WWW.MASH.DOBROTA.BIZ
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - онлайн публикации
 

«СФТИ-5 Р.А. Демнрханов, ГЛ. Хораеанов, И.К. Сидорова НАГРЕВ ПЛАЗМЫ ПРИ РАЗВИТИИ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ ТУРБУЛЕНТНОСТИ ВБЛИЗИ НИЖНЕЙ ГИБРИДНОЙ ЧАСТОТЫ СУХУМСКИЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ...»

СУХУМСКИЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

СФТИ-5

Р.А. Демнрханов, ГЛ. Хораеанов,

И.К. Сидорова

НАГРЕВ ПЛАЗМЫ ПРИ РАЗВИТИИ

ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ ТУРБУЛЕНТНОСТИ

ВБЛИЗИ НИЖНЕЙ ГИБРИДНОЙ

ЧАСТОТЫ

СУХУМСКИЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

СФТИ-5

Р.А. Демирханов, Г.Л. Хорасанов,

И.К. Сидорова

НАГРЕВ ПЛАЗМЫ ПРИ РАЗВИТИИ

ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ ТУРБУЛЕНТНОСТИ

ВБЛИЗИ НИЖНЕЙ ГИБРИДНОЙ

ЧАСТОТЫ II - 3 УДК 533.951.8 АННОТАЦИЯ*^ Обсуждается возможность нагрева плазмы в турбулентном режиме, возникающем под действием сильного излучения, частота которого близка к нижней ветви высокочастотных плазменных колебаний. Ще'л %/* Приводятся некоторые экспериментальные результаты параметрического нагрева щелочной " "' плазмы в*п -машине. Эффект аномального поглощения ВЧ мощности, обнаруженный в этих экспериментах, указывает на то, что диапазон нижних гибридных частот ( Д — 3-10 см) может быть использован для эффективного нагрева плазмы в тороидальных системах .

Доклад на советско-французском семинаре по высокочастотным методам нагрева плазмы, Ленинград, 17-21 июня 1974г .

-3В докладе приводятся результаты экспериментального исследования нагрева магнитоактивной плазмы (р«1) в турбулентном режиме, возникающем лод действием сильного излучения, частота которого близка к нижней ветви высокочастотных плазменных колебаний #&•( % ) • Интерес к исследованию этого диапазона частот ( Л « 3 - 3 0 см) обусловлен, как известно ' *', техническими возможностями генерации значительных квазинепрерывных ВЧ мощностей ( Р^Ю Мвт), требуемых для нагрева плазмы в крупномасштабных тороидальных системах. Определенные преимущества диапазон нижних гибридных частот имеет также для раскачки параметрических неустойчивостей и нелинейной диссипации волн. Это связано с большой величиной осцилляторной скорости электронов i поле волны, соответствующей относительно малым частотам { w i e ' ( K ^ K ) « Q C Q )• В докладе сообщаются данные по нагреву плазыы в линейной системе ( Q -машине) при наложении ВЧ полей с резонансными частотами /°»°'. Э»и эксперименты были направлены на выяснение возможностей нагрева и увеличения энергосодержания плазмы при длительной накачке ВЧ мощности вблизи нижних гибридных частот. Обнаруженный эффект аномального поглощения ВЧ мощности указывает на то, что диапазон нижних гибридных частот может быть использовая для эффективного нагрева плазмы в торах* В докладе приводятся некоторые опенки необходимых для этого частот и мощностей 84 поля .

–  –  –

Эксперименты по выяснению эффективности параметрического нагрева и возможности повышения энергосодержания плазмы проводились на Q -машине по следующей схема. В измерительном объеме устанавливался стационарный лоток плазма путем непрерывной генерации заряженных частиц на нагретом ионизаторе, их движения вдоль сильного магнитного поля (Н0«5кэ) и рекомбинации на холодном торцевом электроде. При этом начальные параметры плазмы составляли: радиус плазменного шнура а=*3 см, длина г-яура L ~ 210 см, плотность плазмы П^

- Ю - Ю ^ с ы ", начальная температура Т е = Т.=0,3 эв, рабочий газ - цезий. Затем в рабочую камеру посредством торцевого электрода вводилась высокочастотная мощность (Р=2*3вь, /о 2*10 -10 гп) и, при неизменных условиях генерацвм ллазмы, исследовалось изменение её параметров в зависимости о» частоты ш величины ВЧ полей, напряженности магнитного поля. Измерения основных параметров плазмы - плотности, электронной температуры, плавающего и пространственного потенциалоз плазмы - проводились с помощью стандартной зондовой методики .



