Влияние плазмы на излучение гиротрона при электронно-циклотронном нагреве плазмы в стеллараторе Л-2М

Кончеков, Евгений Михайлович

Влияние плазмы на излучение гиротрона при электронно-циклотронном нагреве плазмы в стеллараторе Л-2М тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

Кончеков, Евгений Михайлович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.08 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Влияние плазмы на излучение гиротрона при электронно-циклотронном нагреве плазмы в стеллараторе Л-2М»

Автореферат диссертации на тему "Влияние плазмы на излучение гиротрона при электронно-циклотронном нагреве плазмы в стеллараторе Л-2М"

На правах рукописи

Кончеков Евгений Михайлович

ВЛИЯНИЕ ПЛАЗМЫ НА ИЗЛУЧЕНИЕ ГИРОТРОНА ПРИ ЭЛЕКТРОННО-ЦИКЛОТРОННОМ НАГРЕВЕ ПЛАЗМЫ В СТЕЛЛАРАТОРЕ Л-2М

Специальность 01.04.08 — физика плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

13 ФЕВ 2014

МОСКВА 2013

005545188

Диссертация выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте общей физики им. A.M. Прохорова Российской академии наук (ИОФ РАН) и в научном центре CIEMAT (Мадрид, Испания).

Научный руководитель д.ф.-м.н., доцент, вне, ИОФ РАН, МИРЭА

Скворцова Нина Николаевна

Оппоненты д.ф.-м.н., доцент, зав.лаб., ИПФ РАН

Глявин Михаил Юрьевич к.ф.-м.н., доцент, МГТУ им. Н.Э. Баумана Чирков Алексей Юрьевич

Ведущая организация НИЦ "Курчатовский институт"

Защита состоится 03 марта 2014 г. в 15:00 на заседании Диссертационного совета Д 002.063.03 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте общей физики им. A.M. Прохорова Российской академии наук по адресу: 119991, г. Москва, ул. Вавилова, 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИОФ РАН. Автореферат разослан «_»_2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 002.063.03 к.ф.-м.н.

/Т.Б. Воляк/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Данная работа является важной для современных энергетических установок с магнитным удержанием плазмы — токамаков и стеллараторов. В этих установках для создания и нагрева плазмы до термоядерных температур с помощью электронно-циклотронного резонансного (ЭЦР) метода используются СВЧ-генераторы большой мощности — гиротроны. Для транспортировки и фокусировки излучения гиротрона используются квазиоптические тракты длиной от нескольких до сотен метров. Например, в стеллараторах Л-2М (Россия) и Т.Г-Н (Испания) длина тракта составляет 5-10 м, ЬГО (Япония) 120 м.

До недавнего времени считалось, что использование квазиоптических систем не позволяет отраженным сигналам попадать в гиротрон и влиять на его характеристики. Однако, как показали эксперименты, проведенные ранее на стеллараторах Л-2М (ИОФ РАН, Москва) [I]1 и ТМ-Н (С1ЕМАТ, Мадрид, Испания) [2], в таких системах наблюдается малое отражение (~10^) от флуктуирующей нагрузки (плазмы, металлической мембраны), которое может оказывать существенное влияние на излучение гиротрона. Например, отраженные волны при попадании в гиротрон могут приводить к искажению формы и/или поляризации вводимого в плазму гауссова пучка [3], что может повлиять на эффективность ЭЦР-нагрева. Влияние отраженного сигнала на гиротрон также может оказаться важным для диагностик томсоновского и коллективного рассеяния [4], т.к. в них предъявляются жесткие требования к стабильности частоты генерации гиротрона и к независимости характеристик излучения от рабочей нагрузки.

В связи с вышеизложенным изучение влияния отраженных сигналов, определяемых низкочастотными флуктуациями плотности плазмы и особенностями резонансной зоны поглощения, на генерацию гиротрона является актуальным для решения задач электронно-циклотронного нагрева плазмы и ее диагностики для управляемого термоядерного синтеза.

Целью настоящей работы является экспериментальное изучение влияния отраженного от плазмы излучения на модуляцию мощности излучения гиротрона.

Для этого были решены следующие задачи: — Обработка данных экспериментов с 2004 г. до 2006 г, проведенных на стелла-раторе Л-2М в режиме ЭЦР-нагрева плазмы диодным гиротроном (комплекс для ЭЦР-нагрева МИГ-2). Проведение численного спектрального и корреляционного

1 В автореферате публикации автора отмечены //, а цитируемая литература—[].

анализа сигналов мощности гиротрона и длинноволновых флуктуаций по данным диагностики малоуглового рассеяния [5].

— Постановка эксперимента (ЭЦР-нагрев комплексом МИГ-3) по исследованию влияния на параметры генерации диодного гиротрона с рекуперацией отражения сгг коротковолновых флуктуаций плотности плазмы. Проведение численного спектрального и корреляционного анализа сигналов мощности гиротрона и коротковолновых флуктуаций по данным диагностики обратного рассеяния [5].

— Проведение модельного эксперимента и анализ результатов для изучения возможных механизмов влияния отражения на параметры генерации гиротрона при отражении от металлической пластины (ЭЦР-комплекс стелларатора TJ-II, CIEMAT).

Научная новизна исследований, проведенных в диссертационной работе, состоит в следующем:

1. Во всех исследованных режимах разряда в стеллараторе JI-2M установлена модуляция мощносги излучения как диодного, так и диодного с рекуперацией гиротронов под влиянием отражения от низкочастотных флуктуаций плотности плазмы. Особенности модуляции отличаются для гиротронов разных типов и зависят от спектров плазменных флуктуаций.

1.1. В двух режимах разряда в стеллараторе J1-2M (со стандартной конфигурацией магнитного поля и с топологически неустойчивой) установлено изменение интенсивности излучения диодного гиротрона (комплекс МИГ-2), которое коррелирует с появлением 20 кГц гармоник /1-6/.

1.2. Также установлены высокие значения коэффициентов когерентности (~50%) в полосе 20 кГц между вейвлет-спектрами модуляции излучения диодного гиротрона и длинноволновых (сантиметровых) флуктуаций плотности /1,4-6/.

1.3. Установлено изменение мощности излучения диодного гиротрона с рекуперацией (комплекс МИГ-3), коррелирующее с появлением гармоник: 1-1,5 кГц, 1015 кГц, и около 80кГц (наиболее интенсивной является полоса 10-15 кГц) /7-11/.

1.4. Обнаружены в спектрах коротковолновых (миллиметровых) флуктуаций частотные полосы с повышенной интенсивностью: 10-15 кГц и 80 кГц /7/. В этих частотных диапазонах коэффициент когерентности между вейвлет-спекграми модуляции излучения диодного гиротрона с рекуперацией и коротковолновых (миллиметровых) флуктуаций плотности принимает высокие значения (~50%) /8/.

2. В модельных экспериментах показано, что отражение от металлической мембраны оказывает воздействие на микроволновый пучок излучения гиротрона — происходит деформация периферийной области (искажение гауссовской формы) и изменение вектора поляризации пучка /12/.

Практическая значимость работы

Диссертация имеет практическую направленность, т.к. ее результаты важны для предприятий, использующие гиротроны в управляемом термоядерном синтезе, особенно для нагрева и диагностики плазмы. Отдельно можно выделить следующее:

• Данные о модуляции излучения, деформации микроволнового пучка и изменении поляризации гиротрона могут быть учтены при создании комплексов ЭЦР нагрева плазмы с большим количеством гиротронов на современных токамаках и стеллараторах.

• Данные о влиянии на гиротрон отражения от плазмы могут быть учтены при разработке гиротронов для диагностики томсоновского рассеяния альфа-частиц, для работы которой необходима высокая стабильность частоты генерации гиротрона.

• Результаты исследования модуляции излучения гиротрона широкополосной плазменной нагрузкой может быть использован для разработки внешних устройств для управления режимом работы гиротрона.

