Compact corrugatеd horn antenna initial design for microwave diagnostics in Uragan-2M stellarator

In this paper, a well-known design procedure is proposed for the design of wideband constant-beam width conical corrugated horn antennas, with minimum design and construction complexity. The inputs to the procedure are the operating frequency band, the required minimum beam width in the entire frequency band, and the frequency in which the maximum gain is desired to occur. Based on these values, the procedure gives a relatively good design with a relative bandwidth of up to 2.1:1 Based on the proposed procedure, a corrugated horn antenna with a constant beam width over the frequencies of 10 to 14 GHz was designed and simulated using commercial software. This paper presents initial design for the development of quasi-optical corrugated conical horn for reflectometry diagnostics for the Uragan-2M stellarator plasma experiments.Пропонується відома методика проектування широкосмугових конічних гофрованих рупорних антен з постійною шириною діаграми спрямованості яка має мінімальну складність проектування і побудови Вхідними даними для процедури є робоча смуга частот необхідна мінімальна ширина променю у всій смузі частот і частота на якій бажано досягти максимального коефіцієнта підсилення На основі цих значень процедура дає відносно хорошу конструкцію з відносною шириною смуги пропускання до 2.1:1 На основі запропонованої методики було спроектовано і змодельовано за допомогою комерційного програмного забезпечення гофровану рупорну антену з постійною шириною смуги пропускання у діапазоні частот від 10 до 14 ГГц У статті представлено початковий проект розробки квазіоптичної гофрованої конічної рупорної антени для рефлектометричної діагностики для плазмових експериментів стеларатора Ураган-2М

New quasioptical receiving system for electron cyclotron emission diagnostics in Uragan-3M stellarator

A new electron cyclotron emission antenna was designed to be installed outside of Uragan-3M vacuum tank. The system will be utilizing different diagnostic port to minimize the length of the output microwave beam. Its design is based on Gaussian beam optics and consists of two plane and two concave mirrors. The concave mirror surfaces are defined using the concept of elliptical surface, where the origin of emission and outside detection antenna coincide with foci of ellipsoid. The new electron cyclotron emission antenna will be installed for a 2015 experiment to measure the electron temperature profile and its fluctuations. This paper reports the general design of the new quasi-optical antenna system.Разрабатывается новая квазиоптическая антенная система для анализа электронно-циклотронного излучения, компоненты которой будут установлены снаружи вакуумной камеры Ураган-3М. Система будет использовать другой диагностический порт, чтобы минимизировать длину выходного СВЧ-луча. Этот дизайн основан на принципах оптики гауссовых пучков и состоит из двух плоских и двух вогнутых зеркал. Вогнутые зеркальные поверхности описываются с помощью геометрии эллиптических поверхностей, при использовании которых положение источника излучения и приемной антенны совпадают с фокусами эллипсоида. Новая антенная система электронно-циклотронного излучения будет установлена для экспериментов по измерению профиля электронной температуры и ее колебаний в 2015 году. В общих чертах представлен дизайн новой квазиоптической антенной системы.Розробляється нова квазіоптична антенна система для аналізу електронно-циклотронного випромінювання, компоненти якої будуть встановлені зовні вакуумної камери Ураган-3М. Система буде використовувати інший діагностичний порт, щоб мінімізувати довжину вихідного НВЧ-променя. Цей дизайн заснований на принципах оптики гаусових пучків і складається з двох плоских і двох увігнутих дзеркал. Увігнуті дзеркальні поверхні описуються за допомогою геометрії еліптичних поверхонь, при використанні яких положення джерела випромінювання і приймальної антени збігаються з фокусами еліпсоїда. Нова антенна система електронно-циклотронного випромінювання буде встановлена для експериментів по вимірюванню профілю електронної температури і її коливань в 2015 році. B загальних рисах представлений дизайн нової квазіоптичної антенної системи