Применялись одиночные и двойные лзнгмюровские зонды, изготовленные из молибденовой проволоки 0 0,5 ым с длиной открытой части 5 им. Они были установлены на оси инура в трех сечениях, удаленных на расстояния 36, 123 и 183 зм от ионизатора. Зондовые характеристики записывались с помощью двухкоординатного самописца и обрабатывались известным методон. Все измерения велись в квазинепрерывном режиме .

Экспериментальная зависимость электронной температуры от частоты внешнего поля при постоянной амплитуде ВЧ напряжения на холодном электроде ( Vo = 5в) представлена на рис I .

Она показывает, что наиболее сильная реакция плазмы на эде*нее ВЧ поле -наблюдается в диапазоне частот 10-100 мгц. При этом электронная температуре плазмы повышается до нескольких электронвольт. Наблюдаемый селективный нагрев плазмы мояет быть объяснен на основе теории параметрического резонанса в магнитоактивной плазме ' Л Согласно выводам теории при приближении частоты внешнего поля к одной из собственных частот плазмы в ней нарастают плазменнне колебания большой амплитуды.

Развмтяе ленгмюровской турбулентности ыагнитоактивной плазш, в ковечноы счете, приводит к нагреву, появлении энергичных электронов» Собственные частоты электронных колебаний магнитоантивной илазмы даются выражением:

где обозначения общепринятые, а 9 - угол между магнитным полем и волновым вектором колебаний К. Б условиях данного эксперимента ( & с е » Щ е ) нижняя ветвь высокочастотных плазценных волн описывается соотношением

–  –  –

диапазон частот 10 - I 0 8 гц, в котором наиболее ярко выражен нагрев плазмы, хорошо совпадает с областью собственных частот W3e^(iie-cos&. Значительная ширина резонансной области может быть связана с возбуждением в системе более коротковолновых колебаний с различный значением cos в. Следует отметить, что повышение плотности плазмы от /7^10 до /7 а*10 см" 3 не меняет физической картины параметрического резонанса и сопутствующего ему нагрева. В этом случае можно говорить о смешения средней рабочей частоты г сторону её увеличения в соответствии с соотношением Ш^ю^^Ух), Важным для проблемы нагрева плазмы является вопрос о количестве частиц, нагреваемых в режиме параметрической турбулентности. Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что значительная доля электронов плазмы нагревается ВЧ полем. Так, вольтамперная характеристика одиночного лентмюровского зонда в области задерживающих для электронов потенциалов, построенная в полулогарифмическом масштабе, хорошо апроксимируется прямой, что указывает на максвелловское распределение электронов по скоростям (рис.2). Отметим, что в ряде случаев, в особенности, при высоких уровнях вводимой ВЧ мощности и низкой плотности плазмы, наряду с нагревом основной массы электронов наблюдался хвост более энергичных электронов .





В режиме развитой параметрической турбулентности следует ожидать повышения уровня плазменных колебаний .

Экспериментальные исследования спектра колебаний плазмы показали, что в условиях резонанса, действительно, возбуждаются высокочастотные плазменные колебания и частотами, близкими к частоте внешнего генератора и её обертонам (рис.3). Вместе с теы, возбуждаются низкочастотные ионнозвуковые колебания с граничной частотой вблизи ШЦ. В принятой схеме распада Си0-—и^соз8+и3 энергия внешнего ВЧ поля перекачивается, в освовном, в высокочастотную ветвь плвзменных колебаний и, в конечном счете, передается электронам. При этом энергия "опасных" для диффузии низкочастотных иояно-звуковых колебаний монет быть достаточно мала. Что касается электронных ленгыюровских колебаний, то можно полагать, что они не приведут к силъвой диффузии плазмы благодаря их высокой частоте. Зто обстоятельство позволяет надеяться осуществить турбулентный нагрев электронов при сравнительно малых потерях плазш .

Измеренный спектр колебаний (рис.3) качественно указывает на то, что уровень плазменных высокочастотных колебаний вблизи частоты поля накачки Шо и его гармоник существенно выше уровня низкочастотных ионно-звуковых вол»

с частотами WsutL. в этих условиях, действительно, удается в несколько раз поднять энергосодержание ляазмы. На рис.4 представлены экспериментальные зависимости изменения величин П, Те и П-Те от подводимой к плазме ВЧ мощности. Измерения проводились в центре рабочей камеры, на оси шнура длиной I метр. Видно, что, начиная с некоторой пороговой мощности ( Р в З + ^. Ю ^ в т ), электронная температура резко повышается и при Р«*3 вт превышает начальную в несколько раз. Повышение температуры сопровождается уменьшением концентрации плазмы, однако, удельное энергосодержание плазмы п-Те, в целом, увеличивается .

