CS215980B1

CS215980B1 - Equipment for additional high-frequency plasma heating

Info

Publication number: CS215980B1
Application number: CS601279A
Authority: CS
Inventors: Jindrich Musil; Frantisek Zacek
Original assignee: Jindrich Musil; Frantisek Zacek
Priority date: 1979-09-05
Filing date: 1979-09-05
Publication date: 1982-10-29

Abstract

Vynález ee týká zařízení pro dodatečný vysokofrekvenční ohřev plazmatu a patří do oboru plazmatu pro řízenou termojadernou syntézu a interakce elektromagnetických vln a plazmatem anebo jiným dielektrickým prostředím. Problém vynálezem řešený je generování zpomalených elektromagnetických vln pro dodatečný ohřev horkého plazmatu. Podstatou vynálezu je zařízení vytvořené z aspoň jednoho koaxiálního vedení, ukončeného dvčma elektricky vodivými smyčkami uspořádanými symetricky k ose koaxiálního vedení a v rovině procházející touto osou, přičemž blízké konce smyček jsou elektricky vodivě připojeny ke střednímu vodiči a vzdálené konce jsou elektricky vodivě připojeny ku vnějšímu válcovému vodiči koaxiálního vedeni. Celková délka obou smyček je určena vlnovou délkou zpomalené vlny vybuzené v plazmatu nebo v jiném 4ielektrické prostředí. Vynálezu může být využito v oborech fyziky a techniky plasmatu, v reaktorech pro řízenou termojadernou syntézu a v plazmochemických reaktorech. Vynález je nejlépe charakterizován na vyobrazeních koaxiálníat vedením 4>5 a dvěma smyčkami 1,2.The invention relates to a device for additional high-frequency heating of plasma and belongs to the field of plasma for controlled thermonuclear synthesis and interaction of electromagnetic waves with plasma or other dielectric medium. The problem solved by the invention is the generation of slowed electromagnetic waves for additional heating of hot plasma. The essence of the invention is a device formed from at least one coaxial line, terminated by two electrically conductive loops arranged symmetrically to the axis of the coaxial line and in a plane passing through this axis, with the near ends of the loops being electrically conductively connected to the central conductor and the far ends being electrically conductively connected to the outer cylindrical conductor of the coaxial line. The total length of both loops is determined by the wavelength of the slowed wave excited in plasma or in another 4ielectric medium. The invention can be used in the fields of plasma physics and technology, in reactors for controlled thermonuclear synthesis and in plasma-chemical reactors. The invention is best characterized in the figures by a coaxial line 4>5 and two loops 1,2.

Description

Vynélez se týká zařízení pro dodatečný vysokofrekvenční ohřev plazmatu v zařízeních určených pro řízenou termojadernou syntézu a při studiu interakce elektromagnetických vln a plazmatem.The invention relates to a device for post-high-frequency heating of plasma in devices designed for controlled thermonuclear fusion and for studying the interaction of electromagnetic waves and plasma.

Intenzivní výzkum v oblaati řízená termojaderné syntézy, dále jen ŘTS, v posledních letech ukázal, že nejvážnějžím kandidátem termojaderného reaktoru je systém s magnetickým udržením typu tokamak. Jedním ze základních problémů, který je nutno v zařízení typu tokamak jeété zvládnout, je ohřev plazmatu na teploty potřebné pro zapálení ŘTS, Je jednoznačné prokázáno, že taková vysoká teploty nemohou být dosaženy proudem protékajícím plazmatem, tj. Jouleovým ohřevem. Hlavním důvodem pro to je skutečnost, že s rostoucí teplotou plazmatu účinnost ohřevu klesá a dále, že, zvyšování proudu vede, souhlasně se známou podmínkou Kruskala - Šafranova pro stabilitu plazmatu v tokamacích, k velmi vysokým hodnotám udržovacího toroidálního magnetického pole řádu 100 kQ a více. Proto se intenzivně studují metody dodatečného ohřevu plazmatu. Nejvíce perspektivní jsou dvě metody a to ohřev rychlými neutrálními evazky a ohřev vysokofrekvenční. Vzhledem k tomu, že předloženého vynálezu lze využít pro vysokofrekvenční ohřev plazmatu, je dále uveden stručně stávající stav techniky v táto oblasti.In recent years, intensive research in the field of controlled thermonuclear fusion (RTS) has shown that the most serious candidate for a thermonuclear reactor is the tokamak magnetic retention system. One of the basic problems to be solved in a tokamak type of device is the heating of the plasma to the temperatures required to ignite the RTS. It is clearly shown that such high temperatures cannot be achieved by the current flowing through the plasma, i.e. Joule heating. The main reason for this is that as the plasma temperature rises, the heating efficiency decreases, and further, that the increase in current leads, in agreement with the known Kruskala-Saffron condition for plasma stability in tokamaks, to very high toroidal magnetic field holding values of 100 kQ and more . Therefore, methods of post-heating of plasma are being studied intensively. The most promising are the two methods: heating with fast neutral heat and high-frequency heating. Since the present invention can be used for high-frequency plasma heating, the state of the art in the art is briefly discussed below.

