Описание системы ЭЦР нагрева на ГДЛ

Система ЭЦР нагрева предназначена для дополнительного нагрева электронной компоненты плазмы ГДЛ на электронном циклотронном резонансе.

Состоит из двух гиротронов, двух волноводных линий передачи и ввода СВЧ мощности в вакуумную камеру ГДЛ, систем питания, контроля и управления.

Рис. 1. Общий вид системы ЭЦР нагрева плазмы на ГДЛ.

Принцип работы ЭЦР нагрева плазмы

В магнитном поле электроны плазмы движутся по винтовым траекториям. Т.е. каждый электрон движется вдоль силовой линии магнитного поля и одновременно вращается вокруг этой линии. Частота этого вращения зависит только от величины магнитного поля (V << c) и называется циклтронной частотой. Если в плазме создать э/м волну циклотронной частоты с круговой поляризацией, вращающейся в ту же сторону, что и электроны, то такая волна будет эффективно поглощаться электронами, а следовательно увеличивать электронную температуру плазмы.

Параметры плазмы и магнитного поля ГДЛ позволяют реализовать эффективное ЭЦР поглощение только на первой гармонике необыкновенной волны. В плазме ГДЛ такая волна имеет область непрозрачности в области слабого магнитного поля: B < Bce, где Bce - магнитное поле соответствующее циклотронной частоте. Доставить волну до области резонанса возможно только со стороны сильного поля.

Схема ввода излучения в плазму и доставки его до резонанса изображена на рисунке 2.

Рис. 2. Схема ввода излучения в плазму и его транспортировки до зоны поглощения.

Излучение с поляризацией соответствующее необыкновенной волне вводится в плазму в околопробочной области под углом к оси установки. На первой границе плазмы волна преломляется и проникает в плазму. Далее оно пересекает плазму и отражается от границы плазмы. Происходит захват волны плазмой. Далее волна как по волноводу доставляется до области резонанса и полностью поглощается преимущественно тепловыми электронами плазмы.

СВЧ система

В качестве источников излучения в системе используются 2 гиротрона "БУРАН-А", изготовленные в Нижнем Новгороде (рис. 3). Магнитное поле создаётся с помощью сверхпроводящего криомагнита, охлаждаемого жидким с полем 2.1 T. Выходное СВЧ излучение гиротрона с помощью двухзеркального квазиоптического фильтра вводится в волновод. Зеркала фильтра имеют специально расчитанный профиль для оптимальной конверсии выходной моды гиротрона в гибридную HE11 волну, которая возбуждается в волноводе.

Рис. 3. Фотография гиротронного модуля.

Параметры гиротронов:

• Выходная мощность - 450 кВт
• Частота излучения -54.5 ГГц (5.5 мм)
• Длительность импульса - 5 мс
• КПД - 30 %

Передача излучения от гиротронов к вакуумной камере ГДЛ осуществляется с помощью секционированной волноводной линии. Для уменьшения потерь при передаче используются гофрированные круглые волноводы (рис. 4). В волноводах возбуждается основная мода - гибридная HE11 волна.

Рис. 4. Фотография одной секции волновода.

Параметры волноводов:

• Длина секции - 0.5 м
• Общая длина - 31 м
• Внутрений диаметр - 63.5 мм
• Период гофрировки - 1.83 мм
• Глубина гофрировки - 1.37 мм
• Материал - алюминиевый сплав 

Для поворота излучения на 90 градусов используются волноводные уголки, которые представляют собой плоское металлическое зеркало, которое вместе с подводящими волноводами собрано в жёсткую герметичную конструкцию (рис. 5). В один из уголков для контроля проходящей СВЧ мощности установлен СВЧ-диод.

Рис. 5. Фотография волноводного уголка.

Гиротрон выдаёт линейную поляризацию. Для возбуждения в плазме необыкновенной волны необходима эллиптическая поляризация со строго определённым отношением полуосей и их наклоном к вертикали. Для преобразования поляризации в один из поворотов установлен универсальный поляризатор, который состоит из трёх зеркал, два из которых гофрированные и могут вращаться с помощью специальных ручек (рис. 6). Установкой угла поворота этих зеркал можно из входной линейной поляризации получить любую эллиптическую поляризацию.

Рис. 6. Фотография универсального поляризатора.

Запуск излучения в плазму осуществляется с помощью специальной квазиоптической системы, состоящей из одного плоского и двух параболических зеркал (рис. 7). Система фокусирует излучению в заданную точку плазмы под нужным углом к оси установки. Окно в вакуумную камеру изготовленно из кварцевого стекла диаметром 100 мм и толщиной 10 мм.

Рис. 7. Система ввода излучения в плазму.

Система управления

Для управления гиротронным комплексом была создана автоматизированная система управления. Пользовательский интерфейс разработан в среде LabView 2010 и предусматривает возможность запуска на Linux-терминалах сети ГДЛ. Большинство фунций реализовано при помощи программируемого контроллера ADAM-5510. В функции программы входят:

Управление током криомагнитов

• Контроль уровня жидкого гелия в криомагнитах
• Измерение осциллогорамм тока и напряжения высоковольтного модулятора, измерение сигналов с СВЧ-диода.
• Контроль работы системы охлаждения
• Управление магниторазрядным насосом
• Управление током накала гиротрона
• Управление питанием высоковольтного модулятора
• Автоматическая обработка аварийных ситуаций 

Рис. 8. Программа управления