Устройство для возбуждения электромагнитных волн в плазме

 

,",„ „. .."., .",."..".*, О П И С А Н И Е

ИЗОБРЕТЕНИЯ

1»184574

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 27.12.79 (21) 2859987/18-25 (51) 11.Кл. H 05 Н 1/

Ci2I В 1/

l8

0 с Iðèсоедпнением заязки— (23) Приоритет—

Государственный комитет

1 (43) Опубликовано 15.04.82. Бюллетень № 14 (53) УДК 621 039.62

1 (088.8) (45) Дата опубликования описания 15.04.82 1 по делам изобретений и открытий (72) Авторы изобретения

А. В. Лонгинов и К. H. Степанов (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН В ПЛАЗМЕ

ГОй лька1-1 апоия, асвиовУ1О мслобез

ЬГХ етПОк7льШвое

iь неотИзобретение относится к физике высокотемпературной плазмы и может быть использовано для возбуждения электромагпиткых волн в плазме, в частности для высокочастотного нагрева плазмы в термоядерных установках типа «Токамак» или

«Стелларатор».

Возбуждение в магнитоактивной плазме «быстрых» волн может быть использовано для различных целей при решении .::..Обле i 3 Г!павляемого —: Гримо,1.:,сp,ñÃÎ c:. I,с,а. 11 частности для осушествления нагрева плазмы, для создания стационарного то: в токамаке и т. и. Для генерации этих волн в плазме необходимо использование специальных возбуждающих систем, создающих электрические поля на поверхности плазмы, перпендикулярные к направлению основного магнитного поля, что эквивалентно созданию возбуждающих токов, ориентированных в том же направлении. Кроме того, фазовая скорость таких волн вдоль направления магнитного поля для основных методов высокочастотного нагрева плазмы должна быть меньше скорости света.

Известна система возбуждения таких волн в плазме, предложенная Стиксом, которая представляст собой катушку, помещенную на керамическом участке вакуумной камеры (1). Обеспечение необходп фазовой скорости волны вдоль направч ния магнитного поля достпгается в рез тате использования нескольких таких тушек, причем в соседних катушках правление азимутальных токов против ложно.

Недостатком таких систем является сокое значение волнового сопротивле1 что приводит к значительным высоко тотным напряжениям и к опасности ра тпя электрических пробоев. Особенно ci. но проявляются эти недостатки в уста ках, в которых необходимо возбуждаю систему помещать внутрь вакуумной кГ ры, По этой причине такие системы в вушках внутри металлической камеры керамического участка пе используютс .

Известны та кже систсмы, в кото

2О возбуждение быстрых волн осущсствл ся с помощью одиночных витков либо лувитков, которые помешены внутри в: умной камеры (2). Такие системы псп зуются в установках типа «Токамак

25 представляют собой модификацию кат . ки Стикса, у которой снижено волн сопротивление, Хотя в подобных систе высокочастотные напряжения могут б значительно снижены, однако в случае обходимости ввода в плазму высокочас

845743 ной энергии при высоких уровнях мощности величина высокочастотного потенциала на элементах системы все же весьма значительна, что вызывает трудности в обеспечении электрической прочности таких систем. Кроме того, в таких системах значительной величины достигают продольные электрические поля, которые приводят к нежелательным эффектам в периферийных областях плазменного шнура (генерация

«медленных» волн и периферийный нагрев плазмы, развитие турбулентных процессов на периферии шнура и т. п.). С целью устранения этих полей приходится использовать дополнительные элементы, например систему проводников типа «беличья клет«а».

Недостатком таких систем является широкий спе .тр (по продсльным волновым числам) возбуждаемых в плазме колебаний, что для ряда методов нагрева приводит к снижению эффективности нагрева (например, ри использовании черенковского поглощения энергии волн |частицами плазмы. Хотя сужение спектра может быть достигнуто при одновременном использовании нескольких таких витков, однако необходимость создания жестких фазовых соотношени" для токов, протекающих в соседних витках, приводит к существенному конструкторскому усложнению таких систем.