Положения, выносимые на защиту

1. Воздействие отраженного широкополосного сигнала малой амплитуды от коротковолновых флуктуаций плотности плазмы на излучение гиротрона приводит к низкочастотной модуляции его мощности.

2. Реакция излучения гиротрона на отдельные спектральные компоненты отраженного от плазменных флуктуаций широкополосного сигнала определяется как параметрами самих флуктуаций, так и типом гиротрона.

3. Эффект воздействия отраженного сигнала малой интенсивности (R-10*3) на гиротрон проявляется в изменении вектора поляризации излучения и деформации формы микроволнового пучка на периферии.

Апробация работы и публикации

Диссертация выполнена в лаборатории «РАМУС» отдела физики плазмы ИОФ РАН и в научном центре CIEMAT (Мадрид, Испания).

Общее число публикаций по теме диссертации — 21:5 статей в рецензируемых журналах из списка ВАК и 16 тезисов и докладов на конференциях.

Основные результаты, изложенные в диссертации, представлены на международных и всероссийских конференциях по физике /2—7, 9, 10, 12/:

— 40-я международная конференция EPS по физике плазмы (Эспоо, Финляндия, 2013);

— 20-я, 23-я международная конференция Токи (Токи, Япония, 2010, 2013);

— Всероссийская конференция «Проблемы СВЧ-электроники» (МИЭМ, 2013);

— XV Международная зимняя школа-семинар по электронике сверхвысоких частот и радиофизике (Саратов, 2012);

— XXXVIII Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС (Звенигород, 2011);

— Шестнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электроника и энергетика. (Москва, 2010, МЭИ);

— 20-й, 21-й Российско-германский семинар по проблемам ЭЦ-нагрева и гиро-тронам (Нижний Новгород, 2010, 2011);

— VIII Курчатовская молодежная научная школа (Москва, 2010);

— 59-я, 60-я научно-техническая конференция в МИРЭА (Москва, 2010, 2011); а также неоднократно докладывались и обсуждались на семинарах МГТУ МИРЭА, ИПФ РАН и ИОФ РАН.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав основного текста, заключения и списка использованных источников. Объем диссертации: 61 страница, 2 таблицы, 33 рисунка, список использованных источников из 87 наименований.

Содержание диссертации

Во введении обосновываются актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, отмечается прикладная и научная ценности полученных результатов, также дана общая характеристика работы и описана структура диссертации.

В первой главе приводится обзор экспериментальных и теоретических работ в области изучения влияния плазмы на излучение гиротрона.

Для транспортировки и фокусировки излучения гиротронов в энергетических установках магнитного удержания плазмы широко используются квазиоптические тракты. До недавнего времени считалось, что использование таких трактов позволяет не заботиться о защите гиротронов от излучения, отраженного от плазмы. Поглощение излучения гиротрона в резонансном слое плазмы полагалось близким 100% [6], а отражение излучения гиротрона от элементов тракта, входного окна камеры и ее задней стенки пренебрежительно малыми и не влияющими на столь высокодобротный генератор, как гиротрон.

Впервые проблема влияния слабого отражения от плазмы на излучение гиротрона была описана в работе [1]. В эксперименте на гиротронном комплексе стелла-

ратора Л-2М (ИОФ РАН) было установлено изменение мощности диодного гиро-трона и ее модуляция шумами плазмы при низких коэффициентах отражения (-0,001) излучения гиротрона от плазменного шнура. В экспериментах на стеллара-торе Л-2М модуляция сигнала мощности гиротрона была установлена по виду сигнала и изменению его автокорреляционной функции. Исследования спектральных характеристик не проводилось. Также не были проведены исследования влияния флуктуаций плотности плазмы на модуляцию мощности излучения гиротронов разных типов. Наблюдаемый эффект был объяснен резонансным захватом автоколебаний гиротрона волнами, возникшими в результате рассеяния излучения гиротрона на турбулентных пульсациях плазмы и транспортированными через квазиоптический тракт на вход гиротрона.

Для моделирования эффектов воздействия на гиротрон отражения от нестационарной нагрузки на гиротронном комплексе стелларатора П-П (С1ЕМАТ, Мадрид) проводились эксперименты [2], где в качестве отражателя использовалась металлическая мембрана, осциллирующая с фиксированными амплитудой и частотой. Эти эксперименты показали, что после переходного режима мощность гиротрона становится промодулированной с периодом колебаний отражающей мембраны. В частности, была установлена зависимость амплитуды модуляции мощности гиротрона от фазы отраженного сигнала. Однако детальных исследований изменения поляризации и распределения пучка не проводилось.

В связи с вышеизложенным в диссертационной работе проанализированы спектры сигналов модуляции мощности гиротронов разных типов, изучены взаимно корреляционные функции между этими сигналами и флуктуациями плотности плазмы.

Во второй главе описываются исследования по изучению влияния на излучение диодного гиротрона отражения от плазмы стелларатора Л-2М на основе анализа связи между сигналами излучения гиротрона и рассеяния на длинноволновых плазменных флуктуациях, регистрируемых с помощью метода малоуглового рассеяния. Для этого обработана база данных экспериментов с 2004 г. до 2006 г, проведенных на стеллараторе Л-2М в режиме ЭЦР-нагрева плазмы излучением диодного гиротрона (комплекс для ЭЦР-нагрева МИГ-2).

В параграфе 2.1 описываются стелларатор Л-2М — установка, на которой проводилось исследование, и гиротронный комплекс МИГ-2, используемый для нагрева плазмы и ее диагностики, а также приведена схема измерений.

Стелларатор Л-2М является двухзаходным стелларатором. Величина магнитного поля 1,34 Тл соответствует положению циклотронного резонанса на оси вакуум-

ной камеры Ло = 100 см в момент 54-55 мс от начала импульса магнитного поля. Фотография установки представлена на рис.1, значения основных параметров приведены в таблице 1.

Рис.1. Фотография стелларатора Л-2М

Таблица 1. Основные параметры стелларатора Л-2М

Большой радиус Л, см 100

Средний мглый радиус <г>, см 11,5

Магнитное поле В, Тл 1,3-1,4

Вводимая СВЧ-мощность Ро, кВт 100-500

Средняя плотность <«>-1013, см-3 1,0-2,3

Температура электронов в центре шнура Гс(0), эВ 400-1000

Длительность импульса гиротрона, мс 100

Длительность существования плазмы при ЭЦ-нагреве, мс <20

Гиротронный комплекс МИГ-2 состоял из следующих блоков: системы электропитания гиротронного комплекса; диодного гиротрона Бридер-1 с диодной электронной пушкой (частота 75 ГГц, максимальная мощность излучения 400 кВт, максимальная длительность импульса 100 мс, конструкция со встроенным преобразователем); сверхпроводящего магнита в криостате; четырехзеркального квазиоптического тракта; спиртового измерителя СВЧ-мощности.

Для измерения НЧ-флуктуаций плазменного шнура использовалась диагностика малоуглового рассеяния излучения гиротрона [5, 7].

Схема измерений огибающей сигнала мощности диодного гиротрона и сигнала малоуглового рассеяния на длинноволновых флуктуациях плазмы представлена на рис. 2. Регистрация огибающей сигнала мощности гиротрона осуществлялась посредством квазиоптического ответвителя. Для расширения динамического

диапазона регистрации флуктуации мощности гиротрона после детектора на входе предусшштеля использовалась ЛС-цепочка с постоянной времени ~0,5 мс, которая отсекала постоянную составляющую. С предусилителя (коэффициент усиления 10) сигнал подавался на вход АЦП, где оцифровывался с частотой 5 МГц и записывался в базу данных /1/.

Рис. 2. Схема измерений огибающей сигнала мощности гиротрона и сигнала малоуглового рассеяния на длинноволновых флуктуациях плазмы: 1 —делительная пластина; 2 — СВЧ-поглотители; 3 — отрезок волновода; 4 — входное окно камеры; 5 — коллиматор.

