Microwave systems for plasma heating in nuclear fusion and for buried objects detection

Abstract

Nel presente lavoro di tesi vengono trattate approfonditamente alcune tematiche relative allo studio di sistemi alla microonde per applicazioni di rilevazione di oggetti sepolti ed accoppiamento di potenza elettromagnetica a plasmi fusionistici. In particolare, il lavoro sarà convenientemente presentato in due parti nelle quali si esporranno estensivamente sia l'impianto teorico associato allo stato dell'arte di ciascun argomento, sia i principali contributi di innovazione che costituiscono l'elemento originale del lavoro. Particolare enfasi sar a rivolta alla presentazione dei risultati, che verranno organizzati in modo da rendere il pi u possibile esaustiva l'analisi dei diversi scenari. Nella prima parte sar a dapprima introdotto il problema della rilevazione e localizzazione di oggetti cilindrici sepolti, operando alcune ipotesi semplificative circa la struttura fisica dei mezzi considerati, in particolare si assumer à un modello di propagazione elettromagnetica ideale nel quale non sono tenute in considerazione le perdite dovute alla conducibilit à non infinita nei conduttori e nulla nei dielettrici. Questi ultimi, inoltre, sono stati assunti lineari, isotropi, omogenei e non dispersivi, in modo da ricavare un modello elettromagnetico semplificato quantunque utile in molte applicazion pratiche. Gli scenari di riferimento, in questo caso, sono molteplici, a partire dalle indagini sottosuperficiali in terreni sabbiosi per attivit a di sminamento, fino alle prospezioni non invasive di strutture in cemento o lastricati stradali. Le caratteristiche del problema di localizzazione possono essere associate con l'inversione dello scattering elettrognetico che e molto spesso trattato attraverso la "teoria dei problemi inversi". A differenza delle tecniche pi u utilizzate, come ad esempio la tomografia o l'approccio Ground Penetrating Radar, la tecnica che è stata sviluppata prevede un formalismo di tipo elettromagnetico per il problema diretto (che riguarda cio è la derivazione dei contributi di campo elettromagnetico generato dalle correnti indotte sugli oggetti e successivamente re-irradiato verso l'antenna), mentre affronta il problema dell'inversione attraverso una tecnica basata sulla stima delle direzioni di arrivo del segnale di uso dagli oggetti sepolti. Nel Capitolo 1, sar à quindi costruita l'impalcatura teorica che riguarda il modello del segnale e del rumore, e saranno brevemente introdotti i metodi di stima che sono stati implementati. In particolare, essi saranno divisi in tre gruppi a seconda delle loro caratteristiche. Alla fine del capitolo sar a invece descritta la tecnica statistica che è stata adottata per estrarre una stima della posizione degli oggetti. Nel Capitolo 2 verrà analizzata la localizzazione di un singolo cilindro, supposto dapprima perfettamente conduttore e successivamente dielettrico, assumendo diverse combinazioni tra l'indice di rifrazione del cilindro e quello del mezzo di sepoltura. In questo caso, verranno eseguite delle variazioni di alcuni parametri, come ad esempio il raggio dell'oggetto o la posizione rispetto all'array, per derivare alcune indicazioni circa la robustezza della procedura di stima. In secondo luogo sar a presentata una analisi legata alla possibilit à di estrarre informazioni circa le dimensioni dell'oggetto sepolto. Nel Capitolo 3, il procedimento verr à esteso al caso delle localizzazione di due cilindri, attraverso l'utilizzo di alcuni algoritmi di data mining, di cui ci siamo serviti per elaborare i dati ottenuti dalla stima delle direzioni di arrivo. Dopo un breve accenno sui costituenti fondamentali della "clustering analysis", saranno descritti gli algoritmi di nostro interesse. Successivamente, verr à dato un ampio spazio alla presentazione dei risultati all'interno di una casistica molto esauriente nella quale sono stati considerati inizialmente due cilindri conduttori variando l'indice di rifrazione del mezzo ospite e ancora due cilindri dielettrici aventi differente indice di rifrazione rispetto al mezzo di sepoltura e rispetto a s e stessi. Anche