Содержание к диссертации
Введение
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 рекуперацией 33
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
- Описание экспериментальной установки
- Анализ экспериментальных данных
- Описание экспериментальной установки
- Анализ экспериментальных данных
Введение к работе
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 TJ-II (Испания) длина тракта составляет 5-Ю м, LHD (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 TJ-II (CIEMAT, Мадрид, Испания) [2], в таких системах наблюдается малое отражение (~1СИ) 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
В автореферате публикации автора отмечены //, а цитируемая литература — [].
анализа сигналов мощности гиротрона и длинноволновых флуктуации по данным диагностики малоуглового рассеяния [5].
Постановка эксперимента (ЭЦР-нагрев комплексом МИГ-3) по исследованию влияния на параметры генерации диодного гиротрона с рекуперацией отражения от коротковолновых флуктуации плотности плазмы. Проведение численного спектрального и корреляционного анализа сигналов мощности гиротрона и коротковолновых флуктуации 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 Л-2М установлена моду
ляция мощности излучения как диодного, так и диодного с рекуперацией гиротронов
под влиянием отражения от низкочастотных флуктуации плотности плазмы. Осо
бенности модуляции отличаются для гиротронов разных типов и зависят от спектров
плазменных флуктуации.
-
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 /1-6/.
-
Также установлены высокие значения коэффициентов когерентности (-50%) в полосе 20 кГц между вейвлет-спектрами модуляции излучения диодного гиротрона и длинноволновых (сантиметровых) флуктуации плотности /1, 4-6/.
-
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) /7-11/.
-
Обнаружены в спектрах коротковолновых (миллиметровых) флуктуации частотные полосы с повышенной интенсивностью: 10-15 кГц и 80 кГц 111. В этих частотных диапазонах коэффициент когерентности между вейвлет-спектрами модуляции излучения диодного гиротрона с рекуперацией и коротковолновых (миллиметровых) флуктуации плотности принимает высокие значения (-50%) /8/.
2. В модельных экспериментах показано, что отражение от металлической мем
браны оказывает воздействие на микроволновый пучок излучения гиротрона — про
исходит деформация периферийной области (искажение гауссовской формы) и из
менение 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
-
Воздействие отраженного широкополосного сигнала малой амплитуды от коротковолновых флуктуации плотности плазмы на излучение гиротрона приводит к низкочастотной модуляции его мощности.
-
Реакция излучения гиротрона на отдельные спектральные компоненты отраженного от плазменных флуктуации широкополосного сигнала определяется как параметрами самих флуктуации, так и типом гиротрона.
-
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
Описание экспериментальной установки
К настоящему времени ЭЦР нагрев был успешно реализован на многих то-камаках и стеллараторах: Л-2М (2 гиротрона), LHD (10 гиротронов), TJ-II (2 ги-ротрона), Т-10 (4 гиротрона), ASDEX (4 гиротрона), DIII-D (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 = SCOHe +&V, где — частота волны накачки, /сц — ее продольное по отношению к магнитному полю волновое число, s = +1,+2 ... — номер гармоники, а)н — реляти-вистская гирочастота. Гармоника s = 0 соответствует черенковскому излучению, s 0 — аномальному эффекту Доплера, s 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 (Е II В). В [36] приведены расчеты для оценки эффективности нагрева в стеллара-торе Л-21 (аналогичные расчеты могут быть использованы для оценок эффективности на других установках). Представленные оценки справедливы для близкого к перечному распространения волн, для которых cos 1, где — угол между волновым вектором и магнитным полем в зоне нагрева2. На первой гармонике циклотронной частоты электронов ( = ) оптическая толщина для нормаль-ных волн магнитоактивной плазмы равна: где Те — электронная температура в энергетических единицах (в эВ), тес2 — 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 Л-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 Л-2М используется нагрев необыкновенной волной на второй гармонике электронно-циклотронной частоты [39]. Такой сценарий для нагрева плазмы используется в большинстве современных тороидальных установках (Л-2М, Т-10, LHD, 1 Стелларатор Л-2М является модификацией с стелларатра Л-2 (была произведена за мена камеры). 2 Интервал применимости по углу ввода ЭЦ волны: PTI Nl2«7rl2-6«\, где Nx 2 — показатель преломления для 1 и 2 моды, J3T =VTe/c отношение тепловой скорости электронов к скорости света. ASDEX, DIII-D и др.). Однако в токамаке-реакторе ITER предполагается нагрев на первой гармонике обыкновенной 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 гиро-тронов от излучения, отраженного от плазмы. Например, в стеллараторе Л-2М 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 ги-ротрона была описана в статье [1]. В эксперименте на гиротронном комплексе МИГ-2 стелларатора Л-2М (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 плазмы в камере (после пробоя газа). С этого времени измерение амплитуды сигнала детектора, пропорционального мощности гиротрона, и появление флуктуаций. В исследованиях было отмечено наблюдение как падения, так и роста мощности гиротрона после пробоя газа.