Параграф 2.2 посвящен анализу спектральных и корреляционных характеристик сигналов модуляции излучения диодного гиротрона и малоуглового рассеяния для двух конфигураций магнитного поля стелларатора Л-2М: стандартной и топологически неустойчивой /1-6/.

Результаты спектральной обработки сигналов показали высокую степень воспроизводимости от разряда к разряду характерных особенностей сигнала модуляции мощности излучения гиротрона. На рис. 3 представлены типичные сигналы огибающей мощности гиротрона Р в течение разряда в Л-2М в стандартной и топологически неустойчивой конфигурациях магнитного поля. Как видно из временного хода, возникновение пробоя в газе и образование плазмы происходит спустя ~1 мс после включения излучения гиротрона, формы импульсов мощности гиротрона для двух конфигураций магнитного поля близки друг к другу. В случае основной магнитной конфигурации от 50 мс до момента выключения импульса гиротрона (61 мс) имеется квазистационарный режим по температуре электронов и плотности плазмы. Для топологически неустойчивой конфигурации температура падает в центре шнура к концу импульса нагрева, тогда как средняя концентрация возрастает в том же временном интервале.

ДЕТЕКТИРОВАНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ ГИРОТРОНА

СЕЧЕНИЕ МАГНИТНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

60814 6081»

t, MC t, HC

Рис. 3. Изменения огибающей мощности гиротрона Р (-100 кВт) в зависимости от времени t в течение разряда при стандартной (а) и топологически неустойчивой (б) конфигурациях магнитного поля

На рис.4 приведены результаты измерений для стандартной магнитной конфигурации, а на рис.5 для топологически неустойчивой. На них можно выделить интервалы времени с разной амплитудой модуляции мощности гиротрона. Сигналы модуляции мощности гиротрона после удаления постоянной составляющей с помощью ЛС-цепочки представлены на рис.4 (а) и рис.5 (а). В этих сигналах присутствуют две компоненты: быстроосциллирующая (связанная с влиянием на излучение гиротрона НЧ-флуктуаций плотности плазмы) и квазипостоянная (связанная с медленным изменением средней плотности плазмы). В данной главе изучается влияние НЧ-флуктуаций плотности плазмы на излучение диодного гиротрона, а потому проводится вычитание квазипостоянной компоненты. Сигналы после исключения усредненных значений приведены на рис. 4 (б) и рис. 5 (б).

Эволюция фурье-спектров сигналов модуляции представлена на рис. 6 и 7. До 250-300 кГц спектры представляют собой чередование спектральных полос близкой амплитуды. На этом фоне для определенных моментов разряда выделяется полоса в области ~20 кГц, имеющая спектральную плотность на порядок выше спектральной плотности остальных полос. При сопоставлении сигналов модуляции излучения гиротрона (рис. 4, 5) и их спектров (рис. 6, 7) отчетливо видно, что интенсивная полоса в области 20 кГц соответствует повышенной амплитуде в сигнале модуляции мощности гиротрона.

Спектр излучения, отраженного назад в квазиоптический тракт от плазменного шнура, мэжет повлиять на процесс генерации гиротрона. Проанализируем существует ли связь между спектром колебаний в плазменном шнуре и спектром модуляции излучения гиротрона и как она проявляется.

Наибольшая интенсивность отраженного излучения должна возникать от флуктуаций, длина волны которых соответствует условию Брэгга {к = 30 см"1). Следовательно, желательно регистрировать и изучать спектр отраженного назад излучения. Но так как в экспериментах, описываемых в данной главе,

такой возможности не имелось, то проводится сопоставление со спектрами длинноволновых возмущений плазмы (Л* = 6 см), зарегистрированных методом малоуглового рассеяния в том же сечении плазменного шнура [5, 7].

0.4

0.2

а)

б)

50 52 54 56

Время, мс

Рис. 4. Сигналы модуляции мощности гиротрона (выстрел 60814) для стандартной магнитной конфигурации после удаления постоянной составляющей с помощью ЛС-цепочки (а) и после исключения НЧ-составляющей (б)

а)

52 54 56

Время, мс

б)

52 54 56

Время, мс

Рис. 5. Сигналы модуляции мощности гиротрона (выстрел 60819) для топологически неустойчивой магнитной конфигурации после удаления постоянной составляющей с помощью ЯС-цепочки (а) и после исключения НЧ-составляющей (б)

Рис. 6. Временная эволюция фурье-спектров сигналов модуляции мощности гиротрона (разряд 60814) дня стандартной магнитной конфигурации

Рис. 7. Временная эволюция фурье-спектров сигналов модуляции мощности гиротрона (разряд 60819) для топологически неустойчивой магнитной конфигурации

Таким образом, как в спектрах рассеяния на длинноволновых флуктуациях плазмы (А5 ~ 6 см), так и в спектрах модуляции излучения гиротрона присутствует спектральная полоса в районе 20 кГц. Однако в спектре модуляции излучения гиротрона эта полоса оказывается на порядок величины больше, чем в спектрах малоуглового рассеяния.

Установлена взаимосвязь флуктуации длинноволновых возмущений плотности и модуляции мощности излучения гиротрона с помощью построения коэффициента когерентности вейвлет-спектров2 [9]. На рис. 8 представлены результаты этого анализа. Действительно, для моментов времени с большой амплитудой в области частот 20 кГц наблюдаются высокие значения коэффициента когерентности (-50%). Причем это имеет место не только для временных интервалов, где в спектрах модуляции излучения гиротрона регистрируются высокие значения спектральной плотности полосы 20-30 кГц, но и для моментов времени, когда интенсивность этой полосы соответствует уровню других спектральных полос.

Причины возникновения интенсивной полосы в спектре модуляции излучения гиротрона в районе 20 кГц следует искать в свойствах электродинамической системы гиротрона. Согласно теории колебаний [10, 11] и результатам данных спектральных измерений можно предположить, что модуляция излучения гиротрона с частотой 20 кГ ц связана с ограничением полосы захвата фазы генерации гиротрона амплитудой отраженного сигнала /1/.

2 Вспышечная структура сигналов модуляции мощности гиротрона и малоуглового рассеяния может быть описана вейвлетом Морлет.

49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 Вргма. мс

Рис. 8. Коэффициент когерентности вейвлет-спектров флуктуаций длинноволновых возмущений плотности и модуляции мощности излучения гиротрона при стандартной магнитной конфигурации (разряд 60814)

Третья глава посвящена изучению влияния НЧ-флуктуаций плотности плазмы на излучение диодного гиротрона с рекуперацией (гиротронный комплекс МИГ-3 стелларатора Л-2М) путем анализа сигналов обратного рассеяния. Для этого был поставлен целенаправленный эксперимента (ЭЦР-нагрев комплексом МИГ-3) и проведены численный спектральный и корреляционный анализы сигналов мощности гиротрона и коротковолновых флуктуаций по данным диагностики обратного рассеяния [5].

В параграфе 3.1 описываются гиротронный комплекс МИГ-3 и схема измерений.

В эксперименте /7-11/ создание и ЭЦ-нагрев плазмы на второй гармонике ги-рочастоты электронов в стеллараторе Л-2М осуществлялся с помощью гиротрон-ного комплекса МИГ-3 с диодным гиротроном с рекуперацией Борец 75/0,8 (75 ГГц, максимальная мощность 0,8 МВт).

