Appearance of neoclassical effects in plasma behavior in torsatron Uragan-3М

At present paper the existence of longitudinal current in plasma and time dependence of plasma density in experiments on torsatron U-3M are explained from the point of neoclassical theory. The time evolution of longitudinal current in plasma is explained by excitation of bootstrap current within internal areas of the plasma column and by appearance of reverse-current in the external areas of plasma. The observed rise of plasma density after RF-power cut-off is explained by influence of anomalous pinch-effect. This effect is caused by the electric field, appearing due to decrease of longitudinal current in plasma after the RF-power cut-off.Приведены экспериментальные данные, связанные с возбуждением продольного тока в режиме ВЧ-нагрева плазмы в торсатроне У-3М. На основании экспериментальных данных сделан вывод, что наблюдаемый продольный ток является бутстрэп-током. На основании расчетов показано, что банановая область, где может возбуждаться бутстрэп-ток, находится вблизи оси шнура, а расчетные величины бутстрэп-тока близки к экспериментально измеренным значениям. Объяснено временное поведение тока на стадии нарастания, а также возрастание плотности плазмы после выключения ВЧ-нагрева.Наведено експериментальні дані, які пов'язані із збудженням подовжнього струму в режимі ВЧ-нагріву плазми в торсатроні У-3М. На підставі експериментальних даних зроблено висновок, що спостережуваний подовжній струм є бутстреп-струмом. На підставі розрахунків показано, що бананова область, де може збуджуватися бутстреп-струм, знаходиться поблизу вісі шнура, а розрахункові величини бутстреп-струму близькі до експериментально виміряних значень. Пояснена тимчасова поведінка струму на стадії наростання, а також зростання щільності плазми після вимкнення ВЧ-нагріву

Structure of MHD fluctuations in the torsatron U-3M in steady-state stage of discharge

Study of MHD fluctuations was performed in quasi-stationary mode of weakly collisional discharge in torsatron U-3M in frequency range 0.5…70 kHz. The fluctuations of the magnetic field were detected in the following frequency ranges: 2.5…3.9, 5.9…7.2, 9.4…10.9, 14…15.9, 20…27, 39…47 kHz. It is also shown that there are standing and rotation structures. Rotation structures can rotate in the direction of both ion and electron diamagnetic drift. The poloidal structure of plasma MHD activity with wave numbers m=0; 1; 2; 3 was obtained, which made it possible to determine the level of fluctuations of the magnetic field inside the confinement volume.Проведено вивчення структури МГД-флуктуацій в квазістаціонарному режимі розряда з малими частотами зіткнень у торсатроні У-3М у діапазоні частот 0,5...70 кГц. Були виявлені флуктуації магнітного поля в наступних діапазонах частот: 2,5…3,9; 5,9…7,2; 9,4…10,9; 14…15,9; 20…27; 39…47 кГц. Була отримана полоідальна структура МГД-активності плазми з хвильовими числами m = 0; 1; 2; 3, що дозволило визначити рівень флуктуацій магнітного поля всередині обсягу утримання. Показано також, що існують стоячі і обертові структури. Обертові структури можуть обертатися як у напрямку іонного, так і електронного діамагнітного дрейфів.Проведено изучение структуры МГД-флуктуаций в квазистационарном режиме слабостолкновительного разряда в торсатроне У-3М в диапазоне частот 0,5…70 кГц. Были обнаружены флуктуации магнитного поля в следующих диапазонах частот: 2,5…3,9; 5,9…7,2; 9,4…10,9; 14…15,9; 20…27; 39…47 кГц. Была получена полоидальная структура МГД-активности плазмы с волновыми числами m=0; 1; 2; 3, что позволило определить уровень флуктуаций магнитного поля внутри объема удержания. Показано также, что существуют стоячие и вращающиеся структуры. Вращающиеся структуры могут вращаться как в направлении ионного, так и электронного диамагнитного дрейфов

