Published April 1966 | Version v1
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Interaction Between UHF Radiation and a Turbulent Plasma

  • 1. Fiziko-Tehnicheskij Institut Im. A.F. Ioffe AN SSSR Leningrad, SSSR (Russian Federation)

Description

Previous work revealed an anomalously low low-frequency conductivity of plasma in the Alpha apparatus. Our purpose in this work was to determine the UHF conductivity. For the wavelengths 8 and 4 mm, we observed the passage of signals through the plasma, the thermal radiation of the plasma and, because of the plasma, the changed Q-factor of the discharge chamber which is regarded as a large volume resonator. Simultaneously the average plasma density was determined from the attenuation of the beam of hydrogen atoms passing through it. During the active discharge period, the plasma density was between 1013 and 10H cm-3, and the electron temperature 20 to 40 eV. A forcefree configuration of fields and currents existed in the discharge, and the plasma filled comparatively evenly thé discharge chamber of about 6 m3. In the decaying plasma, following the discharge current, interferometric measurements of the electron concentration agreed with density measurements that used the attenuation of an atomic beam. In the active period of the discharge, interferometric measurements were impossible because of the strong turbulence of the plasma, so the electron concentration was determined from the attenuation of the atomic beam. From the Q-value of the discharge chamber during the discharge, one can determine the absorption coefficient of the UHF signal in the plasma. If the average density is known from the attenuation of the atomic beam, it is possible to find the effective frequency of electron collisions. This may also be found from the dc conductivity of the plasma, which is determined by electrical measurements. On thecother hand, from the observed densities and electron temperatures one can calculate the frequency of electron collisions for a totally ionized hydrogen plasma. Both methods of determining experimentally the effective collision frequency gave much higher values than found by calculation. We may thus assert that there existed in our plasma an electron slowing-down mechanism which was more effective than Coulomb collisions with singly-charged ions. This caused the anomalously low conductivity and anomalously high absorption coefficient in the UHF range. As well as measuring the Q-factor, we measured the attenuation of 8 and 4-mm signals passing through the plasma. The signal was strongly attenuated at plasma densities which were far from critical. For example, the power of a 4-mm signal was reduced by 10 decibels on passing through a layer of plasma 1 m thick, whose density was 1.5 to 2. 0 x 1013 cm-3 whereas the critical density for this range is 7 x 1013 cm-3. Thus, determination of the electron concentration by 'cut-off' of the signal gives much higher results. Attenuation of the signal at concentrations far from critical may be caused both by absorption in the plasma and by scattering from non-homogeneous regions of the plasma. Calculation shows that the observed attenuation cannot be explained by absorption, even with the anomalously high measured absorption coefficient. Most likely, attenuation is a result of the scattering of UHF radiation from non-homogeneous regions in a turbulent discharge. A further, more careful study of this scattering may give a method for investigating the turbulent state of the plasma. (author)

Abstract (French)

