Исследование системы СВЧ-предионизации на токамаке КТМ

В процессе исследования системы СВЧ-предионизации были проведены теоретические расчеты параметров и элементов системы СВЧ-предионизации для токамака КТМ, исследованы параметры свч-излучения в лабораторных условиях с получением мощности СВЧ-излучения. В результате работы система СВЧ-предионизации показала свою эффективность при проведении исследования на токамаке КТМ в среде аргона, результатом которого стало получение затравочных электронов в заданной области вакуумной камеры токамака КТМ на начальной фазе плазменного разряда и достижение тока плазмы до 10 кА и длительностью разряда до 20 мс.

Введение ………………………………………………………………………………………………………….. 13
1 Казахстанский материаловедческий токамак КТМ …………………………………………. 17
1.1 Основные подсистемы токамака КТМ ……………………………………………………… 19
2 Методы предыонизации ………………………………………………………………………………… 22
2.1 СВЧ-предионизация на основе ЭЦР …………………………………………………………. 22
2.2 Система нерезонансной ВЧ-предионизации (ВЧ-разряд нерезонансного типа)
……………………………………………………………………………………………………………………… 23
2.3 Гиротроны ………………………………………………………………………………………………. 24
2.4 Предионизации на основе ультрафиолетового излучения. ………………………… 25
2.5 Электронная пушка и горячий катод. ……………………………………………………….. 25
3 Исследование системы СВЧ-предионизации на токамаке КТМ………………………. 27
3.1 Расчетные оценки параметров и элементов системы СВЧ-предыонизации .. 27
3.1.1 Расчет магнитного поля внутри камеры КТМ …………………………………….. 27
3.1.2 Расчет электронно-циклотронного резонанса ……………………………………… 28
3.1.3 Расчет номинальной мощности СВЧ излучения………………………………….. 29
3.1.4 Ввод СВЧ-излучения …………………………………………………………………………. 32
3.1.5 Элементы волновода ………………………………………………………………………….. 34
3.1.6 Сборка и настройка магнетрона …………………………………………………………. 35
3.2 Исследование параметров СВЧ-излучения в лабораторных условиях ……….. 39
3.2.1 Моделированию электронно-циклотронного резонанса …………………… 44
3.2.2 Исследование параметров СВЧ-излучения в условиях ЭЦР ……………… 47
3.3 Экспериментальное получение резонансной СВЧ-предыонизации на
токамаке КТМ ………………………………………………………………………………………………. 53
4. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение……….. 61
4.1 Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения
исследований с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения ……….. 62
4.1.1 Анализ конкурентных технических решений ……………………………………… 62
4.1.2 SWOT-анализ …………………………………………………………………………………….. 63
4.2 Планирование научно-исследовательских работ ……………………………………. 66
4.2.1 Структура работ в рамках научного исследования ……………………………… 66
4.2.2 Определение трудоемкости выполнения работ и разработка графика
проведения ………………………………………………………………………………………………… 67
4.3 Бюджет научно-технического исследования …………………………………………. 71
4.3.1 Расчет материальных затрат научно-технического исследования ………. 71
4.3.2 Специальное оборудование для научных работ ………………………………….. 72
4.3.3 Основная заработная плата исполнителей темы ………………………………….. 73
4.3.4 Дополнительная заработная плата исполнителей темы ……………………….. 74
4.3.5 Отчисления во внебюджетные фонды (страховые отчисления) …………… 75
4.3.6 Накладные расходы ……………………………………………………………………………. 75
4.3.7 Расчет бюджетной стоимости …………………………………………………………….. 75
4.4 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, бюджетной,
социальной и экономической эффективности исследования ……………………….. 76
Выводы по разделу «Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и
ресурсосбережение»…………………………………………………………………………………………. 79
5 Социальная ответственность …………………………………………………………………………. 80
5.1. Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности ………….. 80
5.1.1. Специальные (характерные для рабочей зоны исследователя) правовые
нормы трудового законодательства ……………………………………………………………. 80
5.1.2. Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны
исследователя…………………………………………………………………………………………….. 82
5.2 Производственная безопасность ……………………………………………………………. 83
5.2.1 Анализ вредных и опасных факторов ………………………………………………. 83
5.2.2. Обоснование мероприятий по снижению уровней воздействия опасных и
вредных факторов на исследователя …………………………………………………………… 85
5.2.3. Правила безопасности при работе с системой СВЧ-предионизации …… 86
5.3 Экологическая безопасность ……………………………………………………………………. 87
5.4. Электробезопасность ………………………………………………………………………………. 89
5.5. Пожарная и взрывная безопасность…………………………………………………………. 92
Выводы по разделу «Социальная ответственность» …………………………………………. 95
Заключение ……………………………………………………………………………………………………… 96
Список использованной литературы …………………………………………………………………. 98
Приложение А ……………………………………………………………………………………………….. 101

В ходе работ по исследованию СВЧ-предионизации проведены и
достигнуты следующие результаты:
1. Получены расчетные оценки необходимые для работы системы
предионизации на токамаке КТМ: магнитные поля, частота электронно-
циклотронного резонанса и номинальная мощность СВЧ-излучения.
