Устройство для возбуждения "медленных" волн в плазме

 

ОПИСАНИЕ

< >84I567

Республик

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 18.01.80 (21) 2871063/18-25 с присоединением .заявки— (23) Приоритет— (43) Опубликовано 15.04.82. Бюллетень № 14 (45) Дата опубликования описания 15.04.82 (51) М.Кл з Н 05 Н I/18

Государственный комитет до делам изобретений и открытий (53) УД К 621.384.6 (088.8) (72) Автор изобретения

А. В. Лонгинов

171) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ

«МЕДЛЕННЫХ» ВОЛК В ПЛАЗМЕ

Изобретение относится к устройствам для возбуждения электромагнитных волн в плазме, в частности, предназначено для осуществления высокочастотного нагрева плазмы в термоядерных установках типа

«Токам|ак» и «Стелларатор».

Известно, что одним из наиболее перспективных методов высокочастотного нагрева плазмы является использование нижнего гибридного резонанса. Для осуществления такого метода нагрева необходимо возбуждение «медленных» волн в плазме, фазовая скорость которых вдоль магнитного поля меньше скорости света (С/V, 1,5—

3), что требуется для удовлетворения условия доступности Голанта-Стикса (1).

Известно устройство для возбуждения

«медленных» волн в плазме, представляющее собой систему экранов, охватывающих плазменный .шнур. Экраны разделены друг от друга азимутальными щелями, к кромкам которых подключен источник высокочастотной энертии (2).

Благодаря малой ширине щели относительно ширины экрана в плазме возбуждается широкий спектр волн с различными фазовыми скоростями вдоль направления манитного поля. Это позволяет, в частности, осуществить черенковское поглощение энергии «медленных» волн частицами плазмы. Однако использование волн с широким спектром по фазовым скоростям приводит к усиленному поглощению высокочастотной энергии в периферийных областях плазменного шнура в результате черенковского взаимодействия и, следовательно, к уменьшению потока энергии волны, достигающей области нижнего гиб10 ридного резонанса в глубине плазмы.

Известна также возбуждающая система типа «гребенка», использующая для создания замедления волны гофрировку вну15 тренней поверхности вакуумной тсамеры (3).

В таких системах легко получить необходимое замедление при сохранении сравнительно небольших габаритов системы. Однако данные системы могут работать толь20 ко в случае, если между поверхностями плазмы и плазменного шнура существует вакуумный промежуток, через который осуществляется перенос высокочастотной энергии вдоль излучающей поверхности.

В условиях же реальных термоядерных ловушек плотность частиц плазмы вблизи излучающих поверхностей остается существенной, что может привести к сильной связи излучающей поверхности с плазмой и, как следствие, к малой эффективной

841567 длине излучения и к расширению спектра возбуждаемых в плазме волн.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство для возбуждения «медленных» волн в плазме, находящейся в металлической камере, содержащее волновод-излучатель, соединенный с источником высокочастотной энергии (4).

В качестве излучателя используется от крытый конец волновода. Для этих целей в металлической вакуумной камере термоядерной ловушки, например, типа «Токамак» выполняются прямоугольные патрубки, которые используются в качестве волноводов. С одной стороны такой волновод подключен к источнику высокочастотной энергии, с другой — открытый конец волновода, обращенный к плазме, выполняет функции антенны-излучателя. Используется также система сфазированных волноводов, размещенных в одном патрубке, что позволяет сузить спектр по продольным фазовым скоростям возбуждаемых в плазме колебаний, Известное устройство обладает, как правило, малой площадью поперечного сечения патрубков по сравнению с общей площадью поверхности плазменного шнура. Это обстоятельство требует ввода в плазму высокочастотной энергии с высоким значением удельного потока, что приводит к большим значениям напряженности электрического поля в плазме особенно в области антенны и, как следствие, к развитию параметрических неустойчивостей, приводящих к поглощению электромагнитных волн на поверхности плазменного шнура. Кроме того, в та«их устройствах спектр возбуждаемых в плазме колебаний:даже в случаеиспользования нескольких сфазированных волноводов имеет весьма существенные коротковолповые составляющие, что также может привести к нежелательному периферийному нагреву плазмы из-за черенковского взаимодействия волн с электронами, особенно с

«убегающими» электронами, концентрация которых значительна в ловушках типа «Токамак», Недостатком таких устройств является также весьма сильная неоднородность напряженности электрического поля по сечению излучающего волновода в месте его раскрыва. Так как волновод открыт со стороны плазмы, то в условиях интенсивного облучения из плазменного шнура возникает опасность развития дуговых разрядов. Кроме того, при изменении параметров плазмы в течение рабочего импульса возможно существенное изменение коэффициента отражения от излучаняцего конца волновода, что затрудняет согласование всего волноводного тракта.

