Система допплеровской рефлектометрии для стелларатора в условиях высокой мощности ЭЦР нагрева тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат наук Харчевский, Антон Александрович

• Харчевский, Антон Александрович
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Харчевский, Антон Александрович

Оглавление

Список используемых сокращений

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ДИАГНОСТИКА ДОППЛЕРОВСКОЙ РЕФЛЕКТОМЕТРИИ В ТОРОИДАЛЬНЫХ УСТАНОВКАХ МАГНИТНОГО УДЕРЖАНИЯ ПЛАЗМЫ

1.1. Обзор существующих бесконтактных микроволновых диагностик плазмы

1.2. Допплеровская рефлектометрия. Принципы

1.3. Исследование шира скорости вращения плазмы методом допплеровской рефлектометрии на токамаке ТУМАН-3М

ГЛАВА 2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ СТЕЛЛАРАТОР Л-2М

2.1. Стелларатор Л-2М

2.2. Использование диагностики ДР для исследования скорости вращения и флуктуаций плотности плазмы

2.2.1. Оценка диапазона рабочих частот генератора рефлектометра

2.2.2. Расчет полоидальных скоростей вращения

2.3. Описание гиротронного комплекса ЭЦР нагрева плазмы МИГ-3

ГЛАВА 3. СИСТЕМА ДОППЛЕРОВСКОЙ РЕФЛЕКТОМЕТРИИ

3.1. Волноводный тракт системы допплеровской рефлектометрии и его элементы

3.1.1 Направленный ответвитель

3.1.2 Система аттенюатор и короткозамкнутый поршень

3.1.3 Система фильтр и антенна

3.1.4 Система согласованная детекторная головка, ферритовый вентиль и фильтр

3.1.5 Пересчет нагруженного восьмиполюсника (направленный ответвитель) в четырехполюсник

3.1.6 Пересчет S параметров для первого НО для опорного сигнала

3.1.7. Пересчет S параметров для второго НО для опорного сигнала

3.1.8. Расчет коэффициентов прохождения опорных и принятых сигналов

3.1.9. Расчет коэффициента прохождения опорного сигнала на СДГ1 и СДГ2

3.1.10. Расчет коэффициента прохождения принятых сигналов на СДГ1 и СДГ2

3.1.11. Расчет частотных характеристик СДГ

3.1.12 Обсуждение результатов

3.2. Антенная система и система фильтров системы ДР

3.2.1. Численное моделирование и создание фильтра из слюды на основе резонатора Фабри -Перо

3.2.2. Результаты численного моделирования и экспериментальных измерений фильтра

3.2.3. Расчёт и конструирование волноводно-штыревых фильтров

3.2.4. Расчет системы линз

3.3. Стендовые измерения

3.3.1. Приемная антенна

3.3.2. Описание стенда

3.3.3. Измерения на стенде

3.3.4. Стендовый эксперимент №1

3.3.5. Стендовый эксперимент №2

3.3.6. Сопоставление расчетного распределения электрического поля зондирующего излучения и стендовых измерений

3.3.7. Восстановление фазовой структуры зондирующего излучения из измерений и сравнение с результатами расчета

3.3.8. Оптимизация разрешающей способности системы ДР

3.3.9. Расчет оптимального квазиоптического тракта с одной линзой

3.3.10. Расчет оптимального квазиоптического тракта с двумя линзами

3.3.11. Проверка диапазона рабочих частот

3.4. Настройка рефлектометра перед установкой на стелларатор

3.5. Описание системы сбора, хранения и обработки сигналов

Глава 4. Экспериментальные измерения

4.1. Исследование развития температурных градиентных неустойчивостей в периферийной плазме в условиях высокой мощности ЭЦР нагрева

4.1.1. Математическое описание модели неустойчивостей в краевой плазме стелларатора

4.1.2. Эволюция Фурье-спектров флуктуаций плотности в течение разряда плазмы

4.1.3. Анализ результатов измерения

Заключение

Список используемых источников

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Акты о внедрении результатов диссертационной работы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Система допплеровской рефлектометрии для стелларатора в условиях высокой мощности ЭЦР нагрева»

ВВЕДЕНИЕ

Радиофизические методы являются основой микроволновых диагностик плазмы, таких как: интерферометрия, рефлектометрия, коллективное и Томсоновское рассеяние. Эти диагностики являются бесконтактными, что определяет их широкое использование применительно к высокотемпературной плазме, в частности, в установках управляемого термоядерного синтеза (УТС). Микроволновая диагностика допплеровской рефлектометрии предназначена для исследования флуктуаций плотности плазмы и измерения скорости её движения в установках магнитного удержания плазмы. Для своей реализации на стеллараторе и работы в различных условиях нагрева плазмы диагностика требует создания и внедрения специально разработанных и/или адаптированных радиофизических стендов.

Целью создания установок магнитного удержания плазмы является достижение управляемой термоядерной реакции. Для передачи энергии плазме и достижения высоких температур на многих тороидальных установках магнитного удержания плазмы применяется электронно-циклотронный резонансный (ЭЦР) нагрев с использованием мощных СВЧ генераторов - гиротронов. Существующие комплексы для ЭЦР-нагрева включают в себя от двух (стеллараторы TJ-II, Л-2М) до 8 импульсных гиротронов (стелларатор LHD, токамак ASDEX и др.), мощностью до нескольких МВт и длительностью импульсов от десятков миллисекунд до сотен секунд. В строящемся токамаке-реакторе ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) предполагается использовать гиротронный комплекс с мощностью до 24 МВт и длительностью импульса до 1 часа.

Частоты греющих плазму гиротронов лежат в СВЧ диапазоне от 53 ГГц (TJ-II) до 170 ГГц (ITER). С ростом мощности дополнительного ЭЦР нагрева, даже при большом поглощении (от 80-90% от вводимого излучения на

современных тороидальных установках до 50-60% ожидаемого на ITER), абсолютные значения непоглощенного излучения в этом диапазоне возрастают. Высокий уровень СВЧ помех может помешать работе диагностик плазмы, работающих в близком к частоте накачки энергии диапазоне частот: интерферометров и рефлектометров.