Фокусировка гауссова пучка излучения гиротрона и его транспортировка до окна стелларатора осуществлялась четырехзеркальным квазиоптическим трактом. Для предотвращения влияния на генерацию излучения гиротрона зеркально отраженного от плазмы излучения ввод пучка в плазму осуществлялся под углом 12° относительно нормали к граничной магнитной поверхности (или 78° относительно тороидальной и полоидальной компонент). Ввиду присутствия радиальной компоненты магнитного поля линейно-поляризованный пучок расщеплялся на две волны: необыкновенную (X), которая почти полностью поглощалась в центральной области плазменного шнура, и обыкновенную (О), которая пересекала плазму, почти не поглощаясь. [12]

раторе Л-2М. Конструкция квазиоптического ответвителя: 1) слюдяная пластина; 2) поглотитель; 3) коллиматор излучения; 4) поляризационная сетка; 5) детектор мощности излучения гиротрона; 6) детектор рассеянного излучения.

Регистрации рассеяния О-волны осуществлялась с помощью квазиоптического ответвителя (рис. 9) /14/, в котором волновод канала обратного рассеяния был ориентирован для регистрации компоненты поля, ортогональной полю в падающей волне. При этом использовалась гомодинная схема детектирования, для чего перед каналом прямого сигнала помещалась поляризационная сетка. Малая часть направляемой в канал прямой мощности излучения отражалась от сетки и направлялась в канал рассеянного сигнала, тем самым формируя опорный сигнал.

Ряд экспериментов был выполнен с использованием двух ответвителей. В этом случае в первом из них регистрировалось отражение (рассеяние) О-волны и использовался метод гомодинного детектирования. При этом во втором ответвителе регистрировалось отражение (рассеяние) Х-волны и использовалось прямое детектирование и широкополосный усилитель с фильтрацией низких частот (постоянная времени ~0,5 мс).

Ввиду наличия угла между плоскостью распространения пучка и нормалью к граничной магнитной поверхности в канале рассеянного сигнала для каждой из компонент поля преобладала составляющая сигнала, образованная обратным рассеянием излучения гиротрона на коротковолновых флуктуациях плотности (А=31.4 см-1)-

Калибровка детекторов проводилась с помощью поглощающего калориметра (для каналов прямой мощности) и слюдяной пластины с известным коэффициентом отражения (для каналов обратного рассеяния). Сигналы с детекторов записывались в базу данных посредством АЦП с частотой оцифровки 5 МГц.

Параграф 3.2 посвящен анализу спектральных и корреляционных характеристик сигналов модуляции излучения диодного гиротрона с рекуперацией и отражения от плазменных флуктуаций /7-10/.

0.25р

0.2т

а о.15-

а)

0.05 0^

б)

47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 5/ 58 59 60 61 Время, мс

Рис. 10. Сигнал прямой мощности излучения гиротрона (а) и сигнал обратного рассеяния О-волны (б) с использованием гомодинной схемы детектирования (разряд 38751).

а)

б)

Рис. 11. Сигнал прямой мощности излучения гиротрона (а) и сигнал обратного рассеяния Х-волны (б) с использованием усилителя (разряд 38751).

На рис. 10 приведены сигналы прямой мощности и рассеяния О-волны, зарегистрированные с использованием схемы гомодинного детектирования (при мощности ЭЦ-нагрева 320-330 кВт и средней плотности плазмы, растущей в квазистационарной фазе разряда от 2,2Т013 см-3 (50 мс) до 2,6Т0'3 см-3 (60 мс)). Как видно из рисунков, возникновение пробоя в газе и образование плазмы происходит спустя ~1 мс после включения излучения гиротрона. С 48 по 49 мс сигнал прямой мощности

излучения гиротрона (рис. 10а) представляет собой гладкое плато, тогда как в сигнале обратного рассеяния (рис. 1 Об) на 48 мс наблюдается всплеск и последующее плавное нарастание сигнала вплоть до возникновения плазменного шнура приблизительно на 49 мс.

Помимо быстроосциллирующей компоненты в сигналах (рис. 10 и 11) регистрируется тага се и низкочастотная квазипостоянная компонента (до 3 кГц). Ее присутствие обусловлено медленным изменение величины средней плотности в течение разряда и нагрева плазмы. Как нетрудно видеть /13/, форма сигнала в канале регистрации отраженной мощности представляет собой результат интерференции трех сигналов: опорного, квазипостоянного с переменной фазой и сигнала излучения, рассеянного на флуктуациях плотности плазмы. Для изучения спектра сигнала была проведена процедура усреднения по 1500 точкам (300 мкс, 3 кГц) и вычитания полученных значений из полного сигнала. По сигналам быстроосциллирующей компоненты, полученной вычитанием усредненного сигнала из полного, рассчитывались фурье-спектры с последующим их усреднением по серии из нескольких разрядов. Как видно на рис. 10, квазипостоянная и быстроосциллирующая компоненты присутствуют как в отраженном сигнале, так и в сигнале прямой мощности. Таким образом, оказалось возможным выделить две различных модуляции сигнала прямой мощности сигналом, отраженным от плазмы: низкочастотная квазипостоянная и быстроосциллирующая.

На рисунках 12-15 приведена временная эволюция фурье-спектров, полученных с использованием алгоритма Вэлча [16] и усредненных по четырем разрядам. Как видно из сравнения рисунков 12 и 14, спектры обратного рассеяния Х- и О-волн имеют схожий характер. Они представляют собой чередование спектральных полос близкой амплитуды, меняющих свою форму и положение в течение времени (с 51 по 59 мс, интервал анализа 1 мс). На этом фоне для определенных моментов разряда выделяются полосы в области —10—15 и 80 кГц, спектральная плотность которых выше спектральной плотности остальных полос.

В спектрах низкочастотной модуляции прямой мощности гиротрона (рис. 13 и 15) в отдельных временных окнах также наблюдаются выделенные по амплитуде полосы в области ~10—15 и 80 кГц, причем спектральная плотность полосы с центральной частотой ~ 10-15 кГц выше спектральной плотности остальных полос на порядок величины.

50 100 150 200 250 300 50 100 150 200 250 300

кГц I кГц

Рис. 12. Усредненный фурье-спектр отраженного сигнала с первого квазиоптического ответвителя по разрядам 16148—16151 (О-волна).

50 100 150 200 250 300 f, кГц

Рис. 13.Усредненный фурье-спектр сигнала модуляции мощности излучения гиротрона с первого квазиоптического ответвителя по разрядам 16148-16151.

га~ 10"

10"

< 10"

50 100 150 200 250 300

58 мс

10"

ю-9 ю-

50 100 150 200 250 300

59 мс

50 100 150 200 250 300 f, кГц

Рис. 14. Усредненный фурье-спектр отраженного сигнала со второго квазиоптического ответвителя по разрядам 16148-16151 (Х-волна).

50 100 150 200 250 300 50 100 150 200 250 300

кГц í, кГц

Рис. 15. Усредненный фурье-спектр сигнала модуляции мощности излучения гиротрона со второго квазиоптического ответвителя по разрядам 16148—16151.

Время, мс

Оценка связи между излучением гиротрона и обратным рассеянием от плазменного шнура проведена посредством построения коэффициентов взаимной корреляции и когерентности шауе!е1-спектров. Значение коэффициента когерентности wavelet-cпeктpoв для отдельных интервалов времени и для полос в области —10—15 и 80 кГц достигает 40—60%. Это безусловно свидетельствует о взаимосвязи излучения, рассеянного назад на плазменном шнуре, и НЧ-модуляцией мощности гиротрона.

Рис. 16. Коэффициент кросс-корреляции между прямым сигналом гиротрона и сиг-Г налом обратного рассеяния (разряд 16158).

Вычисление коэффициента взаимной корреляции (рис. 16) производилось с усреднением по 0,8 мс, а смещение импульсов сигналов прямой и отраженной мощности относительно друг друга происходило с интервалом 40 мкс. Как видно на рис. 9, величина коэффициента корреляции достигает 0,7. По смещению сигналов относительно друг друга можно выделить широкие полосы (высокой корреляции и антикорреляции), простирающиеся на 0,6-1 мс, и узкие полосы с чередованием -70 мкс. Такое поведение коэффициента кросс-корреляции можно интерпретировать как корреляцию на частотах 1-1,5 кГц и -15 кГц. При этом эти корреляции сохраняются на протяжении 1--4 мс.

