Антенное устройство для возбуждения медленных волн в плазме, находящейся в магнитной ловушке Советский патент 1992 года по МПК H05H1/00 G21B1/00 

Изобретение относится к антенным устройствам для возбуждения злектромагнит- пых волн в плазме и может найти применение в зкспериментах по ВЧ нагреву плазмы и поддержанию стационарного тока в токамаках и стеллараторах. в том числе с параметрами термоядерного реактора.

Целью изобретения является упрощение конструкции антенного устройства для возбуждения медленных волн в плазме магнитной ловушки.

На чертеже представлена схема антен- 7 ирго устройства.

Высокочастотный источник 1 через волноводный тракт 2 подключен к одному из концов запитывающего прямоугольного волновода 3.

Ось запитызающего волновода 3 параллельна силовым линиям магнитного поля Н магнитной ловушки. Широкая стенка запитывающего волновода 3 образована системой волноводных излучателей 4, открытые концы которых обращены к поверхности плазмы 5. причем широкая стенка волноводных излучателей перпендикулярна направлению силовых линий магнитного поля.

О

ттл

ю

о

0s

Устройство работает следующим образом.

Электромагнитная волна я эапитываю- щем волноводе 3 возбуждается в мег.те под- КПЮЧ8НИЯ волноводного тракта 2 м р;зспространяется s противоположному концу запитывающего волновода 3 с фазовой скоростью

w,где Nil - величина замедления волны; С - скорость света в , Фазовая скорость волны Vф должна быть меньше скорости света, т.е. NH 1. Это условие необходимо как для того, чтобы су|Ществовала такая распространяющаяся вЬлна в эапитывающем волноводе (условно

отсутствие излучения, когда отсутствует плазма), так и для возможности возбуждения медленных волн в плазме, которые могут затем поглощаться на электронах

5 плазмы за счет черенковского эффекта. Так, например, для целей поддержания стационарного тока в токамаке-реакторе с использованием поглощения медленных волн необходимо, чтобы V 0 3-0 7

10 c(Nii 1,3+3).

Анализ электродинамических характеристик такой системы показывает, что при данных размерах запитывающего волново- 1Ь да d и b (см. черт.), частоте о), величине NH высота h системы волноводных излучателей должна быть равна:

Изобретение относится к антенным устройствам для возбуждения электром гнит- ных волн в плазме тороидальных ловушек типа токамак, стелларзтор. Цель изобретения - упрощение конструкции известных антенных устройств путем сокращения количестаа волноводных выводов из вакуумной камеры. Устройство состоит из высокб- частотного источника мощности 1, который через волноводный тракт 2 подключен к одному из концов запитывающего волновода 3, ось которого параллельна силовым линиям магнитного поля ловушки. Широкая стен ка запитывающего волновода образована системой волноводных излучателей 4. открытые концы которых обращены к поверхности плазмы 5. Широкие стенки волноводных излучателей перпендикулярны направлению силовых линий магнитного поля. Электромагнитная волна в запитыва- ющем волноводе возбуждается в месте под- ключения волноводного тракта 2 и распространяется к противоположному его концу. На широкой стенке запитывающего волновода образованной системой волно- водных излучателей возбуждается электромагнитное поле с электрической составляющей параллельной магнитным силовым линиям. 1 ил. LO

Например, при й -10 (f 5 ГГц), b 5 см, d 1 см, из формулы следует, что величина замедления Nn 1,5 обеспечивается при h 2,5 см.

Приведенная формула справедлива, если расстоя ние между сбседними волновода- ми , При увеличении размера волна в волноводе будет комплексной, что соответствует суперпозиции волн бегущих в различных направлениях вдоль оси основного волновода. Поэтому, дл|я того, чтобы существовали только волны бегущие в одном направлении вдоль оси осйовного волновода, необходимо, по крайней мере, обеспечить условие д Д{|/2.