Torsatron U-2M with reversed additional toroidal magnetic field

The torsatron U-2M magnetic system is equipped with 16 additional toroidal magnetic field coils. Under normal operating conditions the toroidal field coils create an additional toroidal magnetic field B₀ the direction of which coincides with the direction of a toroidal magnetic field component b₀ generated by the torsatron helical coils on the circular axis of the torus. In the torsatron with reversed toroidal magnetic field (RTF) the toroidal field coils create an additional toroidal magnetic field B₀ᵣ of opposite direction. In this study the conditions for developing the magnetic surface configuration with spatial magnetic axis in the torsatron U-2M with RTF are found out and the magnetic surface configuration properties are investigated.Магнітна система торсатрона У-2М має в своєму складі 16 котушок додаткового тороїдального магнітного поля. У стандартному режимі котушки створюють додаткове тороїдальне магнітне поле, напрямок якого співпадає з напрямком тороїдальної компоненти магнітного поля, яке створюється гвинтовими обмотками на круговій осі тору. У торсатроні з оберненим додатковим тороїдальним полем (ОТП) ці котушки створюють магнітне поле протилежного напрямку. З допомогою уточненої розрахункової моделі з’ясовуються умови реалізації в торсатроні У-2М з ОТП конфігурації магнітних поверхонь з просторовою магнітною віссю та досліджуються її параметри.Магнитная система торсатрона У-2М содержит 16 катушек дополнительного тороидального магнитного поля. В стандартном режиме катушки создают дополнительное тороидальное магнитное поле, направление которого совпадает с направлением тороидальной компоненты магнитного поля, создаваемой винтовыми обмотками торсатрона на круговой оси тора. В торсатроне с обращенным дополнительным тороидальным магнитным полем (ОТП) эти катушки создают дополнительное тороидальное магнитное поле противоположного направления. C помощью уточненной расчетной модели выясняются условия реализации в торсатроне У-2М с ОТП конфигурации магнитных поверхностей с пространственной магнитной осью и исследуются ее параметры

Development of renewed waweguide system for microwave diagnostics in Uragan-2M stellarator

This paper presents initial proposal for the development of quasi-optical (QO) microwave technology for Electron Cyclotron Emission (ECE) and reflectometry diagnostics in the Uragan-2M (U-2M) stellarator. For the existed ECE radiometer systems and for the operational plasma parameters of U-2M new quasi-optical beam separation dichroic filter is designed. For such filter the mechanical parameters and performed attenuation characteristic are calculated. Frontend antenna/splitter system for the combined ECE/reflectometry radiation detection is presented. As an example, QO beam pattern for the ECE receiving antenna is numerically calculated.Представлено початкові пропозиції щодо розробки квазіоптичної (КО) мікрохвильової технології для електронно-циклотронної емісійної (EЦE) діагностики та рефлектометрії для стеларатора Ураган-2М (У-2М). Для існуючих радіометричних систем ECE та параметрів робочої плазми У-2М розроблено новий квазіоптичний діахронічний фільтр розділення квазіоптичного пучка. Для такого фільтра розраховано механічні параметри та отримано характеристику ослаблення. Представлено фронтальну антено-розгалужувальну систему для комбінованого детектування випромінювання EЦE-рефлектометрії. Як приклад, проведено чисельний розрахунок діаграми спрямованості приймальної антени EЦE

Peculiarities of the radiometric measurements on Uragan-3M torsatron for RF heated plasma

