Estudio de la propagación de ondas en plasmas magnetizados no uniformes con geometría toroidal: cortes y resonancias

Abstract

Se ha realizado un estudio sobre la propagación de las ondas en plasmas con geometría toroidal y diferentes parámetros fundamentales: densidad electrónica n, razón de aspecto y campo magnético B, con el objeto de determinar la accesibilidad al plasma para su diagnóstico mediante ondas electromagnéticas. A partir de la forma general de la ecuación de dispersión en un medio dieléctrico anisótropo, se estudian las ondas en plasmas tanto no magnetizados como magnetizados, pero siempre dentro del régimen de plasma frío. Se evalúa la existencia de ondas dependiendo de su ángulo de propagación e incidencia. Posteriormente, se realiza una descripción detallada de los plasmas estudiados en función de su razón de aspecto, los perfiles radiales de densidad electrónica, el campo magnético y el límite de su temperatura electrónica. Se han analizado los cortes y las resonancias y, a partir de ellos, las zonas de accesibilidad para sus diagnósticos. Además, se contempla un sistema de diagnóstico por reflectometría, determinando los desfases esperados para las zonas accesibles, así como las bandas de frecuencia (según la clasificación IEEE (U.S. Std. 521-2002)) que deberían ser utilizadas.

A comprehensive investigation has been carried out on the propagation of waves in plasmas exhibiting toroidal geometry, considering a range of fundamental parameters—electron density n, aspecto ratio, and magnetic field B. The objective of this study is to determine the accessibility of the plasma for diagnostic purposes through the use of electromagnetic waves. Starting from the general form of the dispersion relation in an anisotropic dielectric medium, wave propagation is rigorously analyzed in both unmagnetized and magnetized plasmas, consistently within the cold plasma regime. The existence and behavior of waves are evaluated as functions of their propagation and incidence angles. Subsequently, a detailed characterization of the plasmas under investigation is provided, with particular emphasis on their aspect ratio, radial profiles of electron density, magnetic field configuration, and the upper limit of the electron temperature. Cutoffs and resonances are thoroughly examined, and based on these analyses, the regions accesible for diagnostic purposes are identified. Furthermore, a reflectometry-based diagnostic system is considered, enabling the determination of expected phase shifts within the accessible regions, as well as the selection of appropriate frequency bands (according to the IEEE classification (U.S. Std. 521-2002)).