Широкие полосы коэффициента корреляции, соответствующие диапазону частот 1-1,5 кГц, естественно отнести к низкочастотной модуляции мощности гиро-трона, вызванной изменением фазы квазипостоянной компоненты отраженного излучения. Это подтверждается изменением знака коэффициента корреляции при изменении фазы сигнала отраженного излучения из-за изменения оптической толщины плазменного шнура при изменении средней плотности плазмы. Узкие полосы коэффициента корреляции соответствуют основному пику в спектре прямой мощности (-10-15 кГц), коррелирующему с пиком в спектре быстроосциллирующей компоненты отраженного излучения. Последнее обстоятельство подтверждается и измерениями коэффициента когерентности.

Необходимо отметить, что все приводимые здесь данные относятся к центру гауссова пучка гиротрона.

Четвертая глава посвящена исследованию влияния на параметры излучения гиротрона и форму гауссова пучка отражения от нестационарной нагрузки (металлической пластины). Для этого проводились эксперименты /12/ на гиротронном комплексе стелларатора TJ-II (CIEMAT, Мадрид).

В параграфе 4.1 описана экспериментальная установка и схема измерений.

В экспериментах на гиротронном комплексе стелларатора TJ-II /12/ роль низкочастотной нагрузки выполняла флуктуирующая металлическая пластина. Частота излучения гиротрона 53,2 ГГц, мощность до 0,5 МВт (производство НПП «Гиком»). Схема эксперимента представлена на рис. 17. Коэффициент отражения от системы с отражателем (колеблющимся на частоте 1000-1200 Гц) установлен из соображений соответствия коэффициенту отражения от плазмы в стеллараторе JI-2M и равен ~10_3. Калибровка квазиоптического ответвителя /14/ позволяет определить эти коэффициенты как для коротковолновых флуктуации плотности плазмы Ri, так и для резонансной области поглощения для стелларатора JI-2M, что проводилось в работах/11, 13/(Я£~10~4, Ri~ 10~3).

Целью данного эксперимента было определить влияет ли отражение от нестационарной нагрузки на форму и поляризацию пучка излучения гиротрона. Для этого с помощью подвижной системы детектирования прямого излучения было измерено пространственное распределение гауссова пучка излучения гиротрона в плоскости, перпендикулярной плоскости распространения. С помощью делителя (ortho-mode coupler), располагающегося в канале прямого излучения, регистрировались одновременно вертикальная и горизонтальная компоненты поляризации волны. По оценке соотношения этих составляющих в различных точках пучка можно судить об изменении поляризации пучка.

Рис. 17. Схема эксперимента. 1 — гиротрон, 2 и 3 — зеркала квазиоптического тракта, 4 — поглотитель, 5 — водяная нагрузка, 6 — слюдяная пластина, 7—модулятор (металлическая пластина), 8 — квазиоптический ответвитель, 9 — тефлоновая пленка, 10 — канал детектирования прямого излучения, 11 — канал приема отраженного излучения.

В параграфе 4.2 приводятся результаты эксперимента.

Коэффициент корреляции между излучением гиротрона и сигналом модулятора (рис. 18) принимает максимальное значение на периферии пучка (кривые 46 мм и 58 мм) и меняет знак при изменении положения модулятора на 1 мм. Следовательно, изменение расположения модулятора приводит к изменению фазы модуляции гиротронного излучения. С другой стороны, для одного положения модулятора в различных точках гауссова пучка модуляция излучения гиротрона различна. Это указывает на то, что отражение от модулятора влияет на форму гауссова пучка. Оценка соотношения двух линейных компонент поля волны показала изменение поляризации пучка на его периферии /12/.

3- 04-

// ¿к.

/1Г "

\ 02-

9- 0.2- Лъ» у ¿Щ 4 1

..м* \-\ЮаУЯ-0

И'. V' . *

........ -бОтт

—*..... -38тт

......Л..... -26тт

.....¥-■ -Нтт

-2тт

Ютт

—» 34тт

—*— 46тт

58тт

-0.0004 -0.0002 0 0000 0.0002 0.0004)0004 -0.0002 0.0000 0.0002 0.0004

Задержка, с

Рис. 18. Пространственная зависимость коэффициента корреляции между излучением гиротрона и сигналом модулятора при частоте модулятора 1200 Гц для двух позиций отражателя (сдвиг 1 мм).

В этом параграфе также представлено основанное на результатах эксперимента теоретическое описание [13-15] возможных механизмов влияния на параметры генерации гиротрона слабого отражения от нестационарных нагрузок (плазмы, металлической пластины).

В Заключении подведены итоги исследований и сформулированы выводы диссертационной работы.

В представленной диссертационной работе показано, что существует влияние отражения от плазмы на излучение гиротрона, несмотря на использование длинного (более 4 м) квазиоптического тракта для транспортировки и фокусировки микроволнового излучения, и оно может быть существенным. Для детального изучения воздействия отраженного сигнала и от флуктуаций плотности плазмы, и от резонансной зоны поглощения электронно-циклотронной волны на излучение гиротронов разных типов были проведены целенаправленные эксперименты и проанализированы данные.

В ИОФ РАН в стеллараторе Л-2М ЭЦР нагрев осуществлялся гиротронами двух типов: диодным (комплекс для ЭЦР нагрева плазмы МИГ-2 до 2006 г.) и диодным с рекуперацией (комплекс МИГ-3 после 2009 г.). Это позволило провести анализ и сравнение влияния плазмы на оба типа гиротронов при разных параметрах плазмы в стеллараторе.

Были проведены целенаправленные исследования влияния отражения от флуктуаций плотности плазмы сантиметрового масштаба на излучение диодного гиротрона и от флуктуаций миллиметрового масштаба на излучение диодного гиротрона с рекуперацией.

На гиротронном комплексе стелларатора Т.1-П (С1ЕМАТ, Мадрид) было промоделировано влияние на гиротрон плазменных эффектов при замене плазмы колеблющейся металлической пластиной.

По результатам проведенной работы можно сделать следующие выводы: 1. Экспериментально установлена модуляция мощности излучения разных типов гиротронов под влиянием отражения этого излучения от низкочастотных флуктуаций плотности плазмы в стеллараторе Л-2М. Исследования проводились для диодного и диодного с рекуперацией гиротронов. Особенности модуляции отличаются для гиротронов разных типов и зависят от спектров плазменных флуктуаций.

В разных режимах разрядов в стеллараторе Л-2М установлено изменение интенсивности излучения, коррелирующее с появлением гармоник:

— для диодного гиротрона в частотном диапазоне около 20 кГц;

— для диодного гиротрона с рекуперацией в частотных диапазонах: 1-1,5 кГц, 10-15 кГц и около 80 кГц.

2. Установлены высокие значения коэффициентов когерентности (~50%) в этих

частотных диапазонах между вейвлет-спектрами модуляции излучения диодного ги-ротрона и спектрами длинноволновых флуктуаций плотности плазмы, а также между вейвлет-спекграми модуляции излучения диодного гиротрона с рекуперацией и спектрами коротковолновых флуктуаций плотности плазмы. 3. В специальных экспериментах на гиротронном комплексе стелларатора TJ-II (CIEMAT, Испания) продемонстрировано, что слабое отражение от колеблющейся металлической мембраны оказывает воздействие на микроволновый пучок излучения гиротрона, приводит к деформации периферийной области (искажение гауссовой формы) и изменению вектора поляризации пучка.

Публикации по теме диссертации

1. Батанов Г.М., Колик JI.B., Кончеков Е.М., Малахов Д.В., Новожилова Ю.В., Петелин М.И., Петров А.Е., Пшеничников A.A., Сарксян К.А., Скворцова H.H., Харчев Н.К. // Физика плазмы. — 2011. — Т.37. —№5. — с.414-423.