Наиболее .близким к изобретению по технической сущности является устройство для возбуждения электромагнитных волн в плазме, находящейся в металлической камере, состоящее из источника высокочастотной энергии, подводящего фидера и излучающей поверхности (3). В качестве излучающей поверхности в таком устройстве используется поверхность диэлектрического оезонатора, размещенного между поверхностью плазмы и стенкой камеры. В таком устройстве можно обеспечить требуемую структуру электромагнитного поля, позволяющую возбуждать «быстрые» волны в плазме, а также обеспечить необходимое замедление. Кроме того, в данных устройствах могут полностью отсутствовать продольные электрические поля вблизи поверхности плазмы и, таким образом, устраняются нежелательные эффекты, связанные с возбуждением «медленных» волн г плазме. Главным достоинством подобногo устройства является возможность ввов плазму высокочастотной энергии при весьма высоком уровне мощности, требуемом, например, для осуществления нагре ва плазмы.

Однако в таких устройствах для осу1цествления резонаторных (полноводных) свойств необходимо использование диэлектриков с достаточно высоким значением

1иэлектрической проницаемости (— 100) . . роме того, так как минимальная толщи10

Зо

65 на диэлектрика должна быть порядка длины волны в диэлектрике, габариты таких систем, особенно при использовании OTHосительно низких частот оказываются весьма значительными. При этом возможности диэлектрика с точки зрения его электрической прочности используются весьма недостаточно. Существенным недостатком таких систем является необходимость изготовления сложных по форме и значительных по объему диэлектрических элементов, технология изготовления которых весьма дорогостоюща.

Цель изобретения — упрощение конструкции устройства для возбуждения электромагнитных волн.

Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве для возбуждени;, электромагнитных волн в плазме, находящейся в металлической камере, состоящем из источника высокочастотной энергии, подводящего филера и излучающей поверхности, излучающая поверхность выполнена в виде металлической пластины-сектора, расположенного вблизи стенки камеры, параллельно ей, причем длина пластины вдол -. оси камеры больше ее ширины, а между пластиной-сектором и поверхностью камеры размещены равномерно вдоль оси камеры ем костные элементы.

Система «пластина-сектор — диэлектрик-металлическая камера» обладает свойством направляющей системы, вдоль которой (параллельно оси камеры) может распространяться электромагнитная волна.

Прн этом фазовая скорость волны может быть меньше скорости света. На азимутальных кромках пластин-секторов возбуждаются токи, текущие по внешней, обращенной к плазме поверхности пластин. Эти токи и являются «возбуждающими» токами, вызывающими генерацию «быстрых» электромагнитных волн в плазме, которые уносят вглубь плазменного шнура электромагнитную энергию. Так как в такой системе фазовая скорость волны, распространяющейся вдоль системы, весьма слабо зависит от расстояния между пластиной-сектором и поверхностью камеры, то это р асстояние может быть выполнено весьма малым, что позволяет, во-первых увеличить эффективность использования объема камеры для размещения плазменного шнура, во-вторых, эффективно использовать диэлектрик, так как в этом случае толщину диэлектрика можно выбирать только из условия полного использования его электрической прочности. Кроме того, в такой системе становится возможным использование в качестве емкостного элемента вместо сплошного диэлектрика набора из отдельных емкостных элементов, выполненных например, в виде отдельных конденсаторов, либо систем типа «гребен845743 ка в гребенке», «гребенка под плоскостью» ит. п.