Hydrogen recycling during RF plasma heating in the U-3M torsatron

The hydrogen recycling behavior has been studied during the plasma experiments in torsatron U-3M. For this purpose, the time dependence of the molecular hydrogen pressure in the U-3M torsatron vacuum chamber in the modes of RF wall conditioning and RF plasma heating has been measured. The experimental results show that the hydrogen pumping from the vacuum chamber runs at constant rate during the RF discharge for each mode. After RF power switching-off the inverse desorption of hydrogen, accumulated during the RF discharge in the vacuum chamber walls and helical coil surfaces, is observed. When the antenna anode voltages and the RF pulse duration in both modes are increasing, the character of the time dependences of hydrogen pressure does not change significantly.Изучено поведение рециклинга водорода во время плазменных экспериментов на торсатроне У-3М. Для этой цели было проведено измерение временных зависимостей давления водорода в вакуумной камере торсатрона У-3М в режимах ВЧ-чистки стенок камеры и ВЧ-нагрева плазмы. Экспериментальные результаты показали, что в обоих режимах во время ВЧ-разряда скорость откачки водорода из вакуумной камеры остается постоянной для каждого из режимов. После выключения ВЧ-мощности наблюдается обратная десорбция водорода, накопленного во время ВЧ-разряда в стенках вакуумной камеры и винтовых катушек. Повышение анодных напряжений на ВЧ-антеннах и увеличение длительности ВЧ-импульса существенно не влияют на характер временных зависимостей давления водорода.Вивчено поведінку рециклінгу водню під час плазмових експериментів на торсатроні У-3М. Для цієї мети було проведено вимірювання часових залежностей тиску водню у вакуумній камері торсатрона У-3М в режимах ВЧ-чистки стінок камери і ВЧ-нагріву плазми. Експериментальні результати показали, що в обох режимах під час ВЧ-розряду швидкість відкачування водню з вакуумної камери залишається постійною для кожного з режимів. Після виключення ВЧ-потужності спостерігається зворотна десорбція водню, накопиченого під час ВЧ-розряду в стінках вакуумної камери і гвинтових котушок. Підвищення анодних напруг на ВЧ-антенах і збільшення тривалості ВЧ-імпульсу істотно не впливають на характер тимчасових залежностей тиску водню

Features of the upgraded magnetic diagnostics application in the U-2M torsatron

Modernized magnetic sensor systems have been developed and tested to carry out the magnetic measurements on the U-2M torsatron. The effect of the metallic environment, high-frequency noise and the instability of the external magnetic field in the U-2M torsatron on the readings of magnetic sensors recorded during plasma experiments were studied.Для магнітних вимірів на установці торсатрон Ураган У-2М розроблені модернізовані системи магнітних датчиків і реєструючого устаткування. Вивчено впливи металевого оточення, радіочастотних перешкод і нестабільності зовнішнього магнітного поля в торсатроні Ураган У-2М на показання магнітних датчиків під час плазмових експериментів.Для магнитных измерений на установке торсатрон Ураган У-2М разработаны модернизированные системы магнитных датчиков и регистрирующей аппаратуры. Изучены влияния металлического окружения, радиочастотных помех и нестабильности внешнего магнитного поля в торсатроне Ураган У-2М на показания магнитных датчиков во время плазменных экспериментов

The stability of magnetized non-neutral plasma flow with a broad velocity distribution

The stability of the magnetized non-neutral plasma cylindrical flow was studied experimentally. The flow is injected into the drift tube and spreads along its axis. The radial motion of the charged particles is limited by longitudinal magnetic field. During the experimental study the influence of such factors as the magnetic field strength and the average flow velocity on stability of the flow fluctuations was investigated.Экспериментально исследована устойчивость замагниченного цилиндрического потока заряженной плазмы. Поток инжектировался в трубку дрейфа и распространялся вдоль ее оси. Радиальный дрейф частиц потока ограничивался продольным магнитным полем. Исследовалось влияние на устойчивость системы таких факторов как напряженность магнитного поля и средняя скорость частиц потока.Експериментально досліджено стійкість замагніченого потоку зарядженої плазми. Потік інжектувался до трубки дрейфу та поширювався вздовж її вісі. Радіальний дрейф частинок потоку обмежувався повздовжнім магнітним полем. Досліджувався вплив на стійкість системи таких факторів як напруженість магнітного поля та середня швидкість частинок потоку

Magnetic diagnostics for torsatron U-2M

The features of application of magnetic diagnostics in torsatron U-2M are described. The methods to account for the influence of the metal environment and induced magnetic fields on the results of magnetic measurements are presented. During the experimental program on torsatron U-2M with help of magnetic diagnostics, the most important characteristics of the plasma, such as the value of the plasma energy content, the energy confinement time, the power inputted in the plasma, the value of Pfirsch-Schluter currents, the presence of magnetic islands, the shift of magnetic surfaces, the structure of MHD instabilities will be determinedОписано особливості застосування магнітної діагностики в торсатроні U-2M. Представлено методи врахування впливу металевого оточення на результатах магнітних вимірювань. У ході експериментальної програми на торсатроні U-2M за допомогою магнітної діагностики визначатимуться найбільш важливі характеристики плазми, такі, як величина енерговмісту плазми, енергетичний час життя, введена в плазму потужність, величина струмів Пфірша-Шлюттера, наявність магнітних островів, зсув магнітних поверхонь, структура МГД-нестійкостей.Описаны особенности применения магнитной диагностики в торсатроне U-2M. Представлены методы учета влияния металлического окружения на результаты магнитных измерений. В ходе экспериментальной программы на торсатроне U-2M с помощью магнитной диагностики будут определяться наиболее важные характеристики плазмы, такие, как величина энергосодержания плазмы, энергетическое время жизни, введенная в плазму мощность, величина токов Пфирша-Шлюттера, наличие магнитных островов, смещение магнитных поверхностей, структура МГД-неустойчивостей

