РЕАКЦИЯ ГИРОТРОНА НА СЛАБОЕ ОТРАЖЕНИЕ ВОЛН ОТ ПЛАЗМЫ, ПРОМОДУЛИРОВАННОЕ НИЗКОЧАСТОТНЫМИ КОЛЕБАНИЯМИ

July 27, 2012 by admin Комментировать »

Г. М. Батанов, Л. В. Колик, А. Е. Петров, К. А. Сарксян, Н. Н. Скворцова. Н. К. Харчев Институт общей физики РАН 119991, г. Москва, ул. Вавилова, 38, ГСП-105 Ю. В. Новожилова, М. И. Петелин Институт прикладной физики РАН ГСП-120, Н. Новгород 603600, Россия Тел. (8312)160637, (8312)351362, e-mail <river@appl.sci-nnov.ru>


Аннотация Эксперименты, проведенные на стеллараторе Л-102 показали, что даже малые отражения излучения от плазменных флуктуаций приводят к существенному уширению спектра выходного излучения гиротрона. Этот эффект объясняется как резонансный захват гиротрона флуктуирующей отраженной волной.

I.  Введение

Использование квазиоптических систем для транспортировки и фокусировки излучения гиротронов в плазменных экспериментах на магнитных ловушках позволяет обходиться без специальной защиты гиротрона от отраженной волны. Действительно, даже при относительно высоком уровне отражения (~10%) невозможно согласовать фронт отраженной волны с фронтом падающей, вследствие чего неизбежно значительное ослабление отраженной волны, распространяющейся через квазиоптический тракт на вход гиротрона. Именно такой подход доминировал до сих пор в экспериментальных исследованиях. Однако в экспериментах по электронно-циклотронному нагреву плазмы на стеллараторе J1-2M на второй гармонике гирочастоты электронов наблюдалось значительное уширение спектра излучения гиротрона, хотя коэффициент отражения составлял не более 0.1%.

II.  Основная часть

На стеллараторе J1-2M используется гиротрон фирмы ГИКОМ с частотой 75 ГГц и мощностью до 400 кВт. В отсутствие плазмы сигнал мощности гиротрона представлял собой прямоугольный импульс длительностью около 10 мс. При пробое газа и образовании плазмы на плато сигнала падающей мощности возникают шумовые колебания. Построение автокорелляционной функции продемонстрировало, что % спектра излучения гиротрона лежит внутри частотного интервала 30-50 кГц около средней частоты излучения

Рис. 1 Автокорреляционная функция прямого излучения гиротрона и излучения, прошедшего через плазму.

Для изучения влияния на мощность гиротрона амплитуды и фазы отраженной волны были выполнены измерения в отсутствие разряда в стеллараторе. При этом в каустике волнового пучка ставилась тонкая слюдяная пластинка, которая плавно перемещалась вдоль оси пучка от импульса к импульсу. В результате изменение фазы отраженной волны составляло 0.68 я, амплитуда коэффициента отражения составляла от 1.4% до 6.5%. Изменений мощности гиротрона при отражении от пластинки зафиксировано не было.

Влияние излучения, отраженного от плазмы, при достаточно малых коэффициентах отражения можно рассматривать в рамках метода теории возмущений как воздействие внешнего случайного сигнала [1] и интерпретировать как синхронизацию (захват) фазы гиротрона внешней случайной силой. Согласно теории синхронизации автогенератора внешней монохроматической силой [2], резонансный захват имеет место в узкой полосе частотных расстроек между частотой внешней силы и частотой автогенератора. Ширина полосы захвата растет с ростом амплитуды нешней силы (рис.2). Если внешняя сила флуктуирует, как в исследуемой задаче, спектр автогенератора имеет низкий пьедестал, ширина которого определяется прочностью

предельного цикла СО/Q автогенератора, и узкий

первичный пик (рис.З), соответствующий синхронизации, спектральная шиирна пика пропорциональна мощности внешней силы [1]. Действительно, оценка спектральной ширины первичного пика дает правдоподобный результат:

Fig.3 The spectrum of RF generator subjected to random force.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (03-0217138).

IV. Список литературы

[1] A. H. Малахов. Флуктуации в автоколебательных системах. М.: Наука, 1968.

[2] М. И. Рабинович, Д. И. Трубецков. Введение в теорию колебаний и волн. М.: Наука, 1984.

RESONANT LOCKING OF GYROTRON OSCILLATIONS BY WAVE REFLECTION FROM FLUCTUATING PLASMA

G.  M. Batanov, N. K. Kharchev, L. V. Kolik, A. E. Petrov, K. A. Sarksyan, N. N. Skvortsova General Physics Institute Russian Academy of Sciences Moscow, 117942, Russia Yu. V. Novozhilova and М. I. Petelin Institute of Applied Physics RAS GSP-120, Nizhny Novgorod 603600, Russia

Tel.: (8312) 160637, E-mail: river@appl.sci-nnov.ru

Abstract Experiments at L-2M stellarator show that even small reflection from plasma results in essential broadening of the gyrotron output spectrum. The effect is explained as the resonant locking ofthe gyrotron by reflected wave.

