SU841567A1 - Устройство дл возбуждени "медленных" волн в плазме - Google Patents

Description

Изобретение относитс  к устройствам дл  возбуждени  электромагнитных волн в плазме, в частности, предназначено дл  осуществлени  высокочастотного нагрева плазмы в термо дерных установках типа «ToKaMiaK и «Стелларатор.

Известно, что одним из наиболее перспективных методов высокочастотного нагрева плазмы  вл етс  использование нижнего гибридного резонанса. Дл  осуществ. лени  такого метода нагрева необходимо возбуждение «медленных волн в плазме, фазова  скорость которых вдоль магнитного

пол  меньше скорости света ( 1,5-

3), что требуетс  дл  удовлетворени  услови  доступности Голанта-Стикса 1.

Известно устройство дл  возбуждени  «медленных волн в плазме, представл ющее собой систему экранов, охватывающих плазменный шнур. Экраны разделены друг от друга азимутальными щел ми, к кромкам которых подключен нсточннк высокочастотной энергии 2.

Благодар  малой ширине щели относительно ширины экрана в плазме возбуждаетс  широкий спектр волн с различными фазовыми скорост ми вдоль напр авлени  манитного пол . Это позвол ет, в частности , осуществить черенковское поглощение энергии «медленных волн частицами плазмы. Однако использование волн с широким спектром по фазовым скорост м приводит к усиленному поглощению высокочастотной энергии в периферийных област х плазменного шнура в результате черенковского взаимодействи  и, следовательно , к уменьшению потока энергии волны, достигающей обл1асти нижнего гибридного резонанса в глубине плазмы.

Известна также возбуждающа  система типа «гребенка, использующа  дл  создани  з амедлени  волны гофрировку внутренней поверхности вакуумной камеры 3, В таких системах легко получить необходимое замедление при сохранении сравнительно небольших габаритов системы. Однако данные системы могут работать только в случае, если между поверхност ми плазмы и плазменного шнура существует вакуумный промежуток, через осуществл етс  перенос высокочастотной энергии вдоль излучающей поверхности. В услови х же реальных термо дерных ловушек плотность частиц плазмы вблизи излучающих поверхностей остаетс  существенной , что может привести к сильной св зи излучающей поверхности с пл азмой и, как следствие, к малой эффективной

длине излучени  и к расширению спектра возбуждаемых в плазме волн.

Наиболее близким к изобретению по технически сущности  вл етс  устройство дл  возбуждени  «ме|дленн ых волн в плазме , наход щейс  в металлической камере, содержащее волновод-излучатель, соедиленный с источником высокочастотной вйергии (4.

В качестве излучател  используетс  открытый конец волновода. Дл  этих целей в металлической Вакуумной камере термо дерной ловушки, например, типа «Токамак выполн ютс  пр моугольные патрубки , которые используютс  в качестве волново-дов. С одной стороны такой волновод подключен к источнику высокочастотной энергии, с другой - открытый конец волновода, обращенный к плазме, выполн ет функции аитенны-излу ател . Используетс  также систем(а сфазированных волноводов , размещенных в одном патрубке, что позвол ет сузить спектр по продольным фазовым скорост м возбуждаемых в плазме колебаний.

Известное устройство обладает, как правило , М|алой площадью поперечного сечени  патрубков по сравнению с обЩей площ-адью поверхности плазменного шнура. Это обсто тельство требует ввода в плазму высокочастотной энергии с высоким значением удельного потока, что приводит к большим значени м напр женности электрического пол  в плазме особенно в области 1аитенны н, как следствие, к развитию параметрических неустойчивостей, привод щих к поглощению электромагнитных волн на поверхтости плазменного шнура. Кроме того, в таких устройствах спектр возбуждаемых в плазме колебаний даже в случае использовани  нескольких сфазированных волноводов имеет весьма существенные коротковолновые составл ющие, что также может привести к нежелательному периферийному нагреву плазмы из-за черенковского взаимодействи  волн с электронами, особенно с «убегающими электронами, концентраци  которых значительна в ловушках типа «Токамак . Недостатком таких устройств  вл етс  также весьма сильна  неоднородность напр женности электрического пол  по сечению излучающего волновода в месте его раскрыва. Так как волновод открыт со стороны плазмы, то в услови х интенсивного облучени  из плазменного шнура возникает опасность развити  дуговых разр дов . Кроме того, при изменении параметров плазмы в течение рабочего импульса возможно существенное изменение коэффициента отражени  от излуч ающего конца волновода, чтх) затрудн ет согласование всего волноводного тракта.