Результаты измерений продольного распределения величин /7, Те и П-Те в шнуре длиной 210 см представлены на рис.5. Видно, что при наложении на плазму ВЧ мощности (Р«3 вт), концентрация вблизи ионизатора падает на 20-30J6, максимальное уменьшение плотности (~в 2-3 раза) наблюдается вблизи ВЧ электрода. Вместе с тем растет электронная температура так, что продольные градиенты температуры и плотности плазмы оказываются противоположно направленными* При атом удельное энергосодержание плазмы /7-7е растет на всех участках плазменного шнура и превышает исходное в 2-5 раз.

Измеренное продольное распределение удельной энергии плазмы хорошо апроксимируется экспоненциальным законом:

где (п7ё)0 - удельное энергосодержание плазмы при Z = 0;

•• - постоянная распада энергии плазмы вдоль Z .

Была измерена также зависимость энергосодержания плазмы от напряженности квазипостоянного продольного магнитного

-9~ поля в условиях, когда энергия ивгектируеиой плазмы и вводимая ВЧ мощность поддерживались постоянными. Оказалось, что в широком диапазове варьирования напряженности магнитного поля (Н0=г 1000-5000 эрстед) энергия, запасаемая в плазме при ВЧ накачке» меняется незначительно. Это обстоятельство указывает на то, что потери плазмы происходят, преимущественно, в продольном направлении» Грубая оценка энергетического времени "изни плазмы по балансу вкладываемой и запасаемой в плазме мощности показывает, что оно более чем на порядок превосходит пролетное время электронов /VT • Этот факт может служить основанием для гипотезы о пониженной продольной теплопроводности в исследуемой плазме. Аномальная теплопроводность может возникнуть благодаря высокой эффективной частоте столкновений, которой феноменологически описывается пронесен изменения энергии электронов в параметрически неустойчивой плазме. Поскольку коэффициент продольной теплопроводности "3tlt обратно пропорционален]^ (Щ^ ^Те,/)}Эф^ )» можно полагать, что в турбулентном режиме потери тепла существенно подавляются .

Экспериментально наблюдаемый продольный градиент электронной температуры (рис.5) в условиях, когда XeiL, может быть также объяснен в рамках этих предстазлений .

- 10 П. 0 возможности параметрического нагрева плазмы Ш г в торах при частотах, близких к 1л' ( /и/ На возможность использования параметрических неустойчивостей для нагрева плазмы в магнитных ловушках указывалось в ряде работ '^~*'. в данной работе мы обсудим перспективы использования параметрического нагрева в тороидальных системах при рабочих частотах, близких к нижней ветви высокочастотных плазменных волн. Рассмотрим следующие основные для проблемы нагрева вопросы .

а) Выбор рабочей частоты Шо для параметрического резонанса на нижней ветви высокочастотных плазменных волн определяется соотношением ПШ0 s О/ г ё (5) В тороидальных системах с малым fi обычно выполняется условие э с с е ^ Щ е »ч яо позволяет привести соотношение (5) к виду:

–  –  –

Следовательно, диапазон рабочих частот определяется областью существования медленных продольных волн в замагниченной плазме и охватывает широкую зону (6), в которой

–  –  –

волн легко возбуждается при /О'2 СО$6 1 (8) Экстраполяция результатов в область высокотемпературной дейтериево-тритмевой плазмы (у$7 -77j ) позволяет надеяться использовать для нагрева плазмы в торах излучение с частотами Wosi(-j^ — ^g)wLit которым при п^ З Л О 1 3 I. I O ^ C M " 3 соответствуют вакуумные длины волн А«3-10см .

Заметим, что частота основной моды плазменных воли ш(л' для которое можно считать K К (9 1о-Г (У? и Е - большой и малый радиусы тора, соответственно), равна и ^ е о — ^ ^ Ь » если иметь в виду реактор с размерами R = 500 см, 2 = 150 см .

