1
Данное изобретение относится к устройствам для возбуждения электромагнитных воли в плазме, в частности, для высокочастотного нагрева плазмы в термоядерных установках типа «Токамак или «Стелларатор.
По основному авт. св. № 762613 известно устройство длл высокочастотного нагрева плазмы, содержащее излучающий элемент, помещенный внутри камеры и подключенный к блоку конденсаторов, причем излучающий элемент выполнен в виде системы параллельных проводников, расположённых параллельно стенкам камеры с наклоном к ее оси и соединенных с общим проводником, вдоль которого равномерно подключены конденсаторы, а общий проводник расположен в плоскости перпендикулярной к оси камеры, так что проекция любого проводника на указанную плоскость меньще аналогичной проекции общего проводника 1. Проводники, образующие излучающий элемент, расположены так, что угол их наклона к оси камеры изменяется вдоль оси камеры по периодическому, например синусоидальному, закону. Внутрь камеры дополнительно помещен оптически плотный экраи, образованный параллельными пластинами, которые наклонены к оси камеры так, что угол наклона их к оси камеры меньше угла наклона к оси камеры проводников, образующих излучающий элемент, а оба конца из пластин экрана электрически соединены со стенками камеры, причем излучающий элемент расположен в объеме между камерой и экраном. Концы проводников, образующих излучающий элемент, подключены к камере и общему проводнику через
систему параллельных проводников, расположенных между излучающим элементом и стенкой камеры перпендикулярно к поверхности излучающего элемента. Общий проводник и проводники излучающего элемента образованы системой щелей, выполненных непосредственно в стенке камеры.
Недостаток известной конструкции заключается в том, что продольная составляющая токов, текущих по проводникам
излучающего элемента, создает паразитное азимутальное магнитное поле, которое в основном заключено в пространстве между жалюзийным экраном и стенкой вакуумной камеры. Это обстоятельство приводит, вопервых, к увеличению волнового сопротивления устройства, во-вторых, к увеличению добротности системы, определяемой отношением реактивной составляющей импеданса к активной. По этой причине уменьщение угла наклона проводников излучающего элемента к оси камеры, что весьма желательно для уменьшения волнового сопротивления устройства, допустимо только до некоторого критического значения, ниже которого уменьшение угла становится бесполезным, так как паразитный магнитный поток остается практически неизменным с уменьшением угла, а возбуждающий поток становится меньше паразитного. Другими словами, при уменьшении угла наклона проводников излучающего элемента ниже некоторого критического значения волновое сопротивление будет оставаться неизменным, а добротность будет увеличиваться, что в конечном счете приведет не к уменьшению высокочастотных потенциалов, а к их увеличению. По этой причине указанное устройство ограничивает уровень вводимой в плазму энергии, а также не позволяет увеличить площадь излучающего элемента.
Целью дополнительного изобретения является повышение температуры плазмы путем увеличения уровня вводимой энергии.
Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве, содержащем излучающий элемент, помещенный внутри камеры и подключенный к блоку конденсаторов, в котором излучающий элемент выполнен в виде системы параллельных проводников, расположенных параллельно стенкам камеры с наклоном к ее оси и соединенных с общим проводником, вдоль которого равномерно подключены конденсаторы, общий проводник расположен в плоскости перпендикулярной к оси камеры, так что проекция любого проводника на указанную плоскость меньще аналогичной проекции общего проводника, проводники, образующие излучающий элемент, расположены так, что угол их наклона к оси камеры изменяется вдоль оси камеры по периодическому, например синусоидальному закону, внутрь камеры дополнительно помещен оптически плотный экран, образованный параллельными пластинами, которые наклонены к оси камеры так, что угол их наклона к оси камеры меньше угла наклона к оси камеры проводников, образующих излучающий элемент, а оба конца каждой из пластин экрана электрически соединены со стенками камеры, причем излучающий элемент расположен в объеме между камерой и экраном, концы проводников, образующих излучающий элемент, подключены к камере и общему проводнику через систему параллельных проводников, расположенных между излучающим элементом и стенкой камеры перпендикулярно к поверхности излучающего элемента, общий проводник и проводники излучающего элемента образованы системой щелей, выполненных непосредственно в стенке камеры, концы проводников излучающего элемента соединены с камерой вблизи общего проводника через систему дополнительных проводников, расположенных между излучающим элементом и стенкой камеры, причем каждый дополнительный проводник ориентирован так, что его проекция 5 на стенку камеры параллельна оси камеры, а зазор между поверхностью, образованной системой дополнительных проводников, и поверхностью излучающего элемента плавно увеличивается от места их соединения в направлении общего проводника.