Structure of intensive MHD fluctuations in torsatron in the mode of low frequency collisions

The structure of MHD-fluctuations in the frequency range 0.5…52 kHz of RF produced plasma was studied in the Uragan-3M torsatron by the use of magnetic probes placed in one of the poloidal cross-sections. Three types of fluctuations with specific spatial (3D) structures were observed. The first type: when the structure amplitude is changing slowly and the structure rotates as a whole with some frequency. The second type: the structure does not rotate but its amplitude is time varying. The third type is a combination of the first two types: the structure rotates and at the same time its amplitude fluctuates. The correlation was found between the level of fluctuations and the time dependence of plasma energy content before and after transition to regime of better confinement of plasma.С помощью набора магнитных датчиков, размещённых в одном из полоидальных сечений, на установке Ураган-3М исследовалась структура МГД-колебаний плазмы в диапазоне частот 0,5…52 кГц. Наблюдались 3 типа колебаний, имеющих определённую пространственную структуру. Первый тип колебаний, когда амплитуда почти не изменяется со временем, а их структура вращается с определённой частотой. Второй тип – пространственная структура не вращается, но её амплитуда изменяется в определённом диапазоне частот. Третий тип представляет собою объединение первых двух типов – структура вращается, и при этом наблюдаются колебания амплитуды. Была обнаружена связь уровня флуктуаций и временного поведения энергосодержания плазмы перед переходом в режим улучшенного удержания и после него.За допомогою набору магнітних датчиків, розміщених в одному з полоідальних перетинів, на установці Ураган-3М досліджувалася структура МГД-коливань плазми в діапазоні частот 0,5…52 кГц. Спостерігалися 3 типи коливань, що мають певну просторову структуру. Перший тип коливань, коли амплітуда майже не змінюється з часом, а їх структура обертається з певною частотою. Другий тип - просторова структура не обертається, але її амплітуда змінюється в певному діапазоні частот. Третій тип являє собою поєднання перших двох типів структура обертається, і при цьому спостерігаються коливання амплітуди. Був виявлений зв'язок рівня флуктуацій та тимчасової поведінки енергозмісту плазми перед переходом у режим покращеного утримання і після нього

MHD plasma activity in the U-3M torsatron during the RF cleaning mode with the magnetic field Bφ(0) = 0.02 T

In the considered mode of cleaning, plasma was created and heated by antennas at frequencies fRF₁ ≈ 7.9 and fRF₂ ≈ 8.8 MHz, the magnitude of the constant magnetic field was Bφ(0) ≈ 0.02 T, so that the ion cyclotron frequency was much lower than the heating frequency. The average plasma density was n- ~ 1×10¹⁸ m⁻³, electron temperature was ~10 eV, working gas pressure was 10⁻⁴ Torr. Using a set of 15 magnetic sensors installed in one of the poloidal sections of the torus, fluctuations of the poloidal magnetic field were recorded. It was found that in the investigated frequency range 0...100 kHz, the spectrum of fluctuations of the poloidal magnetic field has two characteristic frequencies 6 and 49 kHz. The dynamics of the intensity of the magnetic plasma fluctuations for the investigated frequencies was also studied.У розглянутому режимі чищення плазма створювалася і нагрівалася антенами на частотах fRF₁ ≈ 7,9 та fRF₂ ≈ 8,8 МГц, величина постійного магнітного поля Bφ(0) ≈ 0,02 Тл, так що іонна циклотронна частота була набагато меншою частоти нагріву. Середня густина плазми була n- ~1x10¹⁸ м⁻³, електронна температура ~ 10 еВ, тиск робочого газу 10⁻⁴ Tорр. За допомогою набору з 15 магнітних датчиків, встановлених в одному з полоїдальних перетинів тора, реєструвалися флуктуації полоїдального магнітного поля. Було виявлено, що в досліджуваному діапазоні частот 0…100 кГц спектр флуктуацій полоїдально го магнітного поля має дві характерні частоти – 6 та 49 кГц. Також вивчена динаміка інтенсивності магнітних флуктуацій плазми для досліджуваних частот.В рассматриваемом режиме чистки плазма создавалась и нагревалась антеннами на частотах fRF₁ ≈ 7,9 и fRF₂ ≈ 8,8 МГц, величина постоянного магнитного поля Bφ(0)≈0,02 Тл, так что ионная циклотронная частота была много меньшей частоты нагрева. Средняя плотность плазмы была n- ~1x10¹⁸ м⁻³, электронная температура ~ 10 эВ, давление рабочего газа 10⁻⁴ Tорр. С помощью набора из 15 магнитных датчиков, установленных в одном из полоидальных сечений тора, регистрировались флуктуации полоидального магнитного поля. Было обнаружено, что в исследуемом диапазоне частот 0…100 кГц спектр флуктуаций полоидального магнитного поля имеет две характерные частоты – 6 и 49 кГц. Также была прослежена динамика интенсивности магнитных флуктуаций плазмы для исследуемых частот