2. Выбраны элементы системы резонансной СВЧ-предионизации:
источник мощного СВЧ-излучения – импульсный магнетрон МИ-99А (частота
излучения 9,6 ГГц, мощность импульсного излучения до 270 кВт) и алюминиевый
прямоугольный волновод WR-112 (внутреннее сечение 28.5 х 12.6 мм, частотный
диапазон пропускания СВЧ-излучения от 7 ГГц до 10 ГГц) для передачи
электромагнитной волны от магнетрона в камеру токамака КТМ.
3. Проведено подключение и настройка магнетрона к высоковольтному
источнику питания с получением СВЧ-излучения: достигнуты режимы генерации
магнетрона длительностью до 1.4 мс, импульсная мощность
СВЧ-излучения полученная расчетным путем составляет 62660 Вт (при
максимальном КПД магнетрона 40 %).
4. Проведены экспериментальные работы по получению СВЧ-излучения
в лабораторных условиях с контролем и получением параметров СВЧ-излучения. С
помощью СВЧ-детектора Д5А-20 была измерена мощность СВЧ-излучения,
которая составила 25 кВт, что хорошо согласуется с полученными данными по
анодному току и напряжению магнетрона.
5. Проведен эксперимент по определению частоты излучения магнетрона
путем создания условия ЭЦР. Эксперимент показал, что СВЧ-излучение
магнетрона соответствует заявленным паспортным значениям – около 9,0 ГГц, а
также, что СВЧ-излучение длительностью 140 мкс и мощностью 25 кВт достаточно
для выполнения условия ионизации остаточного газа при уровне вакуума 10 -1 торр.
6. Проведены экспериментальные работы по исследованию параметров
СВЧ-излучения в условиях ЭЦР, а также фиксация свечения внутри соленоида с
помощью оптоэлектронного датчика Hamamatsu. Полученные данные показали, что
свечение внутри соленоида возникает при высоком вакууме от 10-4 торр до 10-5 торр
и при достаточной мощности СВЧ-излучения. Также в ходе эксперимента
выяснилось, что длительность свечения зависит не только от мощности СВЧ-
излучения, но и от скорости рекомбинации.
Резонансная система предионизации показала свою эффективность и
работоспособность при проведении экспериментов в среде аргона, результатом
которого стало получение затравочных электронов в заданной области вакуумной
камеры токамака КТМ на начальной фазе плазменного разряда и достижение тока
плазмы до 10 кА и длительностью разряда до 20 мс. Проводимые контрольные
разряды без системы предионизации не только не достигают пробойной
конфигурации, но и не могут достичь возбуждения и ионизации рабочего газа
(аргона), на что указывает диагностическое оборудование токамака КТМ – нет
свечения газа по быстрой видеокамере и фотодетекторам, и как следствие
отсутствует ток плазмы.
Результат исследования системы СВЧ-предионизации с применением в
среде водорода показал, что параметры пробойной конфигурации не достигаются,
и отсутствует ионизация рабочего газа, на что показывает диагностическое
оборудование токамака КТМ. Это объясняется тем, что для достижения пробойных
конфигураций для ионизации водорода требуется вложить существенно большую
мощность СВЧ-излучения и высокую частоту. Дальнейшие исследования будут
посвящены доработке и модернизации системы СВЧ-предионизации.

1. Азизов Э.А., Велихов Е.П., Тажибаева И.Л., Школьник В.С., Минеев А.Б.,
Филатов О.Г., Пивоваров О.С., Тухватулин Ш.Т., Шестаков В.П. – Казахстанский
материаловедческий токамак КТМ и вопросы управляемого термоядерного
синтеза, Алматы 2006 г.;
2. Глухих В.А., Беляков В.А., Минеев А.Б. – Физико-технические основы УТС. Курс
лекций, 2006 г.;
3.В.А.Беляков,А.А.Кавин,С.А.Лепихов,А.Б.Минеев,А.Д.Овсянников.
ТОКАМАК: начальная стадия разряда. СПб.: Издательство «Лань», 2014.
4. Официальный сайт НЯЦ – URL: http://www.nnc.kz;
5. Кирнева Н.А. Современные исследования на установках «Токамак». – М.:
МИФИ, 2008. – 188 стр.;
6. В.В. Дьяченко, М.М. Ларионов, С.И. Лашкул, Л.С. Левин. Бестоковый разряд в
нижнегибридном диапазоне частот и его применение для предыонизации в
токамаке. ВАНТ, Термояд. синтез. вып. 4, 1989.
