МГД-Неустойчивости - Бейтман Г.
Скачать (прямая ссылка):
осциллирующие винтовые возмущения полоидального магнитного поля, называемые колебаниями Мирнова. Особенно отчетливы эти колебания в начале разряда, когда они быстро эволюционируют во времени, проходя через серию полоидальных волновых чисел, начиная часто ст^би доходя до т — 2 или 3, как это показано на рис. 1.5 из работы [29], Обычно винтовые возмущения имеют тороидальное волновое число л—1. Возмущения максимальны по величине и имеют регулярную структуру на внешней стороне тора. Иногда в одно и то же время присутствует несколько гармоник, часто сцепленных по фазе, а иногда структура не является чисто синусоидальной ни в пространстве, ни во времени.
После прохождения через эту начальную последовательность мод колебания обычно превращаются в отдельную моду, стационарную или со слабо меняющейся амплитудой, которая осциллирует на частоте порядка 10 кГц. Эти колебания, по-видимому, являются результатом вращения винтовой структуры в направлении диамагнитного дрейфа электронов, если температура в токамаке высока, или в противоположную сторону в токамаках с 7V^l(H) ^B. Пока не выяснено, является ли направление вращения тороидальным или полоидальным—возможно, что оно тороидальное. Скорость вращения уменьшается, когда амплитуда возмущений начинает нарастать, особенно непосредственно перед срывом. При желании вращение можно остановить, накладывая винтовые возмущения с помощью внешних обмоток. Однако амплитуда при такой
15
процедуре обычно не затрагивается, что хорошо видно при включении и выключении внешнего возмущения.
Если амплитуда колебаний Мирнова становится больше одного процента от поля тока, время удержания энергии плазмы падает, а общее электрическое сопротивление увеличивается. Вообще амплитуда колебаний становится больше в разрядах с большим током, высоким содержанием примесей и высокой плотностью. Однако предыстория разряда также сказывается на амплитуде колебаний. Например, С. В. Мирнов и И. Б. Семенов [29] обнаружили, что колебания т^=2 становятся чрезмерно большими, когда тороидальный ток увеличен так, что ц вблизи границы плазмы приближается к 2. Но если наложить всплеск тока, чтобы быстро пройти через барьер <7 = 2, то амплитуда колебаний остается на приемлемо низком уровне. Амплитуда колебаний, по-видимому, чувствительна к профилю тока и нечувствительна к положению проводящей стенки, если только стенка находится не непосредственно у границы плазмы. Однако так как нет прямого способа для измерения профиля тока в высокотемпературной плазме токамака, об этом профиле можно судить только по неполным данным (например, предположив, что электрическое ноле однородное, а проводимость — спитцеровская с некоторым разумным профилем примесей). Отсутствие надежных диагностик и то обстоятельство, что не полностью понятые процессы переноса, по-видимому, играют большую роль в медленной эволюции иэлсбапий Мирнова, делают чрезвычайно трудной надежную стыковку теории и эксперимента.
Вопрос 1.2.4, Можно ли восстановить винтовое возмущение- тока гшутри плазмы, имея достаточно подробные измерения винтоїшх возмущений магнитного поля шге плазмы? Можно ли определить радиус г,} для возмущения тока вида б (г—ro)sm(m9—kz) а цилиндрическом плазменном шнуре из измерений поля вне плазмы?
Пилообразные колебания. Применение скоростной фотосъемки и измерения магнитных возмущений все яснее показывали, что внутри нормальной плазмы токамака имеются внутренние винтовые структуры. Дальнейшие указания па наличие внутренней структуры поступили при зондировании плазмы ионными пучками [36], микроволнами и зондами, которые можно было вводить в небольших токамаках с более холодной плазмой. Однако возможности этих методов измерений ограничены, и они трудны для повседневного использования, В области диагностики произошел прорыв, когда фон Геллер, Стодиек и Саутоф f34] впервые использовали поверхностно-барьерные кремниевые детекторы для наблюдений регулярных колебаний на мягком рентгеновском излучении из плазмы. Этот чувствительный диагностический метод обнаружил, что внутри обычной плазмы токамака имеется значительный уровень разнообразных неустойчивых переменчивых движений.
Термин «мягкое рентгеновское излучение» обычно применяется к рентгеновским лучам с энергией от 2 до 20 кэВ, в то время как
16
Рис. 1 6. Осциллограммы колебании Мирной а (вверху) и рентгеновские сигналы, полученные с разных хорд сечения плазмы, для двух типов разряда и ORMAK, (/=155 кA1 B7 =21,6 кгс, ?,1 = 4,6, р=4,1-Ю-і мм pi\ er.)
«жесткое излучение» соответствует энергии выше 100 кэВ. Большая часть мягкого рентгеновского излучения исходит от электронов при их захвате ионами примесей (переход из свободного в связанное состояние), меньшая обязана спектральным линиям примесей (переход с уровня на уровень) и, наконец, совсем малая доля исходит из тормозного излучения (переход между свободными состояниями)—особенно у водорода. Обычно рентгеновское излучение более низкой энергии отфильтровывают, так как оно связано со спектральными линиями излучения, которые слишком чувствительны к деталям ионизационных состояний и составу плазмы. Излучение очень большой энергии, источником которого являются убегающие электроны, свободно проходит через детектор. Так как основная часть рентгеновскою излучения исходит из наиболее горячей и плотной части плазмы, в сигнал каждого детектора наибольший вклад дает та часть луча зрения, которая проходит ближе всего к центру плазмы. Разрешение от хорды к хорде составляет обычно 1 см.
