Э.И.КУЗНЕЦОВ, Д.А.ЩЕГЛОВ "МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ"

МОСКВА АТОМИЗДАТ 1974

Предисловие
Глава 1. Определение пространственных характеристик плазмы из интегральных соотношений
§ 1.1. Постановка задачи
§ 1.2. Методы численного решения уравнения Абеля
§ 1.3. Абелизация и различные диагностические методики
§ 1.4. Абелизация как случай решения «некорректно поставленной» задачи
Глава 2. Рассеяние как метод локальной диагностики плазмы
§ 2.1. Общая схема локальных измерений методом рассеяния
§ 2.2. Некоторые результаты теории лазерного рассеяния
§ 2.3. Краткий обзор экспериментов по лазерному рассеянию
§ 2.4. Рассеяние корпускулярного излучения как метод диагностики плазмы
Глава 3. Исследование электрических и магнитных полей в плазме
§ 3.1. Зондирование пучками заряженных частиц с целью определения электрических и магнитных полей в плазме
§ 3.2. Фарадеевское вращение плоскости поляризации
§ 3.3. Измерение электрических полей с помощью эффекта Штарка
§ 3.4. Изучение сателлитов запрещенных линий как метод диагностики турбулентной плазмы
Г л а в а 4. Изучение материального и энергетического балансов плазмы
§ 4.1. Введение
§ 4.2. Определение времени жизни заряженных частиц в плазме
§ 4.3. Определение энергетического времени жизни плазмы
Глава 5. ЭВМ и диагностика плазмы
§ 5.1. Введение
§ 5.2. Характер и формы записи плазменной информации
§ 5.3. Системы сбора и обработки данных в плазменных экспериментах
§ 5.4. Математический эксперимент в диагностике плазмы
Список литературы

Среди различных научных и технических задач современности одной из наиболее важных представляется решение проблемы управляемого термоядерного синтеза — овладения громадными запасами энергии, которая заключена в ядрах легких элементов, широко распространенных в природе. Пути, по которым ищется решение этой задачи, так тесно связаны с основными направлениями развития физики плазмы, что исследования в этой области практически неотделимы от проблемы использования нового ядерного горючего — высокотемпературной плазмы легких элементов. Прошедшее десятилетие отмечено серьезными успехами в изучении высокотемпературной плазмы в лабораторных условиях. Интенсивные, целеустремленные научные исследования и новые технические разработки, выполненные в последние годы, привели к тому, что на современных экспериментальных термоядерных установках удается получать параметры, близкие к тем, которые необходимы для энергетического использования происходящих в высокотемпературной плазме термоядерных реакций. Это означает, что экспериментатору приходится иметь дело с плазмой, нагретой до десятков миллионов градусов. Вполне естественно, что в исследованиях высокотемпературной плазмы возросла роль бесконтактных методов диагностики, и напротив, некоторые классические методы, например зондовые, во многом утратили прежнее значение. В таких условиях многие диагностики, представлявшие ранее лишь чисто методический интерес, становятся основными при измерении параметров высокотемпературной плазмы. Вместе с тем наблюдается усовершенствование известных ранее методов, осваиваются методы измерений из смежных разделов физики, таких, как астрофизика, ядерная физика. Наконец, возникают целые новые направления в диагностике горячей плазмы, например применение лазерного рассеяния.

Исследования высокотемпературной плазмы в настоящее время находятся на такой стадии, когда для сравнения теории и эксперимента необходимо использовать методы, позволяющие получать локальные значения параметров, характеризующих состояние плазмы, причем одновременно предъявляются более серьезные требования к точности и надежности экспериментальных данных.

Упомянутые нами причины и привели к необходимости отобрать из большого потока литературы по диагностике плазмы материал, представляющий интерес для тех, кто занимается изучением именно высокотемпературной плазмы. Эту цель и преследовали авторы предлагаемой книги, отличающейся по подбору материала от хорошо известных монографий «Диагностика плазмы» под ред. Р. Хаддлстоуна и С. Леонарда (пер. с англ. М., «Мир», 1967) и «Методы исследования плазмы» под редакцией В. Лохте-Хольтгревена (пер. с англ. М., «Мир», 1971). Авторы сочли возможным также не касаться традиционных методов измерений параметров плазмы, достаточно подробно освещенных в специальных монографиях. Это относится, например, к микроволновой диагностике, которой посвящены такие труды, как «Сверхвысокочастотные методы исследования плазмы» В. Е. Голанта (М., «Наука», 1968) и «Сверхвысокочастотная диагностика плазмы» М. Хелда и Ч. Уортона (пер. с англ., М., «Мир», 1967).

В первой главе настоящей книги рассмотрен случай встречающейся в бесконтактной диагностике плазмы ситуации: непосредственно измеряемый сигнал является результатом суммирования вкладов отдельных участков плазмы, расположенных на линии наблюдения. Обсуждаются проблемы, возникающие при переходе от таких интегральных характеристик к локальным значениям параметров плазмы, и используемые при этом численные методы, источники погрешностей.

Во второй главе рассмотрено использование методов, основанных на рассеянии падающего на плазму излучения (электромагнитного или корпускулярного). В данном случае основной проблемой является интерпретация результатов таких измерений, т. е. определение связи между локальными значениями параметров исследуемой плазмы и спектра рассеянного излучения. Особое внимание уделено обсуждению представляющих интерес именно с точки зрения исследования задач высокотемпературной плазмы проблем интерпретации спектров рассеяния лазерного излучения плазмой в магнитном поле и учета поправок к обычному томсоновскому рассеянию для случая плазмы с высокой электронной температурой.

В третьей главе рассмотрено, как по наблюдаемым интегральным соотношениям с помощью различных методов можно определять такие важные для физики плазмы величины,- как распределения электрических и магнитных полей, в том числе и полей неустойчивостей, развивающихся в плазме. Как и во второй главе, основное внимание уделено физической интерпретации результатов локальных измерений, учитывая, что с помощью методов, изложенных в первой главе, удалось перейти к локальным значениям параметров.

Приведены примеры использования рассматриваемых в этой главе диагностических методов: изучения траекторий зондирующих заряженных частиц в исследуемой плазме, наблюдения штарковского уширения и сателлитов запрещенных линий в турбулентных электрических полях и, наконец, измерения фарадеевского вращения плоскости поляризации для определения магнитных полей. В четвертой главе обсуждаются методы исследования процессов переноса в плазме. Длительность удержания энергии и частиц в плазме определяется процессами диффузии, теплопередачи и излучения. При разработке различных способов эффективного удержания высокотемпературной плазмы экспериментатор сталкивается с необходимостью выяснить физические процессы переноса в плазме. В главе разбираются некоторые методики, используемые при изучении диффузии и теплопроводности плазмы в магнитном поле.

В пятой главе обсуждаются возможности и особенности применения электронных вычислительных машин при решении проблем диагностики высокотемпературной плазмы. Хотя диагностика плазмы развивается весьма быстро, а обзоры, подобные этой книге, в момент выхода их в свет отражают состояние проблемы, имевшее место несколько лет тому назад, авторы надеются, что, несмотря на это, их труд окажется полезным для тех, кто непосредственно занят исследованием физики высокотемпературной плазмы или хочет получить представление о наиболее типичных задачах, решаемых с помощью методов диагностики высокотемпературной плазмы.