Таким образом, в отсутствии плазмы вдоль запитывающего волновода 3. будет распространяться бегущая электромагнитная волна с иф С, которая может поглощаться только за счет омических потерь в станках волновода. При этом на Щ1 рокой стйн1 е запитываЛщего волновода 3. образованного системой волноводов, обращенной в сторону плазмы 5, будет возбуждаться электромагнитное поле, имеющее требуемую для возбуждения в плазме медленных вопи поляризацию, а именно: электрическое поле параллельно магнитным силовым линиям ловушкм.

Поэтому при наличии плазмы, если ее концентрация не очень мала вблизи /

волновода, в плазме будут возбуждаться 20 электромагнитные (медленные) волны, уносящие энергию ВЧ поля е глубь плазмы. При этом волна, распространяющаяся вдоль запитывающего волновода 3, становится затухающей, т.е. ее интенсивность будет уменьшаться по мере распространения в запитывающем волноводе 3 из-за излучения в плазму. Поэтому, если длина запитывающего волновода I выбрана больше, чем

25

30

длина затухания волны из-за излучения в плазму t, к другому концу запитывающего

волновода, противоположному месту подключения. В Ч источника, не будет доходить электромагнитная волна, а, следовательно, в системе будут отсутствовать отраженные

35 волны, бегущие к ВЧ источнику. Следствием этого будет также отсутствие медленных волн в плазме, распространяющихся в различных направлениях вдоль силовых линий магнитного поля, что и обеспечивает гене40 рацию стационарного тока в плазме с максимальной эффективностью.

Так как размер запитывающего волновода ограничен требованием, чтобы ширина Ь С/т ( в противном случае система

45 становится многомодовой), мощность, вводимая через отдельный такой волновод, будет ограниченной по условиям обеспечения электрической прочности, например, при f ГГц и максимальной напряженности элек50 jpM4ecKoro поля в волноводе Е «10 кВ/см,

длина затухания волны из-за излучения в плазму t, к другому концу запитывающего

мэксимальнал мощность, вводимая в плазму, будет составлятьл МВт. Поэтому для ввода в плазму более высоких уровней ВЧ мощности (20-80 МВт в токамаке-реакторе) возможно применение системы таких уст- роиста, расположенных вблизи друг к другу. Преимущества изобретения заключается в значительном упрощении системы благодаря сокращению количества волноводов, которые необходимо выводить из вакуумной камеры с вакуумной электрической развязкой. Кроме того, в предложенной системе отсутствуют такие дополнительные элементы как фазовращатели, с помощью которых обеспечивается бегущее поле на раскрыве антенны.

Преимуществом является также ослабление влияния изменения параметров плаз- мы вблизи антенны на ее работу. Изменение параметров плазмы, например ее плотности, в предлагаемом устройстве приведет только к изменению длины затухания волны в запитывающем волноводе. Поэтому, если длина запитывающего волновода больше максимально возможной длины затухания, то всегда будут отсутствовать отраженные волны от конца запитывающего волновода , что и обеспечивает

работоспособность системы даже при изменении параметров плазмы.

Формула изобретения Антенное устройство для возбуждения медленных золн в плазме, находящейся в магнитной ловушке, включающее систему прямоугольных волноводных излучателей, подключенных к высокочастотному источнику питания, открытые концы которых обращены к поверхности плазмы, отличающееся тем, что, с целью его упрощения, дополнительно введен запитывающий прямоугольный волновод, система волноводных излучателей образована отрезками волноводов, открытые концы которых с одной стороны обращены внутрь запитывающего прямоугольного волновода, образуя его широкую стенку, при этом ось запитывающего волновода параллельна силовым линиям магнитного поля ловушки, расстояние между соседними волноводами системы волноводных излучателей, меньше половины длины медленной электромагнитной волны, при этом запитывающий волновод подключен с одного конца к высокочастотному источнику питания, а его длина больше длины затухания медленной электромагнитной волны в нем.