Способ высокочастотного нагрева плазмы и устройство для его осуществления Советский патент 1986 года по МПК H05H1/00 G21B1/00 

. YcTpofiCTBO no n, 2; о т л i ч a ю ii; e с с я тем, что оба конца каждото магнитного излучающего элемента подключены к одному из полюсов источника тока через управляемые ключевые элементы, а другой полюс источника тока подключен непосредственно к точке, разделяющий излучаюший магнитный элемент на Дг1е части так , что обе части элемента образуют два массивп из 2 элементов, где г- 1 , 2 , 3, ... ,

6, Устройство по п. 2, от л ич а с Ц е е с я Гем. ч то каждый

электрический излучающий элемент подключен к обшей точке пары последовательно соединенных ключевых элементов, при этом полюса источника напряжения подключень к свободным котщам этоГт пары ключевых элементов

7, Устройство но пп. 2-4, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что длин проводников, соединяющих генератор несинусоидальных колебаний с управляющими электродами каждого ключевого элемента, равны между собой с

1. Способ высокочастотного нагрева плазмы путем воздействия на плазму высокочастотными электромагнитными колебаниями, о т л и ч аю щ и и с я тем, что, с целью повышения эффективности нагрева плазмы . путем повышения допустимого уровня вводимой мощности, на плазму воздействуют несинусоидальными высокочастотными колебаниями с полосовыми частотными спектрами со сравнимыми амплитудами отдельных спектральных компонент с центральными частотами полос,близкими к частотам характерных плазменных резонансов, при этом ширина каждой полосы не превышает полосу фазовых колебаний частиц,захватываемых вблизи характерных плазменных резонансов. 2.Устройство для высокочастотного нагрева плазмы, содержащее источник постоянного тока или напряжения, задающий генератор, систему, образованную магнитными или электрическими изл 1ающими элементами, и усилительные элементы, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности нагрева плазмы путем повышения допустимого уровня вводимой мощности, последовательно с излучающим элементом включен пирокополосный усилительный элемент, причем управляющие электроды усилительных элементов соединены поi парно так, что образуют по крайней мере один массив из 2 элементов, (Л где ,2,3,..., и подключены через систему проводников к задающему генератору, который выполнен в виде генератора несинусоидальных колебаний с частотно-фазовой модуляцией. 3.Устройство по п. 2, отлиел чающееся тем, что один конец 00 о to каждого магнитного излучаюп1его элемента антенны подключен к одному из полюсов источника тока через управляемый ключевой элемент,а другой коN3 нец элемента подключен непосредственно к противоположному полюсу того же источника тока. 4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что каждый электрический излучающий элемент антенны подключен к одному из полюсов источника постоянного напряжения через управляемый ключевой элемент,при этом другой полюс источника напряжения- подключен к общему заземленному проводнику.

1

И:тобре1ение относится к области нагрева плазмы с помоиц ю высокочастотных поле и может быть использовано в термоядерных устройствах с магпттным удержанием плазмы (токамаки, стеллараторы, адиабатические ловущки.}, а также в любой другой об.ласти, снизанной с возбуждением элетромагнитных волн в средах.

Известен способ нагрева плазмь; путем инжекции быстрых нейтральных атомов. Этот способ технически сложен и малоэф(ек тивен для крупных термоядерных установок, где для обепечения проникновения атомов в плазму требуются очень высокие энергии инжекции частип.

Известны способы высокочастотного нагрева плазмы электромагнитными волнами и устройства для их ос%пцествления, которые основаны на возможности возбутк дения и распространен1- я в плазме электромагнитных волн в различных диапазонах частот и поглоП1ения частицами плазмы энергии этих волн.

Наиболее, близким техническим решением является способ и устройство для высокочастотного нагрева плазмы путем воздействия на плазму электромагнитных колебаний высокой частоты.