Frequency spectrum (radial profile) of X-mode second harmonic electron cyclotron emission was observed for optically thin plasma produced by Alfvén resonance heating in Uragan-3M torsatron. Radial electron temperature profile within frequency range 31.5–37.5GHz is covered a significant portion of the plasma column radius. Temperature profile derived from “radiation temperature” profile. This procedure neglects multiple reflections of ECE radiation from the torsatron inner structure (mainly from helical coils). We relate the mismatch effect of the ECE radiation data by the strong modification of emission level by plasma opacity (small plasma optical depth) and by the scrambling effect. This effect results from both O-X mode conversion. Electron temperature is calculated from radiation temperature using tokamak approximation for the optical thickness. The difference in ECE and other data is explained using some modification of electron density profile.Радіаційний профіль електронно-циклотронного випромінювання другої гармоніки з незвичайною поляризацією для оптично тонкої плазми був отриманий під час експериментів зі створення та нагріву плазми на торсатроні УРАГАН-3М в області частот, близьких до альфвенівського резонансу. Відповідний радіальний профіль електронної температури в частотному діапазоні 31.5…37.5 ГГц покриває значну частину плазмового шнура. Різниця між радіаційною і справжньої температури обумовлена малими значеннями плазмової оптичної товщини через невеликі значення густини плазми. Відмінність в отри них даних ЕЦР-випромінювання можна віднести за рахунок зміни рівня прозорості плазми(малі величини оптичної товщини) і за рахунок ефекту переміщення поляризації випромінювання. Температура електронів обчислюється із температури випромінювання, використовуючи наближення токамака для оптичної товщини. Різниця отриманої температури за даними ЕЦР в порівнянні з іншими діагностиками може бути пояснена як наслідок деякої локальної модифікації електронного профілю густини.Радиальный профиль электронно-циклотронного излучения второй гармоники с необыкновенной поляризацией для оптически тонкой плазмы был получен во время экспериментов по созданию и нагреву плазмы на торсатроне УРАГАН-3М в области частот, близких к альфвеновскому резонансу. Соответствующий радиальный профиль электронной температуры в частотном диапазоне 31.5...37.5 ГГц покрывает значительную часть плазменного шнура. Различие между радиационной и истинной температурами обусловлено малыми значениями плазменной оптической толщины из-за небольших значений плотности плазмы. Различия в полученных данных ЭЦР-излучения можно отнести за счет изменения уровня прозрачности плазмы (малые величины оптической толщины) и за счет эффекта перемещения поляризации излучения. Температура электронов вычисляется из температуры излучения, используя приближение токамака для оптической толщины. Разница полученной температуры по данным ЭЦР по сравнению с другими диагностиками может быть объяснена как следствие некоторой локальной модификации электронного профиля плотности

First measurements of line electron density in Uragan-2M plasmas via 140 GHz heterodyne interferometer

Commissioned a microwave 2 mm (140 GHz) superheterodyne interferometer, which allows to start the measurement of linear (average over the length of the chord passing through the plasma) of the electron density at the Uragan-2M torsatron. Compared with the previously used 8 mm interferometer, this diagnosis will significantly expand the limits of measurement. It is now possible to measure the plasma density up to the 2.43∙10²⁰ m⁻³. New receiving and transmitting waveguide line provided a significant reduction in attenuation of the microwave radiation introduced into the plasma. It ensures that the value of the minimum measured density does not exceed 1.5∙10¹⁶ m⁻³. It is shown that a high signal-to-noise ratio and the temporal efficiency of the detection system allowed to measure the quasi-coherent plasma fluctuations in the range of 3…20 kHz.На торсатроне Ураган-2М введён в эксплуатацию микроволновый 2 мм (140 ГГц) супергетеродинный интерферометр, позволяющий начать измерения линейной (средней по длине хорды, проходящей через плазму) плотности электронов. По сравнению с ранее применяемым 8 мм интерферометром данная диагностика позволила существенно расширить пределы измерений. В настоящее время стало возможным измерять плотность плазмы до величины 2,43∙10²⁰ м⁻³. Новая приемно-передающая волноводная линия обеспечила значительное уменьшение затухания микроволнового излучения, вводимого в плазму. Это дало возможность добиться того, что величина минимальной измеряемой плотности не превышает 1,5∙10¹⁶ м⁻³. Показано, что высокое отношение сигнал-шум и временное быстродействие приёмной системы позволили измерить квазикогерентные флуктуации плазмы в диапазоне 3…20 кГц.На торсатроні Ураган-2М введений в експлуатацію мікрохвильовий 2 мм (140 ГГц) супергетеродинний інтерферометр, що дозволяє почати вимірювання лінійної (середньої по довжині хорди, що проходить через плазму) густини електронів. У порівнянні з раніше застосовуваним 8 мм інтерферометром ця діагностика дозволила істотно розширити межі вимірювань. В даний час стало можливим вимірювати густину плазми до величини 2,43∙10²⁰ м⁻³. Нова приймально-передавальна хвильопровідна лінія забезпечила значне зменшення затухання мікрохвильового випромінювання, що вводиться в плазму. Це дало можливість домогтися того, що величина мінімальної вимірюваної густини не перевищує 1,5∙10¹⁶ м⁻³. Показано, що високе відношення сигнал-шум і часова швидкодія приймальної системи дозволили вимірювати квазікогерентні флуктуації плазми в діапазоні 3…20 кГц

