Способ получения бестоковой плазмы

 

нн890954

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 07.05.80 (21) 2922448/18-25 (51) М. Кл.

Н 05Н 1j00

G 21В 1!00 с присоединением заявки № (43) Опубликовано 15.07.82. Бюллетень ¹ 26 (45) Дата опубликования описания 15.07.82 (53) УДК 621.385 (088.8) ао делам изобретений и открытий

О. М. Швец, С. С. Калиниченко, H. И. Назароф,"

А. И. Лысойван и Л. Г. Дикий (72) Лвторы изобретения (71) Заявитель (54) СПОСОБ ПОЛУ !ЕНИЯ БЕСТОКОВОЙ ПЛЛЗМЫ

Государственный комитет (23) Приоритет

Изобретение относится к высокочастотным способам получения плазмы и может быть использовано в установках типа стелларатора, а также на начальной стадии разряда в установках токамак. 5

В этих установках магнитопровод с первичной обмоткой охватывает тороидальную камеру, а вторичной одновитковой обмоткой является столб плазмы в камере.

Известен способ получения плазмы в та- lo ких установках посредством электрического поля, возбуждаемого индукционным методом (1).

Вначале в предварительно откачанную камеру производят напуск газа. После ус- 15 тановления стационарного давления к первичной обмотке прикладывают импульсное напряжение, создающее электрическое поле вдоль тора, которое ионизирует нейтральный газ. 20

В процессе развития разряда после достижения стационарного режима производится дополнительный напуск газа. Благодаря этому удается поддерживать плотность плазмы на постоянном уровне в течение импульса.

Тем не менее этот способ не решает проблемы получения бестоковой плазмы, которая необходима для, проведения исследований в установках типа стелларатора.

Протекание тока в плазме установок этого типа приводит к значительному изменению конфигурации внешнего магнитного поля, вследствие чего уменьшается энергетическое время жизни плазмы. Помимо этого наличие тока, протекающего по плазме, создает условия для возникновения различных неустойчивостей, нарушающих процесс удержания плазмы в камере.

Прототипом предлагаемого изобретения является способ получения бестоковой плазмы на установке «Вега» (2). В этом случае вначале производится импульсный напуск газа в предварительно вакуумнрованную рабочую камеру до давления, величина которого оптимальна для возникновения электрического пробоя в газе. В момент времени, когда это давление достигается, включается ВЧ вЂ” поле в течение времени, большее, чем время удержания энергии плазмы в камере, которое ионизирует нейтральный газ.

Недостатком такого способа является необходимость компромиссного выбора давления в камере. Давление оптимальное с точки зрения электрического пробоя будет недостаточным для получения плазмы с высокой конечной плотностью. На установке

«Вега» была достигнута плотность плазмы

10 - см-, но она достигалась за счет обиль8!) () () 54

15 ()

)«

6() ((5

3 ного потока примесных частиц со стенок каiblOры, ICOTOI)Iil(. заг1)язня(от IIJI23M)i. I IOJI)"i(O»IIe плазмы с одновременным се нагревом приводит к тому, что на периферии плазменного столба имеется значительное количество частиц высокой энергии, Это увеличивает газовый обмен со стенкой, что и является причиной повышения концентрации посторонних примесей в плазме.

Целью изобретения является повышение плотности плазмы и уменьшение концентрации нежелательных примесей.

Эта цель достигается тем, что в известном способе получения бестоковой плазмы, основанном на импульсном напуске нейтрального газа в предварительно вакуумировапную рабочую камеру и возбуждении высокочастотного поля в камере в течение времени, большего времени удержания энергии плазмы в камере, первоначально напуск нейтрального газа производят до давления 2 10 †" — 5 10 †" торр, затем возоу>«pa!or l3LI — поле и при достижении плазмой критической плотности, при которой возможно распространение электромагнитной волны во всем рабочем объеме камеры, производят дополнительный напуск нейтрального газа.

Экспериментально момент критической плотности (ее можно рассчитать по дисперсионным зависимостям для данного типа волны) определяется с помощью микроволнового интерферометра (в нашем случае использовался интерферометр Уортона с длиной волны A,=8 мм) и высокочастотного зонда, расположенного вдали от антенны, регистрирующего начало распространения волны.

Таким образом, способ предусматривает осуществлять напуск газа в два этапа. Это открывает возможность вначале установить оптимальное давление для осуществления электрического пробоя в газе, не заботясь о конечной плотности плазмы. После создания с критической плотностью и распространения в ней электромагнитной волны осуществляют вторичный напуск газа, что и обеспечивает достижение в плазме высокой конечной плотности.

Дополнительное поступление газа в камеру в процессе разряда снижает количество высокоэнергетических частиц в прпстеночной области, взаимодействующих со стенкой камеры. В, результате этого полугается более чистая плазма.

Способ поясняется временной диаграммой, представленной на чертеже.