С целью увеличения КПД излучающей поверхности параметры емкостных элементов и азимутальные размеры пластинсекторов выбираются такими, чтобы азимутальная ширина пластины была больше, чем половина длины волны, распространяющейся в области между пластинами-секторами и поверхностью камеры. т0

В этих условиях оказывается возможным существование волн, распространяющихся вдоль системы, распределение поля г, азимутальном каправлении для которых обладает следующей особенностью: вектор т5 электрического поля между пластиной и поверхносттью камеры на противоположных азимутальных кромках пластин-секторов имеет различное направление. В этом случае по внешней поверхности пластин- 20 секторов, обращенной к поверхности плазмы, будет протекать «возбуждающий» азимутальный ток, плотность которого примерно одинакова по всей ширине пластины-сектора. Это обстоятельство позво- 2з ляет обеспечить относительно высокое значение удельного потока энергии, уносимой в плазму, по сравнению с Hoòol

В противоположном случае, когда ширина пластины-сектора меньше половины длины волны, также могут существовать волны, распростракяющ!теся вдоль системьь Однако в этом случае электрическое поле на противоположных кромках пластин имеет одинаковое направление. По3To3vfA <<Возбу>!<да!ощт!Й» aз: м T?.:bEIbIH ток на внешней стороне пластин будет сосре- 40 доточен только вблизи азпмутальных кромок пластин (в середине гластин плотность этого тока равна кулю)., а его величина будет весьма мала. В таком случае связь направляющей системы с плазмой 4З оказывается существенно меньше, чем в прель!душем случае, что может привести значительному повышению доли омми ческих потерь в устройстве, и, таким образом, к уменьшению КПД. 50

С целью устранения продольных электрических полей в плазме, длина пластины-сектора выбирается равной или больпте головины !липы во.т.!Hi, ",",0!!I!bi плаcTHHbI-сектора соедт!нсн11 мета лли-тескпмп пластинами с камерой.

Соединение концов пластины-сектора с камерой через металлические закоротки позволяет устранить про, ольпые электрические поля не только на поверхности излучаемого элемента, но и на его концах. В этом случае в предлагаемой системе по 1HocTbIo искл!Очается B036 IK.!cE Hc тельной «медленной» волны, 1:оторая может приводить, в частности, к нагреву пеа.е. ия

К0оы епх коороиттде си ов

01 0

<ОЙ исв ратся зОньсли ти, наых тся ля ись пo110 ть

Воп егуте 1ротбпС целью возбуждения в плазме щих в одном направлении вдоль плаз ного шнура электромагнитных волн, дольная длина пластин-секторов в рается больше длины затухания во распростр аняющейся в области м пластинами-секторами и металличе камерой, а источник высокочасто энергии подключек к пластинам-сект вб.п:з;. одно-.о ..тз его концов.

Благодаття тат:,0 !1 BLHIO,"HCHli!0 3 CT ства в пространстве между пласти сет.тором Il металлпческой камерой и

T!i !åcI

1 .0 1

11011 пам онойттка и д

l! n1i тбхобесО 12приных риферии плазменного шнура. Для сох нения резонансных свойств устройства, для обеспечения условий существова резонансной частоты, длина пластины-с тора должна быть больше аксиальной ловины длины волны. При этом элект дттнами1ческие характеристики систе практически не изменяются, за искл кием того, что введение закорачиваю пластин соответствует использованию правляющей системы с электрически з роченными концами.

В ловушках сте тгтаратортптго либо сатронного типа пластина-сектор ра лагается в области разрушенных маг ных поверхностей и выполняется в в винтовой поверхности под углом к камеры, равным углу навивки полю винтовых обмоток. как В;тОВ| ш нах сТс. тл ар вторl либо торсатронного типа с металлнчес вакуумной камерой наиболее полное

iH-.ëba0aàHèå объема камеры достпгаетс случае, если вершины сепаратриссы, о тттмттза!Ощетт плазменный шнур, QIIBpB на стенку камеры, то возможно испол ванне предлагаемого устройства без ум шения объема плазменного шнура, расположить пластины-сектора в обла находящейся между соседними вершт сспаратриссы т область разрушен магнитных поверхностей не использу для размещения плазмы). Прн этом того, чтобы пластины-сектора находи.