Some features of the dynamics of suprathermal electrons after RF heating off at the Uragan-3M stellarator plasmas

For the past decades the microwave radiometry is a routinely used as diagnostic tool to obtain the information on temporal evolution and radial profile of the electrons temperature at Uragan-3M torsatron plasma experiments. However, in the case of low plasma density operation we observe the high level of emission at the frequencies that match the second and third harmonics of the extraordinary mode of electron cyclotron emission (ECE), after RF heating pulse off. This effect could be explained with the production of the suprathermal electrons. The present work describes the suprathermal electrons (SE) dynamics after turning off the RF heat pulse at the Uragan-3M torsatron (ne=2·10¹² cm⁻³ Te=300 eV, PRF=115 kW, B0=0.69 T). In the absence of the well-known suppressive echniques (resonant magnetic perturbations and massive gas injection) an attempt was made to describe the factors, which contribute to the generation of the suprathermal electrons for the Uragan-3M plasmas. The temporal evolution of the ECE emission intensity and it dependence on the working gas pressure in the torsatron vacuum chamber is presented. The level of the ECE emission shows strong correlation with other diagnostics (plasma density, plasma current, HXR and Hα emission intensity). The gradual increase of the pressure (after RF off) could be is one of the reasons that temporarily sustain the process of electron acceleration. The dependence of the time ECE emission on the rate in magnetic field change (δB) is also given.Протягом останніх десятиліть мікрохвильова радіометрія регулярно використовується для отримання інформації про часову еволюцію та радіальний профіль температури електронів під час плазмових експериментів на торсатроні Ураган-3М. Тим не менш, у випадку низькощільної плазми за допомогою цієї діагностики спостерігається поява випромінювання на частотах, відповідних другій і третій гармонікам незвичайної хвилі циклотронного випромінювання (ЕЦВ), після відключення імпульсу високочастотного нагріву. Цей ефект можна пояснити існуванням надтеплових електронів. Описані динаміка надтеплових електронів (НЕ) після виключення ВЧ-імпульсу на торсатроні Ураган-3М (ne=2·10¹² см⁻³, Te=300 еВ, PRF=115 кВт, B0=0,69 Tл). За відсутності відомих методів придушення (резонансні магнітні збурення і масивна інжекція газу) була зроблена спроба описати фактори, що сприяють генерації надтеплових електронів у плазмі Ураган-3М. Представлена тимчасова динаміка інтенсивності емісії ЕЦВ і її залежність від тиску робочого газу у вакуумній камері торсатрона. Рівень емісії ЕЦВ демонструє чітку кореляцію з результатами інших методів діагностики (щільність плазми, струм плазми, HXR і Hα). Поступове підвищення тиску (після відключення ВЧ-потужності) може бути однією з причин, які підтримують процес прискорення електронів. Також наведена часова залежність випромінювання ЕЦВ від швидкості зміни магнітного поля (δB/δt).В последние десятилетия микроволновая радиометрия регулярно используется в качестве диагностического инструмента для получения информации о временной эволюции и радиальном профиле температуры электронов в экспериментах на торсатроне Ураган-3М. Тем не менее, в случае низкоплотной плазмы при помощи этой диагностики наблюдается появление излучения на частотах, соответствующих второй и третьей гармоникам необыкновенной волны циклотронного излучения (ЭЦИ), после отключения импульса высокочастотного нагрева. Этот эффект можно объяснить существованием надтепловых электронов. Описана динамика надтепловых электронов (НЭ) после выключения ВЧ-импульса на торсатроне Ураган-3М (ne=2·10¹² см⁻³, Te=300 эВ, PRF=115 кВт, B0=0,69 Tл). В отсутствие известных методов подавления (резонансные магнитные возмущения и массивная инжекция газа) была предпринята попытка описать факторы, способствующие генерации надтепловых электронов в плазме Ураган-3М. Представлена временная динамика интенсивности эмиссии ЭЦИ и ее зависимость от давления рабочего газа в вакуумной камере торсатрона. Уровень эмиссии ЭЦИ демонстрирует строгую корреляцию с результатами других методов диагностики (плотность плазмы, ток плазмы, интенсивность HXR и Hα). Постепенное повышение давления (после отключения ВЧ-мощности) может быть одной из причин, которые поддерживают процесс ускорения электронов. Также приведена временная зависимость излучения ЭЦИ от скорости изменения магнитного поля (δB/δt)

