Способ подавления параметрической неустойчивости неоднородной плазмы и устройство для его реализации

Изобретение относятся к области плазменной техники, в частности к способам нелинейного взаимодействия мощного электромагнитного излучения с плазмой и нагрева плазмы электромагнитным излучением, а также к устройствам для их осуществления. Технический результат - увеличение эффективности нагрева плазмы. Для подавления абсолютной параметрической неустойчивости в плазме, которая возбуждается при нагреве плазмы СВЧ излучением в области резонанса на плазменной частоте, кроме СВЧ волны накачки в подводящий волновод подается дополнительная СВЧ волна, частота которой больше или меньше частоты СВЧ волны накачки на величину порядка 0.95÷1 МГц, а ее мощность равна 1÷10 мВт и составляет 5÷50% от уровня порога развития абсолютной параметрической неустойчивости вынужденного рассеяния назад, возбуждаемой СВЧ волной накачки, что приводит к подавлению абсолютной параметрической неустойчивости более чем на три порядка величины и, как следствие, к увеличению эффективности нагрева плазмы. Устройство содержит объем с неоднородной плазмой в магнитном поле, подводящий и принимающий волноводы, генератор СВЧ волны накачки и генератор дополнительной СВЧ волны, узкополосный фильтр, СВЧ детектор, СВЧ тройник, ферритовые вентили. Выход генератора дополнительной СВЧ волны через ферритовый вентиль подключен к входу СВЧ тройника. Выход генератора СВЧ волны накачки через ферритовый вентиль подключен ко второму входу СВЧ тройника. Выход СВЧ тройника соединен с подводящим волноводом, который подводит СВЧ излучение на двух частотах к плазменному объему. Принимающий волновод через ферритовый вентиль подключен к узкополосному фильтру. Выход фильтра подключен к СВЧ детектору, позволяющему контролировать уровень параметрически рассеянного сигнала. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относятся к области плазменной техники, в частности к способам нелинейного взаимодействия мощного электромагнитного излучения с плазмой и нагрева плазмы электромагнитным излучением, а также к устройствам для их осуществления, и может быть использовано для управления абсолютной параметрической неустойчивостью в неоднородной плазме.

Известны способ и устройство подавления абсолютной параметрической неустойчивости в плазме с использованием гармонической частотной модуляции накачки для управления параметрическими неустойчивостями в плазме [1], содержащие объем с неоднородной плазмой в магнитном поле, волноводный тракт, свип-генератор, генератор зондирующей волны, ВЧ (высокие частоты) генератор, ферритовые вентили. Для достижения максимального подавления абсолютной параметрической неустойчивости необходим ручной подбор частоты модуляции СВЧ (сверхвысокие частоты) мощности свип-генератора.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению являются способ и устройство подавления абсолютной параметрической неустойчивости в плазме с использованием частотной модуляции СВЧ волны накачки с управлением по обратной связи для управления параметрическими неустойчивостями в плазме [2], содержащие объем с неоднородной плазмой в магнитном поле, подводящий и принимающий волноводы, свип-генератор, генератор зондирующей волны, узкополосный фильтр, СВЧ детектор, СВЧ тройник, ферритовые вентили. Недостатком данного способа и устройства является то, что частотная модуляция волны накачки трудно реализуема при высоких (лазерных) частотах, а также в случае мощных генераторов микроволн.

Задачей данного изобретения является подавление абсолютной параметрической неустойчивости неоднородной плазмы, возбуждающейся при воздействии на плазму мощного электромагнитного излучения (СВЧ и лазерного) с целью увеличения эффективности нагрева плазмы.

Задача решается за счет того, что в предлагаемом способе подавления абсолютной параметрической неустойчивости неоднородной плазмы, возбуждаемой СВЧ волной накачки, в плазму одновременно с СВЧ волной накачки через подводящий волновод подают дополнительную СВЧ волну, частота которой больше или меньше частоты СВЧ волны накачки на величину порядка 0.95÷1 МГц, мощность дополнительной СВЧ волны равна 1÷10 мВт и составляет 5÷50% от уровня порога образования абсолютной параметрической неустойчивости вынужденного рассеяния назад СВЧ волны накачки.

Для осуществления предложенного способа предлагается устройство, включающее объем с неоднородной плазмой в магнитном поле, генератор СВЧ волны накачки, подводящий и принимающий волноводы, узкополосный фильтр, СВЧ детектор, СВЧ тройник, ферритовые вентили, содержит генератор дополнительной СВЧ волны, соединенный с подводящим волноводом через СВЧ тройник.

Предлагаемый способ и устройство для его реализации позволяют уменьшить уровень параметрически рассеянного сигнала более чем на три порядка величины и, как следствие, увеличить эффективность нагрева плазмы.

На чертеже представлена общая схема устройства.

Устройство включает объем 1 с неоднородной плазмой в магнитном поле, подводящий волновод 2, принимающий волновод 3, генератор СВЧ волны накачки 4, генератор дополнительной СВЧ волны 5, узкополосный фильтр 6, СВЧ детектор (анализатор спектра) 7, СВЧ тройник 8, ферритовые вентили 9, 10, 11.