Au cours de travaux anterieurs, on avait constate que dans l'installation Alpha, le plasma avait une conductibilite de basse frequence anormalement faible. La presente etude a pour objet de determiner la conductibilite de frequence ultra-haute dans les memes conditions. Pour des gammes d'ondes d'une longueur de l'ordre de 8 et 4 mm, les auteurs ont etudie le passage des signaux a travers le plasma, le rayonnement thermique de celui-ci et l'influence du plasma sur le facteur Q de la chambre a decharge consideree comme un resonateur volumique de grande dimension. En meme temps, ils ont determine la densite moyenne du plasma en fonction de l'amortissement du faisceau d'hydrogene atomique qui le traverse. Au cours de la periode active de la decharge, la densite du plasma varie del 1013 a 1014 cm-3 et la temperature des electrons de 20 a 40 eV. Dans la decharge, les champs et les courants ont une configuration d'intensite zero et le plasma remplit i peu pres regulierement la chambre a decharges d'un volume de 6 m3 environ. Des mesures interferometriques de la concentration des electrons, effectuees dans le plasma en voie de decroissance apres l'arret du courant de decharge, ont donne des resultats qui concordent avec celles que les auteurs ont obtenues en mesurant le nombre volumique selon l'affaiblissement du faisceau atomique. Pendant la periode active de la decharge, il est impossible de proceder a des mesures interferometriques en raison de la forte turbulence du plasma, et la concentration electronique a ete determinee sur la base de l'affaiblissement du faisceau atomique. La determination du facteur Q de la chambre au cours de la decharge permet d'etablir le coefficient d'absorption du signal a frequence ultra-haute dans le plasma. Si l'on connait la densite moyenne, determinee sur la base de l'affaiblissement du faisceau atomique, on peut alors evaluer l'a frequence effective des collisions entre electrons. Cette grandeur peut etre egalement evaluee d'apres la conductibilite du plasma pour le courant continu, établie sur la base de mesures électrotechniques. En outre, il est possible de calculer la fréquence des collisions entre électrons dans un plasma d'hydrogène entièrement ionisé en Se basant sur les valeurs observées de sa densité Vît de la température des électrons. Les valeurs obtenues pour la fréquence effective des collisions à l'aide de ces deux procédés expérimentaux sont sensiblement plus élevées que les valeurs calculées. Ce fait permet d'affirmer qu'il existe dans le plasma étudié un mécanisme de freinage des électrons qui est plus efficace que les collisions coulombiennes avec des ions à charge unique. Il en résulte, dans la gamme des fréquences ultra-hautes, une conductibilité anormalement faible et un coefficient d'absorption anormalement élevé. Outre le coefficient Q, on a mesuré l'atténuation du signal passant à travers le plasma pour les gammes de 8 et 4 mm. Le signal s'atténuait fortement lorsque le plasma avait une densité très éloignée de la densité critique. Ainsi, dans la gamme des 4 mm, la puissance d'un signal ayant traversé une couche de plasma de 1 m d'épaisseur diminuait de 10 décibels pour une densité de 1,5 à 2,0 * 1013 cm-3, alors que la densité critique pour cette même gamme était de 7 * 1013 cm-3 On peut en conclure que la détermination de la concentration électronique d'après la «coupure» du signal donne des valeurs beaucoup trop élevées. L'attenuation du signal passant par le plasma en presence de concentrations tres differentes de la concentration critique pourait etre provoquee a la fois par une absorption.dans le plasma et par une diffusion due au caractere non homogene de sa densite. Les calculs montrent qu'elle ne saurait etre expliquee par une absorption dans le plasma, meme si le coefficient d'absorption mesure est anormalement eleve. Il est bien plus probable qu'elle soit liee a une diffusion du rayonnement de frequence ultrahaute provoquee par une densite heterogene dans les conditions d'une decharge turbulente. Il est possible qu'un examen plus approfondi de cette diffusion permette d'etablir une methode pour l'etude de la turbulence des plasmas. (author)

Abstract (Spanish)