A high speed 140 ghz microwave interferometer for density fluctuation measurements in Uragan-2M stellarator

The operation of the 2 mm microwave superheterodyne interferometer, which allows to measure the linear electron density (average over the line of sight through the plasma) at the Uragan-2M stellarator is presented. Compared with the previously used 8 mm interferometer, this diagnostic does significantly expand the limits of the measured density of electrons which is now increased up to the value of 2.43∙10²⁰ m⁻³ . Optimized receiving and transmitting waveguide line provided a significant reduction in attenuation of the microwave radiation introduced into the plasma. It ensures that the presented experiments the value of the minimum measured density does not exceed 1.5∙10¹⁶ m⁻³. It is shown that for the different plasma discharges this system which have a high signal-tonoise ratio and high time resolution of the detector allowed to measure the “global” quasi-coherent fluctuations of the plasma density in the frequency range of 3…20 kHz.Описана робота мікрохвильового супергетеродинного інтерферометра 2 мм, що дозволяє вимірювати лінійну електронну густину (середню після проходження крізь плазму) на стелараторі Ураган-2М. У порівнянні з 8-міліметровим інтерферометром, що використовувався раніше, ця діагностика значно розширює межі виміряної густини електронів, яка тепер збільшена до значення 2.43∙10²⁰ м⁻³. Оптимізована хвильопровідна лінія прийому і передачі забезпечувала значне зменшення затухання мікрохвильового випромінювання, що вводиться в плазму. Це гарантія того, що для представлених експериментів значення мінімальної виміряної густини не перевищує 1,5∙10¹⁶ м⁻³. Показано, що для різних плазмових розрядів ця система, яка має високе відношення сигнал/шум і високу роздільну здатність детектора, дозволяє вимірювати «глобальні» квазікогерентні флуктуації густини плазми в діапазоні частот 3...20 кГц.Описана работа микроволнового супергетеродинного интерферометра 2 мм, позволяющего измерять линейную электронную плотность (среднюю после прохождения через плазму) на стеллараторе Ураган-2М. По сравнению с ранее используемым 8-миллиметровым интерферометром эта диагностика значительно расширяет пределы измеренной плотности электронов, которая теперь увеличена до значения 2,43∙10²⁰ м⁻³. Оптимизированная волноводная линия приема и передачи обеспечивала значительное уменьшение затухания микроволнового излучения, вводимого в плазму. Это гарантия того, что для представленных экспериментов значение минимальной измеренной плотности не превышает 1,5∙10¹⁶ м⁻³. Показано, что для различных плазменных разрядов эта система, которая имеет высокое отношение сигнал/шум и высокое временное разрешение детектора, позволяет измерять «глобальные» квазикогерентные флуктуации плотности плазмы в диапазоне частот 3...20 кГц

