ИОФ РАН
Электронно-циклотронный нагрев на второй гармонике: возможный негативный эффект трансформации мод вблизи резонанса
Пресс-релиз публикации: M. Tereshchenko. Second-harmonic electron-cyclotron resonance heating: A possible impact from mode coupling near the resonance. Physical Review E – 2023. – 107(5). – 055209. DOI: 10.1103/PhysRevE.107.055209
Исследован эффект линейной трансформации собственных волновых мод в неоднородной магнитоактивной плазме вблизи резонанса на второй гармонике электронно-циклотронной (ЭЦ) частоты при перпендикулярном распространении СВЧ пучка по отношению к внешнему магнитному полю. Рассмотренный эффект отсутствует в приближении холодной плазмы, и поэтому он был малоизвестен даже среди специалистов. Суть эффекта – сильное искажение дисперсионных свойств быстрой необыкновенной волны в условиях значительной неэрмитовости дисперсионного тензора плазмы вблизи данного резонанса и вызванное этим локальное совпадение законов дисперсии сильнозатухающей необыкновенной и слабозатухающей обыкновенной волн (Рисунок 1). Практическое значение данного эффекта заключается в возможном нежелательном уширении радиального профиля энерговклада при ЭЦ нагреве плазмы в установках с магнитным удержанием (токамаки, стеллараторы, открытые ловушки). Это связано с тем, что часть мощности вводимого СВЧ пучка, приходящаяся на обыкновенную моду, слабо поглощается при первом проходе через зону резонанса, а рассеивается и постепенно затухает во всем объеме плазмы после многократных отражений от внутренних стенок камеры. Условия же, при которых эффект существует, реализуются как раз в самой распространенной схеме ЭЦ нагрева плазмы: вблизи резонанса на второй гармонике ЭЦ частоты с вводом СВЧ пучка с чисто необыкновенной модой почти перпендикулярно магнитному полю.
Эффект, названный в статье «неэрмитова трансформация мод», был исследован теоретически и численно с помощью усовершенствованной асимптотической техники, основанной на коротковолновом параксиальном приближении теории волн. Были получены уравнения, описывающие эволюцию амплитуд взаимодействующих волновых мод при произвольной неортогональности их поляризаций вследствие неэрмитовости плазмы и при произвольных прочих характеристиках СВЧ пучка (поперечные размеры, кривизна волнового фронта). Анализ параметров, ответственных за интенсивность обмена энергией между модами, показал следующее: среди разнообразных типов неоднородности плазмы и магнитного поля, встречающихся в трехмерных магнитных конфигурациях, только величина неоднородности магнитного поля вдоль его силовых линий влияет на обмен энергией. Параметры СВЧ пучка также не влияют на эффективность трансформации. Численное интегрирование полученных уравнений было проведено при максимальных значениях параметра продольной неоднородности поля, которые встречаются среди существующих тороидальных установок (а именно, в стеллараторах типа «гелиак»), в актуальном диапазоне электронных концентраций и температур. Установлено, что в условиях экспериментов на токамаках и стеллараторах, при температурах электронов, превышающих 200 эВ, эффект неэрмитовой трансформации мод незначителен из-за опережающего резонансного поглощения необыкновенной волны. В открытых же ловушках вблизи магнитных пробок продольная неоднородность магнитного поля может быть выше на 1 – 2 порядка величины, и поэтому в них данный эффект может существенно ухудшать качество нагрева. Таким образом, в открытых ловушках надо избегать схем ЭЦ нагрева на второй гармонике со строго поперечным распространением СВЧ пучка; в тороидальных установках, в том числе и в стеллараторе Л-2М (ИОФ РАН), такая необходимость отсутствует.
Пресс-релиз подготовил ведущий научный сотрудник отдела физики плазмы ИОФ РАН, кандидат физико-математических наук М. А. Терещенко.
Рис. 1. Слева: зависимости квадратов показателей преломления необыкновенной (снизу) и обыкновенной (сверху) волновых мод от квадратов отношений ЭЦ частоты к частоте волны (u) и электронной плазменной частоты к частоте волны (q). Справа: зависимость коэффициента резонансного поглощения необыкновенной волны (для обыкновенной волны он меньше в 500 – 800 раз). Температура электронов – 1 кэВ; она определяет ширину пиков, но не их высоту, т.е. эффект пересечения дисперсионных поверхностей существует при любых температурах. (Источник: M. Tereshchenko. Second-harmonic electron-cyclotron resonance heating: A possible impact from mode coupling near the resonance. Physical Review E – 2023. – 107(5). – 055209. DOI: 10.1103/PhysRevE.107.055209)