Диагностика допплеровской рефлектометрии базируется на двух радиофизических методах: рефлектометрии (отражения от закритического слоя плазмы) и коллективного рассеяния (обратного допплеровского рассеяния от плазменных флуктуаций). К настоящему времени допплеровская рефлектометрия успешно применяется на целом ряде тороидальных установок УТС: токамаках ФТ-2, ТУМАН-3М, ASDEX, Глобус-М и стеллараторе TJ-II [1].

Ниже приведена таблица некоторых тороидальных установок и их характеристик, для которых уже реализована или может быть применена диагностика допплеровской рефлектометрии.

Таблица 1.

Стеллараторы Малый радиус тора, м Объём камеры, 3 м Мощность ЭЦР нагрева, МВт Частота ЭЦР нагрева, ГГц Магнитное поле, B, Тл

W7-X [2] 0,55 30 10 140 2,5

Л-2М [3] 0,12 0,25 1,5 75 1,3

TJ-II 0,2 1 0,55 53 1

Токамаки

AUG 0,5 12 8 105/140 3

TCV [4] 0,25 2 6 82/126 1,4

T-10 [5] 0,3 2,7 3 129/140 2,5

FTU 0,3 1,6 1,6 140 8

Токамаки без ЭЦР нагрева

JET [6] 0,9 90 - - 4

MAST-U [7] 0,6 8 - - 0,8

WEST [8] 0,5 15 - - 3,7

Токамаки в разработке

Т-15 МД 0,67 20 8 83/105 2

JT-60SA [9] 1,18 130 7 110/138 2,3

ITER 2 840 24 170 5,3

Допплеровская рефлектометрия является основным способом регистрации полоидального вращения плазмы (связанного с радиальным электрическим полем), и низкочастотной плазменной турбулентности вблизи крайней замкнутой магнитной поверхности плазмы.

Ранее подобная диагностика была создана для стелларатора Л-2М, на котором успешно работала в экспериментах с гиротронным комплексом МИГ-2 с вводимой мощностью до 200 кВт [10]. Эксперименты с использованием нового комплекса микроволнового нагрева плазмы МИГ-3 [11] на стеллараторе Л-2М показали, что возрастающий энергетический вклад в плазму электронно-циклотронного излучения приводит к отказу работы диагностической системы допплеровской рефлектометрии из-за зашумления приёмных детекторов непоглощённым в плазме излучением при ЭЦР нагреве.

Возникла необходимость в создании модифицированной диагностике Допплеровской рефлетометрии для стелларатора Л-2М, позволяющей проводить измерения в условиях больших помех. При создании модернизированной ДР была изменена система сбора и обработки сигналов. Подключение новых АЦП позволило увеличить длительность записи сигналов и улучшить их частотное разрешение.

Данная работа посвящена разработке и созданию системы допплеровской рефлектометрии для стелларатора, позволяющей проводить измерения флуктуаций плотности плазмы в условиях импульсного

электронно-циклотронного резонансного нагрева мощностью до 1,5 МВт и анализировать полученные результаты.

Целью настоящей работы является создание диагностической системы допплеровской рефлектометрии в диапазоне частот 30-40 ГГц, для измерения характеристик плазменной турбулентности и скорости полоидального вращения плазмы в тороидальной установке с магнитным удержанием. Данный диагностический комплекс разработан для проведения измерений, в условиях высокой мощности вводимого импульсного СВЧ-излучения на частоте 75 ГГц (с мощностью до 1МВт) и времени импульса 1012 мс при электронно-циклотронном нагреве плазмы.

Для достижения целей настоящей работы были решены следующие задачи:

1. Проанализированы системы диагностик допплеровской рефлектометрии на современных токамаках и стеллараторах (при сравнительном анализе использования таких диагностик в токамаках ТУМАН-3М, Глобус-М и стеллараторе Л-2М). В токамаке ТУМАН-3М (без дополнительных помех, в отсутствии ЭЦР нагрева) проведены контрольные для данного исследования измерения параметров турбулентной плазмы с использованием стандартного радиофизического стенда ДР.

2. Определено, что возможность использования для измерения параметров турбулентной плазмы с использованием системы допплеровской рефлектометрии в Л-2М может быть существенно ограничена помехами на частоте электронно-циклотронного нагрева плазмы (75 ГГц) при мощностях выше 200 кВт.

3. Спроектирована и создана система фильтрации СВЧ излучения диапазона 70-80 ГГц для допплеровского рефлектометра стелларатора Л-2М.

4. Созданы специальные лабораторные стенды для подготовки системы ДР перед установкой на стелларатор. Произведены измерения характеристик и подобраны настройки основных СВЧ элементов, из которых

состоит диагностика: СВЧ-фильтра, линзы, штыревых фильтров, генератора на основе диода Ганна.

5. Произведена сборка радиофизического стенда допплеровского рефлектометра на стеллараторе Л-2М. Система допплеровской рефлектометрии внедрена в диагностический комплекс стелларатора Л-2М.

6. Для обработки и анализа сигналов полученных с СВЧ диодов, несущих в себе информацию о полоидальной скорости вращения плазмы, создана система сбора, хранения и обработки сигналов допплеровского рефлектометра, включающая в себя два синхронных 12-ти разрядных однополюсных АЦП с разрешением до 100 МГц на канал. Разработано специальное программное обеспечение для анализа сигналов в среде Matlab.

7. Проведены измерения полоидальных скоростей вращения плазмы разработанной системой допплеровской рефлектометрии на стеллараторе Л-2М с вводимой мощностью ЭЦР-нагрева до 1,5 МВт.

