Диссертация (Система допплеровской рефлектометрии для стелларатора в условиях высокой мощности ЭЦР нагрева), страница 2

С ростом мощности дополнительного ЭЦР нагрева,даже при большом поглощении (от 80-90% от вводимого излучения на5современных тороидальных установках до 50-60% ожидаемого на ITER),абсолютныезначениянепоглощенного излученияв этомдиапазоневозрастают. 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 допплеровскогорассеянияотплазменныхфлуктуаций).Кнастоящемувременидопплеровская рефлектометрия успешно применяется на целом рядетороидальных установок УТС: токамаках ФТ-2, ТУМАН-3М, ASDEX,Глобус-М и стеллараторе TJ-II [1].Ниже приведена таблица некоторых тороидальных установок и иххарактеристик, для которых уже реализована или может быть примененадиагностика допплеровской рефлектометрии.Таблица 1.МощностьЭЦРнагрева,МВт10ЧастотаЭЦРнагрева,ГГц140СтеллараторыМалыйрадиустора, мОбъёмкамеры,м3W7-X [2]0,5530Л-2M [3]0,120,251,5751,3TJ-II0,210,55531Магнитноеполе, B, Тл2,5ТокамакиAUG0,5128105/1403TCV [4]0,252682/1261,4T-10 [5]0,32,73129/1402,5FTU0,31,61,61408Токамаки без ЭЦР нагреваJET [6]0,990--4MAST-U [7]0,68--0,86WEST [8]0,515--3,7Токамаки в разработкеТ-15 МД0,6720883/1052JT-60SA [9]1,181307110/1382,3ITER2840241705,3Допплеровскаярефлектометрияявляетсяосновнымспособомрегистрации полоидального вращения плазмы (связанного с радиальнымэлектрическим полем), и низкочастотной плазменной турбулентности вблизикрайней замкнутой магнитной поверхности плазмы.Ранее подобная диагностика была создана для стелларатора Л-2М, накотором успешно работала в экспериментах с гиротронным комплексомМИГ-2 с вводимой мощностью до 200 кВт [10].

Эксперименты сиспользованиемМИГ-3[11]новогонакомплексастеллараторемикроволновогоЛ-2Мпоказали,нагревачтоплазмывозрастающийэнергетический вклад в плазму электронно-циклотронного излученияприводит к отказу работы диагностической системы допплеровскойрефлектометрии из-за зашумления приёмных детекторов непоглощённым вплазме излучением при ЭЦР нагреве.Возникла необходимость в создании модифицированной диагностикеДопплеровской рефлетометрии для стелларатора Л-2М, позволяющейпроводитьизмерениявусловияхбольшихпомех.Присозданиимодернизированной ДР была изменена система сбора и обработки сигналов.Подключение новых АЦП позволило увеличить длительностьзаписисигналов и улучшить их частотное разрешение.Даннаяработапосвященаразработкеисозданиюсистемыдопплеровской рефлектометрии для стелларатора, позволяющей проводитьизмеренияфлуктуацийплотностиплазмывусловияхимпульсного7электронно-циклотронного резонансного нагрева мощностью до 1,5 МВт ианализировать полученные результаты.Целью настоящей работы является создание диагностическойсистемы допплеровской рефлектометрии в диапазоне частот 30-40 ГГц, дляизмеренияхарактеристикплазменнойтурбулентностиискоростиполоидального вращения плазмы в тороидальной установке с магнитнымудержанием.

Данный диагностический комплекс разработан для проведенияизмерений, в условиях высокой мощности вводимого импульсного СВЧизлучения на частоте 75 ГГц (с мощностью до 1МВт) и времени импульса 1012 мс при электронно-циклотронном нагреве плазмы.Для достижения целей настоящей работы были решеныследующие задачи:1.Проанализированырефлектометриинасистемысовременныхдиагностиктокамакахидопплеровскойстеллараторах(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 с использованием системы допплеровскойрефлектометрии в Л-2М может быть существенно ограничена помехами начастоте электронно-циклотронного нагрева плазмы (75 ГГц) при мощностяхвыше 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 измеренияхарактеристик и подобраны настройки основных СВЧ элементов, из которых8состоит 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 1,5 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. На основе компьютерного моделирования сконструирован прототипнового фильтра электромагнитного излучения миллиметрового диапазона наоснове резонатора 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.94. Представлен алгоритм модернизации антенной системы и системыфильтрации диагностики допплеровской рефлектометрии для проведенияизмеренийвдополнительномусловияхбольшихудельныхэлектронно-циклотронномэнерговкладовнагревеплазмыпринакрупномасштабных тороидальных установках.Практическая значимость работыИсследования, являющиеся 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.2.Использованиерефлектометриинаразработаннойтороидальнойсистемыустановкедопплеровскойпозволяетпроводитьрадиофизические 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.ВнедрениеПо результатам диссертации были получены два акта о внедрении:1. Полосно-заграждающий СВЧ фильтр на основе резонатора ФабриПеро из слюдяных пластин для работы диагностики допплеровской10рефлектометрии в условиях электронно-циклотронного нагрева плазмы начастоте 75 ГГц на стеллараторе Л-2М;2.Комплексдопплеровскойрефлектометриидляизмеренияполоидальной скорости вращения плазмы и исследования низкочастотнойплазменной турбулентности на стеллараторе Л-2М в условиях электронноциклотронного нагрева плазмы.Результаты диссертационной работы были внедрены в практикунаучно-исследовательской деятельности отдела физики плазмы Институтаобщей физики им.

А.М. Прохорова РАН, и могут быть использованы вдругих радиофизических установках с мощными электромагнитнымипомехами в диапазоне частот 70-80 ГГц.Личный вклад автораВсе представляемые в диссертации результаты получены либо личноавтором, либо под его непосредственным руководством. Автор участвовал вразработкеисозданиимикроволновойдиагностикидопплеровскойрефлектометрии для исследования турбулентности плазмы на стелларатореЛ-2М в условиях импульсного электронно-циклотронного резонансногонагрева плазмы мощностью до 1 МВт.Проводил настройку антеннойсистемы и системы фильтрации диагностики, а также системы сбора иобработки данных.Автор участвовал в экспериментах с омическим и электронноциклотронным нагревом плазмы на стеллараторе Л-2М, а так же вэкспериментах на токамаке ТУМАН-3М по исследованию геодезическойакустической моды при смене рабочего газа с дейтерия на водород.Принимал участие в анализе полученных результатов.

Готовил публикациипо теме исследования.Достоверностьрезультатовполученныхчисленногорезультатовмоделированияподтвержденаэлементовсравнениемсистемысэкспериментально полученными на микроволновом стенде параметрами, а11также проверкой соответствия настроек системы на стеллараторе Л-2М спомощьюапробированныхдопплеровскойпрограммныхрефлектометриитокамакаметодиканализаТУМАН-3М.системыДостоверностьизмеренных спектров турбулентности подтверждается из сравнением сизмерениями иными диагностиками (магнитными и ленгмюровскимизондами, диагностиками рассеяния излучения гиротрона).Достоверность подтверждается практическим внедрением и публикациямирезультатов диссертационной работы в рецензируемых журналах.Публикации.