З < бь,аСттт РаЗРУШЕШ-:ЫХ ХтаГтттттпЫХ верхностей по всей длине системы, стпны-сектора должны быт выполнены винтовой поверх!тост!1 с углом нав! равным углу навивки полюсов винт обмотки.

845743

/ — 3

2 1

+9

11

C (2) l

0<

2 размер (см

ri

l !! / фт емкостных элементов в устройстве с коническими потерями.

При применении подобного устройства становится возможным возбуждение в плазменном шнуре волн, распространяющихся в одном направлении, что является необходимым, например, для создания стационарного тока в токамаках, либо для устранения нагрева убегающих электронов в токамаке с индукционным разрядом.

На фиг. 1 приведен пример выполнения предлагаемого устройства в тороидальной ловушке типа «Токамак»; на фиг. 2, 3— электродинамическая схема предлагаемоIo устройства; на фиг. 4 — 10 — примеры выполнения емкостных элементов; на фиг. 11 — пример выполнения устройства в магнитной ловушке стеллараторного типа; на фиг. 12 — пример выполнения устройства, при котором полностью отсутствуют продольные электрические поля на поверхности плазменного шнура.

В примере выполнения устройства, показанного на фиг. 1, в металлической вакуумной камере 1 тороидальной ловушки, например типа «Токамак», между плазменным шнуром 2 и стенкой камеры 1 расположены три пластины-сектора 3 с толщиной d, выполненные из проводящего материала, например из нержавеющей стали. К пластинам-секторам 3 подключены .!сточники высокочастотной энергии 4 с помощью коаксиальных кабелей-фидеров 5.

Между пластинами-секторами 3 и поверхностью камеры 1 помещен диэлектрик 6с высоким значен!!ем диэлектрической проницаемости.

Основные принципы работы такой системы могут быть рассмотрены на упро.ценной системе (фиг. 2 — 3), являющейся электродинамической моделью устройства, показанного на фиг. 1.

Система «пластина 3 — диэлектрик 6— проводящая плоскость 7» является направляющей системой, в которой вдоль координаты z может распространяться в".лна. Фазовяя cKopocTh волны (1,) может быть определена из дисперсионного уравнения для такой системы, которое можно получить, например, из условия поперечного резонанса: где l — геометрический фиг. 2);

m — круговая частота;

С вЂ” скорость света; а — постоянная;

У (к) — внешняя проводимость, опре-! еляется, как отношение плотности токов (jap), протекающих на внешней стороне поверхности пластины 3, и разности потенциалов между кромкой пластины 3 и плоскостью 7.

Можно показать, что для замедленных полн с 1 ф -. С внсш!!5! я проводимость В случае отсутствия плазмы носит индуктивный характер. При наличии плазмы составляющая тока /!р, протекающая в ази 0 мутальном направлении по внешней поверхности пластин-секторов 3, приводит к возбуждению в плазме «быстрых» волн, а следовательно, к появлению реальной составляющей в величине внешней проводимости Y(oi).

К",ê следует из выражения (1), возможны случаи, для которых существенно различается топография полей в системе.

Наиболее важными для приложений являются два следующих случая.

Поле Е, (см. фиг. 2) в пространстве между пластиной 3 и плоскостью 7 имеет один узел. Условие для существования такого распределения следующее:

Поле Е,. в этой же области нигде не обра!цается в ноль. Условие для существования такого распределения:

В случае, показанном на фиг. 3, возМо:êí0 существование волн с фазовой

С скоростью — — - V < С. Недостатком тако40 го режима является наличие интенсивных выс->ких гармоник в Фурье-спектре по ази>— мутальным волновым числам (К„(= — 1, 3, 5...), что следует, в частности, из картины распределения плотности тока на поверхности пластины. Кроме того, плотность этого тока может быть относительпо малой величиной, а следовательно, ма50 лой будет реальная часть проводимости

У(в), что соответствует слабой связи направляющей системы с плазмой.