Целью изобретени   вл етс  увеличение уровн  вводимой в плазму высокочастотной энергии.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что

в устройстве дл  возбуждени  «медленных волн в плазме, н аход щейс  в металлической камере, содержащем волновод-излуча5 тель, соединенный с источником высокочастотной энергии, волновод-излучатель образован стенкой металлической камеры и экраном , размещенным внутри камеры параллельно ее стенке, причем в экране выполнена система азимутальных щелей. Ширина каждой щели экрана значительно меньше ее азимутальной длины, а рассто ние между соседними щел ми вдоль оси камеры примерно рнвно ширине щели н 15 значительно меньше длины волны. Источник высокочастотной энергии подключен к волноводу-излучателю через патрубок-волновод . В области расположени  патрубка волновода экран выполнен без азимутальных щелей. Источник высокоч астотной энергии подключен между металлической камерой и экраном через коаксиальный кабель-фидер .

В волноводе-излучателе, образованном

5 стенкой металлической камеры и экраном, параллельным стенк,ам камеры, вдоль оси к амеры может распростран тьс  электромагнитна  волна, фазова  скорость которой благодар  наличию системы азимутальных щелей может быть меньше скорости света, что обеспечивает удовлетворительные услови  доступности ГолантаСтикса . Кроме того, благодар  наличию азимутальных щелей-секторов на внешней

5 стороне экрана; обращенной к поверхности плазменного шнура, возникает «возбуждающее электромагнитное поле, пол ризаци  которого обеспечивает возбуждение в плазме «медленной волны, унос щей

0 энергию вглубь пл1азмы. При этом становитс  возможным осуществить транспортировку электромагнитной энергии от места подключени  высокочастотного источника вдоль плазменного шнура в вакуумной,

5 не заполненной плазмой, области камеры и обеспечить ее излучение в плазму через значительную по размерам излучающую поверхность. Поэтому при умеренных удельных потоках электромагнитной энергии в плазму становитс  возможным значительное увеличение общей высокочастотной энергии, вводимой в плазму. Наиболее оптимальные п араметры «возбуждающего пол  на поверхности экрана волновода-излучател  достигаютс  в устройстве, в котором ширина каждой щели экрана значительно меньше ее азимутальной длины, -а рассто ние между соседними щел ми вдоль оси камеры примерно равно ширине щели и значительно меньше длины волны . Благодар  малому рассто нию между соседними щел ми по сравнению с длиной волны и примерному равенству рассто ни  между щел ми и шириной щели достигаетс  уменьшение интенсивности в спектре

«возбуждающего пол  коротковолновых гармоник по сравнению с основной (рабочей ) гармоникой, что позвол ет свести к минимуму уровень возбуждаемых в плазме сильнозамедленных волн, которые изза черенкоБского механизма могут поглощатьс  на периферии плазменного шнура. Кроме того, благодар  значительному различию между шириной щели и ее азимутальной длиной, а также ук;азанному соотношению между шириной щели и рассто нием между соседними щел ми достигаетс  сильное замедление возбуждаемой в плазме волны, что позвол ет обеспечить достижение услови  доступности ГолантаСтикса .