2. Батанов Г.М., Кончеков Е.М. // Радиоэлектроника, электроника и энергетика: 16-я межд. научно-техн. конференция студентов и аспирантов. — МЭИ. — 2010. — с.46-47.

3. Батанов Г.М., Кончеков Е.М. // Программа 59-й научно-техн. конференции. — МИРЭА. — 2010. — С.62.

4. Skvortsova N.N., Batanov G.M., Malakhov D.V., Kharchev N.K., Kolik L.V., Konchekov E.M., Petrov A.E., Pshenichnikov A.A., Sarksyan K.A., Petelin M.I., Novozhilova Yu.V., Cappa A., Martinez-Fernandez J. // 22-nd Joint Russian-German Meeting on ECRH and Gyrotrons. — IAP RAS. —2010.

5. Кончеков Е.М. // Сборник аннотаций работ (дополнение) VIII курчатовской молодежной научной школы. — 2010. — с.24.

6. Батанов Г.М., Колик Л.В., Кончеков Е.М., Малахов Д.В., Новожилова Ю.В., Петелин М.И., Петров А.Е., Пшеничников A.A., Сарксян К.А., Скворцова H.H., Харчев Н.К. // XXXVIII Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС. — 2011, —с.104.

7. Батанов Г.М., Колик Л.В., Кончеков Е.М., Малахов Д.В., Петров А.Е., Сарксян К.А., Скворцова H.H., Харчев Н.К. // XV Межд. зимняя школа-семинар по электронике сверхвысоких частот и радиофизике, 6-11 февраля 2012г. Саратов. Тезисы лекций и докладов, стр. 87.

8. Kharchev N.K., Batanov G.M., Berezhetskii M.S., Borzosekov V.D., Fedyanin O.I., Grebenshchikov S.E., Grishina I.A., Khol'nov Yu.V., Kolik L.V., Konchekov E.M., Kovrizhnykh L.M., Malakhov D.V., Meshcheryakov A.I., Petrov A.E., Pleshkov E.I., Sarksyan K.A., Shchepetov S.V., Skvortsova N.N., Stepakhin V.D., Vafin I.Yu., Vasilkov D.G., Voronov G.S. // Plasma and Fusion Research: Regular Articles. 2011. V.6. 2402142.

9. Kharchev N.K, Batanov G.M., Berezhetskii M.S., Borzosekov V.D., Fedyanin O.I., Grebenshchikov S.E., Grishina I.A., Khol'nov Yu.V., Kolik L.V., Konchekov E.M., Kovrizhnykh L.M., Malakhov D.V., Meshcheryakov A.I., Petrov A.E., Pleshkov E.I., Sarksyan K.A., Shchepetov S.V., Skvortsova N.N., Stepakhin V.D., Vafin I.Yu., Vasilkov D.G., Voronov G.S. // гО^Ш. Toki Conf. The next Twenty years in Plasma and Fusion Science. NIFS. — 2010. — P1 -81.

10. Батанов Г.М., Бережецкий M.C., Борзосеков В.Д., Васильков Д.Г., Вафин И.Ю., Воронов Г.С., Гребенщиков С.Е., Гришина И.А., Коврижных Л.М., Колик Л.В., Конченков Е.М., Ларионова Н.Ф., Малахов Д.В., Мещеряков А.И., Петров А.Е., Плешков Е.И., Сарксян К.А., Скворцова H.H., Степахин В.Д., Федянин О.И., Харчев Н.К.,

Хольнов Ю.В., Щепетов С.В. // XXXVIII Межд. (Звенигородская) конф. по физике плазмы и УТС. — 2011. — с.32.

11. Батанов Г.М., Борзосеков В.Д., Колик Л.В., Кончеков Е.М., Малахов ДВ., Петров А.Е., Сарксян К.А., Сахаров А.С., Скворцова Н.Н., Степахин В.Д., Харчев Н.К. // Физика плазмы. 2013. Т 39. № 11. С 987-992.

12. Kharchev N.K., Сарра A., Petelin M.I., Bondar Yu.F., Borzosekov V.D., Konchekov E.M., Malakhov D. V., Martinez Jose, Novozhilova Yu. V., Sarksyan K.A.,Tolkachev A. V. // 40th Europ. Physical Society Conf. on Plasma Physics. 1—5 July 2013. Espoo. Finland. P4.178.

13. Батанов Г.М., Борзосеков В.Д., Коврижных Л.М., Колик Л.В., Кончеков Е.М., Малахов Д.В., Петров А.Е., Сарксян К.А., Скворцова Н.Н., Степахин В.Д., Харчев Н.К. // Физика плазмы. 2013. Т 39. № 6. С 511-522.

14. Натанов Г.М., Борзосеков В.Д., Кончеков Е.М., Малахов Д.В., Сарксян К.А., Степахин В.Д., Харчев Н.К. // Журнал инженерной физики, 2013, №10, С 56-66.

Список цитируемой литературы

1. Батанов Г.М., Колик Л.В., Новожилова Ю.В. и др. Реакция гиротрона на слабое отражение волн от плазмы, промодулированное низкочастотными колебаниями // ЖТФ. — 2001. — Т.71. — № 5. — С.90.

2. Харчев Н.К., Батанов Г.М., Бондарь Ю.Ф. и др. Реакция гиротрона на малое отражение от нестационарной нагрузки // Прикладная физика. — 2009. — № 6. — С.158.

3. Felici F., Goodman Т., Sauter О. et al. // Rev. Sci. Instrum. 2009. N80. 013504.

4. Lubyako L.V., Granucci G., Grosso G. et al. // Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Submillimeter Waves and Workshop on Terahertz Technologies. 25-30 June 2007.

5. Акулина Д.К., Батанов Г.М., Бережецкий M.C. и др. // Физика плазмы. — 2008. — Т.34. — № 12, —С. 1059.

6. Goldfinger R.C., Lee D.K., Likin К.М., Ochirov B.D. //Nuclear Fusion. 1991. V31. N12.

7. Skvortsova N.N., Malakhov D.V., Batanov G.M. et al. // 8th Intl. Reflectometry Workshop. — St.-Petersburg — 2007.

8. Shchepetov S.V., Kholnov Yu., Fedyanin O.l. et al. // Plasma Phys. Control. Fusion. — 2008. — V.50. —P.045001.

9. Hidalgo C., Pedrosa M.A., van Milligen B. et al. // Proc. of the 16th IAEA Fusion Energy Conf. Montreal. — 1996. —API-4.

10. Малахов A.H. Флуктуации в автоколебательных системах. — М.: Наука, 1968.

11. Рабинович М.И., Трубецков Д.И. Введение в теорию колебаний и волн. — М.: Наука, 1984, — §16.1.

12. Смолякова О.Б., Суворов Е.В., Фрайман А.А., Хольнов Ю.В. // Физика плазмы. 1983. Т. 9. С. 1194.

13. Novozhilova Yu.V., Сарра A., Martinez-Fernandez J. Modulation of Gyrotron Radiation at Reflecting from a Fluctuating Load // 22-nd Joint Russian-German Meeting on ECRH and Gy-rotrons. — IAP RAS. — 2010.

14. Ищенко A.C., Новожилова Ю.В., Петелин М.И. // Извести вузов. Радиофизика. 2006. Т. 49. №6. С. 537-551.

15. Новожилова Ю.В., Харчев Н.К., Батанов Г.М. П XV Межд. зимняя школа-семинар по электронике сверхвысоких частот и радиофизике, 6-11 февраля 2012г. Саратов. Тезисы лекций и докладов. С.80.

16. Скворцова Н.Н., Шестаков О.В., Малахов Д.В. Методы численного анализа стохастических сигналов. Лекции по курсу «Прикладная радиофизика» (учебное пособие). — М.: МИРЭА, 2011, С. 108.