Целью изобретения является увеличение уровня вводимой в плазму высокочастотной энергии.

l5

25 зо

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для возбуждения «медленным» волн в плазме, находящейся в металлической камере, содержащем волновод-излучатель, соединенный с источником высокочастотной энергии, волновод-излучатель образован стенкой металлической камеры и экраном, размещенным внутри камеры параллельно ее стенке, првчем в экране выполнена система азимутальных щелей. Ширина каждой щели экрана значительно меньше ее азимутальной длины, а расстояние между соседними щелями вдоль оси камеры примерно равно ширине щели и значительно меньше длины волны. Источник высокочастотной энергии подключен к волноводу-излучателю через патрубок-волновод. В области расположения патрубка волновода экран выполнен без азимутальных целей. Источник высокочастотной энергии подключен между металлической камерой и экраном через коаксиальный кабель-фидер.

В волноводе-излучателе, обр азованном стенкой металлической камеры и экраном, параллельным стенкам камеры, вдоль оси иамеры может распространяться электромагнитная волна, фазовая скорость которой благодаря наличию системы азимутальных щелей может быть меньше скорости света, что обеспечивает удовлетворительные условия доступности ГолантаСтикса. Кроме того, благодаря наличию азимутальных щелей-секторов на внешней стороне экрана; обращенной к поверхности плазменного шнура, возникает «возбуж,дающее» электромагнитное поле, поляризация которого обеспечивает возбуждение в плазме «мвдленной» волны, уносящей энергию вглубь плазмы. При этом становится возможным осуществить транспортировку электромагнитной энергии от места подключения высокочастотного источника вдоль плазменного шнура в вакуумной, 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 становится возможным значительное увеличение общей высокочастотной энергии, вводимой в плазму. Наиболее оптимальные параметры «возбуждающего» поля на поверхности экрана волновода-излучателя достигаются в устройстве, в котором ширина каждой щели экрана значительно меньше ее азимутальной длины, .а расстояние между соседними щелями вдоль оси камеры примерно равно ширине щели и значительно меньше длины волны. Благодаря малому расстоянию между соседними щелями по сравнению с длиной волны и примерному равенству расстояния между щелями и шириной щели достигается уменьшение интенсивности в спектре

841 б67

«возбуждающего» поля коротковолновых гармоник по сравнению с основной (рабочей) гармоникой, что позволяет свести к минимуму уровень возбуждаемых в плазме сильнозамедленных волн, которые изза черенковского механизма могут поглощаться на периферии плазменного шнура.

Кроме того, благодаря значительному различию между шириной щели и ее азимутальной длиной, а также указанному соотношению между шириной щели и расс.оянием между соседними щелями достигается сильное замедление возбуждаемой в плазме волны, что позволяет обеспечить достижение условия доступности ГолантаСтикса.

Для обеспечения эффективного возбуждения волновода-излучателя от источника высокочастотной энергии используется уст ройство, в котором источник высокочастотной энергии подключен к волноводу-излучателю через патрубок-волновод, причем в области расположения патрубка-волновода экран выполнен без азимутальных щелей.

Использование патрубка-волновода обеспечивает необходимую поляризацию возбуждаемых в волноваде-излучателе колебаний, а также достичь хорошего согласования импедансов волновода-излучателя и всего волноводного тракта, соединяющего высокочастотный источник с нагрузкой.

При этом патрубок-волновод недоступен излучению из плазмы из-за наличия между плазмой и патрубком сплошного экрана волновода-излучателя, что позволяет без опасности электрического пробоя увеличить уровень потока энергии через па трубок-волновод. Источник высокочастотной энергии может быть подключен между металлической камерой и экраном через коаксиальный кабель-фидер. Когда внешний проводник кабеля-фидера подключен к камере, а внутренний — к экрану, в волноводе-излучателе будут возбуждаться кблебания, по поляризации аналогичные предыдущему случаю, при котором возбуждение волновода-излучателя осуществлялось через волновод-патрубок. При этом для ввода высокачастотной энергии внутрь камеры могут быть использованы небольшие по размерам патрубки.

На фиг. 1 приведен пример выполнения предлагаемого устройства в ловушке, имеющей прямоугольный патрубок; на фиг. 2 и

3 — упрощенная схема устройства, объясняющая ее электрод инамические свойства; на фиг. 4 — пример выполнения устройства, в котором обеспечивается возбуждение волн, бегущих в одну сторону; на фиг. 5 — пример выполнения устройства при налщчии в вакуумной камере широкого патрубка; на фиг. 6 — устройство, в котором подключение к источнику высокочастотной мощности осуществляется при помощи коаксиальных кабелей-фидеров.