Согласно изобретению выход генератора СВЧ волны накачки 4 через вентиль 11 подключен ко входу В СВЧ тройника 8, а выход генератора дополнительной СВЧ волны 5 через вентиль 9 подключен ко входу А СВЧ тройника 8. Выход СВЧ тройника соединен с подводящим волноводом 2, который подводит СВЧ излучение к плазменному объему 1. Принимающий волновод 3 через СВЧ вентиль 10 подключен к узкополосному фильтру 6. Выход узкополосного фильтра 6 подключен к СВЧ детектору (анализатору спектра) 7.

Устройство работает следующим образом.

Неоднородная вдоль магнитного поля плазма создается в объеме 1. Дополнительно плазма нагревается СВЧ излучением в области гибридного резонанса на плазменной частоте. При мощности выше пороговой (пороговая мощность порядка 20 мВт) возбуждается абсолютная параметрическая неустойчивость вынужденного рассеяния назад, приводящая к снижению эффективности нагрева. Для подавления абсолютной параметрической неустойчивости в плазме одновременно с СВЧ волной накачки в подводящий волновод подается дополнительная СВЧ волна на смещенной частоте, мощность которой меньше пороговой мощности возбуждения абсолютной параметрической неустойчивости вынужденного рассеяния назад. Для получения дополнительной СВЧ волны, подаваемой вместе с СВЧ волной накачки, согласно изобретению, используется генератор дополнительной СВЧ волны 5, частота генерации которого больше или меньше частоты СВЧ волны накачки на величину порядка 0.95÷1 МГц. Мощность генератора дополнительной СВЧ волны ниже порога развития абсолютной параметрической неустойчивости. Рассеянный сигнал накачки через волновод 3 подается на узкополосный фильтр 6 и детектируется СВЧ детектором 7. В процессе фильтрации и детектирования из СВЧ сигнала выделяется ВЧ компонента, несущая информацию о спектре и уровне ионно-звуковых волн, возбуждаемых в результате параметрического рассеяния СВЧ накачки.

При практическом осуществлении модели плазма (концентрация электронов ~10¹² см^-3) создается в кварцевом баллоне 1 с внутренним диаметром 2r₀=1.8 см и длиной около 1 м, наполненном аргоном при давлении ~3 Па и помещенном в магнитное поле напряженностью ~ 3 кГс, СВЧ излучением частотой 9,9 ГГц, в результате электронного циклотронного пробоя.

Дополнительно по волноводу 2 от генератора СВЧ волны накачки 4 к плазме подводится СВЧ излучение частотой 2.35 ГГц и мощностью порядка 40 мВт. Под действием этой мощности в плазме возбуждается абсолютная распадная параметрическая неустойчивость вынужденного рассеяния назад (l₀→l'+s), препятствующая дальнейшему нагреву плазмы за счет параметрического отражения волны накачки. При этом в спектре рассеянного сигнала, кроме основной частоты f_н, наблюдается сигнал на смещенной частоте f_н-f_s, (f_s~3 МГц).

Для подавления абсолютной параметрической неустойчивости вынужденного рассеяния назад, кроме СВЧ волны накачки на частоте 2.35 ГГц, по подводящему волноводу 2 к плазме подводится дополнительная СВЧ волна на смещенной частоте f_д, мощность которой 10 мВт. Эта мощность меньше пороговой мощности возбуждения абсолютной параметрической неустойчивости вынужденного рассеяния назад. Для получения дополнительной СВЧ волны, согласно изобретению, используется генератор дополнительной СВЧ волны 5, частота генерации которого больше или меньше частоты генерации генератора СВЧ волны накачки 4 на величину порядка 0.95÷1 МГц.

Рассеянный сигнал накачки, несущий информацию об абсолютной параметрической неустойчивости, выделяется фильтром 6 (с полосой пропускания ~ 200 кГц) и подается на СВЧ детектор 7.

Использование способа и устройства позволяет уменьшить уровень параметрически рассеянного сигнала более чем на три порядка величины, а следовательно, подавить абсолютную параметрическую неустойчивость и увеличить эффективность нагрева плазмы.

Источники информации

1. Архипенко В.И., Будников В.Н., Гусаков Е.З. и др. Параметрическая распадная неустойчивость неоднородной плазмы при частотно-модулированной накачке // Физика плазмы, 2000, т.26, с.340-345.

2. Патент №4557 Республики Беларусь, МКИ⁸: Н05Н 1/24 Устройство для подавления параметрической неустойчивости в плазме (прототип).

1. Способ подавления абсолютной параметрической неустойчивости неоднородной плазмы, возбуждаемой СВЧ-волной накачки, отличающийся тем, что одновременно с СВЧ-волной накачки в подводящий волновод подают дополнительную СВЧ-волну, частота которой больше или меньше частоты СВЧ-волны накачки на величину порядка 0.95÷1 МГц, а ее мощность равна 1÷10 мВт и составляет 5÷50% от уровня порога образования абсолютной параметрической неустойчивости вынужденного рассеяния назад, возбуждаемой СВЧ-волной накачки.

2. Устройство для подавления параметрической неустойчивости неоднородной плазмы, включающее объем с неоднородной плазмой в магнитном поле, генератор СВЧ-волны накачки, подводящий и принимающий волноводы, узкополосный фильтр, СВЧ-детектор, СВЧ-тройник, ферритовые вентили, отличающееся тем, что содержит генератор дополнительной СВЧ-волны, соединенный с подводящим волноводом через СВЧ-тройник.