Подписано в печать: 23.12.2013 Объем: 1.0 пл. Тираж: 100 экз. Заказ № 485 Отпечатано в типографии «Реглет» 119526, г. Москва, пр-т Вернадского, д. 39 (495) 363-78-90; www.reglet.ru

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Кончеков, Евгений Михайлович, Москва

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук

04201456367 На правах рукописи

Кончеков Евгений Михайлович

ВЛИЯНИЕ ПЛАЗМЫ НА ИЗЛУЧЕНИЕ ГИРОТРОНА ПРИ ЭЛЕКТРОННО-ЦИКЛОТРОННОМ НАГРЕВЕ ПЛАЗМЫ В СТЕЛЛАРАТОРЕ Л-2М

01.04.08 — физика плазмы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: д.ф.-м.н., доцент, Скворцова Н.Н.

МОСКВА — 2013

Содержание

Введение...................................................................................................................2

Глава 1. Обзор экспериментальных и теоретических работ в области изучения

влияния плазмы на излучение гиротрона..............................................................8

Глава 2. Влияние отражения от низкочастотных турбулентных пульсаций плотности плазмы на модуляцию излучения диодного гиротрона..................16

2.1 Описание экспериментальной установки..................................................16

2.2 Анализ экспериментальных данных..........................................................22

Выводы к Главе 2...............................................................................................31

Глава 3. Влияние отражения от низкочастотных турбулентных пульсаций плотности плазмы на модуляцию излучения диодного гиротрона с рекуперацией3 3

3.1 Описание экспериментальной установки..................................................33

3.2 Анализ экспериментальных данных..........................................................37

Выводы к Главе 3...............................................................................................47

Глава 4. Моделирование влияния на гиротрон отражения от плазмы.............48

Выводы к Главе 4...............................................................................................52

Заключение.............................................................................................................53

Список использованных источников...................................................................55

Введение

Актуальность темы

Данная работа является важной для современных энергетических установках с магнитным удержанием плазмы — токамаков и стеллараторов. В этих установках для создания и нагрева плазмы до термоядерных температур с помощью электронно-циклотронного резонансного (ЭЦР) метода используются СВЧ генераторы большой мощности — гиротроны. Для транспортировки и фокусировки излучения гиротрона используются квазиоптические тракты длиной от нескольких до сотен метров. Например, в стеллараторах Л-2М (Россия) и Т1-П (Испания) длина тракта составляет 5—10 метров, ЫГО (Япония) — 120 метров.

До недавнего времени считалось, что использование квазиоптических систем не позволяет отраженным сигналам попадать в гиротрон и влиять на его характеристики. Однако, как показали эксперименты, проведенные ранее на стеллараторах Л-2М (ИОФ РАН, Москва) [1] и Т1-П (С1ЕМАТ, Мадрид, Испания) [2,3], в таких системах наблюдается малое отражение (-10-4) от флуктуирующей нагрузки (плазмы, металлической мембраны), которое может оказывать существенное влияние на излучение гиротрона. Например, отраженные волны при попадании в гиротрон могут приводить к искажению формы и/или поляризации вводимого в плазму гауссова пучка [4], что может повлиять на эффективность ЭЦР нагрева. Влияние отраженного сигнала на гиротрон также может оказаться важным для диагностик Томсоновского и коллективного рассеяния [5], т.к. в них предъявляются жесткие требования к стабильности частоты генерации гиротрона и к независимости характеристик излучения от рабочей нагрузки.

В связи с вышеизложенным, изучение влияния отраженных сигналов, определяемых низкочастотными флуктуация ми плотности плазмы, на генерацию излучения гиротрона является актуальным для решения задач электронно-циклотронного нагрева и диагностики для управляемого термоядерного синтеза

Для этого были решены следующие задачи:

— Обработка данных экспериментов с 2004 г. до 2006г, проведенных на стел-лараторе Л-2М в режиме ЭЦР нагрева плазмы диодным гиротроном (комплекс для ЭЦР нагрева МИГ-2). Проведение численного спектрального и корреляционного анализа сигналов мощности гиротрона и длинноволновых флуктуаций по данным диагностики малоуглового рассеяния [6].

— Постановка эксперимента (ЭЦР нагрев комплексом МИГ-3) по исследованию влияния на параметры генерации диодного гиротрона с рекуперацией отражения от коротковолновых флуктуаций плотности плазмы. Проведение численного спектрального и корреляционного анализа сигналов мощности гиротрона и коротковолновых флуктуаций по данным диагностики обратного рассеяния [6].

— Проведение модельного эксперимента и анализ результатов для изучения возможных механизмов влияния отражения на параметры генерации гиротрона при отражении от металлической пластины (ЭЦР комплекс стелларатора Т1-П, СШМАТ).

Научная новизна исследований, проведенных в диссертационной работе, состоит в следующем:

1. Во всех исследованных режимах разряда в стеллараторе Л-2М установлена модуляция мощности излучения как диодного, так и диодного с рекуперацией гиротронов под влиянием отражения от низкочастотных флуктуаций плотности плазмы. Особенности модуляции отличаются для гиротронов разных типов и зависят от спектров плазменных флуктуаций.

1.1. В двух режимах разряда в стеллараторе Л-2М (со стандартной конфигурацией магнитного поля и с топологически неустойчивой) установлено изменение интенсивности излучения диодного гиротрона (комплекс МИГ-2), которое коррелирует с появлением 20 кГц гармоник [7, 8,9,10,11,12,13].

1.2. Также установлены высокие значения коэффициентов когерентности (-50%) в полосе 20 кГц между вейвлет-спектрами модуляции излучения диодного гиротрона и длинноволновых (сантиметровых) флуктуаций плотности [7,11—13].

1.3. Установлено изменение мощности излучения диодного гиротрона с рекуперацией (комплекс МИГ-3) коррелирующее с появлением гармоник: 1—1,5 кГц, 10—15 кГц, и около 80кГц (наиболее интенсивной является полоса 10—15 кГц) [14,15,16,17,18,19].

1.4. Обнаружены в спектрах коротковолновых (миллиметровых) флуктуаций частотные полосы с повышенной интенсивностью: 10—15 кГц и 80 кГц [14]. В этих частотных диапазонах коэффициент когерентности между вейвлет-спектрами модуляции излучения диодного гиротрона с рекуперацией и коротковолновых (миллиметровых) флуктуаций плотности принимает высокие значения (-50%) [14—16].

Практическая значимость работы

— Данные о модуляции излучения, деформации микроволнового пучка и изменении поляризации гиротрона могут быть учтены при создании комплексов ЭЦР нагрева плазмы с большим количеством гиротронов на современных тока-маках и стеллараторах.

— Данные о влиянии на гиротрон отражения от плазмы могут быть учтены при разработке гиротронов для диагностики Томсоновскош рассеяния альфа-частиц, для работы которой необходима высокая стабильность частоты генерации гиротрона.

— Результаты исследования модуляции излучения гиротрона широкополосной плазменной нагрузкой может быть использован для разработки внешних устройств для управления режимом работы гиротрона.

Положения, выносимые на защиту

3. Эффект воздействия отраженного сигнала малой интенсивности (R-10-3) на гиротрон проявляется в изменении вектора поляризации излучения и деформации формы микроволнового пучка на периферии.

Апробация работы и публикации

Диссертация выполнена в лаборатории «РАМУС» отдела физики плазмы Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН и в научном центре CIEMAT (Мадрид, Испания).

Основные результаты, изложенные в диссертации, представлены на международных и всероссийских конференциях по физике [8—14,16,17,20,21]:

— 40-я международная конференция EPS по физике плазмы (Эспоо, Финляндия, 2013);

— 20-я, 23-я международная конференция Токи (Токи, Япония, 2010,2013);

— Всероссийская конференция «Проблемы СВЧ электроники» (МИЭМ, 2013);

— XV Международная зимняя школа-семинар по электронике сверхвысоких частот и радиофизике (Саратов, 2012);

— XXXVIII Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС (Звенигород, 2011);

— 20-й, 21-й Российско-германский семинар по проблемам ЭЦ нагрева и ги-ротронам (Нижний Новгород, 2010,2011);

— VIII Курчатовская молодежная научная школа (Москва, 2010);

— 59-я, 60-я научно-техническая конференция в МИРЭА (Москва, 2010,2011); а также неоднократно докладывались и обсуждались на семинарах МГТУ МИРЭА, ИПФ РАН и ИОФ РАН.