in questo caso la variazione dei parametri ha interessato sia la dimensione dei cilindri che la loro posizione, evidenziando un buona capacità di localizzazione in molti dei casi esaminati. In particolare, la procedura si è dimostrata particolarmente adatta alla localizzazione di cavit à cilindriche sia nel caso di un singolo oggetto che di coppie di oggetti. Alla fine del capitolo sar à offerta una ampia bibliografia sui diversi argomenti. Nella seconda parte della tesi, ci occuperemo della progettazione di alcuni componenti a microonde per il riscaldamento di plasmi fusionistici. Il lavoro prodotto in questo campo, scaturisce dalla collaborazione pluriennale dell'Universit à di Roma Tre con ENEA-Fusmag all'interno dell'Associazione Euratom. In particolare, nel corso degli anni 2009, 2010 e 2011, si sono affrontate alcune problematiche relative alla progettazione di un sistema addizionale di riscaldamento a radiofrequenza per la risonanza ibrida inferiore, nell'ambito del progetto europeo denominato ITER (International Thermonuclear Reactor Experiment). La collaborazione ha rigurdato il task dell'European Fusion Development Agreement (EFDA) WP08-03-01 LH4IT e si e conclusa con la pubblicazione di un Report tecnico sull'argomento (EU contribution to the ITER LHCD development plan). Dopo una introduzione generale sulle macchine termonucleari a confinamento magnetico (Tokamak), verranno presentati i principali obbiettivi tecnologici che si è inteso raggiungere con il presente studio. Nel Capitolo 1 saranno fornite alcune basi teoriche riguardanti le implementazioni di componenti a microonde di particolare interesse per questo tipo di applicazioni. Saranno considerati rispettivamente, un convertitore tra quattro guide retangolari in regime unimodale e una guida circolare in regime surmodato, una serie di filtri di modo ottenuti tramite opportune corrugazioni in guida rettangolare, ed infine alcune rilevanti tipologie di curve in guida rettangolare surmodata con delle interessanti proprietà in grado di mitigare l'eccitazione di modi spuri dovuta alla presenza della discontinuità. Lo studio di componenti in guida d'onda in regime surmodato è un argomento che di fficilmente viene affrontato nella letteratura scientifica; anche gli strumenti teorici a disposizione del progettista sono di gran lunga trascurati rispetto ad altri settori dell'elettromagnetismo applicato. Appare quindi di particolare interesse aver conseguito un modesto know-how in questo tipo di applicazioni, non solo in fase di sintesi, attraverso l'utilizzo di CAD elettromagnetici, ma sopratutto nel momento di analisi, dove si è sviluppata una certa "sensibilit a" nell'affrontare i numerosi problemi della propagazione elettromagnetica in regime multi-modale. Nel Capitolo 2 sar a descritto in dettaglio il funzionamento di un componente innovativo in grado di convertire quattro guide a sezione rettangolare operanti nel loro modo fondamentale, in una guida circolare surmodata rispetto alla frequenza di utilizzo, operante nel solo modo circolare elettrico. Lo scopo di questo componente è quello di ridurre al minimo possibile l'attenuazione in guida e consentire la trasmissione di potenza in lunghi tratti di linea di trasmissione. Nello specifico, saranno descritte le fasi principali del progetto, lo studio prestazionale ed infine l'analisi delle non idealit à. Nel Capitolo 3 sar à affrontato il complicato tema della progettazione di componenti in guide rettangolari funzionanti in regime surmodato, con particolare attenzione verso il filtraggio selettivo e il controllo dell'eccitazione di modi di ordine superiore. A questo proposito, è stata di particolare interesse la progettazione di curve in guida rettangolare in regime multi-modale in grado di limitare il pi u possibile l'accoppiamento tra il modo fondamentale e i modi di ordine superiore all'uscita della discontinuit à, in modo da minimizzare lo scambio di potenza tra essi, conservando pressoch é inalterata la trasmissione del modo fondamentale, come richiesto per questo tipo di applicazioni. Infine, anche per questa sezione, un'ampia bibliografia forniràa gli adeguati strumenti di approfondimento.