ЭВОЛЮЦИЯ МАТЕМАТИЧЕСКИХ И ТЕХНИЧЕСКИХ АСПЕКТОВ ДИАГНОСТИКИ ПЛАЗМЫ С ПОМОЩЬЮ ПУЧКА ТЯЖЕЛЫХ ИОНОВ
(Стр. 31-57)

Подробнее об авторах
Мельников Александр Владимирович заместитель руководителя отделения токамаков Курчатовского комплекса термоядерной энергетики и плазменных технологий НИЦ «Курчатовский институт»; профессор кафедры физики плазмы
НИЦ «Курчатовский институт»; Национальный ядерный университет МИФИ
Чтобы читать текст статьи, пожалуйста, зарегистрируйтесь или войдите в систему
Аннотация:
В работе проанализирован путь развития диагностики термоядерной плазмы с помощью пучка тяжелых ионов в применении к замкнутым системам магнитного удержания плазмы. Рассмотрены математические основы диагностического метода зондирования плазмы пучком тяжелых ионов и обратные задачи обработки результатов экспериментов, у истоков которых стоял профессор Юрий Николаевич Днестровский. Описаны диагностические комплексы для зондирования плазмы токамаков ТМ-4, TJ-I, ТУМАН-3 и Т-10, стеллараторов WEGA, TJ-II и Ураган-2М, созданные при поддержке Ю.Н. Днестровского. Приведены примеры результатов измерений стационарных профилей потенциала и его осциллирующей компоненты в виде квазимонохроматических и широкополосных колебаний. Также приведены результаты перспективных проектных работ по применению зондирования плазмы пучком тяжелых ионов для различных действующих современных установок, таких как TCV, TCABR, MAST, COMPASS, GLOBUS-M и W7-X и создаваемого термоядерного экспериментального токамака-реактора ITER.
Образец цитирования:
Мельников А.В., (2018), ЭВОЛЮЦИЯ МАТЕМАТИЧЕСКИХ И ТЕХНИЧЕСКИХ АСПЕКТОВ ДИАГНОСТИКИ ПЛАЗМЫ С ПОМОЩЬЮ ПУЧКА ТЯЖЕЛЫХ ИОНОВ. Computational nanotechnology, 1: 31-57.
Список литературы:
Тихонов А.Н. Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач. М.: Наука, 1979.
Днестровский Ю.Н., Костомаров Д.П., Мельников А.В. Математические задачи активной корпускулярной диагностики плазмы // Вестник Моск. ун-та. 1979. Сер. 15: Вычисл. матем. и киберн. № 3. C. 20-28.
Melnikov A.V. Applied and fundamental aspects of fusion science // Nature physics. 2016. V. 12. P. 386-390.
Van Oost G. Importance of radial electric fields for magnetically confined plasmas. This issue. Р. 82-90.
Кадомцев Б.Б. Коллективные явления в плазме. М.: Наука, 1988.
Burrell K.H. Carlstrom T.N., Doyle E.J., et al. Physics of the L-mode to H-mode transition in tokamaks // Plasma Phys. Control. Fusion. 1992. V. 34. P. 1859.
Tendler M. Major achievements and challenges of fusion research // Phys. Scr. 2015. V. 90. P. 098002.
Мельников А.В. Исследование электрического потенциала термоядерной плазмы с магнитным удержанием // Computational nanotechnology. 2017. Вып. 2. С. 13-23.
Dnestrovskij Yu.N., Melnikov A.V., Krupnik L.I. and Nedzelskij I.S. Development of Heavy Ion Beam Probe Diagnostics // IEEE Trans. Plasma Sci. 1994. V. 22. No. 4. P. 310-331.
Jobes F.C. and Hickok R.L. A direct measurement of plasma space potential // Nucl. Fusion. 1970. V. 10. P. 195-197.
Бугаря В.И., Горшков А.В., Грашин С.А. и др. Электрический потенциал и скорость тороидального и полоидального вращения в токамаке // ЖЭТФ Письма. 1983. Т. 38. № 7. С. 337-341.
Bugarya V.I., Gorshkov A.V., Grashin S.A. et al. Measurements of plasma column rotation and potential in the TM-4 Tokamak // Nucl. Fusion. 1985. V. 25. № 12. P. 1707-1717.
Donné A.J.H., Melnikov A.V., Van Oost G. Diagnostics for radial electric field measurements in hot magnetized plasmas // Czech. J. Phys. 2002. V. 55. P. 1077.
Melnikov A.V. et al. Heavy ion beam probing - diagnostics to study potential and turbulence in toroidal plasmas // Nucl. Fusion. 2017, 57. Р. 072004.