Kromě ohřevu v oblasti elektronová cyklotronová frekvence COce » intová cyklotronová frekvence CUci ^a jejich harmonických frekvencí je v současné době velice perepektivní ohřev plazmatu v oblasti dolní hybridní rezonance, definovaná vztahem č.l pro hodnotu němž hodnota tUpe je elektronová plazmatická frekvence a hodnota top,· ^je^i<ín¥<?vá plazmatická frekvence. Vztah č.l byl odvozen za předpokladu číření vlnění ve studeném plazmatu. Princip ohřevu spočívá ve vybuzení zpomalených vln v plazmatu, které se z periferie šíří do oblasti dolní hybridní rezonance, dále jen LHR, která se z důvodu přehřívání celého objemu plazmatu umísťuje do místa maximální hustoty na ose plazmatickáho prstence.In addition to the heating in the electron cyclotron frequency range COce »the internal cyclotron frequency CUci ^and their harmonic frequencies, the presently very perepective heating of the plasma in the region of the lower hybrid resonance is defined by the relation No. 1 for the tUpe value. ^ is ^ i <ín ¥ <vá plasma frequency. Relationship No. 1 was derived assuming the clarification of the waves in the cold plasma. The heating principle is based on the stimulation of slowed waves in the plasma, which spread from the periphery to the area of lower hybrid resonance, hereinafter referred to as LHR, which, due to overheating of the entire plasma volume, is placed at the maximum density point on the axis of the plasma ring.

Teoretická výpočty ukazují, že pro účinný ohřev plazmatu na LHR je nutná vybudit hybridní vlny zpomalená ve směru toroidálního magnetického pole B_TQR tak, aby podélná složka indexu lomu n_z, to znamená složka ve směru Β^θρ, splňovala vztah č. 2 tj. podmínku dostupnosti vyjádřenou nerovností ,.,z pesTheoretical calculations show that for efficient plasma heating on LHR, it is necessary to excite hybrid waves slowed in the direction of toroidal magnetic field B _TQR so that the longitudinal refractive index component n _z , that is, the component in the Β ^ θρ direction, satisfies the relation no. condition of availability expressed inequality

Pro typická parametry v tokamacích platí, že bJciz ^a tudíž požadovaná hodnota je n_z^· 1,5. Jelikož frekvence hybridních vln leží v intervalu tu_c;<oj-5í£t<Jce a magnetická pole v tokamacích určených pro demonstraci ŘTS se pohybují od 40 kQ do 100 kG, budou frekvence generátorů budicích zpomalené vlny ležet v oboru decimetrových vln a vln centimetrových.For typical parameters in tokamaks, bJciz ^and hence the desired value is n _z ≥ 1.5. As the frequency of hybrid waves lies in the interval herein _cis <oj-5R £ t <JČE and magnetic fields Tokamak intended to demonstrate the RTS range from 40 ohms to 100 kg will the generator frequency excitation slow waves lie in the field of decimeter waves and waves centimeter .

Pro buzení takových vln v mikrovlném pásmu byla navržena soustava vlnovodů orientovaných tak, že vektor elektrického pole ΤΓ je paralelní se směrem toroidálního magnetického pole B_tor a fáze v sousedních vlnovodech se liší o hodnotu . Taková soustava, složená ze dvou, čtyř anebo více vlnovodů, budí v plazmatu spomalená vlny a byla nazvána vlnovodným grilem. Velikost zpomalení lze regulovat výěkou vlnovodů. Vlnovodný gril již byl experimentálně prověřen a bylo ukázáno, že v dobrém souhlasu s teorií skutečně budí zpomalená vlny. Změna fáze v sousedních vlnovodech vyžaduje vžak velmi náročný a komplikovaný vlnovodný systém, rozdělení výkonu do dvou nebo více tras a fázové poeouvače k nastaveni fázového rozdílu mezi sousedními vlnovody. To jsou jistě vážná nevýhody vlnovodnáho grilu.A system of waveguides was designed to excite such waves in the microwave band so that the electric field vector ΤΓ is parallel to the direction of the toroidal magnetic field B _tor and the phases in adjacent waveguides differ by value. Such a system, consisting of two, four or more waveguides, wakes up the plasma in slowed waves and has been called a waveguide grill. The amount of deceleration can be controlled by the height of the waveguides. The waveguide grill has already been tested experimentally and has been shown to induce slow waves in good agreement with the theory. However, phase change in adjacent waveguides requires a very complex and complicated waveguide system, power distribution over two or more paths, and phase shifters to adjust the phase difference between adjacent waveguides. These are certainly serious disadvantages of the waveguide grill.