Таким образом, требуемое для параметрического нагрева вблизи нижней ветви плазменных волн излучение должно иметь относительно малую рабочую частоту, более чем на порядок нлае циклотронной частоты Qce, что значительно упрощает проблему генераторов для ВЧ ?;агрева .

б) Длительность нагрева и необходимая ВЧ мощность. 6 связи с требуемым высоким энерговкладом в реактор ( Р— о =а!С дж) методы кратковременного нагрева приводят к необходимости ввода труднореализуемых больших мощностей, что дает определенное преимущество квааистацнонарным методам нагрева. Если яо соображениям, приведенным выше, время жизни существенно не упадет в процессе длительного параметраческого нагрева (Та1 сек), то можно рассчитывать на возможность обеспечения требуемого энерговклада при работе на плазму ВЧ генераторов с общей мощностью порядка нескольких десятков мегаватт. Как известно -^Л такие мощности, в принципе, могут быть получены с помощью нескольких современных генераторов сантиметрового диапазона длин волн* Следует отметить высокую экономичность обсуждаемого метода нагрева, обусловленную, с одной стороны, сравнительно малыми потерями излучения в ВЧ контурах при волноводном способе запитки, и, с другой стороны, высокой эффективностью параметрического воздействия. Приводимая в ряде работ оценка эффективности параметрических методов нагрева составляет I5L «5QJS Специфической особенностью параметрических яеустойчивостей является необходимость превышения некоторого порогового поля, определяемого диссипацией из-за столкновений .

Как известно, при ^ei(J^o пороги параметрических неустойчивостей могут быть очень низкими и обычно соответствуПри U&«2.IQ 1 0 с е к " 1, ют значениям Епор 10" • ~ ^ i/Te \/Те агб.Ю см/сек пороговое поле составляет величину кв/см. Это? порог может быть значительно превзойЕпорт1 ден при нагреве плазмы в крупномасштабных торах ВЧ излучением с мощностью порядка несколько десятков мегаватт .

в) Проблема взвода ВЧ мощности в плазму является одной из важных на пути к осуществлению эффективного ВЧ нагрева. Согласно представлениям линейной теории диапазон

- 13 нижних гибридных частот неблагоприятен для проникновения поперечного электромагнитного поля - закриаическая плазма экранирует его на длине ~ Уш^е • Имеется несколько предложений обеспечить проникновение излучения за счет замедления волны до фазовых скоростей, приближающихся к тепловой скорости частяп ' ' * Однако, нам представляется более целесообразным использовать для глубинного нггрева плазменного шнура обнаруженный в последнее время эффект нелинейного просветления плазменного слоя при выоокой интенсивности Ш излучения. Он наблюдался в экспериментах Баранова и Силина //7/ в бесстолкновительяой плазме в условиях, когда диссипация носила аномальный характер. Как полагают эти авторы, в результате параметрической турбулентности плазменный слой из бесстолкновительного превращается з слой с высокой частотой рассеяния частиц. Яри этоа эффективная длина свободного пробега электровоз значительно уменьшается ( У[} « L ) и оказывается возможны» npoieкание процессов, аналогичных процессам самофокусировки из-за неоднородного нагрева плазмы. Повышение давления электронного газа в области выделения энергий приводит к выносу вещества (уменьшению концентрации) из области нагрева и к квазиволноводкоыу распространению излучения в плазие. Следует отметить, что наблюдаемое в описанных вами экспериментах на ^-машине локальное падение плотности плазмы в сильно нагреткх областях инура вблизи источника ВЧ излучения также может быть гягордретировано как вынос вещества из области нагрева при

- 14 В заключение отметим, что для правильной опенки перспектив использования параметрического нагрева необходимы еще дальнейшие экспериментальные исследования в условиях тороидальных систем .

- 15 ЛИТЕРАТУРА

1. B,Canotobio. Inrited report at the YI European Conference OB Controlled fusion and Plasma Physics, Moscow, 1973 .

2. В.П.Силин. Параметрическое воздействие излучения большой мощности на плазму. Москва, изд. "Неука", 1973 .

3. M.Porkolab. Huclear Fusion, 12, 329, 1972 .

4. P.M.Батанов, В.Е.Голант. Доклад на XI Международной конференции по явлениям в ионизованных газах, Прага, 1973 .

5. Annual Report of Plasma Physios Laboratory, Princeton, USA, MaMUfr.30, 1973, p.47Т.Стикс. Теория плазменных волн. Москва, Атомиздат,1965 .