Заряже.ниая частипа, движуп.-аяся в плазме вдоль магнитного поля В со скоростью ,1 , эффективно взаимодействует с волной либо при условии черенковского резонанса, когда ее

CKopocTL. совпадает с фазовой скоростью Hojnibi в направлении магнитного поля, v LxVlC i ( CL - частота волны, К 1 - проекция волнового вектора К

на аправление магттитного поля/,либо П )и условии циклотронного резонанса, когда частота волны в системе отсчета, движущейся маг-нитН(ИО П.ОЛЯ со скоростью Y- V , и) (J-K|IJ|, , равна или кратна циклотронной

еь часто1е частицы tiU - т.е. когда

ПVfl Г1

тицами плазмь зависит не то,гц,ко от числа частиц, имеющих резонансную скорость, но и ширины резонанса в пространстве скоростей й.,,, определяемой шириной фазовьк скоростей цакета волнйш/К,,, возбуждаемых в плазме.

Для создания достаточно широкого спектра по фазовым скоростям дО,

CJ

излучаемых в плазму волн.

К,

необходимо, чтобы излучающее антенное устройство имело, достаточнее малые продольные размеры ). -11

Однако в этом случае излучающая поверхность антенны оказывается малой, что приводит при зада}пюй величине общей высокочастотной мощности, вводимой в плазму, к большим

