Автореферат (Система допплеровской рефлектометрии для стелларатора в условиях высокой мощности ЭЦР нагрева)

На правах рукописиХАРЧЕВСКИЙ АНТОН АЛЕКСАНДРОВИЧСИСТЕМА ДОППЛЕРОВСКОЙ РЕФЛЕКТОМЕТРИИ ДЛЯСТЕЛЛАРАТОРА В УСЛОВИЯХ ВЫСОКОЙ МОЩНОСТИ ЭЦРНАГРЕВАСпециальность: 01.04.03 РадиофизикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание учѐной степеникандидата технических наукМосква2017Диссертационная работа выполнена в Федеральном государственномбюджетномобразовательномучреждениивысшегообразования«Московский технологический университет» (МИРЭА) и Федеральномгосударственном бюджетном учреждении науки Институте общей физикиим.

А.М. Прохорова Российской академии наук (ИОФ РАН).Научный руководитель:д.ф.-м.н. проф. Скворцова Нина Николаевна,профессор кафедры №343 «Моделированиерадиофизических процессов» Московскоготехнологического университета (МИРЭА)Официальные оппоненты:д.ф.-м.н. с.н.с. Мельников АлександрВладимирович, ведущий научный сотрудникБлока термоядерных исследованийКурчатовского ядерно-технологическогокомплекса НИЦ «Курчатовский институт»,г. Москвад.ф.-м.н. с.н.с. Кралькина Елена Александровна,ведущий научный сотрудник кафедрыфизической электроники Московскогогосударственного университетаим.

М.В. Ломоносова, г. МоскваВедущая организация:Национальный исследовательскийуниверситет «МИФИ», г. МоскваядерныйЗащита диссертации состоится «01» декабря 2017 года в 15.00 назаседании диссертационного совета Д 212.131.01 при ФГБОУ ВО«Московский технологический университет» (МИРЭА) по адресу: 119454,г.

Москва, просп. Вернадского, д. 78, ауд. Б-412С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московскоготехнологическогоуниверситета(МИРЭА)инасайтеhttps://www.mirea.ru/science-and-innovation/dissertation-tips/dissertationalcouncil-d-212-131-01/Автореферат диссертации разослан «____» _________ 2017 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 212.131.01кандидат технических наук, доцентСтариковский А.И.2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы диссертации.Радиофизические методы являются основой микроволновыхдиагностик плазмы, таких как: интерферометрия, рефлектометрия,коллективное и Томсоновское рассеяние. Эти диагностики являютсябесконтактными, что определяет их широкое использование применительнок высокотемпературной плазме, в частности, в установках управляемоготермоядерного синтеза (УТС).

Микроволновая диагностика допплеровскойрефлектометрии предназначена для исследования флуктуаций плотностиплазмы и измерения скорости еѐ движения в установках магнитногоудержания плазмы. Для своей реализации диагностика требует создания ивнедрения специально разработанных и/или адаптированных радиофизических стендов.Целью создания установок магнитного удержания плазмы являетсядостижение управляемой термоядерной реакции. Для передачи энергииплазме и достижения высоких температур на многих тороидальныхустановках магнитного удержания плазмы применяется электронноциклотронный резонансный (ЭЦР) нагрев с использованием мощных СВЧгенераторов – гиротронов.

Существующие комплексы для ЭЦР-нагревавключают в себя от двух (стеллараторы TJ-II, Л-2М) до 8 импульсныхгиротронов (стелларатор LHD, токамак ASDEX и др.), мощностью донескольких МВт и длительностью импульсов от десятков миллисекунд досотен секунд. В строящемся токамаке-реакторе ITER (InternationalThermonuclearExperimentalReactor)предполагаетсяиспользоватьгиротронный комплекс с мощностью до 24 МВт и длительностью импульсадо 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 насовременных тороидальных установках до 50-60% ожидаемого на ITER),абсолютные значения непоглощенного излучения в этом диапазоневозрастают.

Высокий уровень СВЧ помех может помешать работедиагностик плазмы, работающих в близком к частоте накачки энергиидиапазоне частот: интерферометров и рефлектометров.Диагностика допплеровской рефлектометрии базируется на двухрадиофизических методах: рефлектометрии (отражения от закритическогослоя плазмы) и коллективного рассеяния (обратного допплеровскогорассеянияот плазменных флуктуаций).

К настоящему временидопплеровская рефлектометрия успешно применяется на целом рядетороидальных установок УТС: токамаках ФТ-2, ТУМАН-3М, ASDEX,Глобус-М и стеллараторе TJ-II. Допплеровская рефлектометрия являетсяосновным способом регистрации полоидального вращения плазмы3(связанного с радиальным электрическим полем), и низкочастотнойплазменной турбулентности вблизи крайней замкнутой магнитнойповерхности плазмы.Ввод в эксплуатацию нового комплекса микроволнового нагреваплазмы МИГ-3 на стеллараторе Л-2М показал, что возрастающийэнергетический вклад в плазму электромагнитного электронноциклотронного излучения на частоте 75 ГГц приводит к отказу работыдиагностической системы допплеровской рефлектометрии из-за зашумленияприѐмных детекторов непоглощѐнным в плазме греющим гиротроннымизлучением.Возникла необходимость в создании диагностики допплеровскойрефлектометрии для стелларатора Л-2М, позволяющей проводить измеренияв условиях помех для диапазона частот 30-40 ГГц.