Дл  обеспечени  эффективного возбуждени  волновода-излучател  от источника высокоч1астотной энергии используетс  устройство , в котором источник высокочастотной энергии подклю:чен к волноводу-излучателю через патрубок-волновод, причем в области расположени  патрубка-волновода экран выполнен без азимутальных щелей. Использование патрубка-волновода обеспечивает необходимую пол ризацию возбуждаемых в волноводе-излучателе колебаний , а также достичь хорошего согласовани  импе ансов волновоД|а-излуч;ател  и всего волноводного тракта, соедин ющего высокочастотный источник с нагрузкой. При этом патрубок-волновод недоступен излучению из плазмы из-за наличи  между плазмой и патрубком сплошного экраН1а волновода-излучател , 1что позвол ет без опасности электрического пробо  увеличить уровень потока энергии через патрубок-волновод . Источник высокочастотной энергии может быть подключен между металлической камерой и экраном через коаксиальный кабель-фидер. Когда внешний проводник кабел -фидера подключен к камере, а внутренний - к экрану, в волноводе-излучателе будут возбуждатьс  колебани , по пол ризации аналогичные предыдушему случаю, при котором возбуждение волновода-излучател  осуществл лось через волновод-патрубок. При этом дл  ввода высокочастотной энергии внутрь камеры могут быть использованы небольшие по размерам патрубки.

На фиГ. 1 приведен пример выполнени  предлагаегмого устройства в ловушке, имеющей пр моугольный патрубок; на фиг. 2 и 3 - упрощенна  схема устройства, объ сн юща  ее электродинамические свойства; на фиг. 4 - пример выполнени  устройства , в котором обеспечиваетс  возбуждение волн, бегущих в одну сторону; на фиг. 5 - пример выполнени  устройства при наличии в вакуумной камере широкого патрубка; на фиг. 6 - устройство, в котором подключение к источнику высокочастотной мощности осуществл етс  при помощи коаксиальных кабелей-фидеров.

В примере выполнени  устройства, показанном на фиг. 1, источник высокочастотной энергии 1 через волноводный тракт 2 подключен к патрубку-волноводу 3,  вл ющемус  частью металлической вакуумной камеры 4 магнитной ловушки. Диэлектрическое окно 5 в патрубке-волноводе 3 служит дл  разделени  вакуумной части ловушки от объема, соединенного с атмос0 ферой. В области подключени  патрубкаволновода 3 к вакуумной камере 4 распо , ложен волновод-излучатель, о-бразова ный стенкой вакуумной камеры 4 и экраном 6. Экран 6 выполнен в виде сектора, кра  ко5 торного соединены с вакуумной камерой 4, причем в экране 6 имеетс  несколько р дов азимутальных щелей 7. Ширина каждой щели 7 значительно меньше длины щели , а рассто ние между соседними щел ми

0 примерно равно ширине щели.

Устройство (фиг. 1) работает следующим образом.

Электромагнитна  волна типа Е, распростран  сь в волноводе 3, возбуждает

5 в волноводе-излучателе 6 аналогичного типа волну, котора  распростран етс  в обе сторны от места подключени  волновода 3 вдоль оси вакуумной камеры 4. Благодар  наличию системы азимутальных

0 щелей фазова  скорость вдоль направлени  распространени  имеет меньшее значение , чем в гладком волноводе, в котором фазова  скорость Уср обычно больше скорости света.

5

На фиг. 2 показана часть экрана 6 со щел ми 7. Продольна  перемычка-проводник 8 экрана, образованна  той частью экран а , в которой отсутствуют щели,  вл етс  по сути обкладкой полосковой линии, образованной экраном и поверхностью вакуумной камеры. Вдоль такой системы может распростран тьс  волна типа Е, фазо5 ва  скорость которой Vcp Т/ (

г L.J

погонна  индуктивность, Ср - погонна  емкость). Однако благодар  подключению к перемычке-проводнику 8 боковых пласQ тин 9, что конструктивно достигаетс  щел ми 7, погонна  емкость Ср полосковой линии увеличиваетс . Это увеличение емкости может быть примерно в --- раз

5 (при равенстве рассто ний между соседними щел ми и щириной щели), что приводит к уменьшению фазовой скорости в

, A+V,

раз. В случае, показанном на V Т

л

фиг. 1, когда боковые кромки экрана 6

подключены к вакуумной камере 4, фазоВа  скорость Уср в волноводе с экраном 6 без прорезей-щелей 7 будет несколько больше скорости света С. При наличии щелей фазова  скорость будет уменьшена з

