeter and Submillimeter Waves". Kharkov, Ukraine, Sept. 15-17, 1998, Symp. Proc., v.2, p. 697-699.
  8.  Бережний В.Л., Григор'єва Л.І., Волков Є.Д., Назаров Н.І., Очеретенко В.Л., Пінос І.Б., Скибенко А.І., Сороковий Е.Л., Фомін І.П., Чечкін В.В. Порівняльні дослідження флюктуацій густини краєвої та диверторної плазми торсатрона "Ураган-3М" з використанням НВЧ та зондових вимірювань // VII Українська конф. з КТС та ФП. Київ, 20-21 вересня, 1999. Збірник анотацій, стор. 33.
  9.  Ocheretenko V.L., Berezhnyj V.L., Volkov E.D., Nikol’sky I.K., Pavlichenko O.S., Pinos I.B., Skibenko A.I., Fomin I.P. Development of correlation reflectometry for plasma studies in fusion devices // III Int. Conf. Plasma Physics and Plasma Technology. Minsk, Belarus, Sept. 18-22, 2000. Contributed papers, v.1, p.324-326.

 

Перелік посилань

  1.   C.Fanack, I.Boucher, F.Clairet et al. Ordinary mode reflectometry: Modification of the scattering and cut-off responses due to the shape of localized density fluctuations. Plasma Phys. Control Fusion, v.38, 1996, p.1915.
  2.   A.E.Costley, P.Cripwell. Correlation reflectometry: a possible new technique for diagnosing density microturbulence. Preprint JET-P (89)82, Cadarache, 1989, 8 p.

ОЧЕРЕТЕНКО В. Л.  НВЧ рефлектометрія радіальних розподілів параметрів плазми в процесі переходу в режим покращеного утримання в торсатроні –Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.08 –фізика плазми. –Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна, Харків, 2006.

У дисертації, основні матеріали якої викладені в 6 статтях, досліджуються радіальні розподіли характеристик плазми торсатрона, відновлення радіального профілю плазми, параметри просторово-часових характеристик флюктуацій. Показані переваги рефлектометрії на незвичайній хвилі у порівнянні зі звичайною хвилею. Розглянуто використання метода крос-детектування для дослідження флюктуацій плазми. Показано можливість визначення швидкості полоїдального обертання окремих шарів плазми методом кореляційної рефлектометрії на основі аналізу зворотньо-відбитих мікрохвиль від полоїдально зміщених ділянок поверхні плазмового шару. Визначено швидкість полоїдального і тороїдального обертання плазми в торсатроні "Ураган-3М" за допомогою кореляційної НВЧ рефлектометрії. Установлено, що в режимах роботи торсатрона зі створенням внутрішнього транспортного бар'єра поблизу раціональних магнітних поверхонь спостерігається перехід до режиму покращеного утримання плазми.

Ключові слова: діагностика плазми, кореляція, НВЧ рефлектометрія, радіальні профілі плазми, торсатрон, швидкість полоїдального обертання плазми, електричне поле.

ОЧЕРЕТЕНКО В. Л. СВЧ рефлектометрия радиальных распределений параметров плазмы в процессе перехода в режим улучшенного удержания в торсатроне . –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, 2006.

В диссертации, основные материалы которой опубликованы в 6 статьях, исследуются радиальные распределения характеристик плазмы торсатрона, определение радиального профиля плазмы, параметры пространственно-временных характеристик флуктуаций. Разработаны методы восстановления профилей плотности, ее флуктуаций, спектров частот, волновых чисел, а также временной, пространственной и спектральной когерентности колебаний плазмы. Показаны преимущества рефлектометрии на необыкновенной волне в сравнении с обыкновенной волной. Проведен анализ отклика амплитуды и фазы отраженной волны от плазменного цилиндра с флуктуациями отражающего слоя в зависимости от радиуса цилиндра, амплитуды и длины волны флуктуаций, которые позволяют выбрать оптимальные значения параметров зондирующей волны и волнового пучка. Для определения когерентности колебаний в различных слоях плазмы, спектральной зависимости фазы колебаний в этих слоях, радиальных волновых чисел, корреляционных длин, разработана методика зондирования плазмы волнами ортогональных поляризаций в одном канале с выбором частот, обеспечивающих необходимое расстояние между отражающими слоями плазмы. Это позволило разделить эти частоты без специальных радиотехнических устройств и проводить измерения на более коротких длинах волн. Рассмотрено использование метода кросс-детектирования для исследования флуктуаций плазмы. Показана возможность определения скорости полоидального вращения отдельных слоев плазмы методом корреляционной рефлектометрии на основе анализа обратно-отраженных микроволн от полоидально смещенных участков поверхности плазменного слоя. Определена скорость полоидального и тороидального вращения плазмы в торсатроне "Ураган-3М" с помощью корреляционной СВЧ рефлектометрии. Установлено, что в режимах работы торсатрона с созданием внутреннего транспортного барьера вблизи рациональных магнитных поверхностей, наблюдается переход к режиму улучшенного удержания плазмы.