Анализ экспериментальных данных
Стелларатор Л-2М является двухзаходным стелларатором [23]. Величина магнитного поля 1,34 Тл соответствует положению циклотронного резонанса на оси вакуумной камеры R0 = 100 см. В стеллараторе создание и нагрев происходит на второй гармонике циклотронной частоты электрона. ЭЦР нагрев происходит в центре плазменного шнура [58]. Фотография установки представлена на рис.4, значения основных параметров приведены в таблице 1. В установке наблюдается высокий уровень флуктуаций плотности плазмы: от 3—5 % в центре плазменного шнура [59,60] до 20—30% на краю [61] (такой уровень флуктуаций является типичным для стел-лараторов). На стеллараторе Л-2М последовательно работали гиротронные комплексы ЭЦР создания и нагрева плазмы: МИГ-1, МИГ-2 и МИГ-3. Комплексы различались мощностями вводимого излучения, типами гиротронов, конструкциями квазиоптических трактов, системами измерения СВЧ, системами управления и др.
Гиротронный комплекс МИГ-2 в экспериментах 2004—2006 гг. состоял из следующих блоков: системы электропитания гиротронного комплекса; 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; четырех-зеркального квазиоптического тракта (рис.5) [62]. Для измерения мощности СВЧ и калибровки детекторов использовался статический спиртовой калориметр.
Квазиоптический тракт гиротронного комплекса МИГ-2, который также использовался в качестве тракта для гиротрона Борец 75/0,8 комплекса МИГ-3. Показан поточный калориметр для измерения СВЧ мощности в комплексе МИГ-3. менные ряды сигналов мощности гиротрона и амплитуд флуктуаций плотности плазмы, а также плотности, температуры и энергосодержания (200 разрядов). В этих экспериментах мощность излучения диодного гиротрона Бридер-1 составляла 100 кВт, плотность плазмы — (1,5–1,8)1013см–3, температура электронов в
Структура поверхностей магнитного поля в стеллараторе Л-2М в двух режимах: а) стандартная конфигурация, б) топологически неустойчивая (при введении дополнительного индукционного тока).
Для экспериментов 2004— 2006 гг. был проведен спектральный и корреляционный анализ сигналов мощности гиротрона и длинноволновых флуктуаций по данным диагностики малоуглового рассеяния. Для этого из базы данных стелларатора Л-2М (около 5000 разрядов) были отобраны вре центральных областях шнура — 0,8–1,2 кэВ. Были рассмотрены режимы с двумя конфигурациями магнитного поля стелларатора Л-2М: стандартной и топологически неустойчивой (с дополнительным индукционным током в плазме; рис.6) [63]. На этом рисунке показаны в стандартном режиме (а) расчетные вложенные вакуумные магнитные поверхности, а для топологически неустойчивой конфигурации (б) расчетные поверхности в плазме с учетом Шафрановского сдвига центра плазменного шнура 2 см. В топологически неустойчивой конфигурации образуется магнитный остров, и изменяются макропараметры плазмы: время удержания, температура в центе плазменного шнура, спектральные характеристики флуктуаций плотности. Таким образом, были рассмотрены сценарии влияния на диодный гиротрон отражения от флуктуаций плотности плазмы в двух принципиально разных плазменных режимах.