7. Г.М.Батанов, В.А.Силин. Труды ФИАН СССР им. П.Н.Лебеде— ва, 73, 87, 1973 .

8. Р.А.Демирханов, Г.Л.Хорасанов, И.К.Сидорова. ЖЭТФ, 59, 1873, 1970 .

9. Р.А.Демирханов, Г.Л.Хоресанов. Теплофизика высоких температур, 10, 1139, 1972; П, 1109, 1973 .

- 16 i»' J pe f0, гц Рис.1. Зависимости температуры электронов (кривая I) и амплитуды НЧ колебаний (кривая 2) плазмы от частоты внешнего электрического поля. Сплошные кривые - усредненные экспериментальные данные; пунктир - экстраполяция в неисследованную область частот; точки - данные эксперимента на частоте З Л О гц .

Рис.2. Вольтамперные характеристики одиночного ленгкюровского зонда. I - в отсутствии ВЧ поля, 2 - в условиях накачки ВЧ мощности Pg V *3 вт с частотой 31 Мгц. На верхнем рисунке представлена обработка электронной ветви кривой 2 в области задерживающих потенииалс *

- 17

–  –  –

Рис.5. Продельное распределение в однородном магнитном поле (Н 2 =5кэ) электронной температуры Те, плотности П и энергосодержания плазмы я-Те в условиях параметрической накачки ВЧ мощности P e v ^ « З в т, / О = 3 1 Игц. Тео, /7 0, пв-1ео - температура, плотность и энергосодержание плазмы при Рдо=О, соответственно .

Ответственный за выпуск Г.Л.Хорасанов Т-СМ90 от 6.08.74- г. Зак. 1513. Тираж 130 экз .

Объем ок. 3/4 уч.-изд.л.Цена 10 коп.




Похожие работы:

«ОПИСАНИЕ ТИПА ЕДИНИЧНОГО ЭКЗЕМПЛЯРА СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ~~:~;~~.~~~ведевских 2005 г. Система автоматизированная информационно-измерительная Внесена в Государственный реестр коммерческого учета электроэнергии и средств измерений ~ Регистрационный N!! S()~~&~Os мощности филиала ОАО "Иркутскэнерго" "ТЭЦ-l О" АИИС КУЭ ТЭЦ-l...»

«"УТВЕРЖДАЮ" Директор МАОУ ЦПК _Изюмов Ю. П. "" 2012 г. ПУБЛИЧНЫЙ ОТЧЕТ муниципального автономного образовательного учреждения дополнительного профессионального образования (повышения квалификации) специалистов "ЦЕНТР ПОВЫШЕНИЯ КВАЛИФИКАЦИИ...»

«1 7-9 24% 55% 21% Адлер А. Практика и теория индивидуальной психологии. М.: Прогресс, 1995. 296 с 2. Анохин П.К. Принципиальные вопросы общей теории функциональной системы // 3. Принципы системной организации функций. М.: Наука, 1973. С. 45-68. Асмолов А. Г. Вероятностное прогнозирование в деятельно...»

«О П И СА Н И Е ТИПА СРЕДСТВ И ЗМ ЕРЕН И Й Рук^ййдаяв#€йщ ''штшт Установки для контроля качества транс­ Внесены в Государственный Реестр средств форматорного масла АСТ-2М измерений _,о Регистрационный № j )~t ( t ^ t Взамен № Выпускаются по техническим условиям ТУ 3185.803.13670860....»

«Ю.И. Ветошкин, И.В. Яцун, Ю.И. Цой УДК 674.093.26 Ю.И. Ветошкин, И.В. Яцун, Ю.И. Цой КОМПОЗИЦИОННЫЙ СЛОИСТЫЙ МАТЕРИАЛ "ФАНОТРЕН" Введение. Разнообразие ассортимента слоистого композиционного материала (фанеры) обусловливается широтой его использования в различных отраслях промышле...»

«30 июня, No 90 Конец дисконтов Offices / Реальная стоимость аренды московских офисов увеличилась на 10—20%. General "Строймонтаж" построит высочайший небоскреб в Западной Европе Французская "дочка" российской компании "Строймонтаж"...»

«Мищенко Илья Никитич Развитие многоуровневых моделей магнитной динамики однодоменных частиц для описания кривых намагничивания и мёссбауэровских спектров магнитных наноматериалов Специальность 05.27....»




 
2019 www.mash.dobrota.biz - «Бесплатная электронная библиотека - онлайн публикации»

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 1-2 рабочих дней удалим его.