Научная новизна исследований состоит в следующем:

1. Теоретически обоснованы конструктивные особенности новой системы допплеровской рефлектометрии для диагностики плазмы в тороидальной установке стелларатор Л-2М в условиях мощного импульсного энерговклада ЭЦР-нагрева плазмы.

2. На основе компьютерного моделирования сконструирован прототип нового фильтра электромагнитного излучения миллиметрового диапазона на основе резонатора Фабри-Перо из слюдяных пластин, дополняющий систему фильтрации диагностики допплеровской рефлектометрии.

3. Впервые проведены измерения параметров флуктуаций плазмы стелларатора Л-2М новой системой допплеровской рефлектометрии при повышении удельной мощности импульсного ЭЦР-нагрева до 1 МВт, подтверждающие возможность использования данной диагностики в течение

всего времени существования плазмы в тороидальной ловушке стелларатора.

9

4. Представлен алгоритм модернизации антенной системы и системы фильтрации диагностики допплеровской рефлектометрии для проведения измерений в условиях больших удельных энерговкладов при дополнительном электронно-циклотронном нагреве плазмы на крупномасштабных тороидальных установках.

Практическая значимость работы

Исследования, являющиеся основой диссертации, были посвящены созданию допплеровского рефлектометра для стелларатора Л-2М для работы в условиях ЭЦР-нагрева. Следующие результаты диссертации имеют практическое применение:

1. Разработанный и созданный фильтр, а также антенная система могут быть применены для СВЧ диагностик (рассеяния, интерферометрии, рефлектометрии) на тороидальных установках (токамаках и стеллараторах) с электронно-циклотронным нагревом в диапазоне частот 70 - 80 ГГц.

2. Использование разработанной системы допплеровской рефлектометрии на тороидальной установке позволяет проводить радиофизические измерения флуктуаций плотности плазмы в условиях мощности ЭЦР-нагрева до 1 МВт в импульсном режиме с длительностью импульса 10 - 12 мс и удельным энерговкладом до 4 МВт/м .

3. Разработанное программное обеспечение позволяет проводить загрузку данных от АЦП в автоматическом режиме, строить Фурье-спектры эволюции сигналов системы допплеровской рефлектометрии, определять допплеровский сдвиг.

Внедрение

По результатам диссертации были получены два акта о внедрении:

1. Полосно-заграждающий СВЧ фильтр на основе резонатора Фабри-Перо из слюдяных пластин для работы диагностики допплеровской

рефлектометрии в условиях электронно-циклотронного нагрева плазмы на частоте 75 ГГц на стеллараторе Л-2М;

2. Комплекс допплеровской рефлектометрии для измерения полоидальной скорости вращения плазмы и исследования низкочастотной плазменной турбулентности на стеллараторе Л-2М в условиях электронно-циклотронного нагрева плазмы.

Результаты диссертационной работы были внедрены в практику научно-исследовательской деятельности отдела физики плазмы Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН, и могут быть использованы в других радиофизических установках с мощными электромагнитными помехами в диапазоне частот 70-80 ГГц.

Личный вклад автора

Все представляемые в диссертации результаты получены либо лично автором, либо под его непосредственным руководством. Автор участвовал в разработке и создании микроволновой диагностики допплеровской рефлектометрии для исследования турбулентности плазмы на стеллараторе Л-2М в условиях импульсного электронно-циклотронного резонансного нагрева плазмы мощностью до 1 МВт. Проводил настройку антенной системы и системы фильтрации диагностики, а также системы сбора и обработки данных.

Автор участвовал в экспериментах с омическим и электронно-циклотронным нагревом плазмы на стеллараторе Л-2М, а так же в экспериментах на токамаке ТУМАН-3М по исследованию геодезической акустической моды при смене рабочего газа с дейтерия на водород. Принимал участие в анализе полученных результатов. Готовил публикации по теме исследования.

Достоверность полученных результатов подтверждена сравнением

результатов численного моделирования элементов системы с

экспериментально полученными на микроволновом стенде параметрами, а

также проверкой соответствия настроек системы на стеллараторе Л-2М с помощью апробированных программных методик анализа системы допплеровской рефлектометрии токамака ТУМАН-3М. Достоверность измеренных спектров турбулентности подтверждается из сравнением с измерениями иными диагностиками (магнитными и ленгмюровскими зондами, диагностиками рассеяния излучения гиротрона).

Достоверность подтверждается практическим внедрением и публикациями результатов диссертационной работы в рецензируемых журналах.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 научных работ, из них 4 статьи в журналах рекомендованных ВАК, 3 из которых в журналах индексируемых в международной базе цитирования Scopus и 12 публикаций в научно-технических сборниках и трудах международных и российских конференций.

Апробация работы: Основные результаты работы докладывались на следующих международных и российских научно-технических конференциях:

- Конференция «Современные средства диагностики плазмы и их применение» Москва НИЯУ МИФИ 5-7 ноября 2014г.;

- XLII Международная (Звенигородской) конференция по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу в 2015г;

- II Международная научно-практическая конференция Актуальные проблемы и перспективы развития радиотехнических и инфокоммуникационных систем «РАДИОИНФОКОМ-2015», Москва, МГТУ МИРЭА, 14-18 апреля 2015 года;

- Конференция-школа ИОФ РАН «Актуальные проблемы физики и технологий», Москва, 18-22 мая 2015 года,

- Международная молодёжная конференция «ФизикА.СПб» 26-29 октября 2015 г. Санкт-Петербург ФТИ им. А.Ф.Иоффе;

- XLIII Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу 8-12 февраля 2016 г.;

- V Международная молодёжная научная школа-конференция «Современные проблемы Физики и технологии» Москва НИЯУ МИФИ 18-23 апреля 2016 г.;

- 22 Конференция-школа ИОФ РАН «Актуальные проблемы физики и технологий», Москва, ИОФ РАН, 16-20 мая 2016 года;

- 43-я Международная европейская физическая конференция по физике плазмы «43rd European Physical Society Conference on Plasma Physics in Leuven» в г.Левен, Бельгия 2016 г.;

- X конференция «Современные средства диагностики плазмы и их применение», Москва, НИЯУ «МИФИ», 14-16 ноября 2016г.;

- XVIII Международная научно-практическая конференция «Современные тенденции развития науки и технологий», г. Белгород, 30 сентября 2016 г.