Ключевые слова: диагностика плазмы, корреляция, СВЧ рефлектометрия, радиальные профили плазмы, торсатрон, скорость полоидального вращения плазмы, электрическое поле.

OCHERETENKO V. L.  UHF reflectometry of the radial distributions of plasma parameters during transition in a mode of improved confinement in a torsatron. –Manuscript.

Dissertation for the candidate of physiko-mathematical science degree in speciality 01.04.08 –Physics of plasma.–V.N. Karazin Kharkov National University, Kharkov, 2006.

In dissertation, the basic results which are published in 6 scientific papers on radial distributions of a torsatron plasma characteristics, determination of a radial plasma profiles, parameters of the spatial - temporary characteristics of fluctuations are presented. Advantages of a reflectometry on extraordinary wave in comparison with an ordinary wave are shown. Use a method of cross-detection for research of plasma fluctuations is considered. An opportunity of definition poloidal velocity of the rotation separate plasma layers by a correlation reflectometry method on the basis of the analysis back - reflected microwaves from poloidal displaced sites of a surface of plasma layer is shown. Poloidal and toroidal velocity of plasma rotation in torsatron "Uragan-3M" with the help of a correlation microwave reflectometry is determined. Transition to a mode of improved plasma confinement is observed in modes of torsatron operations with creation of an internal transport barrier near to rational magnetic surfaces.

Key words: plasma diagnostics, correlation, microwaves reflectometry, radial profiles of plasma, torsatron, poloidal velocity of plasma rotation, electrical field.




1.  Власть принадлежала всей родовой общине осуществлялась
2. Економіко-географічна характеристика Чілі
3. На тему Вплив молодіжних неформальних об~єднань на формування особистісного
4. Пожарная сигнализация
5. Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики ФГОБУ ВПО СибГУТИ Е
6. з курсу ldquo;Програмуванняrdquo; для студентів 3 курсу спеціальності ldquo;Комп~ютерні системи та мережіrdquo; 7
7. реферату- Господарство провідних країн між першою і другою світовими війнамиРозділ- Історія економічних вче
8. 1. Студенческий совет в государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального об.html
9. Курсовая работа- Дослідницька та творча діяльність на уроках біології
10. Юридическая газета
11. Реферат- Александр Сергеевич Даргомыжский
12. Воспитательные задачи- воспитывать внимание чуткость отзывчивость умение ориентироваться в экстремаль
13. Виды дихотомического деления
14. Тема 6 НІМЕЦЬКА КЛАСИЧНА ФІЛОСОФІЯ XVIII перша пол
15. Реферат- Земля - главное средство производства в сельском хозяйстве и ее особенности
16. урочной форме Основы ее были разработаны и испытаны страсбургским Франция педагогом Иоганнесом Штурмом а
17. 1947 явило собой уникальный пример синтеза двух великих идей получивших распространение а мировой и отечеств
18. Время моей Жизни Сесилия АхернВремя моей Жизни Scn- RonjRovrdotter; OCRSpellCheck- golm1 Время.
19. ТЕМА- Символ метафора аллегория как выразительные средства в режиссуре театрализованных массовых пр
20. белое так и цветное изображение

Материалы собраны группой SamZan и находятся в свободном доступе