7. Д.Г. Булыгинский, М.М. Ларионов, Л.С. Левин, О.В. Миклухо, А.И. Токунов,
Н.В. Шустова. О влиянии способа предыонизации на режим разряда в токамаке.
Препринт ФТИ им. А.Ф. Иоффе, Ленинград, 1979.
8. Н.А. Кирнева Современные исследования на установках «Токамак». Учебное
пособие. Москва 2008. Стр.151-152.
9. Хитров С.А. Методика создания плазмы и старта тока с помощью
высокочастотной мощности нижнегибридного диапазона частот 900 МГц. Санкт-
Петербург 2014.
10. Официальный сайт Гиком: http://www.gycom.ru/products/pr7.html
11.Веб-сайт:http://golem.fjfi.cvut.cz/wiki/TrainingCourses/FTTF/2013
2014/MartZak/index
12.Веб-сайт:http://golem.fjfi.cvut.cz/wiki/TrainingCourses/FTTF/2014-
2015/MatCveng/index
13. Takase, Y., Ejiri, A., Ono, Y., Yamada, «Study of Wave Physics in High Beta
Plasmas». National institute for fusion science, pag. 215, 2010.
14. R. Amrollahi, M. Ghasemi1, H. Sadeghi, D. Iraji, «Alborz tokamak system
engineering and design». Fusion Engineering and Design, vol 141, pag. 91-100 2019.
15. S. Shahshenas, A. Mazandarani, R. Amrollahi, D. Iraji, «Alborz Tokamak Plasma
Parameters Measurement at Pre-Ionization Stage by Double Longmuir Probes», 2015.
16. M. Gryaznevich, V. Shevchenko and A. Sykes. Plasma formation in START and
MAST spherical tokamaks. NUCLEAR FUSION 46 (S573–S583). Received 16
December 2005, accepted for publication 7 June 2006 Published 17 July 2006. Online at
stacks.iop.org/NF/46/S573.
17. Y.S. Bae, J.H. Jeong1, S.I. Park1, M. Joung, J.H. Kim, S.H. Hahn, S.W. Yoon, H.L.
Yang, W.C. Kim, Y.K. Oh, A.C. England, W. Namkung1, M.H. Cho1, G.L. Jackson2,
J.S. Bak and the KSTAR team. ECH pre-ionization and assisted startup in the fully
superconducting KSTAR tokamak using second harmonic. NUCLEAR FUSION 49
022001 (5pp). Received 13 August 2008, accepted for publication 27 November 2008
Published 19 December 2008. Online at stacks.iop.org/NF/49/022001.
18. Панин И.С., Панченко Л.В. Импульсные магнетроны. Москва: Издательство
Советское радио, 1966 г.
19. Воскресенский Д.И., Гостюхин В.Л., Максимов В.М., Пономарев Л.И.
Устройства СВЧ и антенны / Под редакцией Д.И. Воскресенского. Изд.2-е, доп. и
перераб. – М.: Радиотехника, 2006 – с. 35-41.
20. Сапунов Г.С. Ремонт микроволновых печей. Москва: СОЛОН-пресс, 2003 – с.
8-15.
21. Расчет индуктивностей: справочная книга / П.Л. Калантаров, Л.А. Цейтлин.– Л.:
Энергоатомиздат, 1986.
22. Plasma formation in START and MAST spherical tokamaks / M. Gryaznevich, V.
Shevchenko, A. Sykes // NUCLEAR FUSION 46 (S573–S583); Received 16 December
2005, accepted for publication 7 June 2006, Published 17 July 2006.– Online at
stacks.iop.org/NF/46/S573.
23. Кислов А.Я., Лысенко С.Е., Ноткин Г.Е. Использование мощных гиротронов на
токамаке T-10 // Изв. вузов. Радиофизика. 2015. Т. 58, № 9. С. 789–796.
24. ГОСТ 12.1.029-80 Система стандартов безопасности труда (ССБТ). Средства и
методы защиты от шума. Классификация. – М.: ИПК Издательство стандартов,
2001.
25. СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03 «Гигиенические требования к персональным
электронно-вычислительным машинам и организации работы» (с изменениями на
21 июня 2016 года).
26. ГОСТ12.1.038-82Системастандартовбезопасноститруда(ССБТ).
Электробезопасность.Предельнодопустимыезначениянапряжений
прикосновения и токов (с Изменением N 1). – М.: ИПК Издательство стандартов,
2001.
27. Электронный фонд правовой и нормативно-технической документации.
Инструкция по охране труда при хранении и эксплуатации газовых баллонов
[Электронный ресурс] – Режим доступа http://docs.cntd.ru/document/120003924,
свободный. – Загл. с экрана (дата обращения: 25.05.2019).
28. Профессиональные болезни: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений,
обучающихся по специальности 033300 «Безопасность жизнедеятельности» / авт.-
сост. Т. Я. Биндюк, О. В. Бессчетнова. – Балашов: Николаев, 2007. – 128 с.