- XLIV Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу, 13-17 февраля 2017 г.;

- 23 Конференция-школа ИОФ РАН «Актуальные проблемы физики и технологий» 17 - 21 апреля 2017 г., Москва, Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулированы цели исследования, отмечена прикладная и научная ценность полученных результатов, также кратко излагается содержание экспериментов по магнитному удержанию плазмы.

В первой главе представлен обзор методов и основные результаты экспериментов СВЧ диагностики плазмы (допплеровской рефлектометрии) на различных тороидальных установках магнитного удержания плазмы (ИТЭР, Т-10, TJ-II, ASDEX, TEXTOR, ФТ-2, ТУМАН-3М). Проведён анализ различных типов рефлектометров, сформулированы основные задачи исследования.

Вторая глава посвящена описанию установки стелларатор Л-2М, гиротронного комплекса МИГ-3, описанию методов и диагностик для исследования плазмы, в том числе турбулентности плазмы.

Экспериментальная установка стелларатор Л-2М - является двухзаходным стелларатором с двумя основными методами накачки энергии в плазму - омическим нагревом и ЭЦР-нагревом. Установка расположена в Институте общей физики им А.М. Прохорова РАН г. Москва.

Комплекс для нагрева плазмы МИГ-3 внедрен в 2013г. Состоит из двух гиротронов, мощностью 700 кВт и 800 кВт работающих на частоте 75 ГГц. К настоящему времени мощность вводимого ЭЦР излучения в стелларатор может достигать 1 МВт, а удельная мощность 4 МВт/м .

В главе описываются прикладные особенности, с которыми сопряжена допплеровская рефлектометрия в условиях больших энерговкладов (до 4 МВт/м ) греющего плазму ЭЦР излучения частотой 75 ГГц на стеллараторе Л-2М, связанные со сложностью магнитных его магнитных поверхностей, и не полным поглощением греющего излучения.

Третья глава описывает аппаратную часть работы. В ней представлена

принципиальная схема системы допплеровской рефлектометрии и описание

разработанных систем. Первая часть третьей главы посвящена разработке

14

нового алгоритма для создания системы допплеровской рефлектометрии для стабильной работы в условиях удельных энерговкладов электромагнитного излучения в объём камеры до

4 МВт/м3. В частности, обосновывается необходимость создания нескольких модификаций лабораторных стендов, которые необходимы для отладки как отдельных узлов ДР, так и для настройки всей системы перед установкой на стелларатор.

В разделе 3.1 этой главы приведён расчёт и схема волноводного тракта системы допплеровской рефлектометрии и его элементов, в разделе 3.2 представлено описание антенной системы и системы фильтров, а также собранного для создания линзовой системы лабораторного стенда.

Для определения разрешающей способности доплеровского рефлектометра был применён метод расчета весовой функции. Для количественных оценок разрешающей способности проводился расчет поля зондирующего излучения, вводимого в камеру стелларатора. Расчет выполнялся для ^плоскости СВЧ пучка методами гауссовой квазиоптики.

Излучение рупора диагностики моделировалось с помощью многомодового приближения Гаусса-Лагерра. Для учета дифракции излучения на патрубке камеры использовалось разложение на систему плоских волн с последующим дополнением такой группой отраженных от стенок патрубка волн, при которой выполняются условия Дирихле для электрического поля на стенках. Математически, выполнение этой операции сводилось к манипуляциям с разложением Фурье электрического поля волны, падающей на торец патрубка.

Четвёртая глава посвящена исследованию турбулентности плазмы и анализу данных созданной диагностики допплеровской рефлектометрии на стеллараторе Л-2М. Впервые показано существование ионно-температурной и электронно-температурной градиентной неустойчивостей в краевой плазме стелларатора Л-2М при её дистанционном зондировании радиоволнами в условиях высокой мощности ЭЦР нагрева.

ГЛАВА 1. ДИАГНОСТИКА ДОППЛЕРОВСКОЙ РЕФЛЕКТОМЕТРИИ В ТОРОИДАЛЬНЫХ УСТАНОВКАХ МАГНИТНОГО УДЕРЖАНИЯ

ПЛАЗМЫ

1.1. Обзор существующих бесконтактных микроволновых диагностик

плазмы.

Для измерения НЧ флуктуаций плотности плазмы во внутренней области плазменного шнура на стеллараторе Л-2М используются три СВЧ диагностики (рис.1.1): допплеровская рефлектометрия [10], малоугловое рассеяние излучения гиротрона [12], диагностика коллективного рассеяния на второй гармонике гиротрона [13]. На рис. 1.2 показан профиль плотности плазмы и области измерения этих диагностик в полоидальном сечении.

Ввод

мощности гиротрона

Рис.1.1. Схема структуры магнитных полей стелларатора Л-2М и взаимного

расположения диагностик

п,, 10" см"3 1.8 ----------

37.6 ГГц

"! 34.8 ГГц

1.4

30.9 ГГц

1.0

0.6

0.2

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 а

Рис.1.2. Профиль плотности плазмы в стеллараторе Л-2М.

На рисунке 1.2 схематично изображены области измерения флуктуаций тремя диагностиками: фиолетовый прямоугольник -диагностики малоуглового рассеяния излучения гиротрона, желтые овалы -диагностика рассеяния на второй гармонике гиратрона, серым прямоугольником показана область измерения системы допплеровской рефлектомтерии, отсечками показаны расположения отсечек для трех частот рефлектометра.