En trabajos anteriores se observo una conductividad de baja frecuencia anómala en el aparato Alfa. La finalidad de las presentes investigaciones era, determinar la conductividad UHF en estas condiciones. Para longitudes de onda de 8 y 4 mm, los autores examinaron el paso de las senales a traves del plasma, la radiacion termica del plasma y su influencia sobre el factor Q de la camara de descarga, que es un resonador volumetrico de grandes dimensiones. Simultaneamente, los autores determinaron la densidad media del plasma a partir de la atenuacion de los atomos de hidrogeno que lo atravesaban. Durante el perfodo activo de descarga, la densidad del plasma se halla comprendida entre 1013 y 1014 cm-3 y la temperatura electronica entre 20 y 40 eV. En la descarga los campos y las corrientes poseen una configuracion de intensidad nula y el plasma llena de manera bastante uniforme la camara de descarga, de 6 m3 aproximadamente. En el plasma en desintegracion, despues de detener la corriente de descarga, los resultados de las mediciones interferometricas de la concentracion electronica concuerdan con los de las mediciones de la densidad segun la atenuacion del haz atomico. En el perfodo activo de la descarga, las mediciones interferométricas son imposibles debido a la fuerte turbulencia del plasma; la concentración electrónica se determinó por atenuación del haz atómico. La determinación del valor Q de la cámara durante la descarga permite calcular el coeficiente de absorción de la señal UHF en el plasma. Conociendo la densidad media, calculada segíín la atenuación del haz atómico, se puede evaluar la frecuencia efectiva de las colisiones electrónicas. Esta magnitud puede también calcularse basándose en la conductividad del plasma para una corriente continua, que se determinó por las mediciones eléctricas. Por otra parte, en un plasma de hidrógeno totalmente ionizado puede calcularse la frecuencia de las colisiones electrónicas a partir de la densidad y la temperatura electrónica observadas. Ambos métodos de determinación experimental de la frecuencia efectiva de las colisiones dan valores mucho más elevados que los teóricos. Ello permite afirmar que en el plasma investigado por los autores existe un mecanismo de moderación de los electrones más eficaz que las colisiones de Coulomb con iones de carga única. En consecuencia, se observa una conductividad anormalmente baja y un coeficiente de absorción anormalmente elevado en la región UHF. Además del factor O, los autores midieron también la atenuación de las señales, para las regiones de 8 y 4 mm, que atravesaban el plasma. Se observó una fuerte atenuación de la señal a densidades del plasma alejadas de la crftica. Asf, la potencia de la señal en la región de los 4 mm se redujo en 10 decibeles al atravesar una capa de plasma de 1 m de espesor, de 1,5 a 2,0 * 1013 cm-3, de densidad, mientras que la densidad crftica para esta región es de 7 * 1013 cm-3. Asf, la determinación de la concentración electrónica basándose en la señal de « corte» da resultados mucho mas elevados. La atenuación de la señal en concentraciones alejadas de la crftica puede ser causada por la absorción en el plasma y por la dispersión debido al carácter no homogéneo del plasma. Los cálculos demuestran que la atenuación observada no puede explicarsepor la absorción en el plasma, incluso cuando el coeficiente de absorción medido es anormalmente elevado. Lo más probable es que la atenuación esté relacionada con la dispersión de la radiación UHF en las regiones no homogéneas en condiciones de, descarga turbulenta. Podrfa hallarse un método de investigación del estado turbulento del plasma estudiando más cuidadosamente esta dispersión. (author)

Abstract (Russian)

V predydushhih rabotah obnaruzhen fakt anomal'no-nizkoj nizkochastotnoj provodimosti plazmy na ustanovke Al'fa. Cel'ju nastojashhej raboty bylo opredelenie SVCh-provodimosti v jetih uslovijah. V diapazonah dlin voln 8 i 4 mm nabljudalos' prohozhdenie signalov skvoz' plazmu, teplovoe izluchenie plazmy i vlijanie ee na dobrotnost' razrjadnoj kamery, rassmatrivaemoj kak obemnyj rezonator bol'shih razmerov. Odnovremenno opredeljalas' srednjaja plotnost' plazmy po velichine oslablenija, atomarnogo puchka vodoroda, prohodjashhego skvoz' nee. V aktivnyj periodrazrjada plotnost' plazmy lezhit v predelah 101'3 — 1014 sm-3, jelektronnaja temperatura - 20 - 40 jev. V razrjade sushhestvuet bessilovaja konfiguracija polej i tokov i plazma sravnitel'no ravnomerno zapolnjaet razrjadnuju kameru obemom okolo 6 m3. V raspadajushhejsja plazme posle okonchanija razrjadnogo toka interferometricheskie izmerenija jelektronnoj koncentracii dajut rezul'taty, sovpadajushhie s rezul'tatami izmerenij plotnosti po oslableniju atomarnogo puchka. V aktivnyj period razrjada iz-za sil'noj turbulentnosti plazmy interferometricheskie izmerenija nevozmozhny, i jelektronnaja koncentracija opredeljalas' po oslableniju atomarnogo puchka. Opredelenie dobrotnosti razrjadnoj kamery vo vremja razrjada pozvoljaet opredelit' kojefficient pogloshhenija SVCh-signala v plazme. Znaja srednjuju plotnost' po velichine oslablenija atomarnogo puchka, otsjuda mozhno ocenit' jeffektivnuju chastotu jelektronnyh stolknovenij. Jetu zhe velichinu mozhno ocenit' po provodimosti plazmy dlja postojannogo toka, opredeljaemoj po dannym jelektrotehnicheskih izmerenij. S drugoj storony, mozhno vychislit' chastotu jelektronnyh stolknovenij v polnost'ju ionizirovannoj vodorodnoj plazme pri nabljudaemyh velichinah plotnosti i jelektronnoj temperatury. Oba sposoba jeksperimental'nogo opredelenija jeffektivnoj chastoty stolknovenij dajut gorazdo bolee vysokie znachenija ee, chem raschetnaja ocenka. Takim obrazom, mozhno utverzhdat', chto v issleduemoj plazme sushhestvuet mehanizm tormozhenija jelektronov, bolee jeffektivnyj, chem kulonovskie stolknove nija s odnozarjadnymi ionami. Sledstviem jetogo javljajutsja anomal'no-nizkaja provodimost' i anomal'no-vysokij kojefficient pogloshhenija v diapazone SVCh . Narjadu s izmereniem dobrotnosti vypolnjalis' takzhe izmerenija oslablenija prohodjashhego cherez plazmu signala v diapazonah 8 i 4 mm. Sil'noe oslablenie prohodjashhego signala nabljudalos' pri plotnostjah plazmy, dalekih ot kriticheskoj. Tak, moshhnost' signala 4 mm, diapazona, proshedshego sloj plazmy tolshhinoj 1 m, umen'shaetsja na 10 db. uzhe pri plotnosti 1,5-2,0 * 1013 sm-3 , togda kak kriticheskaja plotnost' dlja jetogo diapazona ravna 7 * 1013 sm-3. Takim obrazom, opredelenie jelektronnoj koncentracii po 'otsechke' signala daet sil'no zavyshennye rezul'taty. Oslablenie prohodjashhego signala pri koncentracijah, dalekih ot kriticheskoj, mozhet byt' vyzvano kak pogloshheniem v plazme, tak i rassejaniem na neodnorod- nostjah plotnosti plazmy. Raschet pokazyvaet, chto nabljudaemaja velichina oslablenija ne mozhet byt' objasnena pogloshheniem v plazme, dazhe pri izmerennom anomal'no - vysokom kojefficiente pogloshhenija. Skoree vsego, oslablenie svjazano s rassejaniem SVCh-ijeluchenija na neodnorodnostjah plotnosti v uslovijah turbulentnogo razrjada. Dal'nejshee bolee tshhatel'noe izuchenie takogo rassejanija mozhet dat' metod dlja issledovanija turbulentnogo sostojanija plazmy. (author)
Part of:
Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion Research Vol. I. Proceedings of a Symposium on Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion Research