В случае, показанном на фиг. 2, благодаря разному знаку поля Е„на азимутальных кромках пластин-секторов, распределение тока на внешней поверхности пластин не имеет узла, поэтому в этом примере будут в основном возбуж00 даться волны с К„=О. В этом случае ширина пластины должна быть больше 1)1„.„„=, --;=- — К „(!!!Ир!!!!а пла/ г стины 1 должна быть больше, чем половина длины волны, распространяющейся в

845743 а.е. ия

Кооы епх на коороиттде си ов

01 0

<ОЙ исв ратся зоньсли ти, наых тся ля ись пo110 ть

Воп егуlCH1ротбп45

OV

65 ны, ж-д у

1 . 0

11011 пам онойттка и д

l! n1i тбхобесО 12приных ка в гребенке», «гребенка под плоскостью» ит. п.

С целью увеличения КПД излучающей поверхности параметры емкостных элементов и азимутальные размеры пластинсекторов выбираются такими, чтобы азимутальная ширина пластины была больше, чем половина длины волны, распространяющейся в области между пластинами-секторами и поверхностью камеры.

В этих условиях оказывается возможным существование волн, распространяющихся вдоль системы, распределение поля г, азимутальном каправлении для которых обладает следующей особенностью: вектор электрического поля между пластиной и поверхносттью камеры на противоположных азимутальных кромках пластин-секторов имеет различное направление. В этом случае по внешней поверхности пластинсекторов, обращенной к поверхности плазмы, будет протекать «возбуждающий» азимутальный ток, плотность которого примерно одинакова по всей ширине пластины-сектора. Это обстоятельство позволяет обеспечить относительно высокое значение удельного потока энергии, уносимой в плазму, по сравнению с Hoòol

В противоположном случае, когда ширина пластины-сектора меньше половины длины волны, также могут существовать волны, распростракяющ!теся вдоль системьь Однако в этом случае электрическое поле на противоположных кромках пластин имеет одинаковое направление. ПоaTo3vfA <<Возбу>!<да!ощт!Й» aз: м T?.:bEIbIH ток на внешней стороне пластин будет сосредоточен только вблизи азпмутальных кромок пластин (в середине гластин плотность этого тока равна кулю), а его величина будет весьма мала. В таком случае связь направляющей системы с плазмой оказывается существенно меньше, чем в и!рель!душем случае, что может привести значительному повышению доли омми ческих потерь в устройстве, и, таким образом, к уменьшению КПД.

С целью устранения продольных электрических полей в плазме, длина пластины-сектора выбирается равной или больпте головины !липы во.т.!Hi, ",,

Соединение концов пластины-сектора с камерой через металлические закоротки позволяет устранить про, ольпые электри»eel

Tnì случае в предлагаемой системе по lHocTbIo искл!Очается B036 EKëcE llc тельной «медленной» волны, 1:оторая может приводить, в частности, к нагреву пе5

20 о5

40 риферии плазменного шнура. Для сох нения резонансных свойств устройства, для обеспечения условий существова резонансной частоты, длина пластины-с тора должна быть больше аксиальной ловины длины волны. При этом элект дттнами1ческие характеристики систе практически не изменяются, за искл кием того, что введение закорачиваю пластин соответствует использованию правляющей системы с электрически з роченными концами.

В ловушках сте тгтаратортптго либо сатронного типа пластина-сектор ра лагается в области разрушенных маг ных поверхностей и выполняется в в винтовой поверхности под углом к камеры, равным углу навивки полю винтовых обмоток. как В;тОВ| ш нах сТс. тл ар вторl либо торсатронного типа с металлнчес вакуумной камерой наиболее полное

i;<-.ëba0aàHèå объема камеры достигаетс случае, если вершины сепаратриссы, о тттмттза!Ощетт плазменный шнур, QIIBpB на стенку камеры, то возможно испол ванне предлагаемого устройства без ум шения объема плазменного шнура, расположить пластины-сектора в обла находящейся между соседними вершт сспаратриссы т область разрушен магнитных поверхностей не использу для размещения плазмы). Прн этом того, чтобы пластины-сектора находи.