На рис.1.3 показаны изменения в течение разряда некоторых основных сигналов макропараметров плазмы (средней плотности, мощности гиротрона, температуры электронов в центре шнура, запасенная энергия

Результатом работы каждой диагностики являются временные выборки флуктуаций плотности плазмы. В таблице 1.1 для каждой из диагностик приведены данные по областям измерения, поперечным волновым компонентам измеряемых флуктуаций и получаемым после обработки временных выборок характеристикам.

Таблица 1.1

Диагностика к±, см-1 г/а Получаемые характеристики

Система допплеровской рефлектомтерии 1-2 0,8-0,9 1. Комплексные Фурье-спектры и их проекции 2. Трехмерные спектры 3. Доплеровские скорости

Малоугловое рассеяние излучения гиротрона 1 - 2 0 - 0,8 1. Трехмерные Фурье-спектры и их проекции 2. Интенсивности шумов 3. Автокорреляционные функции

Коллективное рассеяния на второй гармонике гиротрона 24 - 44 0,3 - 0,4 0,5 - 0,6 1. Фурье-спектры 2. Интенсивности шумов 3. Автокорреляционные функции

Рис. 1.3 Характерные временные выборки сигналов в течение разряда плазмы в Л-2М (сверху вниз): средняя плотность плазмы, мощность гиротрона, температура электронов в центре шнура, запасенная энергия плазмы.

1.2. Допплеровская рефлектометрия. Принципы

Рефлектометрическая диагностика плазмы основана на эффекте полного отражения СВЧ сигнала от плазмы определенной плотности (так называемый эффект отсечки).

Для того, чтобы определить области плазменного столба, доступные для рефлектометрических исследований, достаточно рассчитать в одномерном представлении частоты отсечек юр(г); Юя(г); Юь(г), где частоты отсечек для необыкновенной моды определяются формулами [5]:

+ ^ (1.1)

+ ^ , (1.2)

где шВе= еВ/те - электронная циклотронная частота, тре=(пее2/в0те)112 - электронная плазменная частота.

Электромагнитная волна с частотой выше электронной ленгмюровской частоты полностью отражается от слоя плазмы с соответствующей плотностью. На этом основана диагностика рефлектометрии. Допплеровская рефлектометрия использует эффект полного отражения от слоя с флуктуациями и доплеровского сдвига при движении этого слоя (рис. 1.4).

Эффект Допплера - изменение частоты и длины волн, регистрируемых приёмником, вызванное движением их источника и/или движением приёмника. Для волн, распространяющихся в какой-либо среде (например, звука) нужно принимать во внимание движение, как источника, так и приёмника волн относительно этой среды. Для электромагнитных волн

(например, света), для распространения которых не нужна никакая среда, имеет значение только относительное движение источника и приёмника.

Рис. 1.4. Отражение волны рефлектометра от слоя плазмы.

Если источник волн движется относительно среды, то расстояние между гребнями волн (длина волны) зависит от скорости и направления движения. Если источник движется по направлению к приёмнику, то есть догоняет испускаемые им волны, то длина волны уменьшается. Если удаляется - длина волны увеличивается.

А =

(с - V)

(1.3)

где ю0 - частота, с которой источник испускает волны, с - скорость распространения волн в среде, V - скорость источника волн относительно среды (положительная, если источник приближается к приёмнику и отрицательная, если удаляется).

Доплеровская флуктуационная рефлектометрия широко используется в настоящее время для изучения полоидального вращения плазмы стеллараторах и токамаках [14]. При исследованиях этим методом в полоидальном сечении стеллоратора с наклоном по отношению к

радиальному направлению вводится зондирующая волна, для которой в плазме имеется поверхность отсечки. Регистрируется сигнал рассеяния, имеющий частоту отличную от зондирующей. Смещение частотного спектра регистрируемого сигнала обычно интерпретируется как возникшее при однократном рассеянии в результате эффекта Допплера за счет полоидального вращения плазменной турбулентности.

Измерения флуктуаций на градиенте плотности в стеллараторе Л -2М проводятся методом Доплеровской рефлектометрии, который позволяет измерять также полоидальную скорость вращения флуктуаций по сдвигу центральной частоты комплексных Фурье-спектров. Схема данной диагностики (рис. 1.5.) состоит из генератора на диоде Ганна (Г) с выходной

Рисунок 1.5 Принципиальная схема системы допплеровской рефлектометрии на

стеллараторе Л-2М

мощностью 30 мВт, волноводной линии, двух направленных ответвителей (НО1, НО2) с короткозамкнутыми поршнями (КЗП1, КЗП2), 3дб -

аттенюаторов (А1, А2) и детекторных головок (Д1, Д2). Для подавления стоячих волн в системе применены три ферритовых вентиля (ФВ1, ФВ2, ФВ3). Микроволновый пучок подается в плазму посредством рупорной антенны (Р) через систему тефлоновых линз (Л). Доплеровской рефлектометрией выполняются измерения на частотах излучения 34 -38 ГГц, при углах падения от -15° до +20° относительно нормали к граничной поверхности плазменного шнура. Для использованных в эксперименте зондирующих частот и углов падения характерный полоидальный волновой вектор колебаний плазмы составляет к ~ 1 ^ 2 см-1, область измерения 0.8 < Га < 0.9. Таким образом, диагностика Доплеровской рефлектометрии позволяет измерять флуктуации плотности на градиенте плотности плазмы (в области отсечки).

В диагностике Доплеровской рефлектометрии применяется квадратурная схема детектирования (рис.1.6), по этому методу проводятся одновременные измерения двух временных выборок, сдвинутых по фазе на п/2 (X и Y каналы). При обработке данных необходимо учитывать индексы каналов, так как этот параметр несет в себе информацию о знаке доплеровского сдвига частоты. С СВЧ детекторов сигналы подаются на предварительные усилители со встроенными фильтрами для отсечки помеховой составляющей (коэффициент усиления около 10, фильтр высоких частот с частотой среза 5 кГц). Помеховая составляющая в основном определялась частичным внутренним отражением зондирующей частоты на волноводных элементах тракта. После усиления сигналы регистрируются на 2 синхронных АЦП с частотой оцифровки до 100 МГц на канал.