Podstatou vynálezu je zařízení pro dodatečný vysokofrekvenční ohřev plazmatu v zařízeních určených pro řízenou termojadernou syntézu a při studiu interakce elektromagnetických vln s plazmatem. Podle vynálezu je zařízení vytvořeno z alespoň jednoho koaxiálního vedení, která je ukončeno dvěma elektricky vodivými smyčkami uspořádanými symetricky k ose koaxiálního vedení a v rovině jí procházející. První, blízká konce obou smyček jsou elektricky vodivě připojeny ke střednímu vodiči koaxiálního vedení. Druhé, vzdálená konce obou smyček jsou jednotlivě elektricky vodivě připojeny ke vnějšímu válcovému vodiči koaxiálního vedení v místech průsečíků průsečnice roviny obou smyček s rovinou k ní kolmou aSUMMARY OF THE INVENTION The present invention is directed to an apparatus for post-radiofrequency heating of plasma in apparatus for controlled thermonuclear fusion and for studying the interaction of electromagnetic waves with plasma. According to the invention, the device is formed of at least one coaxial conduit which terminates in two electrically conductive loops arranged symmetrically to the axis of the coaxial conduit and extending in a plane thereof. The first, proximal ends of both loops are electrically conductively connected to the center conductor of the coaxial conduit. The other, distal ends of the two loops are individually electrically conductively connected to the outer cylindrical conductor of the coaxial conduit at the intersection points of the intersection of the plane of the two loops with the plane perpendicular thereto, and

-2procházejícl Selem vnějšího válcového vodiče a středního vodiče koaxiálního vedení ae vnějším válcovým vodičem koaxiálního vedení. Přitom celková délka obou smyček včetně mezery mezi smyčkami v místě jejich připojení ks střednímu vodiči koaxiálního vedení je určena vlnovou dálkou zpomalené vlny vybuzené v plazmatu, případně v jiném dielektrickém prostředí.2 passing through the selector of the outer cylindrical conductor and the middle conductor of the coaxial conduit and through the outer cylindrical conductor of the coaxial conduit. The total length of both loops, including the gap between the loops at the point of their connection to the middle conductor of the coaxial line, is determined by the wavelength of the slowed wave excited in the plasma or in another dielectric environment.

Hlavní předností a výhodou zařízení podle vynálezu tj. zařízení pro dodatečný vysokofrekvenční ohřev plazmatu v zařízeních určených pro řízenou termojadernou syntézu a při studiu interakce elektromagnetických vln s plazmatem je okolnost, že definuje vlnovou délku buzených vln, využívá k tomu základní mód TEM v koaxiálním vedení a proto nepotřebuje použití fázových poaouvačů a komplikovaného obvodu jako v případě mikrovlnného vlnovodného grilu. Zařízení podle vynálezu je dále označováno stručně koaxiální gril. Výkon přenášený koaxiálním grilem je omezen elektrickou pevností koaxiálu a může být při vhodné konstrukci srovnatelný a vlnovodným grilem, pracujícím v pásmu centimetrových vln. Na rozdíl od vlnovodného grilu je však koaxiální gril rozměrově i váhově menší.The main advantage and advantage of the device according to the invention, i.e. the device for additional high-frequency heating of plasma in devices intended for controlled thermonuclear fusion and when studying the interaction of electromagnetic waves with plasma, is that it defines the wavelength of excited waves. therefore, it does not need the use of phase reversers and a complicated circuit as in the microwave waveguide grill. The device according to the invention is hereinafter referred to briefly as a coaxial grill. The power transmitted by the coaxial grill is limited by the electrical strength of the coaxial and may be comparable to a waveguide grill operating in the centimeter wave band, if appropriate. However, unlike a waveguide grill, the coaxial grill is smaller in size and weight.