I.  Introduction

When gyrotrons are used for plasma heating in tokamaks and stellarators, the influence of reflection from plasma on the gyrotron performance is usually ignored. However, an experiment described in this paper shows that this influence is perceptible even if the reflection coefficient does not exceed 0.001.

II.  Main part

The experiments on plasma creation and heating are carried out using L-2M stellarator. Radiation from gyrotron (GYKOM) operating at frequency of 75 GHz and power of 400 kW at the second harmonic of the gyrofrequency is used. A linearly polarized microwave beam is transmitted and focused onto an outer horizontal port of the stellarator by means of a four-mirror quasioptical line. A bi-directional coupler is positioned at the axis of a Gaussian beam between the last mirror and a quartz window, which enables measurements ofthe gyrotron power (direct signal) and also of radiation backward reflected from the plasma and the stellarator chamber. The radiation passing through the plasma and scattered at small angles (scattered signal) is measured at the inner port. In the absence of plasma, the reflection coefficient is ~0.007. In the absence of plasma, the gyrotron-power signal is observed as a flat-top pulse with rise time of 0.5 ms and fall time of 20—30 ms. The gas breakdown and the formation ofthe plasma column last 1—

1.5  ms. During this period of time, the gyrotron-power signal remains constant. Once the plasma is formed, intense noise appears in the direct power signal.

The correlation between the gyrotron power and plasma fluctuations was analyzed numerically. Up to 3/4 of the noise power in the gyrotron radiation lies in the frequency range above 30-50 kHz (the correlation time is 10-16 (.is) (Fig.1).

To compare the influence ofthe reflector with constant and fluctuating parameters, we carried out special experiment in the absence of plasma. A thin mica plate was positioned transverse to the beam axis in front of the stellarator window; as this plate shifted along the beam axis, the phase and amplitude of the reflected wave changed as a result of interference between two waves reflected from the stellarator and the plate, respectively. The phase variation attained 0.688л and the reflection coefficient varied from 0.014 to 0.065. No variations were detected in the gyrotron power over this range of amplitudes and phases of the reflected wave.

III.  Conclusion

Thus, in the experiments with the dielectric plate, the gyrotron power remains unaffected by relatively large variations in the reflection coefficient and phase of the reflected wave, whereas noise fluctuations in the reflection coefficient of ~0.001 from plasma result in the modulation of the gyrotron power and variations in its mean value that attain 10% and more.

Аннотация Приведены результаты исследований транспортировки релятивистского электронного пучка с током выше критического в цилиндрической камере дрейфа в присутствии ионного потока. Теоретический анализ динамики электрон-ионного образования базируется на методе крупных частиц (PIC). Показано, что при совместной инжекции сверхкритического электронного пучка и низкоэнергетического слаботочного ионного пучка в камере дрейфа наряду с электронным виртуальным катодом может образоваться виртуальный анод. Виртуальный анод периодически пульсирует. Численные результаты, полученные для ионов водорода и азота, показывают, что отношение частот пульсаций обратно пропорционально отношению масс ионов. Колебания виртуального анода приводят к модуляции во времени с той же частотой электронного и ионного токов на выходе дрейфовой камеры.

I.   Введение

Для ускорения ионов в коллективном методе ускорения [1] необходима медленная волна пространственного заряда. Такая волна может быть получена путем пространственной и временной модуляции сильноточного электронного пучка.

Необходимую для ускорения ионов низкочастотную модуляцию можно получить, пропуская сильноточный электронный пучок с током выше предельного вакуумного через плазму.

В работе [2] предложен один из возможных физических механизмов такой модуляции. Суть его состоит в следующем. Рассмотрим тонкий трубчатый электронный пучок, инжектируемый в вакуумную цилиндрическую камеру дрейфа. Предельный ток электронного пучка, который можно транспортировать через такую систему определяется выражением [3]:

где е — заряд, т — масса электрона, уе — релятивистский фактор электронов пучка, R — радиус камеры дрейфа, ге — радиус электронного пучка. Превышение тока по сравнению с предельным значением 1се приводит к образованию виртуального

катода (ВК). При наличии ионов в такой системе они будут ускоряться полем ВК и насасываться в область минимума его потенциала. Ионы нейтрализуют объёмный заряд сгустка электронов в области виртуального катода, что приводит к его рассасыванию. Разрушение виртуального катода останавливает поступление ионов в область виртуального катода. Таким образом, условия для образования виртуального катода возобновляются, и процесс повторяется.

Ниже мы рассмотрим другой механизм создания низкочастотной модуляции ионами, инжектируемыми в камеру дрейфа в том же направлении, что и электронный пучок. Ток инжектируемого ионного пучка, так же, как и электронного, ограничивается своим предельным значением, величина которого определяется [4] выражением, аналогичным (1)

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2003г.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты