SU1158022A1 - Способ высокочастотного нагрева плазмы и устройство дл его осуществлени - Google Patents

Abstract

1. Способ высокочастотного нагрева плазмы путем воздействи  на плазму высокочастотными электромагнитными колебани ми, о т л и ч аю щ и и с   тем, что, с целью повышени  эффективности нагрева плазмы . путем повышени  допустимого уровн  вводимой мощности, на плазму воздействуют несинусоидальными высокочастотными колебани ми с полосовыми частотными спектрами со сравнимыми амплитудами отдельных спектральных компонент с центральными частотами полос,близкими к частотам характерных плазменных резонансов, при этом ширина каждой полосы не превышает полосу фазовых колебаний частиц,захватываемых вблизи характерных плазменных резонансов. 2.Устройство дл  высокочастотного нагрева плазмы, содержащее источник посто нного тока или напр жени , задающий генератор, систему, образованную магнитными или электрическими изл 1ающими элементами, и усилительные элементы, отличающеес  тем, что, с целью повышени  эффективности нагрева плазмы путем повышени  допустимого уровн  вводимой мощности, последовательно с излучающим элементом включен пирокополосный усилительный элемент , причем управл ющие электроды усилительных элементов соединены поi парно так, что образуют по крайней мере один массив из 2 элементов, (Л где ,2,3,..., и подключены через систему проводников к задающему генератору , который выполнен в виде генератора несинусоидальных колебаний с частотно-фазовой модул цией. 3.Устройство по п. 2, отлиел чающеес  тем, что один конец 00 о to каждого магнитного излучаюп1его элемента антенны подключен к одному из полюсов источника тока через управл емый ключевой элемент,а другой коN3 нец элемента подключен непосредственно к противоположному полюсу того же источника тока. 4. Устройство по п. 2, отличающеес  тем, что каждый электрический излучающий элемент антенны подключен к одному из полюсов источника посто нного напр жени  через управл емый ключевой элемент,при этом другой полюс источника напр жени - подключен к общему заземленному проводнику.

Description

. YcTpofiCTBO no n, 2; о т л i ч a ю ii; e с с   тем, что оба конца каждото магнитного излучающего элемента подключены к одному из полюсов источника тока через управл емые ключевые элементы, а другой полюс источника тока подключен непосредственно к точке, раздел ющий излучаюший магнитный элемент на Дг1е части так , что обе части элемента образуют два массивп из 2 элементов, где г- 1 , 2 , 3, ... ,

6, Устройство по п. 2, от л ич а с Ц е е с   Гем. ч то каждый

электрический излучающий элемент подключен к обшей точке пары последовательно соединенных ключевых элементов , при этом полюса источника напр жени  подключень к свободным котщам этоГт пары ключевых элементов

7, Устройство но пп. 2-4, о тл и ч а ю щ е е с   тем, что длин проводников, соедин ющих генератор несинусоидальных колебаний с управл ющими электродами каждого ключевого элемента, равны между собой с

1

И:тобре1ение относитс  к области нагрева плазмы с помоиц ю высокочастотных поле и может быть использовано в термо дерных устройствах с магпттным удержанием плазмы (токамаки , стеллараторы, адиабатические ловущки .}, а также в любой другой об .ласти, снизанной с возбуждением элетромагнитных волн в средах.

Известен способ нагрева плазмь; путем инжекции быстрых нейтральных атомов. Этот способ технически сложен и малоэф(ек тивен дл  крупных термо дерных установок, где дл  обепечени  проникновени  атомов в плазму требуютс  очень высокие энергии инжекции частип.

Известны способы высокочастотного нагрева плазмы электромагнитными волнами и устройства дл  их ос%пцествлени , которые основаны на возможности возбутк дени  и распространен1-   в плазме электромагнитных волн в различных диапазонах частот и поглоП1ени  частицами плазмы энергии этих волн.

Наиболее, близким техническим решением  вл етс  способ и устройство дл  высокочастотного нагрева плазмы путем воздействи  на плазму электромагнитных колебаний высокой частоты .

Зар же.ниа  частипа, движуп.-а с  в плазме вдоль магнитного пол  В со скоростью ,1 , эффективно взаимодействует с волной либо при условии черенковского резонанса, когда ее

CKopocTL. совпадает с фазовой скоростью Hojnibi в направлении магнитного пол , v LxVlC i ( CL - частота волны, К 1 - проекци  волнового вектора К

на аправление магттитного пол /,либо П )и условии циклотронного резонанса , когда частота волны в системе отсчета, движущейс  маг-нитН (ИО П.ОЛЯ со скоростью Y- V , и) (J-K|IJ| , , равна или кратна циклотронной

еь часто1е частицы tiU - т.е. когда

ПVfl Г1

тицами плазмь зависит не то,гц,ко от числа частиц, имеющих резонансную скорость, но и ширины резонанса в пространстве скоростей й.,,, определ емой шириной фазовьк скоростей цакета волнйш/К,,, возбуждаемых в плазме.

Дл  создани  достаточно широкого спектра по фазовым скорост м дО,

CJ

излучаемых в плазму волн.

К,

необходимо, чтобы излучающее антенное устройство имело, достаточнее малые продольные размеры ). -11

Однако в этом случае излучающа  поверхность антенны оказываетс  малой , что приводит при зада}пюй величине общей высокочастотной мощности , вводимой в плазму, к большим

удельным потокам высокочастотной мощности , к больршм уровн м напр женноети электрического пол . Вследствие этого на периферии плазмы (особенно вблизи антенны) могут развиват1,с  различного типа неустойчивости (пуч ковые, параметрические и др.),которые привод т к нежелательным  влени м (нагреву периферийной зонь пла мы, повышенной диффузии, бомбардировке стенки камеры высокоэнергетичньгми частицами) и к загр знению плаз мы потоками примесных атомов, идущих со стенки камеры. Кроме того, при больших удельных потоках ВЧ энер гии возникают интенсивные ВЧ пол , в которых зар женные частицы из периферии плазмы могут непосредственно ускор тьс  в электрическом поле, создаваемом антенной, и приводить к дополнительному распылению как самой антенны, так и ограничительных диафрагм и стенок камеры. Увеличение числа высокочастотных синусоидальньгх генераторов и антенных устройств позвол ет повысить уровень вводимой высокочастотной энергии в некоторых пределах. Однако уровень вводимой в плазму высокочастотной энергии будет ограничен малой шириной резонанса в про странстве фазовых скоростей определ емом малой частотной полосой паке та волн, возбуждаемых в плазме. Кроме того, наличие нескольких лини передачи высокочастотной энергии от генераторов к антенным устройствам приводит к существенному увеличению потерь высокочастотной энергии и увеличению количества согласующих и защитных элементов. Целью изобретени   вл етс  повышение допустимого уровн  вводимой высокочастотной мощности. , Поставленна  цель достигаетс  тем, что в способе высокочастотного нагрева плазмы, основанном на воздействии на плазму электромагнитных колебаний, на плазму воздействуют несинусоидальными высокочастотными колебани ми с полосовыми частотными спектрами со сравнимыми амплитудами отдельных спектральных компонент с нейтральными частотами полос,близкими к частотам характерных плазменных резонансов, при этом ширина каждой полосы не превышает полосу фазовых колебаний частиц, захватываемых вблизи характерных плазменных резонансов . 24 Данный способ нагрева может быть реализован с помощью устройства дл  высокочастотного нагрева плазмы, включающего источник посто нного тона или напр жени , задающий генератор , антенну, образованную MarttHTными или электрическими излучател ми , и усилительные элементы, что последовательно с каждым излучающим элементом антенны включен щирокополосный усилительный элемент, причем т1равл ющие электроды усилительных элементов соединены попарно так, что образуют по крайней мере один массив из 2 элементов, где ,2,3,..., и подключены через систему проводников к задающему генератору, который выполнен в виде генератора несинусоидальных колебаний с частотнофазовой модул цией. I При этом один конец каждого магнитного излучающего элемента подклгпчен к одному из полюсов источника тока через управл емый ключевой элемент , а другой конец элемента подключе г непосредственно к противоположному полюсу того же источника тока, каждый электрический излучающий элемент антенны подключен к одному из полюсов источника посто нного напр жени  через управл емьш ключевой элемент , при этом другой полюс источника напр жени  подключен к общему заземленному проводнику; оба конца каждого магнитного излучающего элемента подключены к одному из полюсов источника тока через управл емые ключевые элементь, а другой полюс источника тока подключен непосредственно к точке, раздел ющей излучающий элемент на две части так, что обе части элемента образ тот два массива из 2 элементов, где ,2,3..., каждый электрический излучающий элемент подключен к общей точке пары последовательно соединенных ключевых элементов, при этом полюса источника напр жени  подключены к свободным концам этой пары ключевых элементов . В случае, когда необходимо получить синфазнуюзапитку всех излучателей антенны, суммы длин проводников , соедин ющих генератор несину- соидальных колебаний с управл ющими электродами каждого ключевого элемента , равны между собой. Благодар  этим характерньм признакам представл етс  возможкость 5 г снериро лп TTi и n.nnrtMO suuinbi в широком частотном интервале. В этом случае даже iipi возбуждении одной пространственной тармоннки К получаютс  волны, перекрывающие болычой ин тервал по фазовым CKOJIOCTHM л „ . Возникающий при этом спектр BOJH1 обладает дискретной структурой . В результате взаимодействи  с резонансными частицами кажда  из волн -этой структуры эффективно отдает свою энергию частицам плазмы. При этом захваченные полем каждой из волн частицы плазмы совершают коле , 1 /2еУбани  с частотой Я fj-K i , где К - волновой вект( 1-ои волны; зар д частицы Ч - ее потенциал; е m - ее масса. Такие осцилл ции захваченных час тиц привод т к уширению резонансов и- при достаточных амплитудах волн эти резонансы могут перекрыватьс , привод  к возникновению широкого спектра плазменных волн, эффективно обменивающегос  энергией с частицами плазмы,Это происходит при услови когда разница между фазовыми скорос т ми соседних волн волнового пакета становитс  сравнимой с амплитудой скорости захвата этих же волн, т.е. когда 4,.-Vr y -frnf . Как следствие этого, во взаимодействии волна-частица будет участвоват большое число частиц плазмы, т,е. больша  часть высокочастотной энергии будет передаватьс  всему объему плазмы. Таким образом, существо технического решени  выражаетс  в том, чзо нагрев плазмы осуществл етс  . электромагнитными колебани ми, которые возбуждаютс  несинусоидальными . импульсами, например, пр моугольной формы с временем нарастани  (спада) меньшим периода колебаний характерного плазменного резонанса. Использование массивов излучающих элементов антенны, в свою очередь , позвол ет снизить удельный по ток энергии высокочастотного пол  с одновременным увеличением излучаемо мощности. При исг}ользовании в качестве клю чевых элементов полупроводниковых структур (транзисторов, тиристоров, диодов) представл етс  возможность располагать эти элементы вблизи из26 лучаюпшх элементов антенны, что значительно сократит потери на передачу высокочастотной энергии от ее источника к излучающему элементу. Изобретение по сн етс  чертежом, где на фиг. 1 изображена схема антен}1ого устройства, выполненного в виде массива излучающих элементов, подключ ертных через систему ключевых элементов к задающему генератору. На фиг. 2 показан вариант выполнени  пары излучающих элементов устройства с несимметричными вибраторами магнитного типа. На фиг, 3 показан вариант выполнени  пары излучаюи1их элементов с несимметричными вибраторами электрического типа. На фиг . 4 показан вариант выполнени  пары излучающих элементов с симметричными вибраторами магнитного На фиг. 5 показан вариант выполнени  излучател  предлагаемого устройства с симметричными вибраторам 1 электрического типа. Устройство состоит (см, фиг. 1) из источника посто нного тока 1 (напр жени  2), задающего генератора несинусоидальных колебаний трапецеидальной или пр моугольной формы 3, антенны в виде поверхности, образованной излучател ми 4, соединенными попарно в соответствии с топологией диодной группы так, что они образуют массив из 2 элементов, расположенных в вакуумной камере тороидальной магнитной ловущки 5. Излучатели 4 через ключевые элементы 6 подключены к источнику тока 1 (напр жени  2). В качестве ключевых элементов б использованы транзисторы , которые через систему проводников 7 подключены к генератору 3. При этом суммы длин проводников 7, соедин ющих генератор 3 с управл ющими электродами каждого ключевого элемента 6, равны между собой. Если в качестве излучателей антенны использованы несимметричные вибраторы магнитного типа (см.фиг.2) в виде одного витКа 4, тогда через ключевые элементы 6 (бипол рные транзисторы ) один конец каждого вибраtopa - витка 4 подключен к одному из полюсов источника тока 1, а другой конец - непосредственно к противоположному полюсу этого источника ,

71

При использовании в качестве излучателей антенны несимметричных вибраторов электрического типа (см. фиг. 3)--, в виде колец 4, через ключевые элементы 6 (полевые транзисторы ) излучатели - кольца 4 - подключены -к одному из полюсов источника напр жени  2, а другой полюс источника напр жени  подключен к o6nieму (заземленному) проводнику. Если в качестве излучателей антенны использованы симметричные вибраторы магнитного типа в виде двух BVITKOB 4 с отводом от средней точки (см. фиг. 4), тогда оба конца вибратора 4 через ключевые элементы 6 (бипол р ные транзисторы) подключены к одному из полюсов источника тока 1, а другой полюс источника тока 1 подключен к средней точке вибратора 4. Конденсаторы 8 необходимы дл  выравнивани  характеристик ключевых элементов 6.

При использовании в качестве излучателей антенны симметричных вибраторов электрического типа (см. фиг, 5) в виде колец 4, каждый вибратор подключен к общей точке пары последовательно соединенных ключевых элементов 6 (полевые транзисторы), а полюса источника напр жени  2 подключены к свободным концам этой пары ключевых элементов.

Устройство работает следующим образом .

Электрическую энергию от источника посто нного тока 1 подают на антенное устройство, выполненное из 2 излучателей магнитного типа 4 (каждый излучатель представл ет собой два витка коаксиально окружающих плазменный шнур) через транзисторы 6, управл ющие электроды которых соединены попарно в соответствии с топологией диадной группы.

8022

Благодар  тому, что суммы длин проводников 7, соедин ющих задающий генератор 3 с управл ющими электродами транзисторов 6, равны между со бой, обеспечиваетс  одновременное срабатывание всех транзисторов 6. При подаче управл ющего периодического сигнала трапецеидальной формы от генератора 3, транзисторы 6 периодически замыкают цепь: источник 1 - излучатель 4, формиру  в излучателе периодические токовые импульсы трапецеидальной формы с временем нарастани  ir. Быстрые изменени  тока

f5 в изЯучател х 4 привод т к возбуждению электромагнитных полей с шириной

полосы .

При использовании транзисторов

0 КТ 903 и генератора трапецеидальных импульсов с частотой 10 мГц и фронтом нарастани  25 нск антенна возбуткдает электромагнитные пол  в полюсе частот дГ :й10 мГц. Электромагнитные пол  антенны возбуждают в плазме плазменные волны со спектром частот такой же ширины. Широкополосные пакеты плазменных волн перекрывают большой интервал по фазовым

30 скорост м, благодар  чему во взаимодействии волна-частица (в результате которого энерги  плазменных волн передаетс  частицам плазмы) участвует значительна  дол  частиц плазмы и существенно расшир ютс  (в сравнении с узкополосными пакетами) пространственные масштабы области поглощени  энергии плазменных волн даже в однородном магнитном поле.

Q Вследствие этого высокочастотна 

энерги  более эффективно передаетс  всему объему плазмы. Таким образом удаетс  повысить уровень высокочастотной энергии, передаваемой в плазму .

fpuz.1

Фаг. 3

L.Ф...--.«,.. ..

Claims (7)

1. Способ высокочастотного нагрева плазмы путем воздействия на плазму высокочастотными электромагнитными колебаниями, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности нагрева плазмы . путем повышения допустимого уровня вводимой мощности, на плазму воздействуют несинусоидальными высокочастотными колебаниями с полосовыми частотными спектрами со сравнимыми амплитудами отдельных спектральных компонент с центральными частотами полос,близкими к частотам характерных плазменных резонансов, при этом ширина каждой полосы не превышает полосу фазовых колебаний частиц,захватываемых вблизи характерных плазменных резонансов.

2. Устройство для высокочастотного нагрева плазмы, содержащее источник постоянного тока или напряжения, задающий генератор, систему, образованную магнитными или электрическими излучающими элементами, и усилительные элементы, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности нагрева плазмы путем повышения допустимого уровня вводимой мощности, последовательно с каждым излучающим элементом включен широкополосный усилительный элемент, причем управляющие электроды усилительных элементов соединены попарно' так, что образуют по крайней мере один массив из 2^а элементов, где п=1,2,3,..., и подключены через систему проводников к задающему генератору, который выполнен в виде генератора несинусоидальных колебаний с частотно-фазовой модуляцией.

3. Устройство по п. 2, о т л ичающееся тем, что один конец каждого магнитного излучающего элемента антенны подключен к одному из полюсов источника тока через управляемый ключевой элемент,а другой конец элемента подключен непосредственно к противоположному полюсу того же источника тока.

4. Устройство по п. 2, о т л ичающееся тем, что каждый электрический излучающий элемент антенны подключен к одному из полюсов источника постоянного напряжения через управляемый ключевой элемент,при этом другой полюс источника напряжения· подключен к общему заземленному проводнику.

SU „„ 1158022

I ! 58022

5. Устройство по π, 2, о т л ич а ю щ е е с я тем, что оба конца каждого магнитного излучающего элемента подключены к одному из полюсов источника тока через управляемые ключевые элементы, а другой полюс источника тока подключен непосредственно к точке, разделяющий излучающий магнитный элемент на две части так, что обе части элемента образуют два массива из 2^rt элементов, где г.= 1 , 2 ,

3, , . ,

6, Устройство по п. 2, от л ич а ю щ е е с я тем. ч то каждый электрический излучающий элемент подключен к обшей точке пары последовательно соединенных ключевых элементов, при этом полюса источника напряжения подключены к свободным концам этой пары ключевых элементов.

7. Устройство но пп. 2-4, о τη ичающеес я тем, что суммы длин проводников, соединяющих генератор несинусоидальных колебаний с управляющими электродами каждого ключевого элемента, равны между собой.