Рисунок 1.6 Блок-схема квадратурного детектирования.

Из-за не идентичности каналов рефлектометра и «ухода нуля» предварительных усилителей необходимо применять ряд мер по предварительной обработке и нормализации сигналов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Харчевский, Антон Александрович, 2017 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Cappa А. et al. Second harmonic ECRH breakdown experiments in the TJ-II stellarator // Nuclear Fusion. - 2015. - Т. 55. - №. 4. - С. 043018.

2. Wolf R. C. et al. Wendelstein 7-X program—demonstration of a stellarator option for fusion energy // IEEE Transactions on Plasma Science. - 2016.

- Т. 44. - №. 9. - С. 1466-1471.

3. Skvortsova N. N. et al. Doppler reflectometry studies of plasma gradient instabilities in L-2M stellarator // Journal of Physics: Conference Series.

- IOP Publishing, 2016. - Т. 666. - №. 1. - С. 012007.

4. Alberti S. et al. Progress on the upgrade of the TCV EC-system with two 1MW dual-frequency gyrotrons // Infrared, Millimeter, and Terahertz waves (IRMMW-THz), 2016 41st International Conference on. - Ieee, 2016.

- С. 1-2.

5. Krupin V. A. et al. Experimental study of tungsten transport properties in T-10 plasma // Fusion. - 2017. - Т. 57. - №. 6. - С. 066041.

6. Giruzzi G. et al. Feasibility of an ECRH system for JET: Project overview // Electron Cyclotron Emission And Electron Cyclotron Resonance Heating (Ec-16) (With CD-ROM). - 2011. - С. 73-80.

7. https://en.wikipedia.org/wiki/Mega_Ampere_Spheric al_Tokamak.

8. Bourdelle C. et al. West physics basis // Nuclear Fusion. - 2015. - Т. 55. -№. 6. - С. 063017.

9. http://www.jt60sa.org/pdfs/JT-60SA_Res_Plan.pdf

10. Терещенко М. A., Харчев Н. К., Хольнов Ю. В. Применение доплеровской рефлектометрии на стеллараторе Л-2М // Физика плазмы. - 2005. - Т. 31. - №. 7. - С. 604-611.

11. Батанов Г. М. и др. Новый гиротронный комплекс МИГ-3 для создания и нагрева плазмы в стеллараторе Л-2М и результаты первых экспериментов // Прикладная физика. - 2012. - №. 6. - С. 79-87.

12. Акулина Д. К. и др. Влияние неустойчивых МГД мод на удержание плазмы стелларатора //Письма в ЖЭТФ. - 1999. - Т. 69. - №. 6.

- с. 407-412.

13. Skvortsova N. N. et al. Studies of short-waveturbulence in ECR heated plasma of the L-2M stellarator // Plasma Science, 2008. ICOPS 2008. IEEE 35th International Conference on. - IEEE, 2008. - С. 1.

14. Bulanin V. V. et al. Study of plasma fluctuations in the Tuman-3m tokamak using microwave reflectometry with an obliquely incident probing beam //Plasma Physics Reports. - 2000. - Т. 26. - №. 10. - С. 813-819.

15. Yashin A. Y. et al. Multi-diagnostic approach to geodesic acoustic mode study ll Journal of Instrumentation. - 2015. - Т. 10. - №. 10. - С. P10023.

16. Askinazi L. G. et al. Physics of GAM-initiated L-H transition in a tokamak ll Plasma Physics and Controlled Fusion. - 2016. - Т. 59. - №. 1.

- С.014037.

17. Bulanin V. V. et al. GAM observation in the TUMAN-3M tokamak ll Plasma Physics and Controlled Fusion. - 2016. - Т. 58. - №. 4.

- С. 045006.

18. Askinazi L. G. et al. Fusion Research in Ioffe Institute ll Nuclear Fusion. -2015. - Т. 55. - №. 10. - С. 104013..

19. Буланин В. В. и др. Рефлектометрические исследования колебаний плазмы в токамаке Туман-3М при наклонном падении зондирующего излучения // Физика плазмы. - 2000. - Т. 26. - №. 10. - С. 1-7..

20. Bulanin V. V. et al. The two-frequency Doppler reflectometer application for plasma sheared rotation study in the TUMAN-3M tokamak ll 35th EPS Conference on Plasma Phys. Hersonissos. - 2008. - С. 9-13.

21. Yashin A. Y. et al. GAM observation in the TUMAN-3M tokamak using Doppler reflectometry ll Proc. of the 40th ePs conf. on Plasma Physics. -2013. - Т. 37. - №. P2.

22. Guo W., Wang S., Li J. Effect of impurity ions on the geodesic acoustic mode ll Physics of Plasmas. - 2010. - Т. 17. - №. 11. - С. 112510.

23.Abrakov V. V. et al. High power density electron cyclotron experiments in the L2M stellarator ll Nuclear fusion. - 1997. - Т. 37. - №. 2. - С. 233.

24. Акулина Д. К. и др. Устойчивость и изменение параметров плазмы в стеллараторе Л-2М при возбуждении индукционного тока в режиме ЭЦР-нагрева // Физика плазмы. - 2008. - Т. 34. - №. 12. - С. 1059-1070.

25. Князев А. В., Летунов А. А., Логвиненко В. П. HCN-интерферометр для измерения распределения концентрации электронов в плазме стелларатора Л-2М // Приборы и техника эксперимента. - 2004. - №. 2.

- С. 105-108.

