Исследование плазмы токамака «Глобус-М» с помощью болометрической диагностики

В последнее время при разработках техники и технологии управляемого термоядерного синтеза повышенное внимание уделяется исследованиям физики плазмы в сферических токамаках [1].

Данные установки, характеризующиеся близкими значениями малого, а и большого R радиусов, обладают возможностью работы с высоким отношением Р газокинетического пТ и магнитного В /8 л: давлений, что позволяет создавать более компактные и экономичные токамаки. Первые эксперименты, выполненные на токамаке START, и последующие на токамаках MAST и NSTX подтвердили предсказываемые теорией хорошие МГД устойчивость и удержание плазмы [1−4]. Для проведения программы сферических токамаков в Физико-техническим институте им. А. Ф. Иоффе РАН был запущен токамак Глобус-М [5]. Экспериментальные исследования физики сферических токамаков на нем, по сути, только начинаются.

Получение сведений об энергобалансе плазмы является одной из основных задач на данном этапе. Ее решение предполагает, наряду с изучением транспортных свойств плазмы, определение радиационных потерь, обусловленных тормозным и линейчатым излучением примесей. К моменту начала диссертационной работы данные о временах удержания в плазме сферических токамаков с учетом радиационных потерь были ограничены, а на российских установках — вообще отсутствовали.

Для измерения радиационных потерь на токамаках были разработаны несколько типов болометрических диагностик [6]. Каждый из болометров: металлический, пироэлектрический, полупроводниковыйобладает определенными достоинствами и недостатками, но ни один из них не является универсальным, что приводит к необходимости выбора схемы болометрической диагностики в зависимости от параметров плазменной установки. (СТ) Первые данные о радиационных потерях получены на сферических токамаках совсем недавно [7]. Разработка болометрической диагностики для СТ сопровождается дополнительными сложностями в связи с относительной чистотой плазмы и малым уровнем излучения.

Данная диссертация посвящена разработке болометрической диагностики и экспериментальному исследованию радиационных потерь в плазме сферического токамака Глобус-М.

Новизна полученных результатов состоит в следующем:

1. Получены первые данные об абсолютных значениях мощности радиационных потерь в плазме сферического токамака «Глобус-М», которые свидетельствуют о низкой концентрации примесей в разряде.

2. Созданы широкообзорные и коллимированные пироэлектрические болометры, способные работать в условиях интенсивных звуковых помех на токамаках. Разработанные датчики обеспечивают рекордный частотный диапазон до 40 кГц, который открывает возможность их применения для изучения МГД-процессов.

Практическая значимость работы заключается в создании комплекса аппаратуры, способного проводить абсолютные измерения мощности радиационных потерь в сферическом токамаке. Впервые, данные о радиационных потерях позволили уточнить транспортные характеристики плазмы СТ Глобус-М. Показана возможность применения болометров с широким частотным диапазоном для изучения МГД-процессов. Разработанные методы могут быть использованы и на других, в том числе не сферических токамаках.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.

Основные результаты работы состоят в следующем:

1. Проведены первые экспериментальные исследования радиационных потерь плазмы в омических режимах сферического токамака «Глобус-М». Показано, что радиационные потери составляют около 30% от омической мощности. Зарегистрированный уровень радиационных потерь требует учета данного фактора при определении энергетического времени жизни плазмы.

2. Разработана оригинальная аппаратура для измерений радиационных потерь. Широкообзорный датчик позволил наблюдать до 80% излучающего объема плазмы, что существенно повышает надежность и достоверность данных об интегральном излучении плазмы.

3. Разработана методика определения абсолютной мощности радиационных потерь, основанная на калибровке по ионизационному пику сигнала излучения болометра, которая проводится в процессе экспериментов на токамаке. Предложенный метод позволяет учесть изменения чувствительности болометра в результате изменения поглощающих свойств поверхности и вести мониторинг чувствительности болометра.

4. Достигнутые высокие чувствительность и помехозащищенность пироэлектрического болометра позволили расширить частотный диапазон до 40 кГц, что сделало возможным применение болометра для изучения МГД.

64 процессов в плазме. Выполненное измерение частоты основной моды МГД-колебаний дало результат в 18,3 кГц, что совпало с данными магнитной диагностики.

Завершая изложение работы, хотелось бы выразить благодарность всем коллегам, помогавшим мне в работе и оказавшим влияние на ее результаты.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации изложены основные результаты, полученные автором при исследованиях радиационных потерь плазмы токамака «Глобус-М» с использованием пироэлектрического болометра. Описываются также оригинальные разработки экспериментальной техники и методики болометрических измерений. Рассмотрены особенности применения болометров на сферических токамаках.