Для измерения НЧ флуктуаций плазменного шнура использовалась диагностика малоуглового рассеяния излучения гиротрона [6, 64]. Диагностика является одной из модификаций диагностик коллективного рассеяния [65], в которой в качестве зондирующего СВЧ пучка используется часть излучения гиро-трон, а именно, расщепленная на границе плазмы обыкновенная волна [66, 67]. Необыкновенная волна испытывает сильное поглощение: коэффициент поглощения согласно расчётам и измерениям составляет при стандартных условиях эксперимента около 99%. Обыкновенная же волна поглощается слабо. Оценки дают коэффициент поглощения при режимах плотности и температуры в этих экспериментах (при плотности плазмы 1.510-13 см-3 и электронной температуре в центре шнура 1 кэВ) около 5 %. Эта диагностика позволяет измерять флуктуации плотности плазмы с характерными пространственными масштабами 3— 6 см, Интенсивность флуктуаций суммируется по диаметру плазмы (диагностика не является локальной).
Квазиоптический ответвитель для регистрации огибающей мощности излучения гиротрона. Схема измерений огибающей сигнала мощности диодного гиротрона и сигнала малоуглового рассеяния на длинноволновых флуктуациях плазмы представлена на рис.7. Регистрация огибающей сигнала мощности гиротрона осуществлялась посредством квазиоптического ответвителя (рис.8).
Детекторные головки снабжены отрезками прямоугольных волноводов, в следствие чего, регистрируется излучения с заданным направлением электрического поля. Для диафрагмирования и экранирования детекторных головок, они смонтированы в цилиндры из поглощающей резины. Для расширения динамического диапазона регистрации флуктуаций мощности гиротрона после детектора на входе предусилителя использовалась RC-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 [7]. Сигнал малоуглового рассеяния также оцифровывался с частотой 5МГц синхронно с сигналом мощности гиротрона. 2.2 Анализ экспериментальных данных
Производился анализ спектральных (Фурье-спектров) и корреляционных характеристик (взаимно когерентных вейвлет спектров) сигналов модуляции излучения диодного гиротрона и малоуглового рассеяния для двух конфигураций магнитного поля стелларатора Л-2М: стандартной и топологически неустойчивой [7—13].
Результаты обработки сигналов показали высокую степень воспроизводимости от разряда к разряду характерных особенностей эволюции во времени сигнала модуляции мощности излучения гиротрона в двух режимах плазмы. На рис.9 представлены типичные сигналы огибающей мощности гиротрона P, температуры электронов Te, плотности плазмы n в течение разряда в Л-2М в стандартной (слева) и топологически неустойчивой (справа) конфигурациях магнитного поля. Как видно из временного хода приводимых сигналов, форма импульсов мощности гиротрона для двух конфигураций магнитного поля близка друг к другу. В двух режимах после пробоя наблюдается изменение мощности гиротро-нов (рост мощности на 10%, что соответствует отмеченному ранее влиянию на гиротрон [1]). В случае основной магнитной конфигурации от 50 мс (после пробоя плазмы) до момента выключения импульса гиротрона (61 мс) имеется квазистационарный режим, который характеризуется постоянством температуры 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. При этом диамагнитные измерения указывают на постоянство запасенной в плазме энергии [68].
Описание экспериментальной установки
Описание стелларатора Л-2М приведено в предыдущей главе. В данной главе представим описание гиротронного комплекса МИГ-3, введенного в эксплуатацию в 2011 году [77].
Комплекс МИГ-3 состоит из двух диодных гиротронов нового поколения с рекуперацией энергии электронного пучка (НПП «ГИКОМ»), из высоковольтного модулятора, обеспечивающего работу обоих гиротронов как в отдельности, так и совместно, а также из блока управления и регистрации данных. При одновременной работе обоих гиротронов суммарная удельная мощность, вводимая в плазму, может достигать 5 МВт/м3.
МИГ-3 состоит из следующих блоков. — Гиротронный блок состоит из двух трехэлектродных гиротронов с рекуперацией энергии электронного пучка, помещенных в криомагниты. Гиротрон Борец 75/0.8 генерирует микроволновое излучение на фиксированной частоте 75,1 ГГц с мощностью до 700 кВт, многочастотный гиротрон Борец 72/2 генерирует излучение на трех частотах 71,5 ГГц, 74,8 ГГц и 78,2 ГГц с мощностью до 700 кВт. — Блок высоковольтного модулятора с емкостным накопителем. Специально разра ботанный модулятор позволяет независимо включать оба гиротрона в импульсном ре жиме. Длительность микроволнового импульса при работе одного гиротрона до 20 мс, при работе двух гиротронов — до 15 мс.