26. Батанов Г.М., Борзосеков В.Д., Колик Л.В., Малахов Д.В., и др., Спектры длинноволновых флуктуаций плотности плазмы в стеллараторе Л-2М, полученные по результатам доплеровской рефлектометрии и малоуглового рассеяния // Сборник трудов XXXVIII Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС 14-18 февраля 2011. - 2011. - С. 103.

27. Буланин В. В. и др. Рефлектометрические исследования колебаний плазмы в токамаке Туман-3М при наклонном падении зондирующего излучения // Физика плазмы. - 2000. - Т. 26. - №. 10. - С. 1-7.

28. Малахов Д. В. и др. Частотные спектры флуктуаций плотности плазмы, измеренные Доплеровским рефлектометром в ЭЦР-плазме с дополнительным индукционным током в стеллараторе Л-2М // Научный вестник Московского государственного института радиотехники, электроники и автоматики. - 2009. - №. 1(6). - С. 42-50.

29.Малахов Д.В. и др. Частотные спектры и вероятностные параметры флуктуаций плотности плазмы, измеренные доплеровским рефлектометром в ЭЦР-плазме с дополнительным индукционным током в стеллараторе Л-2М // Сборник трудов XXXV Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС 11-15 февраля 2008, - 2008. - С. 89.

30. http://www.iter.org/sci/plasmaheating

31. Аликаев В. В. и др. Электронно-циклотронный нагрев плазмы в тороидальных системах // Высокочастотный нагрев плазмы. Горький: ИПФ АН СССР. - 1983. - С. 6-70.

32. Гапонов А. В., Петелин М. И., Юлпатов В. К. Индуцированное излучение возбужденных классических осцилляторов и его использование в высокочастотной электронике // Изв. вузов. Радиофизика. - 1967. - Т. 10. - №. 9-10. - С. 1414.

33. Гапонов-Грехов А. В., Петелин М. И. Мазеры на циклотронном резонансе // Наука и человечество. - 1980. - С. 283.

34. Аликаев В. В. и др. Электронно-циклотронный нагрев на установке Токамак ТМ-3 // Письма в ЖЭТФ. - 1972. - Т. 15. - №. 3. - С. 41-45.

35. Батанов Г.М., Литвак А.Г., Петрова Т.А., Шпигель И.С. Об электронно-циклотронном нагреве плазмы на стеллараторе Л-2М // Препринт ФИАН

- 1980. - №.46. - 18 с.

36. Г.М. Батанов, А.Г. Литвак, Т.А. Петрова, И.С. Шпигель. Об электронно-циклотронном нагреве плазмы на стеллараторе Л-2М. // Препринт ФИАН. - 1980. - №. 46.

37. Андрюхина Э. Д. и др. Создание и нагрев бестоковой плазмы необыкновенной волной на стеллараторе Л-2 // Физика плазмы. - 1988.

- Т. 14. - №. 3. - С. 268-278.

38. Очиров Б.Д., Скворцова Н.Н. Численное моделирование электронно-циклотронного нагрева плазмы обыкновенной волной в стеллараторе Л-2 // Препринт ИОФАН. - 1987. - №.71.

39. Аликаев В.В., Борщеговский А.А., Вершков В.А., Волков В.В., и др., Исследование Н-моды на Т-10 при ЭЦР. // Физика плазмы. - 2000. - Т. 26. -№.11 - С. 979-992.

40. Yang Q. W. et al. Overview of HL-2A experiment results ll Nuclear Fusion. - 2007. -Т. 47. - №. 10. - С. S635.

41. Alejaldre C. et al. Confinement studies in the TJ-II stellarator ll Plasma Physics and Controlled Fusion. - 1999. - Т. 41. - №. 12B. - С. B109.

42. Motojima O. et al. Progress summary of LHD engineering design and construction ll Nuclear fusion. - 2000. - Т. 40. - №. 3Y. - С. 599-610.

43. Hogge J. P. et al. Preliminary results of top launch third harmonic X-mode electron cyclotron heating in the TCV tokamak ll Nuclear fusion. - 2003.

- Т. 43. - №. 11. - С. 1353-1364.

44. Wannier P. G. et al. Quasioptical band-rejection filter at 100 GHz ll Review of Scientific Instruments. - 1976. - Т. 47. - №. 1. - С. 56-58.

45. Аржанников А. В. и др. Исследование генерации миллиметрового излучения в планарном мазере на свободных электронах с комбинированным брэгговским резонатором // Вестник Новосибирского государственного университета. Серия: Физика.

- 2006. - Т. 1. - №. 2. - С. 71-81.

46. Clarke R. N., Rosenberg C. B. Fabry-Perot and open resonators at microwave and millimetre wave frequencies, 2-300 GHz ll Journal of Physics E: Scientific Instruments. - 1982. - Т. 15. - №. 1. - С. 9-25.

47. Vinogradov E. A., Dianov E. M., Irisova N. A. Fabry-Perot Interferometer for the Short Millimeter and Submillimeter Bands with Metallic Grids Having Periods Smaller than the Wavelength ll Soviet Journal of Experimental and Theoretical Physics Letters. - 1965. - Т. 2. - С. 205.

48. Hunter I. Theory and design of microwave filters. - Iet, 2001. - №. 48.

49. Харчевский А.А, Богачев Н.Н., Малахов Д.В., Оптимизация системы допплеровской рефлектометрии для работы в условиях высоких энерговкладов на стеллараторе Л-2М ll Инженерная физика, -М.: Научтехлитиздат. - 2016. - № 6. - С.59-65.

50. http:llwww.keysight.coml enlpc- 1297143lEMPro.

51. Изюмова Т.И. Волноводы, коаксиальные и полосковые линии l

- М.: Энергия, Массовая радиобиблиотека, 1975. - Выпуск 876.

- 112 c.

52. Иванов Б.П. Проектирование СВЧ устройств: сборник лабораторных работ. Ульяновск, 2005. - 23 с.

