жения на элементах системы достигают опасных величин с точки зрения электрической прочности. Увеличение количества витков (либо полувитков) при использовании ловушки типа торсатрон усложняет конструкцию и, кроме того, ухудшает эффективность работы дивертора изгза необходимости введения значительных по площади поверхностей, перекрываюш,их диверторные щели.
Целью изобретения является повышение уровня вводимой в плазму энергии.
Эта цель достигается тем, что в устройстве для высокочастотного нагрева плазмы, содержащем источник высокочастотной энергии и систему возбуждения, система возбуждения выполнена в виде замедляющей структуры, образованной полюсами винтовой обмотки ловушки, пластинами, расположенными вблизи внутренней поверхности полюсов винтовой обмотки и соединенными с полюсами винтовой обмотки через емкостные элементы, и соединительными шинами, плоскость которых параллельна диверторным магнитным силовым линиям. Источник высокочастотной энергии подключен между полюсами винтовой обмотки и расположенной вблизи него пластиной. Длину пластины следует выбирать больше длины волны в замедляющей структуре.
Устройство преимущественно используется в термоядерной ловушке типа торсатрон с пространственным дивертором.
Система: пластина-конденсатор -полюс- конденсатор - пластина - шина - пластина п т. д., представляет собой замкнутый электрический контур, обладающий одной или несколькими собственными резонансными частотами, на которых входной импеданс такой системы является чисто активным. При этом азимутальные токи, протекающие по внутренней поверхности полюсов, пластин и шин, возбуждают в плазме «быстрые электромагнитные волны, энергия которых затем поглощается частицами плазмы.
Благодаря тому, что емкостные элементы расположены на всех полюсах винтовой обмотки торсатрона, достигается рассредоточение емкостных элементов по малому азимуту ловушки. По этой причине в электрическом контуре, который образуется полюсами винтовой обмотки, пластинами и соединительными шинами, высокочастотные потенциалы на элементах контура значительно ниже, чем в известном устройстве, где емкостные элементы подключены в одном месте. Это позволяет значительно увеличить уровень вводимой в плазму мощности.
Использование соединительных шин, плоскость которых в любой точке параллельна магнитным силовым линиям, позволяет достичь минимального перекрытия диверторных щелей и таким образом избежать существенного влияния устройства на работу дивертора.
Для возбуждения волн в плазме с узким
спектром по продольным волновым числам длина пластин вдоль полюса винтовой обмотки выбирается больше, чем длина волны в замедляющей структуре.
Так как система: пластина - конденсатор - полюс представляет собой замедляющую структуру, в которой вдоль полюса может распространяться электромагнитная волна с фазовой скоростью, значительно меньшей, чем скорость света, то в такой
5 системе и при нали-чии соединительных шин существуют замедленные электромагнитные солны.
Если длина системы превышает длину 0 замедленной волны, то вдоль системы существуетпространственно-периодичноеэлектромагнитное поле, спектр которого локализован вблизи определенного волнового числа. Это позволяет осуществить возбуж5 дение плазменных колебаний с определенными значениями продольных волновых чисел, что важно для ряда методов нагрева плазмы, например при использовании черепковского механизма поглощения. 0 На фиг. 1 показан вариант схемы предлагаемого устройства; на фиг. 2 - распределение контурных токов в поперечном сечении магнитной ловушки; на фиг. 3 - схема упрощенного устройства. 5 В устройстве (см. фиг. 1) источник высокочастотной энергии 1 через полосковую фидерную линию 2 подключен с одной стороны к корпусу полюса 3 винтовой обмоткп, с другой стороны к пластине 4, рас0 положенной вблизи поверхности полюса 3. .На фиг. 1 не показан вакуумный ввод изолятора, через который проходит фидерная линия 2 в вакуумную камеру. Пластины 4 выполнены в виде спрофилированных 5 полос, повторяющих контур полюсов 3, и расположены вблизи поверхности корпуса полюса 3. Вблизи каждого полюса 3 расположено по две таких пластины. пластиной 4 и корпусом полюса 3 включены 50 конденсаторы 5, которые размещены равномерно по всей длине пластины 4 вдоль полюса 3. Близлежащие пластины 4 соседних полюсов 3 электрически соединены между собой при помощи системы шин 6. Профиль 55 шин 6 выполнен таким образом, что в любой точке поверхность шины 6 параллельна силовым линиям магнитного поля 7, по которым в данной области плазма выносится в диверторную щель 8. Все элементы уст0 ройства размещены в областях, не занятых плазменным шнуром 9.
