A physics-based model of the EU 1MW 170GHz Gyrotron's MIG for control system design.

The ITER ECRH&CD system relies on 1MW 170GHz Gyrotrons to provide the mm-wave power needed for plasma heating, current drive and MHD control. One of the greatest challenges in long pulse operation is to keep the thermal state of the Magnetron Injection Gun (MIG) within the operational regime. This is a crucial aspect to have the gyrotron ready to act when required by the central control system and to stabilize the emitted beam which drives the mm-wave generation. Nowadays, the gyrotron must be conditioned with a series of short pulses before any long pulse campaign and the beam current stabilization is obtained with preprogrammed boosting sequences of the filament power. The design of an emitter control system is critical to automatize these processes. For this reason, a thermal lumped model has been developed. The model investigates the main physical aspects involved in the MIG’s thermal dynamics. The model is implemented using MATLAB Simulink and parameters were optimized simulating both short and long pulses. The model was verified by comparing results from different software and validated with long pulse campaigns. This model can be used to estimate the Gyrotron’s MIG thermal dynamics and support the development of an emitter control system. In this regard, a feedback controller for the electron beam current stabilization was proposed and tested using the available model.

Il sistema ITER ECRH&CD utilizza girotroni da 1 MW e 170 GHz per compiere diverse funzioni, tra le quali il riscaldamento, il controllo d’instabilità MHD e il sostegno di una corrente continua all’interno del plasma. Attualmente il girotrone viene preparato manualmente tramite una serie di impulsi brevi e stabilizzato con una programmazione predefinita della potenza immessa al sistema. Il controllo dello stato dell’emettitore è cruciale affinché il girotrone possa entrare in funzione quando richiesto dal sistema centrale e possa generare potenza in modo duraturo e stabile. Obiettivo del presente progetto è lo sviluppo di un modello, che sia in grado di analizzare gli aspetti fisici coinvolti nella dinamica termica dell’emettitore, al fine di stimarne lo stato termico. A tale scopo, quindi, facendo ricorso al software di simulazione MATLAB Simulink, è stato implementato un modello termico a parametri concentrati, la cui ottimizzazione e validazione è stata effettuata mediante l’analisi dei dati sperimentali. In aggiunta il modello suddetto è stato sottoposto ad un processo di verifica basato sul confronto dei risultati ottenuti con diversi strumenti di analisi. Il risultato raggiunto è stato anche utilizzato per sviluppare un sistema di monitoraggio per la stabilizzazione del fascio elettronico; tale risultato consentirà inoltre di progettare il controllo dello stato dell’emettitore in tutte le fasi di operatività del girotrone.