Behaviour features of the radiative losses of the torsatron U – 3M plasma

The total bolometrically measured plasma radiation losses on the RF heating power were found. The results of measurements demonstrate a nonmonotonic dependence of radiation losses on RF power. Namely, at low RF power levels (80...170 kW) the total radiation losses raised with increasing the RF power. However, the total radiation losses decreased sharply when RF power exceeded 200 kW (down to ≈20 kW at 240 kW of RF power). Simultaneously, the intensity of impurity lines fell down significantly, whereas the average electron temperature (found from ECE measurement) did increase. The authors consider that screening properties of periphery plasma give reasons for above experimental facts.На торсатроне “У-3М” проведены измерения зависимости общих радиационных потерь от уровня вводимой в плазму ВЧ-мощности. Измерения показали немонотонную зависимость величины радиационных потерь от уровня вводимой ВЧ-мощности. При вводимой ВЧ-мощности на уровне 80...170 кВт величина радиационных потерь пропорционально возрастает. Доля радиационных потерь резко падает (до ~10% от вводимой ВЧ мощности) когда ВЧ-мощность достигает ≥200 кВт. Одновременно (более чем на порядок) уменьшаются интенсивности примесных линий, в то время как электронная температура в области удержания продолжает расти (ЭЦР радиометр). Авторы полагают, что объяснением приведенных выше экспериментальных фактов могут быть экранирующие свойства магнитной конфигурации торсатрона.На торсатроні “У-3М” проведені вимірювання залежності загальних радіаційних втрат від рівня введеної у плазму ВЧ-потужності. Виміри показали немонотонну залежність радіаційних втрат від рівня ВЧ-потужності. При введеній ВЧ-потужності на рівні 80...170 кВт доля радіаційних втрат пропорційно зростає. Доля радіаційних втрат різко зменшується (до ~10% від рівня ВЧ-потужності) коли введена ВЧ-потужність досягає рівня ≥200 кВт. Одночасно (більше ніж на порядок) зменшується інтенсивність ліній домішок, в той же час електронна температура продовжує зростати (ЕЦР радіометр). Автори вважають, що поясненням наведених вище експериментальних фактів можуть бути екрануючі властивості магнітної конфігурації торсатрону

Behavior dynamics of low-frequency MHD-fluctuations and main plasma parameters in U-3M torsatron in RF-heating mode

A significant decrease in the intensity of low-frequency MHD-activity is accompanied by sharp increase of plasma energy content in U-3M torsatron. Plasma is generated and heated by RF-fields with frequency of w = 0.8w(ci) and is in a mode of low frequency of collisions. A set of 15 magnetic sensors was installed in one of the poloidal cross-sections of torus. The poloidal component of magnetic field was registered. At some point of time there is a sharp decrease of MHD-activity of plasma with a simultaneous increase of plasma energy content.Существенное уменьшение интенсивности низкочастотной МГД-активности сопровождается резким повышением энергосодержания плазмы в торсатроне У-3М. Плазма создаётся и нагревается ВЧ-полями с частотой w = 0.8w(ci) и находится в режиме редких частот соударений. В одном из полоидальных сечений тора был установлен набор из 15 магнитных датчиков. Регистрировалась полоидальная компонента магнитного поля. В некоторый момент времени наблюдается резкое уменьшение МГД-активности плазмы при одновременном росте энергосодержания плазмы.Суттєве зменшення інтенсивності низькочастотної МГД-активності супроводжується різким підвищенням енергозмісту плазми в торсатроні У-3М. Плазма створюється і нагрівається ВЧ-полями з частотою w = 0.8w(ci) і знаходиться в режимі рідкісних частот зіткнень. В одному з полоідальних перетинів тора був встановлений набір з 15 магнітних датчиків. Реєструвалася полоідальна компонента магнітного поля. В деякий момент часу спостерігається різке зменшення МГД-активності плазми при одночасному зростанні енергозмісту плазми