Объем и структура работы

Глава 1. Обзор экспериментальных и теоретических работ в области изучения влияния плазмы на излучение гиротрона

Идея электронно-циклотронного резонансного (ЭЦР) нагрева плазмы появилась почти одновременно с появлением первых тороидальных установок для магнитного удержания плазмы [22,23, 24, 25]. Этот метод был реализован лишь после создания мощных СВЧ-генераторов, мазеров на циклотронном резонансе, — гиротронов (рис. 1) [26,27,28]. В настоящее время на строящемся токамаке-ректоре ITER [29] для ЭЦР нагрева плазмы предполагается использовать 24 гиротрона мощностью по 1 МВт [30, 31].

— Преимущества ЭЦР нагрева перед другими видами дополнительного нагрева плазмы следующие.

— Малые длины волн излучения по сравнению с характерными пространственными масштабами плазмы и магнитного поля.

— Эффективность ЭЦР нагрева слабо изменяется с увеличением электронной температуры [32].

— Резонансный характер поглощения, позволяет греть плазму в центре плазменного шнура, что экспериментально показано для стелларатров [33].

Несмотря на то что греется электронная компонента, время выравнивания температуры между обмена между электронами и ионами составляет

Рис.1. Фотографии гирапро-нов из комплекса ЭЦР нагрева МИГ-3: Борец 75/0,8 (наперед-нем плане) и трехчастотиого Борец 72/2. Производство НЛП «ГИКОМ» (ИПФ РАН).

лишь часть лоусоновского времени. При таком методе нагрева наблюдался нагрев основной массы электронов, что важно для УТС.

Для ЭЦР нагрева используется самая высокая частота внешнего излучения по сравнению с частотами ионно-циклотронного, альфвеновского, нижнегибридного дополнительных методов нагрева. Поэтому влияние нелинейных эффектов

на распространение и волн в замагниченной плазме в случае ЭЦР нагрева предполагалось минимальным для вышеперечисленных высокочастотных методов [34].

К настоящему времени ЭЦР нагрев был успешно реализован на многих то-камаках и стеллараторах: Л-2М (2 гиротрона), ЬШЗ (10 гиротронов), Т1-П (2 ги-ротрона), Т-10 (4 гиротрона), АББЕХ (4 гиротрона), БШ-Б (6 гиротронов).

Метод ЭЦР нагрева основан на поглощении энергии волны электронами плазмы микроволнового излучения. Электрон, движущийся в постоянном магнитном поле, взаимодействует с плоской электромагнитной волной:

со = зсоИе+к^

где ш — частота волны накачки, /сц — ее продольное по отношению к магнитному полю волновое число, 5 = ±1, ±2... — номер гармоники, соНе — релятивистская гирочастота. Гармоника 8 = 0 соответствует черенковскому излучению, в < 0—аномальному эффекту Доплера, в > 0 — это нормальный эффект Доплера, который определяет поглощение.

Для плазмы теоретические оценки показывают, что поглощение ЭЦ волн в плазме происходят в соответствии с линейной теорией [24,35]. В рамках линейной теории эффективность ЭЦР нагрева определяется возможностью выделения энергии в центральной части шнура в тороидальной установке. Для этого нужно оценить оптическую толщину поглощения СВЧ волны в плазме. Если оптическая толщина поглощения превышает единицу, это означает полное поглощение волны на однократном поглощения через плазму без отражения от стенки, если оптическая толщина меньше единицы, то рассматривается многопроходное поглощение с учетом отражения от металлической стенки камеры. Для оценки эффективности нагрева рассматриваются две волны с различной поляризацией.

Различается ЭЦР нагрев [36,24] на двух типах волн:

— необыкновенной ЭЦ волне, в которой вектор напряженности электрического поля перпендикулярен внешнему магнитному полю (Е 1 В);

— обыкновенной ЭЦ волне, в которой вектор напряженности электрического поля параллелен внешнему магнитному полю (Я II В).

В [36] приведены расчеты для оценки эффективности нагрева в стеллара-торе JI-21 (аналогичные расчеты могут быть использованы для оценок эффективности на других установках). Представленные оценки справедливы для близкого к перечному распространения волн, для которых cos в « 1, где в — угол между волновым вектором и магнитным полем в зоне нагрева2. На первой гармонике циклотронной частоты электронов (о) = соНе) оптическая толщина для нормальных волн магнитоактивной плазмы равна:

Ц = j(J;/mec2)(Cos26>)q-l[2 + q( 1 - q)fkL Г2=|(У e/mec2)(Cos2e)qkL

где Те — электронная температура в энергетических единицах (в эВ), ШеС2 — энергия покоя электронов, q — отношения плазменной частоты и гирочастоты, к — волновое число, L —- характерный масштаб неоднородности магнитного поля вдоль направления распространения волны. Индекс «1» относится к необыкновенной волне, индекс «2» относится к обыкновенной волне.

Однопроходное поглощение при нагреве [37] на второй гармонике необыкновенной волны возможно для плотностей больших, чем при нагреве на первой гармонике обыкновенной волны. Первый эксперимент по ЭЦР нагреву на стел-лараторе JI-2 (комплекс нагрева МИГ-1) был проведен на первой гармонике обыкновенной волны при малой плотности плазмы, тогда же был проведено численный расчет распространения СВЧ пучка в приближении геометрической оптики [38]. В последующих экспериментах по ЭЦР нагреву на стеллараторе JI-2M используется нагрев необыкновенной волной на второй гармонике электронно-циклотронной частоты [39]. Такой сценарий для нагрева плазмы используется в большинстве современных тороидальных установках (JI-2M, Т-10, LHD,

1 Стелларатор Л-2М является модификацией с стелларатра Л-2 (была произведена замена камеры).

2 Интервал применимости по углу ввода ЭЦ волны:

«ж/2-6«\, где N^2—показатель преломления для 1 и2моды, рт -УТе! с-отношение тепловой скорости электронов к скорости света.

ASDEX, DIII-D и др.). Однако в токамаке-реакторе ITER предполагается нагрев на первой гармонике обьпсновенной волны, что связано с параметрами гиротро-нов (170 ГГц) и большой величиной магнитного поля установки (ожидаемая эффективность ЭЦР нагрева плазмы -50%).

Для транспортировки и фокусировки излучения гиротронов в плазму в энергетических установках магнитного удержания плазмы широко используются квазиоптические тракты.

Эти тракты представляют цепочку зеркал, полностью перехватывающие СВЧ пучок гиротрона. Они рассчитываются в волновом приближении [40], коэффициент передачи таких трактов близок к 100%. До недавнего времени считалось, что использование таких трактов позволяет не заботиться о защите гиротронов от излучения, отраженного от плазмы. Например, в стеллараторе JI-2M поглощение излучения гиротрона в резонансном слое плазмы полагалось равным -100% [41], а отражение излучения гиротрона от элементов тракта, входного окна камеры и ее задней стенки пренебрежительно малыми и не влияющими на гиротрон.

Впервые проблема влияния слабого отражения от плазмы на излучение гиротрона была описана в статье [1]. В эксперименте на гиротронном комплексе МИГ-2 стелларатора JI-2M (ИОФ РАН) было установлено изменение мощности диодного гиротрона и ее модуляция шумами плазмы при низких коэффициентах отражения (-0,001) излучения гиротрона от плазменного шнура. На рис.2 представлена эволюция сигнала мощности гиротрона в течение плазменного разряда в стеллараторе. Стрелкой отмечено появление пла