66 (при равенстве расстояний между соседними щелями и шириной щели), что приводит к уменьшению фазовой скорости в 1! раз. В случае, гоказанном на

Ч фиг. 1, когда боковые кромки экрана 6 подключены к вакуумной камере 4, фазовая скорость V,p â волноводе с экраном 6 без прорезей-щелей 7 будет несколько больше скорости света С. При наличии щелей фазовая скорость будет уменьшена в

В примере выполнения устройства, показанном на фиг. 1, источник высокочастотной энергии 1 через волноводный тракт

2 подключен к патрубку-волноводу 3, являющемуся частью металлической вакуумной камеры 4 магнитной ловушки. Диэлектрическое окно 5 в патрубке-волноводе 3 служит для разделения вакуумной части ловушки от объема, соединенного с атмосферой. В области подключения патрубкаволновода 3 к вакуумной камере 4 расположен волновод-излучатель, образованный стенкой вакуумной камеры 4 и экраном 6.

Экран 6 выполнен в виде сектора, края коl5 торного соединены с вакуумной камерой 4, причем в экране 6 имеется несколько рядов азимутальных щелей 7. Ширина каждой щели 7 значительно меньше длины щели, а расстояние между соседними щелями примерно равно ширине щели.

Устройство (фиг. 1) работает следующим образом.

Электромагнитная волна типа Е, распросграняясь в волноводе 3, возбуждает в волноводе-излучателе 6 аналогичного типа волну, которая распространяется в обе сторны от места подключения волновода 3 вдоль оси вакуумной камеры 4. Благодаря наличию системы азимутальных

30 щелей фазовая скорость вдоль направления распространения имеет меньшее значение, чем в гладком волноводе, в котором фазовая скорость V ð обычно больше скорости света.

На фиг. 2 показана часть экрана 6 со щелями 7. Продольная перемычка-проводник 8 экрана, образованная той частью экрака, в которой отсутствуют щели, явля40 ется по сути обкладкой полосковой линии, образованной экраном и поверхностью вакуумной камеры. Вдоль такой системы может распространяться волна типа Е, фазо. Г1., 45 вая скорость которой У,р — — "=C (1,—

Р погонная индуктивность, Ср — погонная емкость). Однако благодаря подключению к перемычке-проводнику 8 боковых пластин 9, что конструктивно достигается щелями 7, погонная емкость С полосковой линии увеличивается. Это увеличение ем - /, кости может быть примерно в " раз

841567

10 + / раз и станет меньше скорости

71 света, что обеспечит выполнение условия доступности Голанта-Стикса. Таким образом, благодаря выполнению экрана 6 со щелями осуществляется замедление распространяющихся вдоль волновода-излучателя электромагнитных волн. Поскольку расстояние между соседними щелями значительно меньше .длины волны, поле между соседними щелями имеет фазовый сдвиг р((л и вблизи поверхности экрана со стороны, обращенной к плазме, создается продольное электрическое поле Е, со следующим спектром по продольным волновым числам: основная гармоника с V4, С и набор высших гармоник с V,, /L и частота волны, п = 1, 2, 3. Если расстояние Lдостаточно мало,,так ч — î V4, < V„., п (V„,„, — тепловая скорость электронов в плазме), то высшие гармоники не могут излучаться в плазму и поле таких гармоник быстро спадает при удалении от поверхности экрана 6.

Поэтому уже на расстоянии порядка

1.12л электромагнитное поле будет иметь вид монохроматической волны с V„,(Ñ и благодаря этому полю осуществляется возбуждение в плазме «медленной» волны, уносящей энергию в плазму. Возможно также выполнение щелей в экране таким образом, что край каждой щели одного ряда расположен вблизи середины щели соседнего ряда (фиг. 3) . В этом случае

«шахматного» расположения щелей достижение замедления волны, распространяющейся вдоль бси Z, может быть объяснено увеличением длины пути для тока 1, текущего по внутренней поверхности экрана 6.

При этом может быть достигнуто несколько большее замедление, чем в системе, показанной на фиг, 2. В примере выполкения устройства, изображенного на фиг. 1, электромагнитные волны распространяются в обе стороны от возбуждающего волновода 3. Если продольная длина волновада-излучателя невелика (несколько длин волн), та волновод-излучатель будет работать в режиме резонатора, в котором входной импеданс волновода-излучателя имеет резонансный характер на дискретных частотах. Если длина волновода-излучателя достаточно велика, так что длина затухания, обусловленного излучением высокочастотной энергии в плазму, меньше длины вол новода-излучателя, то устройство будет работать в режиме волковода, ког!

65 да в волноводе-излучателе существуют только бегущие волны. Такой режим более предпочтителен, так как в этом случае более слабое влияние оказывает изменение параметров плазмы на электродинамические характеристики устройства, в частности на его входной импеданс.

На фиг. 4 показан пример выполнения устройств а, в котором достигается излучение в плазму «медленных» волн, бегущих вдоль оси камеры в одном направлении.