Блок транспортировки и ввода в два боковых патрубка вакуумной камеры стелла-ратора микроволнового излучения от гиротронов состоит из двух квазиоптических зеркальных трактов. Каждый из трактов позволяет ввести в камеру микроволновые гауссовые пучки с необыкновенной поляризацией электрического поля (X-волна), что обеспечивает высокую эффективность поглощения СВЧ мощности в плазме на резонансе на второй гармонике гирочастоты электрона. Частью трактов являются поворотные зеркала для измерения высоких уровней мощности поточным калориметром. — Блок, включающий в себя систему автоматизированного управления гиро тронным комплексом, и систему регистрации, хранения и обработки параметров всех блоков комплекса.
В эксперименте [14—18] было проведены исследования влияния отражения от коротковолновых флуктуаций плотности плазмы на диодный гиротрон Борец 75/0,8 с рекуперацией энергии электронного пучка. Эти эксперименты осуществлялись при создании и ЭЦР нагреве плазмы на второй гармонике электронно-циклотронной частоты электронов в стеллараторе Л-2М.
Фокусировка гауссова пучка излучения гиротрона Борец 75/0,8 и его транспортировка до окна стелларатора осуществлялась четырехзеркальным квазиоптическим трактом, как и в комплексе МИГ-2 (рис. 4). Калибровка детекторов в этом комплексе проводилась при помощи поточного калориметра. [78]. 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 (Х), которая почти полностью поглощалась в центральной области плазменного шнура, и обыкновенную (О), которая пересекала плазму, почти не поглощаясь [18]. Для измерения коротковолновых флуктуаций плазменного шнура использовалась диагностика обратного рассеяния излучения гиротрона [18]. Диагностика является одной из модификаций диагностик коллективного рассеяния [65], в которой также в качестве зондирующего СВЧ пучка используется часть излучения ги-ротрон, а именно, расщепленная на границе плазмы обыкновенная волна (как при малоугловом рассеянии). Эта диагностика позволяет измерять флуктуации плотности плазмы с характерными пространственными масштабами около 2 мм, Интенсивность флуктуаций суммируется по радиусу плазмы (диагностика не является локальной). На рис.20 показан детектор (6), который регистрирует сигнал обратного рассеяния, пропорциональный коротковолновым флуктуациям плотности плазмы.
Схема регистрации излучения гиротрона и обратного рассеяния от плазмы в стеллараторе 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.20) [79], 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 направляемого 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 квазиоптических ответвителей (рис. 21). В этом случае в первом из них регистрировалось отражение (рассеяние) О-волны и использовался метод гомодинного детектирования. При этом во втором ответвителе методом прямого детектирования регистрировалось отражение (рассеяние) Х-волны и использовался широкополосный усилитель с фильтрацией низких частот (постоянная времени 0,5 мс).
Рис.21. Схема регистрации с использованием двух квазиоптических ответвителей: 1 — опорный сигнал; 2 — гомодинное детектирование рассеяния О-волны; 3 — отрезок прямоугольного волновода (4мм); 4 — делительная пластина (R 3%); 5 — поляризационная сетка; 6 — детектирование излучения гиротрона; 7 — СВЧ поглотители; 8 — прямое детектирование рассеяния Х-волны с использованием усилителя; 9 — детектирование излучения гиротрона с использованием усилителя; 10 — входное окно камеры стелларатора. 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 (k 30 см–1).
Вводимая мощность гиротрона Борец 75/0,8 изменялась в пределах от 0,15 МВт до 0,55 МВт. Средняя плотность плазмы варьировалась от 1,21013см–3 до 2,51013см–3. Электронная температура в центральной области плазмы Те(0) лежала в интервале 0,6...1 кэВ, магнитное поле B = 1,34 Тл (резонансный нагрев в центре шнура).
Калибровка детекторов проводилась с помощью поточного калориметра (для каналов измерения мощности гиротрона) и слюдяной пластины с известным коэффициентом отражения (для каналов обратного рассеяния измерения коротковолновых флуктуаций плотности плазмы). Сигналы с детекторов записывались синхронно в базу данных стелларатора Л-2М. Использовались двухканаль-ные АЦП ЛА-25 с длиной записи до 256 КБ (частота оцифровки до 40 МГц), частота оцифровки сигналов составляла 5 МГц.