Устройство работает следующим образом.
Источник высокочастотной энергии 1 че65 рез запитывающую фидерную линию 2 возбуждает колебания в резонансной системе, образованной полюсами 3, пластинами 4, шинами 6 и конденсаторами 5. Характерное распределение высокочастотных токов в фиксированный момент времени показано на фиг. 2, где сплошной линией обозначен путь основного тока, штриховой линией - токи рассеивания, имеюш.ие меньшее значение, чем основной ток. Благодаря протеканию тока в азимутальном направлении на поверхности плазменного шнура создается, высокочастотное продольное магнитное поле, которое является источником возбуждения в плазме «быстрых электромагнитных волн. Конденсаторы не сосредоточены в одном месте, а распределены равномерно в азимутальном направлении (в данном примере выполнения шесть точек включения конденсаторов), поэтому сушественно снижен высокочастотный потенциал на элементах устройства. Это позволяет обеспечить электрическую прочность устройства и увеличить уровень вводимой в плазму мощности. В устройстве, показанном на фиг. 1, где используется по две пластины 4 вблизи каждого полюса 3, достигается максимальное снижение высокочастотного потенциала. В устройстве около каждого полюса 3 может быть расположена одна пластина 4, а в месте расположения отсутствующей пластины шина 6 непосредственно соединена с полюсом 3. Такое устройство аналогично устройству, показанному на фнг. 1, но потенциалы в этом случае в два раза больше. В зависимостн от аксиальной длины возможны два типа системы возбуждения: короткая и длинная. Короткая система. В этом случае система обладает резонансной частотой, при которой токи смещения, протекающие через конденсаторы, равны токам проводимости, протекающим по проводящим плоскостям. В таком режиме входной импеданс сиетемы на выделенной (резонансной) частоте в месте подключения фидерной линии 2 имеет активный характер, что позволяет исключить реактивные потоки энергии в линии 2 и таким образом обеспечить эффектинную работу источника высокочастотной энергии 1. В этом случае распределение тока в аксиальном направлении на элементах системы возбуждения почти равномерно, и поэтому, в частности, характер спектра по продольным волновым числам аналогичен случаю одиночного витка. Длинная система. При значительной длине элементов системы возбуждения вдоль магнитной системы ловушки и определенных требованиях, предъявляемых к конденсаторам, система возбу/кденпя обладает волноводными свойствами, т. е. вдоль системы (в аксиальном направлении) могут распространяться волны, в том числе с фазовой скоростью, меньшей, чем скорость света. Требования, предъявляемые к емкостным элементам, могут быть сформулированы следующим образом: в системе пластина 4, конденсатор 5, полюс 3 с отключенными щинами 6, существовать распространяющиеся волны с фазовой скоростью, меньшей, чем скорость света. В таком случае и при подключении щин 6 во всей системе будут существовать распространяющиеся волны с фазовой скоростью, меньшей, чем скорость света. При этом распределение тока в поперечном направлении остается аналогичным случаю, показанному на фиг. 2. В аксиальном направлении все поля будут иметь пространственную периодичность с определенным пространственным периодом L Уф f (где Уф - фазовая скорость в аксиальном направлении, / - частота колебаний). Таким условиям удовлетворяют конденсаторы, выполненные в виде диэлектрика с высоким значением диэлектрической проницаемости е(8 1), размешенным между нластиной 4 и полюсом 3, либо система конденсаторов, либо, система, аналогичная системам: «гребенка в гребенке, «гребенка - плоскость, н т. п. При этом возможны два случая. Аксиальная длина меньше длины затухания, обусловленной излучением высокочастотной энергии в плазму. В этом случае вдоль системы в аксиальном направлении установится стоячая волна. При этом входной импеданс системы будет чисто активный при определенных дискретных