Podstata vynálezu je dále vysvětlena na příkladu jeho provedení pomocí připojeného výkresu, na němž je znázorněno na obr. 1 - nérys uspořádání dvousmyčkového koaxiálního grilu, na obr. 2 - půdorys uspořádání dvousmyčkového koaxiálního grilu, na obr. 3 - diagram rozložení fáze podél obou smyček grilu.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic view of a two-loop coaxial grill arrangement; FIG. 2 is a plan view of a two-loop coaxial grill arrangement; FIG. grill.

Na obr. 1 jsou znázorněny smyčky 1, 2 grilu, zhotovené z elektricky vodivého pásku 8. První, blízké konce smyček 1, 2, které jsou upraveny v rovině symetrie koaciálního vedení jsou elektricky vodivě připojeny k střednímu vodiči £ koaxiálního vedení. Druhé, vzdálené konce obou smyček 1, 2 jaou jednotlivě připojeny ke vnějšímu válcovému vodiči £ koaxiálního vedení v místech 10 a 11. které jaou průsečíky průsečnice roviny symetrie koaxiálního vedení s rovinou £ čela vnějšího válcového vodiče £ a středního vodiče £ koaxiálního vedení a vnějším válcovým vodičem £ koaxiálního vedení. Přitom celková délka £ obou smyček 1, 2 v místě jejich elektricky vodivého připojení ke střednímu vodiči £ koaxiálního vedení je dána vlnovou délkou zpomalené vlny vybuzené v plazmatu, případně v jiném dielektrickém prostředí. Výška smyček je označena 14 a vztahové značky 6 a 6’ označují vektory radiální složky elektrického pole v koaxiálním vedení, vybuzeném v základním modu TEM. Tyto vektory jaou orientovány od středního vodiče 4 směrem k vnějšímu vodiči £ koaxiálního vedení.Figure 1 shows grill loops 1, 2 made of an electrically conductive strip 8. The first, proximal ends of the loops 1, 2, which are arranged in the symmetry plane of the coacial conduit, are electrically conductively connected to the central conductor 6 of the coaxial conduit. The other, distal ends of the two loops 1, 2 are individually connected to the outer cylindrical conductor 6 of the coaxial conduit at locations 10 and 11. which are intersections of the intersection of the symmetry plane of the coaxial conduit with the plane of the outer cylindrical conductor and coaxial conduit. the coaxial conductor. The total length délka of the two loops 1, 2 at the point of their electrically conductive connection to the middle conductor ko of the coaxial line is given by the wavelength of the decelerated wave excited in the plasma or in another dielectric medium. The height of the loops is indicated by 14 and the reference numerals 6 and 6 'denote the radial component of the electric field in the coaxial line excited in the basic TEM mode. These vectors are oriented from the center conductor 4 towards the outer conductor 4 of the coaxial conduit.

Na obr. 2 je patrná šířka 13 elektricky vodivých pásků 8 a rovina 12 symetrie koaxiálního vedení. V této rovině 12 leží taktéž její průsečnice s rovinou £, označenou na obr.l; vztahovou značkou 12 je tudíž také označena dříve uvedená průsečnice. Zároveň jsou patrná místa 10 a 11 průsečíků průsečnice 9 s rovinou 12 a vnějším válcovým vodičem £ koaxiálního vedení. Konečně je na obr. 2 znázorněna orientace vektoru který je rovnoběžný s průsečnicí roviny 2. ® roviny 12, procházející místy 10 a 11.FIG. 2 shows the width 13 of the electrically conductive strips 8 and the symmetry plane 12 of the coaxial conduit. Also in this plane 12 lies its intersection with the plane δ indicated in FIG. therefore, the aforementioned intersection is also indicated by 12. At the same time, the intersection points 10 and 11 of the intersection point 9 with the plane 12 and the outer cylindrical guide 8 of the coaxial guide are visible. Finally, FIG. 2 shows the orientation of a vector that is parallel to the intersection of plane 2 of plane 12 passing through points 10 and 11.

Na obr. 3 je znázorněn diagram rozložení fáze podél celkové délky obou smyček koaxiálJ» ního grilu. Ve směru vodorovné osy diagramu je vynešena délka smyček 2, ve směru svislé osy je vynešena velikost fáze. Z diagramu je patrné, že fáze jaou v obou smyčkách absolutní hodnotou 90° stejné, ale opačného znamení.Fig. 3 shows a phase distribution diagram along the total length of the two coaxial grill loops. The length of the loops 2 is plotted in the direction of the horizontal axis of the diagram, and the phase size in the direction of the vertical axis. It can be seen from the diagram that the phases in both loops are the same 90 ° absolute but opposite sign.