Анализ экспериментальных данных
В экспериментах на гиротронном комплексе стелларатора TJ-II [20, 21] роль низкочастотной нагрузки выполняла колеблющаяся металлическая пластина. Частота излучения гиротрона 53,2 ГГц, мощность до 0,5 МВт (производство НПП «Гиком»).
Схема эксперимента представлена на рис. 30. Коэффициент отражения от системы с отражателем (колеблющимся на частоте 1000—1200 Гц) установлен из соображений соответствия коэффициенту отражения от плазмы в стеллараторе Л-2М и равен 10–3. Эти коэффициенты как для коротковолновых флуктуаций плотности плазмы Ri, так и для резонансной области поглощения R= для стелларатора Л-2М рассчитаны в работах [18, 19] (таблица 2).
Целью данного эксперимента было определить влияет ли отражение от нестационарной нагрузки на форму и поляризацию пучка микроволнового 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 пря мого излучения, регистрировались одновременно вертикальная и горизонтальная компоненты поляризации волны. По оценке соотношения этих составляющих в различных точках пучка можно судить об изменении поляризации пучка.
Коэффициент взаимной корреляции между излучением гиротрона и сигналом модулятора (рис. 31) принимает максимальное значение на периферии пучка (кривые 46 мм и 58 мм) 0,6, в центре пучка этот коэффициент не достигает 0,2. Коэффициент меняет знак при изменении положения модулятора на 1 мм. Следовательно, изменение расположения модулятора приводит к изменению фазы отраженного излучения, и как следствие, 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 (рис. 32) показала изменение поляризации пучка на его периферии [20, 21]. Рис.31. Пространственная зависимость коэффициента корреляции между излучением гиротрона и сигналом модулятора при частоте модулятора 1200 Гц для двух позиций отражателя (сдвиг 1 мм).
Причина уширения спектра излучения гиротрона под действием обратного рассеяния, по всей видимости, лежит в изменении характера взаимодействия мод внутри гиротрона. Можно выделить два механизма, объясняющих наблюдаемое явление.
Идеальный гиротрон (идеальный преобразователь, идеальная соосность электронного пучка и резонатора и т.д.). Если на конце приемно-передающей системы находится несогласованная нагрузка, то часть отраженного излучения проникает в гиротрон в форме волны с противоположным (относительно основной моды) вращением азимутальной компоненты поля [84, 85]. Вследствие ортогональности между основной модой и отраженной волной их взаимосвязь слабая и носит бесфазовый характер. Кроме того, обратная волна, вращающаяся противоположно, отражается от резонатора гиротрона с коэффициентом, близким к единице. Будучи несогласованной со встроенным преобразователем, эта волна рассеивается в относительно широком угле направлений. Следовательно, ее влияние наиболее заметно на периферии выходного гаусова пучка (в области, где поле основной моды мало) и может выражаться в повороте поляризации суммарного поля. Рис.32. Сигналы с канала детектирования прямого излучения гиротрона: черная линия — вертикальная компонента поля волны, красная линия — горизонтальная компонента. Зеленая линия — сигнал модулятора. Система регистрации смещалась по горизонтальной оси в условно отрицательную и положительную стороны относительно центра пучка (0 мм).
В реальном случае, преобразование рабочей моды гиротрона в гауссов пучок происходит не со стопроцентной эффективностью. Следовательно, часть отраженной от нагрузки волны может вернуться в резонатор гиротрона в форме волны, вращающейся в ту же сторону, что и рабочая мода гиротрона [86]. В результате, связь гиротрон-нагрузка является линейной, это может быть представлено стандартной схемой (рис. 33): несогласованная нагрузка обычно представляется в виде нерегулярностей, расположенных на различных расстояниях от авто-осциллятора. Классическая схема авто-осциллятора (LCR-контур), связанного с нагрузкой (Zl) через линию передачи (l).
В такой системе (генератор-нагрузка) отражение от нагрузки может захватить фазу излучения генератора и уширить ее спектр в полосе, ширина которой пропорциональна коэффициенту отражения [43]. При этом образуется конечное число стационарных продольных мод генерации [87, 88]. Изменение любого параметра системы может привести к перескоку на другую стационарную моду, таким образом, возможны скачкообразные изменения мощности и частоты излучения.
