Резонансное поглощение и линейная трансформация электромагнитных волн электронного циклотронного диапазона частот при квазипродольном распространении в магнитоактивной плазме

• Автор: Господчиков, Егор Дмитриевич
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 132 с. : ил.

Глава I. Циклотронное поглощение электромагнитных волн в плотной магнитоактивной плазме при квазипродольном распространении
1.1 Дисперсионные свойства холодной магнитоактивной плазмы при квазипродольном распространении волн
1.2 Дисперсионное уравнение для квазипродольного распространения замедленных электромагнитных волн в магнитоактивной плазме с максвелловским распределением электронов по скоростям

1.3 Решение приближённого дисперсионного уравнения в предельных случаях

«Большие» углы распространения

Малые углы распространения

Крылья линии поглощения

1.4 Численное решение приближённого дисперсионного уравнения

1.5 Заключение к главе

Глава II. Лучевые траектории и электронно-циклотронное поглощение в аксиально-симметричной магнитной ловушке
2.1. Численная модель распространения и поглощения электромагнитного излучения в аксиально-симметричной магнитной ловушке
2.2 Нагрев плазмы с плотностью ниже критической
2.3 Лучевые траектории и циклотронное поглощение в закритической плазме типичной аксиально-симметричной магнитной ловушки
2.4 Условия эффективного циклотронного поглощения вводимого излучения в закритической плазме магнитной ловушки
Вводимый пучок
Параметры плазмы и магнитного поля ловушки
2.5 Заключение к главе II
Глава III. Линейная трансформация электромагнитных волн в двумерно-неоднородной магнитоактивной плазме
3.1. Особенности линейного взаимодействия О- и Х-волн в двумернонеоднородной магнитоактивной плазме
3.2 Эталонное волновое уравнение
3.3 Решение эталонной системы уравнений
3.4 Распределение электрического поля в ВКБ области эталонного волнового уравнения
Связь между функциями Грина для случаев О-Х и Х-0 трансформации
Коэффициент трансформации
Оптимальный пучок
Переход к одномерному случаю
3.5. Трансформация гауссовых пучков
Распределение полей в прошедшем и отраженным пучках
Коэффициент трансформации для гауссовых пучков

3.6 Учет влияния полоидального магнитного поля и неоднородности магнитного поля по направлению на линейную трансформацию в двумернонеоднородной плазме
Модельное волновое уравнение в токамакоподобной геометрии
Влияние малого полоидального магнитного поля на основные параметры
распределений полей в трансформировавшихся пучках
Расчет параметров двумерной трансформации в сферическом токамаке на
примере токамака MAST
3.7. Заключение к главе III
Заключение
Список Литературы

Предметом исследований данной диссертации являются электромагнитные волны электронного циклотронного (ЭЦ) диапазона частот, распространяющиеся в нерелятивистской магнитоактивной плазме под малыми углами к магнитному полю.
Распространение и линейное резонансное поглощение электромагнитных волн электронного циклотронного (ЭЦ) диапазона частот исследуется в течение длительного времени, и основные результаты этих исследований вошли в монографии и учебники (например [1-3]). Интерес к этой проблеме обусловлен как важными прикладными задачами, связанными с высокочастотным нагревом и диагностикой плазмы в магнитных ловушках различной конфигурации, так и возможностью интерпретации широкого круга явлений в лабораторной и космической плазме. Вместе с тем, ряд вопросов до сих пор остался невыясненным. В частности, достаточно большой круг таких вопросов связан с циклотронным нагревом и диагностикой плазмы с плотностью, выше критической ]Уе > Nc = со2те/(Але2).
В аксиально-симметричных магнитных ловушках с продольным вводом СВЧ мощности для плазмы с плотностью выше критической, с одной стороны, не существует теоретических запретов на распространения в резонансной области волн, в которых направление вращения вектора электрического поля Е совпадает с направлением вращения электрона в постоянном магнитном поле и которые эффективно поглощается в области циклотронного резонанса (т.н. “правая” или “электронная” поляризация). С другой стороны, известные экспериментальные результаты по ЭЦ нагреву в аксиально-симметричных ловушках позволяют сделать вывод о невысокой эффективности нагрева плазмы с плотностью выше критической [4-6]. Таким образом, существует необходимость в подробном теоретическом исследовании процессов распространения и поглощения волн в характерном для продольного ввода СВЧ излучения в прямую магнитную ловушку случае, когда угол между волновым вектором волны и внешним магнитным полем мал. Подобное исследование осложняется тем, что полученный методом возмущений в пределе плотной плазмы хорошо известный коэффициент циклотронного поглощения медленной моды на первой гармонике [1,7-10] при

Таким образом, результаты модельных расчетов показывают, что при плотностях, больших критической, к области гирорезонанса типичной аксиально-симметричной магнитной ловушки проходит очень малая часть лучей с правой (электронной) поляризацией. Какая-то доля энергии может быть поглощена в областях верхнего гибридного резонанса, однако этот вопрос требует отдельного рассмотрения, которое выходит за рамки данной диссертации.
2.4 Условия эффективного циклотронного поглощения вводимого излучения в закритической плазме магнитной ловушки
В разделе 2.3 мы моделировали распространение и электронное циклотронное поглощение в плазме конкретной магнитной ловушки [6], и для условий этой аксиально-симметричной ловушки было показано, что область циклотронного резонанса на оси ловушки, в том случае, когда она расположена в закритической плазме, оказывается труднодоступной для вводимого из вакуума электромагнитного излучения. Однако, в работе [37], в которой рассматривалось распространение геометрооптических лучей вблизи области циклотронного резонанса, было показано, что в плазме с плотностью выше критической, если пренебречь неоднородностью плотности плазмы и направления магнитного, геометрооптические лучи затягиваются в область резонанса на оси системы в том случае, когда на оси магнитное поле максимально, и отталкиваются о точки резонанса на оси системы, когда магнитное поле имеет минимум на оси.
В данном разделе мы воспользуемся возможностями численного моделирования и рассмотрим влияние на картину лучевых траекторий тех или иных отдельно взятых параметров. Таким образом, рассмотрим, какие из факторов, присущих реальному распределению магнитного поля и плотности плазмы в аксиально-симметричной магнитной ловушке, но не учтённых в упоминавшейся выше модели [37], приводят к тому, что лучи в закритической плазме вытесняются на периферию плазмы. В результате такого анализа предложен ряд способов по увеличению эффективности ЭЦР нагрева закритической плазмы в аксиально-симметричной магнитной ловушке. При этом