53. Коган, Сложные волноводные системы l Н.А. Коган, Б.М. Машковцев, К. Н. Цибизов. - М.: «СУДПРОМ ГИЗ», Ленинград , 1963. - 356 с.

54. Буланин В. В., Ефанов М. В. Пространственное и спектральное разрешение доплеровской рефлектометрии плазмы // Физика плазмы. -2006. - Т. 32. - №. 1. - С. 49-57.

55. Малахов Д. В. и др. Частотные спектры флуктуаций плотности плазмы, измеренные Доплеровским рефлектометром в ЭЦР-плазме с дополнительным индукционным током в стеллараторе Л-2М // Научный вестник МИРЭА. - 2009. - С. 42-50.

56. Goldsmith P. F., Institute of Electrical and Electronics Engineers, Microwave Theory and Techniques Society. Quasioptical systems: Gaussian beam quasioptical propagation and applications. - New York : IEEE press, 1998. - С. 170.

57. Gusakov E. Z. et al. Small-angle scattering and spatial resolution of fluctuation reflectometry: comparison of 2D analytical theory with numerical calculations // Plasma physics and controlled fusion. - 2002.

- Т. 44. - №. 8. - С. 1565.

58. Bulanin V. V., Petrov A. V., Yefanov M. V. Consideration Doppler reflectometry in Born approximation. - 2005.

59. Фрадин А. З. Антенны сверхвысоких частот. / М.: Сов Радио. - 1957.

- С. 282-286.

60. http://www.rudshel.ru/show.php?dev=93

61. Skvortsova N. N. et al. Doppler reflectometry studies of plasma gradient instabilities in L-2M stellarator // Journal of Physics: Conference Series. -IOP Publishing, 2016. - Т. 666. - №. 1. - С. 012007.

62. Korolev V. Y., Skvortsova N. N. Stochastic Models of Structural Plasma Turbulence. - Walter de Gruyter, 2006. - Т. 10.

63. Batanov G. M. et al. Low-frequency structural plasma turbulence in the L-2M stellarator // Journal of Experimental and Theoretical Physics Letters.

- 2003. - Т. 78. - №. 8. - С. 502-510..

64. Aleksandrov N. L. et al. Initiation of high-voltage discharge in air by a plasma filament produced by an intense femtosecond laser pulse //Plasma physics reports. - 2008. - Т. 34. - №. 12. - С. 1059-1066.

65. Conway G. D. Turbulence measurements in fusion plasmas // Plasma Physics and Controlled Fusion. - 2008. - Т. 50. - №. 12. - С. 124026.

66. Chirkov A. Y., Khvesyuk V. I. Distinctive features of collisionless gradient drift instabilities in a high-в plasma in a highly nonuniform magnetic field // Plasma physics reports. - 2011. - Т. 37. - №. 5. - С. 437-446.

67. Kharchev N. K. et al. Recent ECRH Experiments in the L-2 M Stellarator with the Use of a New High-Power Gyrotron //Plasma and Fusion Research.

- 2011. - Т. 6. - С. 2402142.

68. Летунов А.А. и др. Профили плотности электронов плазмы стелларатора Л-2М при высоких удельных энерговкладах // Сборник

трудов XLI Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС 2014. - 2014. - С. 73.

69. Pshenichnikov A. A. et al. The use of Doppler reflectometry in the L-2M stellarator ll Plasma physics reports. - 2005. - Т. 31. - №. 7. - С. 554-561.

70. Чернов Н.А. и др. Об исследовании низкочастотной структурной плазменной турбулентности на основе анализа Фурье-спектров ll Сборник трудов XL Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС 2013. - 2013. - С. 68.

71. Mikhailovskii A. B. Theory of Plasma Instabilities, Vol. 2: Instabilities of an Inhomogeneous Plasma (Atomizdat, Moscow, 1971; Consultants Bureau, New York, 1974).

72. Rhodes T. L. et al. Broad wavenumber turbulence and transport during Ohmic and electron cyclotron heating in the DIII-D tokamak ll Plasma Physics and Controlled Fusion. - 2007. - Т. 49. - №. 12B. - С. B183.

73. Chirkov A. Y., Khvesyuk V. I. Electromagnetic drift instabilities in high-в plasma under conditions of a field reversed configuration ll Physics of Plasmas. - 2010. - Т. 17. - №. 1. - С. 012105.

74. Jenko F. et al. Electron temperature gradient driven turbulence ll Physics of Plasmas. - 2000. - Т. 7. - №. 5. - С. 1904-1910.

75. Chirkov A. Y. The effect of trapped particles on gradient drift instabilities in finite pressure plasma with a longitudinally nonuniform magnetic field ll Journal of Fusion Energy. - 2014. - Т. 33. - №. 2. - С. 139-144.

76. Lee Y. C. et al. Collisionless electron temperature gradient instability ll The Physics of fluids. - 1987. - Т. 30. - №. 5. - С. 1331-1339..

77. Горшенин А. К. и др. Анализ тонкой стохастической структуры хаотических процессов с помощью ядерных оценок //Математическое моделирование. - 2011. - Т. 23. - №. 4. - С. 83-89.

78. Malakhov D. V. et al. On a Spectral Analysis and Modeling of Non-Gaussian Processes in the Structural Plasma Turbulence llJournal of Mathematical Sciences. - 2016. - Т. 218. - №. 2. - С. 208-215.

79. Кирнева Н.А. и др., Избранные вопросы физики плазмы и её применения. Вып.1: Учебное пособие под ред. Курнаева В.А. l

- М.: НИЯУ МИФИ, 2017. - 180 с.

80. Батанов Г. М. и др. Длинноволновая турбулентность в плазме стелларатора Л-2М при электронно-циклотронном нагреве // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Термоядерный синтез. - 2011. - №. 2.

- С. 70-75.

Приложение 1. Акты о внедрении результатов диссертационной работы.