I Io вертикальной оси диагра((лмь(отложены количество нейтральных частиц Л „(соответствует сплошной линии) и плотность плазмы nÄ. (соответствует пунктирной линии). По горизонтальной оси отложено текущее время 1. В течение времени от момента 4 до t(происходит первичный напуск

I(el(fpaJII нОГ0 Гязя. Количество няпуcкяe(((o.

ГÎ газа должно быть таким, чтобы fI ооъсме J(III(ïî! I камеры ре (лпзоват(кр«тич(скую плотность 10" — 5 10 см — "".

В течение времени от 1! до / в камере происходит установление давления, оптимального для электрического пробоя. Когда оно достигнет величины 2 10" — 5.

10" торр, включают ВЧ вЂ” поле (момент времени 4), под действием которого ионизируется газ и создается плазма. Когда плотность созданной плазмы возрастет до значения 10" — 5 10", что соответствует моменту времени t3, производят вторичный напуск газа, причем напускают такое его количество, которое обеспечило бы создание расчетной конечной плотности, В момент времени t прекращается подача газа, а в момент времени t; выключается и ВЧ— поле. После распада плазмы и установлс1(пя исходного вакуума цикл повторяется.

В конкретном примерс осуществления предлагаемого способа использовалось «озбуждающее устройство щелевого типа ((II рабочей частоте 19,25 Мгц на установке с тороидяльной камерой. Газ напускают имнульсным клана(им, расположенным на расстоянии примерно 2 м от возбуждающеr0 устройства. Способ осуществлялся в следующей последовательности.

После достижения предварительного разряжения (10 — " торр) на время 100 мкс открывался газовый клапан, что на временной диаграмме соответствует времени to — /!.

Прп этом напускалось количество газа, необходимое для создания первоначальной плотности 2 10" см — .

В тсчение примерно 3000 мкс после закрытия клапана (от момента 4 до t ) в объеме камеры происходит выравнивание давления и, когда оно в момент времени 4 достигало оптимального значения

3 10"" торр, включался ВЧ-генератор.

В момент времени /, (примерно 100—

150 мкс после 4), когда плотность созданной плазмы достигала значения 2 10" см вЂ, что обеспечивало распространение электромагнитной волны во всем объеме камеры, вторично включался импульсный клапан.

В fOpl(I((blH 1!Яl(уСК Газа ОСущеCTB.(51.1Ñß В I С(ение 100 мкс, что соответствует моменту

/л — 4 на временной диаграмме. Количество вторично папускаемого газа обеспечивало конечную плотность n,= 10 " ем вЂ, которая оыла достип(ута примерно через б00 мкс («осле вкл(очения ВЧ-генератора (послс момента 1)).

11собходпмо отметить, что при ((p(u((.(((II«II предлагаемого способа полу (аст(в(бссток(пгая плазма, пс изменяющая коифшурс(ци(0 внсшнсГО мяГ«итнОГО полл(. Таким ооразом повышается устойчивость плазменного пгнура в течение времени удержания энергии плазмы в камере. При этом достl(ГЯ(тсл высокая плотнОсть п(1((зм ы (р и

890954

hl0 (vllcmuq,/

10

Составитель A. Рахимов

Редактор О. Филиппова

Корректор О. Гусева

Техред А. Камышникова

Заказ 1019/1 Изд. № 182 Тираж 856 Подписное

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

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

Типография, пр. Сапунова, 2 значительном снижении нежелательных примесей.

Использование предлагаемого способа для создания плазмы на первой стадии разряда в установках типа токомак позволит 5 ускорить переходной процесс формирования плазменного шнура, что способствовало бы устранению неустойчивостей в стадии формирования плазмы.

Применяя предлагаемый способ, напуск 10 нейтрального газа в рабочую камеру можно производить в любом месте, не ограничиваясь пространством под возбуждающим устройством, что способствует более экономичному конструктивному решению устано- 15 вок и создает ряд удобств при проведении эксперимента.

Предлагаемый способ дает возможность готовить необходимую рабочую смесь газов цспосредственно в камере, осуществляя 20 рсгулируемый напуск различных газов 1eрез соответствующие клапаны.

Формула изобретения

Способ получения бестоковой плазмы, 25 основанный на импульсном напуске нейтрального газа в предварительно вакуумированную рабочую камеру и возбуждений высокочастотного поля в камере в течение времени большего, чем время удержания энергии плазмы в камере, о тл и ч а ю щи йся тем, rro, с целью повышения плотности плазмы и уменьшения концентрации нежелательных примесей, проводят первоначальный напуск нейтрального газа до давления 2 10 —" — 5 10 — " Торр, затем возбуждают высокочастотное поле и при достижении плазмой критической плотности производят дополнительный цапуск нейтрального газа.

Источники информации. принятые во внимание при экспертизе

1. Proceedings of the 6-11т 1п(еппitional

Conference on Р1авп1а Physics and Controlled Nuclear Fusion Research, v. II, р. 81 (Vienna 1977).

2. Proceedings of the 9-th European Conference on Controlled Fusion and Plasma

Physics v. 1, р. 5 (Okford 1979) (прототип).