Это достигается благодаря тому, что возбуждающий волновод 3 расположен вблизи одного из концов волновода-излучателя.

При этом длина волновода-излучателя выбирается больше, чем длина затухания волновода, обусловленного излучением высокочастотной энергии в плазму. В этом случае в волноводе-излучателе будет существовать только волна, бегущая от возбуждающего волновода 3. В таком устройстве можно устранить влияние изменения 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 условиях ловушки типа «Токамак» близка к скорости света. Такое взаимодействие нежелательно из-за возможности периферийного нагрева плазмы. Это достигается в случае, если направление дрейфа быстрых электронов и направление распространения «медленной» волны вдоль магнитного поля противоположны.

Важной особенностью устройства, показанного на фиг. 4, является то, что экран 6 в области расположения патрубкаволновода 3 выполнен сплошным (без щелей), что позволяет защитить патрубокволновод 3 от воздействия излучения из плазменного шнура. В этом случае, в сравнении с прототипом, обеспечивается более высокая электрическая прочность в патрубке-волноводе, а следовательно, и проведение через волновод 3 более высокого уровня высокочастотной мощности.

При другом применении такого устройства с помощью возбуждаемых в плазме

«медленных» волн осуществляют поддержание в ловушке типа «Токамак» стационарного тока. В этом случае возможность возбуждения в плазме волн, бегущих в одном направлении, позволяет осуществить увеличение числа электронов плазмы, движущихся в одном направлении, чта и приводит к созданию в плазме электрического тока.

На фиг. 5 показан пример выполнения устройства, когда в конструкции в|акуумной камеры 4 имеется широкий патрубок

10.

841567

Это возможно в больших «Токамаках» с параметрами термоядерного 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, являясь ее продолжением, а устройство допускает возможность монтажа через патрубок. Возбуждающий волновод 3 при этом занимает часть объема патрубка 10.

На фиг. 6 приведен пример выполнения предлагаемого устройства, когда для его возбуждения не требуется наличие в вакуумной камере прямоугольных патрубков.

В этом случае подключение источника высокочастотной энергии к устройству для возбуждения «медленных» волн осуществляется с помощью коаксиального кабеляфидер а 11, внешняя оболочка которого подключается к вакуумной камере 4, а внутренняя — к экрану 6. В волноводе-излучателе будет возбуждаться аналогичный предыдущему случаю тип волны (волна типа «E»). Достоинством такого устройства является возможность осуществить п6двод высокочастотной энергии к волноводуизлучателю через небольшие по габаритам патрубки в вакуумной камере 4. Экран 6 волновода-излучателя полностью охватывает плазменный шнур. Работа такого типа волновода-излучателя принципиально не отличается от работы устройства, когда волновод-излучатель выполнен в виде сектора. -э Я

Таким образом, благодаря использованию в предлагаемом устройстве волноводаизлучателя с развитой излучающей поверхностью становится возможным повысить уровень высокочастотной энергии, вводимой в плазму, при относительно невысоких удельных потоках энергии в плазме. Кроме того, применение такого устройства позволяет просто решить задачу согласования источника с антенной и возбудить в плазме волны с оптимальным спектром по продольным волновым числам. Малые поперечные размеры систем такого типа позволяют разместить их в ограниченном пространстве ме жду плазмой и стенкой вакуумной камеры и, следовательно, с высокой эффективностью использовать объем, в котором создается магнитное поле. Подобные системы могут быть применены также в ловушках других типов, например, в «Стелларато5 рах».

Формула изобретения

1. Устройство для возбуждения «мед10 ленных» волн в плазме, находящейся В металлической камере, содержащее волновод-излучатель, соединенный с источником высокочастотной энергии, о т л и ч а ю щ е еся тем, что, с целью увеличения уровня вводимой в плазму высокочастотной энергии, волновод-излучатель образован стенкой камеры и экраном, размещенным внутри камеры параллельно ее стенке, причем в экране выполнена система азимутальных ще20 лей.

2. Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что ширина каждой щели экрана значительно меньше ее азимутальной длины, а расстояние между соседними щелями

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

3. Устройство по п. 1, отл и ч а ющеес я тем, что источник высокочастотной энергии подключен к волноводу-излучателю чез0 рез патрубок-волновод, причем в области расположения патрубка-волновода экран выполнен без азимутальных щелей.

4. Устройство по п. 1, отл и ч а ющеес я тем, что источник высокочастотной

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

Источники информации, принятые во

40 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, р. 17 (прототип).

841567

Фиг 5

Составитель Е. Гусарова

Техред А. Камышникова

Тип. Харьк. фил. пред. «Патент»

Редактор И. Гохфельд Корректор И. Осиновскае

Заказ 366/273 Изд. № 129 Тираж 856 Подписное

НПО «Поиск» Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Я-35, Раушская наб., д. 4/5