Effiziente holographische Gitterspiegel für die Elektronzyklotronresonanzheizung von Fusionsplasmen

Abstract

In dieser Arbeit wurde untersucht, ob die Elektronzyklotronresonanzheizung auch für hochdichte Fusionsplasmen eingesetzt werden kann, indem höhere Harmonische der Zyklotronfrequenz (O2- und X3-Moden) verwendet werden und das damit auftretende Problem der unvollstaendigen Absorption der Heizleistung durch Mehrfachdurchstrahlung des Plasmas reduziert werden kann.

Dazu wurde ein Konzept zu Design und Fertigung von effizienten holographischen Gitterspiegeln, die in die Wand des Plasmagefäßes eingesetzt werden können, entwickelt. Dabei kann die Form der Spiegelfläche unabhängig von der Geometrie des Mikrowellenstrahls gewählt werden, und somit insbesondere dem ursprünglichen Verlauf der Gefäßwand angepasst werden, wodurch die Beeinflussung des Plasmas sowie die thermische Belastung des Spiegels selbst und der benachbarten Wand minimiert werden.

Die Form der Gitternuten wurde auf Effizienz und Polarisationsunabhängigkeit der Mikrowellenstrahlung optimiert, wobei zusätzlich die Krümmung und die Anstiegs- und Abfallswinkel des Gitterprofils berücksichtigt werden, um die Lebensdauer zu erhöhen und die Fertigung zu vereinfachen.

Zur Optimierung des Gitters wurden numerische Codes entwickelt, insbesondere ein schneller Randelementecode, um die Optimierung auf einem PC in praktikabler Zeit zu ermöglichen. In diesem Zusammenhang wurden gängige Optimierungsverfahren untersucht, um hohe Qualität der Optimierungsergebnisse zu gewährleisten und den Rechenaufwand zu reduzieren. Insbesondere das Differential-Evolution-Verfahren hat sich als günstig herausgestellt.

Abschließend wurden die Simulationsergebnisse experimentell verifiziert, indem sowohl ebene Gitter als auch ein holographischer Spiegel gefertigt wurden und in Freiraumexperimenten vermessen wurden. Es konnte unter Berücksichtigung der zu erwartenden Fehler relativ gute Übereinstimmung mit der Theorie festgestellt werden.

Als Ergebnis sind nun die nötigen Hilfsmittel vorhanden, um für beliebige Wandformen und Strahlgeometrien derartige holographische Spiegel zu produzieren. Dies stellt einen wichtigen Schritt zur Verbesserung der Elektronzyklotronresonanzheizung von Stellaratoren, wie das im Aufbau befindliche Stellaratorexperiment W7-X, bei Dichten jenseits des Cutoffs der X2-Mode dar. Die Resultate dieser Arbeit geben Anlass zu der Annahme, dass optimierte holographische Gitterspiegel ein Teil des ECRH-Systems von W7-X sein werden.

For this purpose a concept of design and manifacturing of efficient holographic grating mirrors, which can be inserted into the first wall of the plasma vessel, has been developed. The shape of the mirror surface can be chosen independently of the geometry of the microwave beam and can thus be fitted to the original shape of the wall. In effect the thermal load of the mirror itself and the adjacent wall can be minimized.

The shape of the grating grooves has been optimized towards efficiency and polarization independency of the microwave reflection. The curvature and the rising and falling angles of the grating profile were also included in the optimization to extend the lifetime and to simplify the manufacturing.

For the optimization of the grating, numerical codes, particularly a fast boundary element code, were developed to realize the optimization on a PC within reasonable time. In this context popular optimization algorithms were examined to ensure high-quality optimization results and reduce computational effort. Especially the differential evolution method has proven itself beneficial.

Finally the simulation results were verified experimentally by manufacturing plane gratings and a holographic mirror and performing free space measurements on them. The results are in good agreement with theory within the expected error range.

As an outcome now the required tools to produce this kind of holographic mirrors for arbitrary wall shapes and beam geometries are available. This is an important step to improve electron cyclotron resonance heating of stellarators at densities beyond the X2 mode cutoff, e.g. of the stellarator experiment W7-X which is currently under construction. The results of this work give reason to the assumption that holographic grating mirrors will be part of the ECRH system of W7-X.