удельным потокам высокочастотной мощности, к больршм уровням напряженноети электрического поля. Вследствие этого на периферии плазмы (особенно вблизи антенны) могут развиват1,ся различного типа неустойчивости (пуч ковые, параметрические и др.),которые приводят к нежелательным явлениям (нагреву периферийной зонь пла мы, повышенной диффузии, бомбардировке стенки камеры высокоэнергетичньгми частицами) и к загрязнению плаз мы потоками примесных атомов, идущих со стенки камеры. Кроме того, при больших удельных потоках ВЧ энер гии возникают интенсивные ВЧ поля, в которых заряженные частицы из периферии плазмы могут непосредственно ускоряться в электрическом поле, создаваемом антенной, и приводить к дополнительному распылению как самой антенны, так и ограничительных диафрагм и стенок камеры. Увеличение числа высокочастотных синусоидальньгх генераторов и антенных устройств позволяет повысить уровень вводимой высокочастотной энергии в некоторых пределах. Однако уровень вводимой в плазму высокочастотной энергии будет ограничен малой шириной резонанса в про странстве фазовых скоростей определяемом малой частотной полосой паке та волн, возбуждаемых в плазме. Кроме того, наличие нескольких лини передачи высокочастотной энергии от генераторов к антенным устройствам приводит к существенному увеличению потерь высокочастотной энергии и увеличению количества согласующих и защитных элементов. Целью изобретения является повышение допустимого уровня вводимой высокочастотной мощности. , Поставленная цель достигается тем, что в способе высокочастотного нагрева плазмы, основанном на воздействии на плазму электромагнитных колебаний, на плазму воздействуют несинусоидальными высокочастотными колебаниями с полосовыми частотными спектрами со сравнимыми амплитудами отдельных спектральных компонент с нейтральными частотами полос,близкими к частотам характерных плазменных резонансов, при этом ширина каждой полосы не превышает полосу фазовых колебаний частиц, захватываемых вблизи характерных плазменных резонансов. 24 Данный способ нагрева может быть реализован с помощью устройства для высокочастотного нагрева плазмы, включающего источник постоянного тона или напряжения, задающий генератор, антенну, образованную MarttHTными или электрическими излучателями, и усилительные элементы, что последовательно с каждым излучающим элементом антенны включен щирокополосный усилительный элемент, причем т1равляющие электроды усилительных элементов соединены попарно так, что образуют по крайней мере один массив из 2 элементов, где ,2,3,..., и подключены через систему проводников к задающему генератору, который выполнен в виде генератора несинусоидальных колебаний с частотнофазовой модуляцией. I При этом один конец каждого магнитного излучающего элемента подклгпчен к одному из полюсов источника тока через управляемый ключевой элемент, а другой конец элемента подключе г непосредственно к противоположному полюсу того же источника тока, каждый электрический излучающий элемент антенны подключен к одному из полюсов источника постоянного напряжения через управляемьш ключевой элемент, при этом другой полюс источника напряжения подключен к общему заземленному проводнику; оба конца каждого магнитного излучающего элемента подключены к одному из полюсов источника тока через управляемые ключевые элементь, а другой полюс источника тока подключен непосредственно к точке, разделяющей излучающий элемент на две части так, что обе части элемента образ тот два массива из 2 элементов, где ,2,3..., каждый электрический излучающий элемент подключен к общей точке пары последовательно соединенных ключевых элементов, при этом полюса источника напряжения подключены к свободным концам этой пары ключевых элементов. В случае, когда необходимо получить синфазнуюзапитку всех излучателей антенны, суммы длин проводников, соединяющих генератор несину- соидальных колебаний с управляющими электродами каждого ключевого элемента, равны между собой. Благодаря этим характерньм признакам представляется возможкость 5 г снериро лп TTi и n.nnrtMO suuinbi в широком частотном интервале. В этом случае даже iipi возбуждении одной пространственной тармоннки К получаются волны, перекрывающие болычой ин тервал по фазовым CKOJIOCTHM л „ . Возникающий при этом спектр BOJH1 обладает дискретной структурой. В результате взаимодействия с резонансными частицами каждая из волн -этой структуры эффективно отдает свою энергию частицам плазмы. При этом захваченные полем каждой из волн частицы плазмы совершают коле, 1 /2еУбания с частотой Я fj-K i , где К - волновой вект( 1-ои волны; заряд частицы Ч - ее потенциал; е m - ее масса. Такие осцилляции захваченных час тиц приводят к уширению резонансов и- при достаточных амплитудах волн эти резонансы могут перекрываться, приводя к возникновению широкого спектра плазменных волн, эффективно обменивающегося энергией с частицами плазмы,Это происходит при услови когда разница между фазовыми скорос тями соседних волн волнового пакета становится сравнимой с амплитудой скорости захвата этих же волн, т.е. когда 4,.-Vr y -frnf . Как следствие этого, во взаимодействии волна-частица будет участвоват большое число частиц плазмы, т,е. большая часть высокочастотной энергии будет передаваться всему объему плазмы. Таким образом, существо технического решения выражается в том, чзо нагрев плазмы осуществляется . электромагнитными колебаниями, которые возбуждаются несинусоидальными . импульсами, например, прямоугольной формы с временем нарастания (спада) меньшим периода колебаний характерного плазменного резонанса. Использование массивов излучающих элементов антенны, в свою очередь, позволяет снизить удельный по ток энергии высокочастотного поля с одновременным увеличением излучаемо мощности. При исг}ользовании в качестве клю чевых элементов полупроводниковых структур (транзисторов, тиристоров, диодов) представляется возможность располагать эти элементы вблизи из26лучаюпшх элементов антенны, что значительно сократит потери на передачу высокочастотной энергии от ее источника к излучающему элементу. Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображена схема антен}1ого устройства, выполненного в виде массива излучающих элементов, подключ ертных через систему ключевых элементов к задающему генератору. На фиг. 2 показан вариант выполнения пары излучающих элементов устройства с несимметричными вибраторами магнитного типа. На фиг, 3 показан вариант выполнения пары излучаюи1их элементов с несимметричными вибраторами электрического типа. На фиг . 4 показан вариант выполнения пары излучающих элементов с симметричными вибраторами магнитного На фиг. 5 показан вариант выполнения излучателя предлагаемого устройства с симметричными вибраторам 1 электрического типа. Устройство состоит (см, фиг. 1) из источника постоянного тока 1 (напряжения 2), задающего генератора несинусоидальных колебаний трапецеидальной или прямоугольной формы 3, антенны в виде поверхности, образованной излучателями 4, соединенными попарно в соответствии с топологией диодной группы так, что они образуют массив из 2 элементов, расположенных в вакуумной камере тороидальной магнитной ловущки 5. Излучатели 4 через ключевые элементы 6 подключены к источнику тока 1 (напряжения 2). В качестве ключевых элементов б использованы транзисторы, которые через систему проводников 7 подключены к генератору 3. При этом суммы длин проводников 7, соединяющих генератор 3 с управляющими электродами каждого ключевого элемента 6, равны между собой. Если в качестве излучателей антенны использованы несимметричные вибраторы магнитного типа (см.фиг.2) в виде одного витКа 4, тогда через ключевые элементы 6 (биполярные транзисторы) один конец каждого вибраtopa - витка 4 подключен к одному из полюсов источника тока 1, а другой конец - непосредственно к противоположному полюсу этого источника ,