Кроме того необходимобыло создать систему сбора и программы обработки сигналов с учѐтомособенностей и длительности разряда в плазме стелларатора Л-2М.Данная работа посвящена разработке и созданию системыдопплеровской рефлектометрии для стелларатора Л-2М, позволяющейпроводить измерения флуктуаций плотности плазмы в условиях импульсногоэлектронно-циклотронного резонансного нагрева мощностью до 1 МВт ианализировать полученные результаты.Целью настоящей работы является создание диагностическогокомплекса СВЧ допплеровского рефлектометра (диапазон рабочих частот 3040 ГГц), необходимого для измерения характеристик плазменнойтурбулентности и скорости полоидального вращения плазмы в тороидальнойустановке с магнитным удержанием плазмы. Данный диагностическийкомплекс разработан для проведения измерений, в условиях высокоймощности вводимого импульсного СВЧ-излучения на частоте 75 ГГц(с мощностью до 1МВт) при электронно-циклотронном нагреве плазмы.Для достижения целей настоящей работы были решеныследующие задачи:1.Проанализированысистемыдиагностикдопплеровскойрефлектометрии на современных токамаках и стеллараторах (присравнительном анализе использования таких диагностик в токамакахТУМАН-3М, Глобус-М и стеллараторе Л-2М).

В токамаке ТУМАН-3М (бездополнительных помех, в отсутствии ЭЦР нагрева) проведены контрольныедля данного исследования измерения параметров турбулентной плазмы сиспользованием стандартного радиофизического стенда ДР.2.Определено, что возможность использования для измеренияпараметров турбулентной плазмы системы допплеровской рефлектометрии вЛ-2М может быть существенно ограничена помехами на частоте электронноциклотронного нагрева плазмы (75 ГГц) при мощностях выше 200 кВт.3.Спроектирована и создана система фильтрации СВЧ излучениядиапазона 70-80 ГГц для допплеровского рефлектометра стелларатора Л-2М.4.Созданы специальные лабораторные стенды для подготовкисистемы ДР перед установкой на стелларатор. Произведены измерения4характеристик и подобраны настройки основных СВЧ элементов, из которыхсостоит диагностика: СВЧ-фильтра, линзы, штыревых фильтров, генераторана основе диода Ганна.5.

Произведена сборка радиофизического стенда допплеровскогорефлектометранастелларатореЛ-2М.Системадопплеровскойрефлектометрии 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 допплеровскогорефлектометра, включающая в себя два синхронных 12-ти разрядныходнополюсных АЦП с разрешением до 100 МГц на канал.Разработаноспециальное программное обеспечение для анализа сигналов в среде Matlab.7. Проведены измерения полоидальных скоростей вращения плазмыразработанной системой допплеровской рефлектометрии на стелларатореЛ-2М с вводимой мощностью ЭЦР-нагрева до 1 МВт.Научная новизна исследований состоит в следующем:1.

Теоретически обоснованы конструктивные особенности новойсистемы допплеровской рефлектометрии для диагностики плазмы второидальной установке стелларатор Л-2М в условиях мощного импульсногоэнерговклада ЭЦР-нагрева плазмы.2. Разработан подход к конструированию нового фильтраэлектромагнитного излучения миллиметрового диапазона на основерезонатора Фабри-Перо из слюдяных пластин, дополняющий системуфильтрации диагностики допплеровской рефлектометрии.3. Впервые проведены измерения параметров флуктуаций плазмыстелларатора Л-2М новой системой допплеровской рефлектометрии приповышении удельной мощности импульсного ЭЦР-нагрева до 1 МВт,подтверждающие возможность использования данной диагностики в течениевсего времени существования плазмы в тороидальной ловушке стелларатора.4. Представлен алгоритм модернизации антенной системы и системыфильтрации диагностики допплеровской рефлектометрии для проведенияизмерений в условиях больших удельных энерговкладов придополнительномэлектронно-циклотронномнагревеплазмынакрупномасштабных тороидальных установках.Практическая значимость работыИсследования, явившиеся основой диссертации, были посвященысозданию допплеровского рефлектометра для стелларатора Л-2М для работыв условиях ЭЦР-нагрева.

Следующие результаты диссертации имеютпрактическое применение:1. Разработанный и созданный фильтр, а также антенная система могутбыть применены для СВЧ диагностик (рассеяния, интерферометрии,рефлектометрии) на тороидальных установках (токамаках и стеллараторах) сэлектронно-циклотронным нагревом в диапазоне частот 70 - 80 ГГц.52.Использованиеразработаннойсистемыдопплеровскойрефлектометрии на тороидальной установке позволяет проводитьрадиофизические измерения флуктуаций плотности плазмы в условияхмощности ЭЦР-нагрева до 1 МВт в импульсном режиме с длительностьюимпульса 10 - 12 мс и удельным энерговкладом до 4 МВт/м3.3. Разработанное программное обеспечение позволяет проводитьзагрузку данных от АЦП в автоматическом режиме, строить Фурье-спектрыэволюции сигналов системы допплеровской рефлектометрии, определятьдопплеровский сдвиг.ВнедрениеРезультаты диссертационной работы были внедрены в практикунаучно-исследовательской деятельности отдела физики плазмы Институтаобщей физики им.