резонансных частотах. Однако в этом случае спектр колебаний в плазме сушественно сужен, особенно при работе на высоких модах. Аксиальная длина больше длины затухания. В этом случае в системе существуют бегущие в аксиальном направлении колебания, затухающие в результате излучения высокочастотной энергии в плазму по мере удаления от места включения фидера. Такой режим весьма удобен в практическом отношении, так как входной импеданс системы будет чисто активным в щирокой области частот и не зависит от изменения параметров плазмы. Использование в качестве токонесущих элементов пластин, расположенных вблизи полюсов и повторяющих их форму, позволяет устранить непосредственный контакт потенциальных элементов системы возбуждения с плазмой, следовательно, уменьшить поточи примесных частиц внутрь плазменного шнура. Хотя при этом в области щели между полюсами щины 6 пересекают плазменный поток, идущий к диверторным ще;;ям 8, однако выполнение этих поверхностей определенной формы (силовые линии магнитного поля вблизи этих перемычек параллельны плоскости перемычки) позволяет достичь весьма высокой прозрачности этой системы. Предельное значение прозрачности определяется толщиной шины, которую можно сделать достаточно малой, н точностью изготовления формы шины н практически исключить ее влияние на работу дивертора.
Предложенное устройство для возбуждения электромагнитных волн позволяет значительно снизить высокочастотные потенциалы на элементах устройства, что позволяет повысить уровень вводимой в плазму высокочастотной мощности. При равномерном распределении в азимутальном направлении конденсаторов, при котором резонансная система представляет собой кон-тур, в котором индуктивный элемент чередуется с емкостным, в такой системе высокочастотные потенциалы могут быть уменьшены в п раз по сравнению с прототипом (п - количество конденсаторов при азимутальном обходе) .
В устройстве, показанном на фиг. 1, в шесть раз уменьшен потенциал или (что эквивалентно) в тридцать шесть раз увеличена вводимая в плазму мощность. Увеличение высокочастотной мощности может быть легко достигнуто при увеличении продольных размеров устройства. Существование пространственно периодического вдоль длины устройства электромагнитного поля позволяет легко осуществить формирование достаточно узкого спектра по продольным волновым числам возбуждаемых в плазме колебаний. В таком устройстве может быть осуществлен волноводный режим работы, обеспечивающий согласование источника высокочастотной энергии с весьма нестабильной нагрузкой, какой обычно является плазма. Кроме того, влияние элементов устройства на работу дивертора незначительно.
Данное устройство может быть использовано в магнитных ловушках в бескамерном исполнении, например стеллараторнога типа.
Формула изобретения
1. Устройство для высокочастотного нагрева плазмы, содержащее источник высокочастотной энергии и систему возбуждения, отличающееся тем, что, с целью повышения уровня вводимой в илазму энергии, система возбуждения выполнена в виде замедляющей структуры, образованной полюсами винтовой обмотки ловушки, пластинами, расположенными вблизи внутренней поверхности полюсов винтовой обмотки и соединенными с полюсами винтовой обмотки через емкостные элементы, и соединительными шинами, плоскость которых параллельна диверторным магнитным силовым линиям, а источник высокочастотной энергии подключен между полюсом винтовой обмотки и расположенной вблизи него пластиной.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что длина пластин вдоль полюса
винтовой обмотки больше длины волны в замедляющей структуре.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе: 1. Physics of Fluids, V 1, 1958, p. 446.
2.Авторское свидетельство СССР Ns 397139, кл. Н 05 Н 1/18, 1971.
3.Труды 6-й Международной конференции по физике плазмы и управляемому
термоядерному синтезу (Берхтесгаден,, 1976) т. 3, Вена, 1977, с. 39 (прототип).
7
Фаг.
