Г. М. Батанов, Л. В. Колік, А. Є. Петров, К. А. Сарксян, Н. Н. Скворцова. Н. К. Харчев Інститут загальної фізики РАН 119991, м. Москва, вул. Вавілова, 38, МСП-105 Ю. В. Новожилова, М. І. Петелин Інститут прикладної фізики РАН ГСП-120, Н. Новгород 603600, Росія Тел. (8312) 160637, (8312) 351362, e-mail


Анотація Експерименти, проведені на стелараторі Л-102 показали, що навіть малі відображення випромінювання від плазмових флуктуацій призводять до істотного розширенню спектра вихідного випромінювання гіротрона. Цей ефект пояснюється як резонансний захоплення гіротрона флуктуірующіх відбитої хвилею.

I. Вступ

Використання квазіоптичних систем для транспортування і фокусування випромінювання гіротронов в плазмових експериментах на магнітних пастках дозволяє обходитися без спеціального захисту гіротрона від відображеної хвилі. Дійсно, навіть при відносно високому рівні відображення (~ 10%) неможливо узгодити фронт відбитої хвилі з фронтом падаючої, внаслідок чого неминуче значне ослаблення відбитої хвилі, що розповсюджується через квазіоптичні тракт на вхід гіротрона. Саме такий підхід домінував до сих пір в експериментальних дослідженнях. Проте в експериментах по електронно-циклотронному нагріванню плазми на стелараторі J1-2M на другій гармоніці гірочастоти електронів спостерігалося значне розширення спектра випромінювання гіротрона, хоча коефіцієнт відбиття становив не більше 0.1%.

II. Основна частина

На стелараторі J1-2M використовується гіротрон фірми гиком з частотою 75 ГГц і потужністю до 400 кВт. За відсутності плазми сигнал потужності гіротрона представляв собою прямокутний імпульс тривалістю близько 10 мс. При пробої газу та освіті плазми на плато сигналу падаючої потужності виникають шумові коливання. Побудова автокорелляціонной функції продемонструвало, що% спектра випромінювання гіротрона лежить всередині частотного інтервалу 30-50 кГц біля середньої частоти випромінювання

Рис. 1 Автокореляційна функція прямого випромінювання гіротрона і випромінювання, що пройшов через плазму.

Для вивчення впливу на потужність гіротрона амплітуди і фази відбитої хвилі були виконані вимірювання за відсутності розряду в стелараторі. При цьому в каустики хвильового пучка ставилася тонка слюдяная пластинка, яка плавно переміщалася уздовж осі пучка від імпульсу до імпульсу. В результаті зміна фази відбитої хвилі становила 0.68 я, амплітуда коефіцієнта відображення становила від 1.4% до 6.5%. Змін потужності гіротрона при відбитті від пластинки зафіксовано не було.

Вплив випромінювання, відбитого від плазми, при досить малих коефіцієнтах відображення можна розглядати в рамках методу теорії збурень як вплив зовнішнього випадкового сигналу [1] та інтерпретувати як синхронізацію (захоплення) фази гіротрона зовнішньої випадкової силою. Відповідно до теорії синхронізації автогенератора зовнішньої монохроматичної силою [2], резонансний захоплення має місце у вузькій смузі частот расстроек між частотою зовнішньої сили і частотою автогенератора. Ширина смуги захоплення зростає з ростом амплітуди нинішні сили (рис.2). Якщо зовнішня сила флуктуірует, як в досліджуваній задачі, спектр автогенератора має низький п’єдестал, ширина якого визначається міцністю

граничного циклу СВ / Q автогенератора, і вузький

первинний пік (ріс.З), відповідний синхронізації, спектральна шіірна піку пропорційна потужності зовнішньої сили [1]. Дійсно, оцінка спектральної ширини первинного піку дає правдоподібний результат:

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

Робота виконана за підтримки РФФД (03-0217138).

IV. Список літератури

[1] A. H. Малахов. Флуктуації в автоколивальних системах. М.: Наука, 1968.

[2] М. І. Рабинович, Д. І. Трубецькой. Введення в теорію коливань і хвиль. 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.

Анотація Наведено результати досліджень транспортування релятивістського електронного пучка з струмом вище критичного в циліндричній камері дрейфу в присутності іонного потоку. Теоретичний аналіз динаміки електрон-іонного освіти базується на методі великих часток (PIC). Показано, що при спільній інжекції надкритичного електронного пучка і низькоенергетичного слаботочного іонного пучка в камері дрейфу разом з електронним віртуальним катодом може утворитися віртуальний анод. Віртуальний анод періодично пульсує. Чисельні результати, отримані для іонів водню і азоту, показують, що ставлення частот пульсацій обернено пропорційно відношенню мас іонів. Коливання віртуального анода призводять до модуляції в часі з тією ж частотою електронного і іонного струмів на виході дрейфовой камери.

I. Вступ

Для прискорення іонів в колективному методі прискорення [1] необхідна повільна хвиля просторового заряду. Така хвиля може бути отримана шляхом просторової і тимчасової модуляції потужнострумового електронного пучка.

Необхідну для прискорення іонів низькочастотну модуляцію можна отримати, пропускаючи потужнострумових електронний пучок з струмом вище граничного вакуумного через плазму.

В роботі [2] запропонований один з можливих фізичних механізмів такої модуляції. Суть його полягає в наступному. Розглянемо тонкий трубчастий електронний пучок, інжектіруемих в вакуумну циліндричну камеру дрейфу. Граничний струм електронного пучка, який можна транспортувати через таку систему визначається виразом [3]:

де е – заряд, т – маса електрона, уе – Релятивістський фактор електронів пучка, R – радіус камери дрейфу, ге – Радіус електронного пучка. Перевищення струму в порівнянні з граничним значенням 1се призводить до утворення віртуального

катода (ВК). При наявності іонів в такій системі вони будуть прискорюватися полем ВК і насмоктувати в область мінімуму його потенціалу. Іони нейтралізують об’ємний заряд згустку електронів в області віртуального катода, що призводить до його розсмоктуванню. Руйнування віртуального катода зупиняє надходження іонів в область віртуального катода. Таким чином, умови для утворення віртуального катода поновлюються, і процес повторюється.

Нижче ми розглянемо інший механізм створення низькочастотної модуляції іонами, інжектіруемих в камеру дрейфу в тому ж напрямку, що й електронний пучок. Ток інжектіруемих іонного пучка, так само, як і електронного, обмежується своїм граничним значенням, величина якого визначається [4] вираженням, аналогічним (1)

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2003р.