Askinazi L.G., Kornev V.A., Lebedev S.V., et al. Heavy ion beam probe development for the plasma potential measurement on the TUMAN-3M tokamak // Rev. Sci. Instrum. 2004. V. 75. P. 3517.
Cabral J.A.C. et al, The Heavy Ion Beam Diagnostic for the tokamak ISTTOK // IEEE Transactions on Plasma Science, (Aug 1994), Vol. 22, Issue 4. Р. 350.
Бондаренко И.С., Губарев С.П., Крупник Л.И. и др. Диагностика плазмы пучком тяжелых ионов на токамаке T-10 // Физика плазмы. 1992. Т. 18. С. 110.
Melnikov A., Hidalgo C., Ido T., et al. Plasma Potential in Toroidal Devices: T-10, TJ-II, CHS and LHD // Plasma and Fusion Research. 2012. Vol. 7. Р. 2402114.
Мельников А.В., Дябилин К.С., Елисеев Л.Г., Лысенко С.Е., Днестровский Ю.Н. Измерения и моделирование электрического потенциала в стеллараторе TJ-II // ВАНТ, (2011) Серия: Термоядерный синтез. Вып. 3. С. 54-73.
Lei J., Shah U., Demers D.R., Connor K.A. and Schoch P.M. Calibration and initial operation of the HIBP on the MST // Rev. Sci. Instrum. 2001. V. 72. P. 564.
Yoshikawa M., Sakamoto M., Miyata Y., et al. Potential Fluctuation Study from the Core Plasma to End Region in GAMMA 10 // Nucl. Fusion. 2013. V. 53. P. 073031.
Dreval N., Krupnik L., Hidalgo C., et al. Features of HIBP diagnostics application to stellarator-like devices. // Problems Atomic Sci. Technol. 2005. No 2. Series: Plasma Physics (11). P. 223-225.
Днестровский Ю.Н., Крупник Л.И., Мельников А.В., Недзельский И.С. Определение плотности плазмы методом зондирования пучками тяжелых ионов // Физика плазмы. 1986. Т. 12, № 2. С. 223.
Schwelberger J.G., Aceto S.C., Connor K.A., et al. Electron density profile measurement with a heavy ion beam probe // Rev. Sci. Instr. 1990. V. 61. P. 2959.
Levinton F.M. The motional Stark effect: Overview and future development // Rev. Sci. Instrum. 1999. V. 70. P. 810.
Днестровский Ю.Н., Мельников А.В. Определение профиля тока в плазме методом зондирования пучком тяжелых ионов // Физика плазмы. 1986. Т. 12, № 6. С. 687.
Weisen H. et al. On the Possibility of Using a Heavy Ion Beam Probe for Local Poloidal Flux Measurements in a Tokamak // Fusion Sci. Technol. 2011. Vol. 59, № 2. P. 418-426.
Мельников А.В. Электрический потенциал в плазме тороидальных установок. Монография. М.: НИЯУ МИФИ, 2015. 260 с.
Melnikov A.V., Eliseev L.G, Jiménez-Gómez R., et al. Study of Alfvén Eigenmodes in the TJ-II stellarator // Plasma and Fusion Research. 2010. V. 5. P. S2019.
Simcic V.J. Crowley T.P., Schoch P.M., et al. Internal Magnetic and Electrostatic Fluctuation Measurements of MHD Modes in the TEXT Tokamak // Phys. Fluids B. 1993. V. 5. P. 1576.
Зенин В.Н. Геодезические акустические моды в токамаках. Настоящий выпуск. С. 108-113.
Melnikov A.V., Eliseev L.G., Lysenko S.E., Ufimtsev M.V., Zenin V.N. Study of interactions between GAMs and broadband turbulence in the T-10 tokamak // Nucl. Fusion. 2017. 57. Р. 115001.
Powers E.J. Spectral techniques for experimental investigation of plasma diffusion due to polychromatic fluctuations // Nucl. Fusion. 1974. 14. Р. 74.
Melnikov A.V., Eliseev L.G., Alonso A. et al. Plasma potentiprofi s and oscillati in ECRH and NBI plasmas in the TJ-II stellarator // 37th EPS Conf. on Plasma Physics. Dublin, 2010. Rep. P. 1.066.
Melnikov A.V. et al. Alfv’en Eigenmodes Properties and Dynamics in the TJ-II Stellarator // Nucl. Fusion. 2012, 52. Р. 123004.
Melnikov A.V. et al, The changes in plasma potential and turbulent particle flux in the core plasma measured by heavy ion beam probe during L-H-transitions in the TJ-II stellarator // Nuclear Fusion. 2013, 53. Р. 092002.
Eliseev L.G. et al. Study of GAMs and related turbulent particle flux with HIBP in the T-10 tokamak // Probl. At. Sci. Technol. Ser. Plasma Phys. 2017. Vol. 107, № 1. P. 241-243.
Eliseev L.G. et al. Measurement of geodesic acoustic modes and the turbulent particle flux in the T-10 tokamak plasmas // J. Phys. Conf. Ser. 2017. Vol. 907, № 1.
Eliseev L.G. et al. Measurement of geodesic acousti modes and the turbulent parti fl in the T-10 tokamak plasmas // XLIV международная (звенигородская) конференция по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу, М-24, 2017.
Хабанов Ф.О. Численный анализ локальности измерений колебаний плотности плазмы с помощью зондирования пучком тяжелых ионов. Настоящий выпуск. С. 25-30.
Zenin V.N. et al. Study of poloidal structure of geodesic acoustic modes in the T-10 tokamak with heavy ion beam probing // Probl. At. Sci. Technol. 2014. Vol. 94, № 6. P. 269-271.
Melnikov A.V. et al. The features of the global GAM in OH and ECRH plasmas in the T-10 tokamak // Nucl. Fusion. 2015. Vol. 55. P. 63001.
Bondarenko I.S., Krupnik L.I., Nedzel’skii I.S. and Mel’nikov A.V. Plasma probing with a heavy ion beam in the TM-4 tokama // Sov. Journal Tech. Phys. 1986. 31. Р. 1390. (Zhurnal tekhnicheskoi fiziki. 1986. 56 (12). Р. 2320-2328).
Бондаренко И.С., Крупник Л.И., Мельников А.В., Недзельский И.С. Диагностический комплекс и техника измерений параметров плазмы пучком тяжелых ионов на установке ТМ-4. III Всесоюзное совещание по диагностике высокотемпературной плазмы: сб. докладов. Дубна, 1983. С. 160.
Melnikov A.V. et al. HIBP diagnostics on T-10 // Rev. Sci. Instrum. 1995, 66. Р. 317.
Бондаренко И.С., Губарев С.П., Крупник Л.И., и др. Диагностика плазмы пучком тяжелых ионов на токамаке T-10 // Физика плазмы. 1992. Т. 18. С. 110.
Melnikov A.V., Kharchev N.K., Eliseev L.G., et al, Calibration of the heavy ion beam probe parallel plate analyzer using the gas target and reference beam // Rev. Sci. Instrum. 1997, 68. Р. 308.
Krupnik L.I., Melnikov A.V., Nedselskij I.S. Development of beam probe diagnostics and recent measurements on the TJ-1 and T-10 tokamaks // Fusion Engineering and Design. March 1997. Vol. 34-35. Рp. 639-644.
Melnikov A.V., Krupnik L.I., Nedzelskij I.S. and Kharchev N.K. Plasma potential measurements in the T-10 tokamak // Proceedings of the 18th EPS Conference on Control. Fusion and Plasma Physics. Berlin, Germany, 1991. Vol. 15 C, part IV. Р. 221.
Melnikov A.V. et al. Space and time evolution of plasma potential in T-10 // Proceedings of the 23rd EPS Conference on Control. Fusion and Plasma Physics. Kyiv, Ukraine, 1996. Vol. I. Р. 434.
Melnikov A.V., Tarasyan K.N., Vershkov V.A., et al. Space and time evolution of plasma potential in T-10 under variation of main gas influx // IEEE Transactions on Plasma Science. Aug. 1994. Vol. 22, Issue 4. Рp. 363-368.
Харчев Н.К. Коррекция тороидального смещения диагностического пучка тяжелых ионов. Настоящий выпуск. С. 58-61.
Драбинский М.А. Технические вопросы измерения электрического потенциала методом зондирования плазмы пучком тяжелых ионов. Настоящий выпуск. С. 62-70.
Bondarenko I.S. et al. Heavy ion beam probe diagnostics on TJ-1 tokamak and the measurements of the plasma potential and density profiles // Rev. Sci. Instrum. 1997. Vol. 68, № 1. P. 312-315.
Melnikov A.V. et al. Heavy ion beam probe systems for tight aspect ratio tokamaks // Rev. Sci. Instrum. 1997. Vol. 68, № 1. P. 316-319.
Krupnik L.I. et al. The heavy ion beam probing development for WEGA stellarator // Fusion Sci. Technol. 2006. Vol. 50, № 2. P. 276-280.
Podoba Y. et al. First HIBP results on the WEGA Stellarator // AIP Conference Proceedings. AIP, 2008. Vol. 993, № 1. P. 235-238.
Bondarenko I.S. et al. HIBP results on the WEGA Stellarator // Probl. At. Sci. Technol. Ser. Plasma Phys. 2009. Vol. 1, № 15. P. 28-30.
Крупник Л.И., Мельников А.В., Недзельский И.С., и др. Диагностика плазмы пучком тяжелых ионов на стеллараторе У-2М // Физика плазмы. 1994. Т. 20, № 2. С. 189.
Hidalgo С. et al. On the influence of ECRH on neoclassical and anomalous mechanisms using a dual heavy ion beam probe diagnostic in the TJ-II stellarator 2016 (26-th IAEA Fusion Energy Conf. (2016, Kyoto, Japan)) Rep. EX/P7-44, https://nucleus.iaea.org/sites/fusion- portal/Shared%20Documents/FEC%202016/fec2016-preprints/pre- print0209.pdf.
Melnikov A.V., Eliseev L.G, Jiménez-Gómez R. et al. Study of Alfvén Eigenmodes in the TJ-II stellarator // Plasma and Fusion Research. 2010. V. 5. P. S2019.
Melnikov A.V., Hidalgo C., Eliseev L.G., et al. Plasma potential and turbulence dynamics in toroidal devices (survey of T-10 and TJ-II experiments) // Nucl. Fusion. 2011. V. 51. P. 083043.
Melnikov A.V. et al, Study of NBI-driven chirping mode properties and radial location by the heavy ion beam probe in the TJ-II stellarator // Nucl. Fusion. 2016, 56. Р. 112019.
Alonso J.A. et al. Observation of oscillatory radial electric field relaxation in a helical plasma // Physical Review Letters. 2017, 118. Р. 185002.
Chmyga A.A. et al. PLASMA DIAGNOSTICS HEAVY ION BEAM PROBE DESIGN STUDY FOR TCABR // Probl. At. Sci. Technol. Ser. Plasma Phys. 2003. Vol. 1. P. 160-162.
Kuznetsov Yu.K. et al. Long-distance correlations in TCABR biasing experiments // Nucl. Fusion. 2012, 52. Р. 063004.
Melnikov A.V. et al. Heavy ion beam probe systems for tight aspect ratio tokamaks // Rev. Sci. Instrum. 1997. Vol. 68, № 1. P. 316-319.
Melnikov A.V., Perfilov S.V. Heavy Ion Beam Probe (HIBP) diagnostics design study for GLOBUS-M tokamak // 26th EPS Conference on Plasma Physics and Controlled Fusion, ECA 23J, 1999. P. 4.116.
Melnikov A.V. et al. Quasicoherent modes in the COMPASS tokamak // Plasma Physics and Controlled Fusion. 2015, 57. Р. 065006.
Seidl J. et al. Electromagneti characteristi of geodesic acousti mode in the COMPASS tokamak // Nucl. Fusion. 2017, 57. Р. 126048.
Siegrist M.R. et al. The Heavy Ion Beam Diagnostic Project for the TCV Tokamak // 21st IEEE/NPS Symposium on Fusion Engineering SOFE 05. IEEE. 2005. Vol. 0, № C. P. 1-4.
Melnikov A.V, Perfilov S.V, Sharapov S.E. Heavy ion beam probe for studying potential and turbulence on MAST // Proc. 37th EPS Conf. on Plasma Physics, ECA. 2010. Vol. 34A. P. 5.120.
Melnikov A.V, Perfilov S.V. Heavy ion beam probe for MAST // Rev. Sci. Instrum. 1999.
Melnikov A.V. et al. Physical Program and Conceptual Design of the Diagnostics of the T-15 Upgrade Tokamak // Fusion Engineering and Design. 2015, 96-97. Р. 306-310.
Meльников A.В., Eлисеев Л.Г., Лысенко С.E. и др. Дальние корреляции геодезических акустических мод в установке Т-10 // ВАНТ. Сер.: Термоядерный синтез. 2015. Т. 38, № 1. С. 49-56.
Melnikov A.V. et al. Effect of magnetic configuration on nonlinear evolution of NBI-driven Alfvén modes in TJ-II // Nuclear Fusion. 2016, 56. Р. 076001.
Perfilov S.V. et al. Applicability of Heavy Ion Beam Probing for Stellarator W7-X // AIP Conference Proceedings. AIP, 2006. Vol. 812. P. 199-202.
Perfilov S. et al. Applicability of Heavy Ion Beam Probing for Stellarator W7-X // Fusion Sci. Technol. 2007. Vol. 51, № 1. P. 38-45.
Melnikov A.V., Eliseev L.G. Optimized heavy ion beam probing for International Thermonuclear Experimental Reactor // Rev. Sci. Instrum. 1999. Vol. 70, № 1. P. 951-954.
Ключевые слова:
плазма, магнитное удержание, токамак, стелларатор, зондирование плазмы пучком тяжелых ионов, электрический потенциал, геодезические акустические моды, собственные альфвеновские моды, широкополосная турбулентность.