З < бь,аСттт ПаЗРУШЕШ-:ЫХ ХтаГтттттпЫХ

Всрхностей по всей длине системы, стпны-сектора должны быт выполнены винтовой поверх!тост!1 с углом нзв! равным углу навивки полюсов винт обмотки.

С целью возбуждения в плазме щих в одном направлении вдоль плаз ного шнура электромагнитных волн, дольная длина пластин-секторов в рается больше длины затухания во распростр аняющейся в области м пластинами-секторами и металличе камерой, а источник высокочасто энергии подключек к пластинам-сект

I;L),iHia;. одно-.о ..13 can концов.

Благодаття тат:,о !1 BLHIO,"HcHli!o 3 cT ства в пространстве между пласти сет.тором Il металлпческой i

T!i !åcI<è будет суптествовать только в . бегущая 0Т места пот!1<лючеттия 11сточтт к другому концу пластпн-секторов, как из-за превышения длины системы длиной затухания амплитуда отраже волны, бегущей в противоположном прав;теппп, оудет незначительна. Нес димая длина затухания может быть гечена либо за стет излучения зысот стотной энергии в плазму, либо, н мер, за счет использования специал

845743

12 женной вблизи стенки камеры, параллельно ей, причем длина пластины вдоль оси камеры больше ее ширины, а между пластиной-сектором и поверхностью камеры размещены равномерно вдоль оси камеры емкостные элементы.

2. Устройство по п. 1, отличающеес ся тем, что, с целью уменьшения азимутальных размеров пластин-секторов, (дна из азимутальных кромок пластинсекторов соединена с металлической камерой, причем азимутальная ширина пластины больше, чем четверть длины волны, распространяющейся в области между пластинами-секторами и поверхностью камеры, 3. Устройство по пп. 1 и 2, о тл и ч а ю щ е е с я тем, JTQ с целью устранения продольных электрических полей в плазме длина пластины-сектора выбирается равной или больше половины длины волны, а концы пластины-сектора соединены металлическими пластинами с камерой.

4. Устройство по пп. 1 — 4, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что в магнитных ловушках стеллараторного либо торсатронного типа, пластина-сектор выполнена в виде винтовой поверхности под углом к оси камеры, равным углу навивки полюсов винтовои обмотки и расположена в области магнитных поверхностей.

5. Устройство по пп. 1 — 5, о т л и ч а ю5 щ е е с я тем, что, с целью возбуждения в плазме электромагнитных волн, бегущих вдоль оси камеры в одном направлении, продольная длина пластины-сектора выбирается больше длины затухания волны, 10 распространяющейся в области между пластиной и камерой, а источник высокочастотной энергии подключен к пластинесектору вблизи одного из его концов, 15 Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1. Труды второй международной конференции по мирному использованию атомной энергии. Доклады иностранных уче20 ных, т. 1. Физика горячей плазмы и термоядерные реакции, Атомиздат, 1959, с. 248.

2. Труды 6-ой международной конференции по физике плазмы и управляемому

25 термоядерному синтезу. Берхтесгаден, 1976.

Вена, 1977, с. 39.

3. Авторское свидетельство СССР

_#_< 397139, кл. Н 05Н 1/18 (прототип).

845743 ф д Ic

Составитель E. Гусарова

Техред И. Пенчно Корректор И. Осииовская

Редактор И. Гохфельд

Тип, Харьк. фил. пред. «Патент»

Заказ 365/275 Изд. № 132 Тирани 856 Подписпое

НПО сПоиск» Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

И3035, Москва, Ж-35, Раугпская наб., д. 4/5