,

V

раз и станет меньше скорости п

света, что обеспечит выполнение услови  доступности Голанта-Стикса. Таким образом , благодар  выполнению экрана 6 со щел ми осуществл етс  замедление распростран ющихс  вдоль волновода-излучател  электромагнитных волн. Поскольку рассто ние между соседними щел ми значительно меньше длины волны, поле между соседними щел ми имеет фазовый сдвит C   и вблизи поверхности экрана со стороны , обращенной к , создаетс  продольное электрическое поле Е со следующим спектром по продольным волновым

числам: основна  гармоника с С и набор высших гармоник с Уф ILf

II / -

частота волны, п , 2, 3. Если рассто ние L достаточно м.ало, так что V 1/т.е

CI/T.C - теплова  скорость электронов в пл1азме), то высшие гармоники не могут излучатьс  в плазму и поле Т1аких гармоник быстро спадает при удалении от поверхности экрана 6.

Поэтому уже на рассто нии пор дка L/2n электромагнитное поле будет иметь вид монохроматически волны с и бл1агодар  этому полю осуществл етс  возбуждение в плазме «медленной волны, унос щей энергию в плазму. Возможно также выполнение щелей в экране таким образом, ЧТО край каждой щели одного р да расположен вблизи середины щели соседнего р да (фиг. 3). В этом случае «шахматного расположени  щелей достижение замедлени  волны, распростран ющейс  вдоль оси Z, может быть объ снено увеличением длины пути дл  тока /, текуЩего по внутренней поверхности экрана 6. При этом может быть достигнуто несколько большее замедление, чем в системе, показанной на фиг. 2. В примере выполнеки  устройства, изображенного на фиг. 1, электромагнитные волны распростран ютс  в обе стороны от возбуждающего волновода 3. Если продольна  длина волновода-излучател  невелика (несколько длин волн), то волновод-излучатель будет работать в режиме резонатора, в котором входной импеданс волновода-излучател  )1меет резонансный характер на дискретных частотах. Если длина волновода-излучател  достаточно велика, так что длина затухани , обуслорленного излучением высокочастотной энергии в плазму, меньше длины волновода-излучател , то устройство будет работать в режиме волновода, когда в волноводе-излучателе существуют только бегущие волны. Такой режим более предпочтителен, так как в этом случае более слабое вли ние оказывает изменение

параметров плазмы на электродинамические характеристики устройства, в частности на его входной импеданс.

На фиг. 4 показан пример выполнени  устройства, в котором достигаетс  излучение в плазму «медленных волн, бегущих вдоль оси камеры в одном направлении. Это достигаетс  благодар  тому, что возбуждающий волновод 3 расположен вблизи одного из концов волновода-излучател .

При этом длина волновода-излучате«1  выбираетс  больше, чем длина затухани  волновода, обусловленного излучением высокочастотной энергии в плазму. В этом случае в волноводе-излучателе будет сушествовать только волна, бегуща  от возбуждающего волновода 3. В таком устройстве можно устр.анить вли ние изменени  параметров плазмы на работу источника высокочастотной энергии, так как согласование всего волноводного тракта не будет зависеть от параметров плазмы. Кроме того, в таком устройстве можно устранить черенковское взаимодействие (поглощение) «медленной волны с быстрыми (убегающими ) электронами плазмы, скорость которых в услови х ловушки типа «Токамак близка к скорости света. Такое взаимодействие нежелательно из-за возможности периферийного нагрева плазмы. Это достигаетс  в случае, если направление дрейфа быстрых электронов и направление распространени  «медленной волны вдоль магнитного пол  противоположны.

Важной особенностью устройства, показанного на фиг. 4,  вл етс  то, что экран 6 в области расположени  патрубкаволновода 3 выполнен сплошным (без щелей ), что позвол ет защитить патрубокволновод 3 от воздействи  излучени  из

плазменного шнура. В этом случае, в сравнении с прототипом, обеспечиваетс  более высока  электрическа  прочность в патрубке-волноводе , а следовательно, и проведение через волновод 3 более высокого уровн  высокочастотной мощности.