Additional details

Additional titles

Original title (Russian)
Интераcтион дьун Раённемент де Фреqуенcе Ултра-Хауте ет дьун Пласма Турбулент; Взаимодействие свч-излучения с турбулентной плазмой; Интераccион де ла Радиаcион UHF cон ун Пласма Турбуленто

Publishing Information

Publisher
IAEA
Imprint Place
Vienna (International Atomic Energy Agency (IAEA))
Imprint Title
Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion Research Vol. I. Proceedings of a Symposium on Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion Research
Imprint Pagination
792 p.
Series
Proceedings Series
Journal Page Range
p. 549-567
ISSN
0074-1884

Conference

Title
Conference on Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion Research
Dates
6-10 Sep 1965
Place
Culham (United Kingdom)

INIS

Country of Publication
International Atomic Energy Agency (IAEA)
Country of Input or Organization
International Atomic Energy Agency (IAEA)
INIS RN
44073928
Subject category
S70: PLASMA PHYSICS AND FUSION TECHNOLOGY;
Resource subtype / Literary indicator
Conference
Descriptors DEI
ABSORPTION; ATOMIC BEAMS; ATOMS; ELECTRON COLLISIONS; ELECTRON TEMPERATURE; ELECTRONS; EV RANGE 10-100; HYDROGEN; INTERACTIONS; IONS; PLASMA DENSITY; Q-VALUE; SIGNALS; THERMAL RADIATION; TURBULENCE; WAVELENGTHS
Descriptors DEC
BEAMS; CHARGED PARTICLES; COLLISIONS; ELECTROMAGNETIC RADIATION; ELEMENTARY PARTICLES; ELEMENTS; ENERGY; ENERGY RANGE; EV RANGE; FERMIONS; LEPTONS; NONMETALS; RADIATIONS; SORPTION

Optional Information

Notes
12 refs., 7 figs. Imprint:In two volumes
Secondary number(s)
IAEA-CN--21/210