Distribution of 0.2…4.5 keV plasma ions in set of U-2M discharges

Charge exchange (CX) neutral fluxes were measured by neutral particle analyzer (NPA) in plasma discharges sustained by the W7-X-like radio frequency (RF) antenna in the Uragan-2M (U-2M) stellarator. CX fluxes in pure hydrogen discharge (B₀ = 0.36 T, f = 4.926 MHz) in stellarator configuration (effective perpendicular ion temperature T⊥ ≈ 450 eV) is less energetic in comparison with U-2M hybrid configuration (T⊥ ≈ 800 eV). RF discharge in stellarator configuration with helium and hydrogen mixture (B₀ = 0.351 T; f = 5.156 MHz, P = 6·10⁻⁴Torr) shows more energetic CX fluxes (T⊥ ≈ 1 keV). The ion cyclotron frequency distribution across the U-2M plasma has been studied numerically. These calculations are accompanied by direct measurement of the RF frequency by magnetic sensor. The ion cyclotron frequency is present in plasma bulk of all discharges under consideration.Потік нейтралів перезарядки вимірювався аналізатором нейтральних частинок у плазмових розрядах, що підтримуються радіочастотною W7-X-подібної антеною у стелараторі Ураган-2М (У-2М). Потоки нейтралів перезарядки в чисто водневому розряді (B₀ = 0,36 Тл, f = 4,926 МГц) у стелараторній конфігурації (ефективна перпендикулярна температура іонів T⊥ 450 эВ) менш енергійні в порівнянні з гібридною конфігурацією У-2М (T⊥≈ 800 эВ). ВЧ-розряд в стелараторній конфігурації з сумішшю гелію і водню (B₀ = 0,351 Тл; f = 5,156 МГц, P = 6 · 10⁻⁴Торр) показує більш енергійні потоки нейтралів перезарядки (T⊥ ≈ 1кэВ). Чисельний розрахунок розподілу іонної циклотронної частоти в плазмі У-2М, а також пряме вимірювання ВЧ частоти магнітним датчиком показують, що іонна циклотронна частота присутня в обсязі плазми всіх розглянутих розрядів.Поток нейтралов перезарядки измерялся анализатором нейтральных частиц в плазменных разрядах, поддерживаемых радиочастотной W7-X-подобной антенной в стеллараторе Ураган-2М (У-2М). Потоки нейтралов перезарядки в чисто водородном разряде (B₀ = 0,36 Тл, f = 4,926 МГц) в стеллараторной конфигурации (эффективная перпендикулярная температура ионов T⊥ ≈ 450 эВ) менее энергичны по сравнению с условиями гибридной конфигурации У-2М (T⊥ ≈ 800 эВ). ВЧ-разряд в стеллараторной конфигурации со смесью гелия и водорода (B₀ = 0,351 Тл; f = 5,156 МГц, P = 6 · 10⁻⁴Торр) показывает более энергичные потоки нейтралов перезарядки (T⊥ ≈ 1кэВ). Численный расчёт распределения ионной циклотронной частоты в плазме У-2М, а также прямое измерение ВЧ-частоты магнитным датчиком показывают, что ионная циклотронная частота присутствует в объёме плазмы всех рассматриваемых разрядов

Time behavior of the Hα spectral line and the molecular hydrogen spectral line in hydrogen plasma in the Uragan-2M stellarator

The studies of the scenario of hydrogen plasma creation with two sequential RF discharges during one pulse were carried out for the Uragan-2M stellarator. The first-stage discharge initiated the hydrogen pre-ionization at the generator anode voltage of 4 kV. The second-stage discharge was performed at the generator anode voltage selected from 6 to 9 kV. As result, plasma with an electron density up to 3.9·10¹⁸ m⁻³ was produced in a confinement volume. An increase of voltage resulted in an earlier appearance of signals of electron density, the intensity of the Hα spectral line, and the intensity of the molecular hydrogen spectral line. The increase of the time-dependent intensities of these signals was also registered.Для стеларатора Ураган-2М проведено дослідження сценарію створення водневої плазми з двома послідовними ВЧ-розрядами протягом одного імпульсу. Розряд першого ступеня ініціював попередню іонізацію водню при анодній напрузі генератора 4 кВ. Розряд другого ступеня проводився при анодній напрузі генератора, обраній від 6 до 9 кВ. В результаті в об’ємі утримання утворювалася плазма з електронною густиною до 3.9·10¹⁸ m⁻³. Підвищення напруги призводило до більш ранньої появи сигналів електронної густини, інтенсивності спектральної лінії Hα та інтенсивності спектральної лінії молекулярного водню. Також зареєстровано збільшення залежних від часу інтенсивностей цих сигналів