Činnost zařízení je popsána takto :The operation of the device is described as follows:

Koaxiální dvouamyčkový gril podle vynálezu využívá pro vytvoření fázového rozdílu o hodnotě mezi dvěma sousedními vazebními prvky opačná orientace vektorů 6 β 6’ intenzity elektrického pole mezi středním vodičem £ a vnějším vodičem £ koaxiálního vedení, která existuje na každém průměru koaxiálního vedení. Koaxiální gril, který je koaxiální verzí vlnovodného grilu, je tedy tvořen řadou koaxiálních vedení, z nichž každé je zakončeno dvěma smyčkami. Lze tedy vlnovodný gril, tvořený dvěna vlnovody, nahradit jedním koaxiálním vedením, dále nazývaným dvouemyčkovým koaxiálním grilem.The coaxial twin loop grill of the invention uses the opposite orientation of the electric field intensity vectors 6 β 6 ’between the center conductor 6 and the outer conductor 6 of the coaxial conduit that exists at each coaxial conduit diameter to create a phase difference of value between two adjacent couplers. Thus, the coaxial grill, which is a coaxial version of the waveguide grill, consists of a series of coaxial guides, each of which is terminated by two loops. Thus, a waveguide grill formed by two waveguides can be replaced by a single coaxial conduit, hereinafter referred to as a two-loop coaxial grill.

Pokud se týká správného umístěné dvousmyčkového koaxiálního grilu, a to jediného nebo víceprvkové soustavy, je nutno - pro vybuzení zpomalených vln v plazmatu - aby každá smyčka byla umístěna na rozhraní mezi vakuem a plazmatem, přičemž rovina smyčky musí být rovnoběžná s vektorem intenzity magnetického pole. Smyčka koaxiálního grilu umístěnáRegarding the correct placement of a two-loop coaxial grill, of a single or multi-element system, each loop must be positioned at the interface between vacuum and plasma, with the plane of the loop parallel to the magnetic field intensity vector. Coaxial grill loop placed

-321S 980 nesprávně, tedy například ve vakuu, nevytvoří zpomalené vlny a naopak smyčka umístěná do horkého plazmatu ahoří. Správné a účinné umístění smyčky žádá citlivou a pečlivou manipulaci. Výsledkem toho je podstatná zvýšení teploty plazmatu, řádově o desítky procent.-321S 980 incorrectly, for example in a vacuum, does not produce slowed waves and, conversely, a loop placed in the hot plasma and the mountains. Proper and efficient placement of the loop requires sensitive and careful handling. The result is a substantial increase in plasma temperature of the order of tens of percent.

Zařízení podle vynálezu, tj. koaxiálního grilu, může být úspěšně použito také při fyzikálních experimentech při studiu vlastností šíření hybridních vln a jejich lokalizace v nehomogenním plazmatu.The device according to the invention, ie the coaxial grill, can also be used successfully in physical experiments to study the properties of hybrid wave propagation and their localization in non-homogeneous plasma.

V řadě experimentů může být výhodné umístění několika stejných dvousmyčkových koaxiálních grilů vedle sebe. Výkon vybuzená vlny může být zvýšen úměrně s počtem dvousmyčkových grilů, použitých v tomto systému.In a number of experiments, it may be advantageous to place several identical two-loop coaxial grills side by side. The power of the excited wave can be increased in proportion to the number of double loop grills used in this system.

Claims

Apparatus for the additional high-frequency heating of plasma in equipment designed for controlled thermonuclear fusion and for studying the interaction of electromagnetic waves with plasma, characterized in that it consists of at least one coaxial line terminated by two electrically conductive loops (1,2) arranged symmetrically to the axis of the coaxial conduit and in the plane (12) passing therethrough, wherein the first, proximal ends of both loops are electrically conductively connected to the central conductor (4) of the coaxial conduit, the second, distal ends of both loops (1,2) are individually electrically conductively connected to the outer cylindrical conductors (5) of the coaxial guide at points of intersection of the intersection of the plane (12) of both loops with the plane (9) perpendicular thereto and passing through the face of the outer cylindrical conductor (5) and the middle conductor (4) of the coaxial guide with the outer cylindrical conductor (5) coaxial cable, wherein the total length and (7) both loops (1, 2) including the gap between loops at (9) their connection to the center conductor (4) of the coaxial conduction is determined by the wavelength of the slowed wave excited in the plasma or other dielectric environment.