При другом применении такого устройства с помощью возбуждаемых в плазме «медленных волн осуществл ют поддержание в ловушке типа «Токамак стационаркого тока. В этом случае возможность возбуждени  в плазме волн, бегущих в одном направлении, позвол ет осуществить увеличение числа электронов плазмы, движущихс  в одном направлении, что и приводит к созданию в плазме электрического тока.

На фиг. 5 показан пример выполнени  устройства, когда в конструкции В1акуумной камеры 4 имеетс  широкий патрубок

10.

Это возможно в больших «Токамаках с параметрами термо дерного реактора. В этом случае волновод-излучатель может быть целиком расположен в патрубке. При этом экран 6 с системой -азимутальных щелей расположен на уровне стенки вакуумной камеры,  вл  сь ее продолжением, а устройство допускает возможность монтажа через патрубок. Возбуждающий волновод 3 при этом занимает часть объема патрубка 10.

На фиг. 6 приведен пример выполнени  предлагаемого устройства, когда дл  его возбуждени  не требуетс  наличие в ва камере пр моугольных патрубков. В этом случае подключение источника высокочастотной энергии к устройству дл  возбуждени  «медленных волн осуществл етс  с помощью коаксиального кабел фидера .11, внешн   оболочка которого подключаетс  к вакуумной камере 4, а внутренн   - к экрану 6. В волноводе-излучателе будет возбуждатьс  аналогичный предыдущему случаю тип волны (волна типа «Е). Достоинством такого устройства  вл етс  возможность осуществить подвод высокочастотной энергии к волноводуизлучателю через небольшие по габаритам патрубки в вакуумной камере 4. Экран 6 волновода-излучател  полностью охватыBiaeT плазменный шнур. Работа такого типа волновода-излучател  принципиально не отличаетс  от работы устройства, когда волновод-излучатель выполнен в виде сектора .

Таким образом, благодар  использованию в предлагаемом устройстве волноводаизлучател  с развитой нзлуч ающей поверхностью становитс  возможным повысить уровень высокочастотной энергии, вводимой в плазму, при относительно невысоких удельных потоках энергии в . Кроме того, применение такого устройства позвол ет просто решить задачу согласовани  источника с (антенной и возбудить в плазме волны с оптимальным спектром по продольным волновым числам. Малые поперечные размеры систем такого типа позвол ют разместить их в orpaHHJ4eHHOM пространстве между плазмой и стенкой вакуумной камеры и, следовательно, с высокой эффективностью использовать объем, в котором создаетс  магнитное поле. Подобные системы могут быть применены также в ловущках других типов, например, в «Стелларатоpax .

Claims (4)

1.Устройство дл  возбуждени  «медленных волн в плазме, наход щейс  в

металлической камере, содержащее волновод-излучатель , соединенный с источником высокоч астотной энергии, отличающеес  тем, что, с целью увеличени  уровн 

вводимой в плазму высокочастотной энергии , волновод-излучатель образован стенкой камеры и экраном, размещенным внутри камеры параллельно ее стенке, причем в экране выполнена система азимутальных .

2.Устройство по п. 1, отличающеес   тем, что щирина каждой щели экрана значительно меньще ее азимутальной длины , а рассто ние между соседними щел ми

вдоль оси камеры примерно равно щирине щели и значительно меньше длины волны.

3.Устройство по п. 1, отличающеес   тем, что источник высокоч астотной энергии подключен к волноводу-излучателю через патрубок-волновод, принем в области располол ени  патрубка-волновода экран выполнен без азимутальных щелей.

4.Устройство по п. 1, отличающеес   тем, что источник высокочастотной

энергии подключен между металлической камерой и экраном через коаксиальный кабель-фидер.

Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе:

1.Лонгинов А. В. и др. Препринт, ХФТИ 72-1, 72-2, т-18687, Харьков, 1972, с. 11- 28.

2.Лонгинов А. В. ЖТФ, XVII, 1591, 1972, с. 14.

3.Голант В. Е. ЖТФ, XVI, 2492, 1972, с. 12.

4. М. Brambilla, Nuclear Fusion, 16, 47, 1976, p. 17 (прототип).

/

/ I

/3

Фиг. 5