71

При использовании в качестве излучателей антенны несимметричных вибраторов электрического типа (см. фиг. 3)--, в виде колец 4, через ключевые элементы 6 (полевые транзисторы) излучатели - кольца 4 - подключены -к одному из полюсов источника напряжения 2, а другой полюс источника напряжения подключен к o6nieму (заземленному) проводнику. Если в качестве излучателей антенны использованы симметричные вибраторы магнитного типа в виде двух BVITKOB 4 с отводом от средней точки (см. фиг. 4), тогда оба конца вибратора 4 через ключевые элементы 6 (биполяр ные транзисторы) подключены к одному из полюсов источника тока 1, а другой полюс источника тока 1 подключен к средней точке вибратора 4. Конденсаторы 8 необходимы для выравнивания характеристик ключевых элементов 6.

При использовании в качестве излучателей антенны симметричных вибраторов электрического типа (см. фиг, 5) в виде колец 4, каждый вибратор подключен к общей точке пары последовательно соединенных ключевых элементов 6 (полевые транзисторы), а полюса источника напряжения 2 подключены к свободным концам этой пары ключевых элементов.

Устройство работает следующим образом.

Электрическую энергию от источника постоянного тока 1 подают на антенное устройство, выполненное из 2 излучателей магнитного типа 4 (каждый излучатель представляет собой два витка коаксиально окружающих плазменный шнур) через транзисторы 6, управляющие электроды которых соединены попарно в соответствии с топологией диадной группы.

8022

Благодаря тому, что суммы длин проводников 7, соединяющих задающий генератор 3 с управляющими электродами транзисторов 6, равны между со бой, обеспечивается одновременное срабатывание всех транзисторов 6. При подаче управляющего периодического сигнала трапецеидальной формы от генератора 3, транзисторы 6 периодически замыкают цепь: источник 1 - излучатель 4, формируя в излучателе периодические токовые импульсы трапецеидальной формы с временем нарастания ir. Быстрые изменения тока

f5 в изЯучателях 4 приводят к возбуждению электромагнитных полей с шириной

полосы .

При использовании транзисторов

0 КТ 903 и генератора трапецеидальных импульсов с частотой 10 мГц и фронтом нарастания 25 нск антенна возбуткдает электромагнитные поля в полюсе частот дГ :й10 мГц. Электромагнитные поля антенны возбуждают в плазме плазменные волны со спектром частот такой же ширины. Широкополосные пакеты плазменных волн перекрывают большой интервал по фазовым

30 скоростям, благодаря чему во взаимодействии волна-частица (в результате которого энергия плазменных волн передается частицам плазмы) участвует значительная доля частиц плазмы и существенно расширяются (в сравнении с узкополосными пакетами) пространственные масштабы области поглощения энергии плазменных волн даже в однородном магнитном поле.

Q Вследствие этого высокочастотная

энергия более эффективно передается всему объему плазмы. Таким образом удается повысить уровень высокочастотной энергии, передаваемой в плазму.

fpuz.1

Фаг. 3

L.Ф...--.«,.. ..