Благодаря тому, что проводники излучающего элемента подключены к камере через дополнительные проводники, обратный 15 продольный ток будет течь не по стенкам вакуумной камеры, а но дополнительным проводникам. Так как дополнительные проводники расположены значительно ближе к излучающему элементу, чем к стенке ва0 куумной камеры, то магнитный паразитный поток (П(р составляющая) будет заключен в существенно меньшем объеме (между излучающей поверхностью и поверхностью, образованной дополнительными проводни ками), чем рабочий поток (Нг составляющая). Благодаря выбранной ориентации дополнительных проводников рабочий магнитный поток по-прежнему будет заключен во всем объеме мел{ду излучающим эле0 ментом и стенкой вакуумной камеры и определяться токами, текущими по проводникам излучающего элемента. Этим достигается значительное уменьшение доли паразитной индуктивности, что позволяет уменьшить по сравнению с прототипом угол наклона проводников излучающего элемента без ухудшения качеств устройства и в конечном счете уменьшить волновое сопротивление устройства и увеличить уро0 вень вводимой в плазму высокочастотной энергии. Благодаря плавному изменению зазора между поверхностью, образованной дополнительными проводниками, и поверхностью излучающего элемента от места их соединения в направлении общего проводника достигается минимальное значение пяразитного потока (паразитной индуктивности) при сохранении условий равной электрической прочности во всех точках из0 лучающего элемента. Действительно, минимальный зазор и, следовательно, минимальное значение паразитного потока определяется условиями электрической прочности, а так как разность потенциалов уве5 личивается от места соединения дополнительных проводников и проводников излучающего элемента в направлении общего проводника, то условие равнопрочности и минимальной паразитной индуктивности 0 будет удовлетворено при указанном выше плавном изменении зазора между этими элементами.
На фиг. 1 приведен пример выполнения описываемого устройства, разработанного для использования в токамаке Т-10 (устройство показано с частичными вырезами для лучшего понимания конструкции); на фиг. 2 схематично показано описываемое устройство, поперечное сечение; на фиг. 3- известное устройство, то же сечение; на фиг. 4 - описываемое устройство, вид изнутри камеры со стороны ее оси (без жалюзийных экранов). Устройство размещается в тороидальной вакуумной камере I, имеющей патрубок 2, развитый в азимутальном направлении. Проводники излучающего элемента 3 расположены симметрично относительно общего проводника 4 с наклоном к оси камеры 1. Угол наклона проводников в этом примере составляет величину а - 20°. С одной стороны проводники излучающего элемента 3 соединены с общим проводником 4 через систему проводников 5, пер- 20 пендикулярных излучающей поверхности, образованной элементом 3. С другой стороны концы каждого проводника излучающего элемента 3 соединены с камерой через дополнительные проводники 6, расположенные между излучающим элементом 3 и стенкой камеры I, и через систему проводников 5, перпендикулярных к поверхности излучающего элемента 3, причем подключение к камере 1 производится вблизи 30 общего проводника 4. Дополнительные проводники б расположены под углом р к поверхности излучающего элемента 3 так, что расстояние между ними плавно увеличивается в направлении общего проводни- 5 ка 4. В рассматриваемом примере угол ,5 Дополнительные проводники б ориентированы таким образом, что их проекция на стенку камеры 1 параллельна оси камеры. Излучающий элемент 3 со стороны плазмы закрыт нсалюзийным экраном 7, концы которого соединены с камерой 1. Вдоль общего проводника 4 равномерно распределены контурные конденсаторы 8. Запитка устройства ПРОИЗВОДИТСЯ от высо- 5 кочастотных фидеров 9. Работа устройства может быть объяснена следующим образом. Азимутальные составляющие высокочастотных токов, текущие по проводникам 3, создают на границе плазменного шнура возбуждающее электромагнитное поле. Обратный ток отводится на камеру 1 через дополнительные проводники б. Чтобы они не оказывали влияние на процесс возбуждения электромагнитных волн в плазме, они ориентированы таким образом, что их проекция на стенку вакуумной камеры 1 параллельна оси камеры 1. Такое расположение дополнительных проводников б ПРИВО.П.ИТ к ТОМУ, что в60 них отсутствует азимутальная составляющая тока, направленная навстречу возбуждающему току и ослабляющая электромагнитное поле в плазме. Это дает возможность приблизить дополнительные провод-65 25 НИКИ 6 к излучающему элементу 3 на минимальное расстояние, определяемое только электрической прочностью, что в свою очередь позволяет уменьщить площадь поперечного сечения устройства, которая получается существенно меньшей, чем у известного устройства. В результате уменьшается доля паразитной индуктивности устройства, связанная с нерабочим продольным током, другими словами, волновое сопротивление устройства принимает значение значительно меньшее, чем волновое сопротивление известного устройства. Плавное изменение зазора между поверхностью, образованной дополтштельными проводниками 6 и поверхностью излучающего элемента 3 от места их соединения в сторону общего проводника (который находится при максимальном значении высокочастотного потенциала) позволяет получить одинаковую электрическую прочность излучающего элемента при сохранении минимального значения паразитной индуктивности 5 стройства. Таким образом, уменьшение паразитного потока, связанного с продольным током, дает возможность получения более низкого волнового сопротивления устройства, что при одинаковых с известным устройством максимальных значениях высокочастотного потенциала на элементах устройства позволяет передать в плазму заметно большие уровни высокочастотной энергии. Д-ругое преимущество предложенного устройстgg заключается в том, что оно позволяет получить излучающую поверхность большей площади. Результаты численного расчета для случая применения предлагаемого и иявестното устройств в условиях токамака Т-10 (р случае нагрева плазмы с использованием ионно-циклотронного резонанса) показывают, что при азимутальном размере излучающего элемента , углах а 20°, 3 и максимальном значении высокочастотного потенциала на излучающем эле менте Е возможна передача в плазму энергии с мошностью, превышающей аналогичное значение мощности в известном устройстве в 3-4 раза. Формула изобретения Устройство для высокочастотного нагрена плазмы по авт. св. № 762613, о т л и ч аю щ е е с я тем, что, с целью повышения температуры плазмы путем увеличения уровня вводимой энергии, концы проводников излучающего элемента соединены с камерой вблизи общего проводника через систему дополнительных проводников, располол енных между излучающим элементом и стенкой камеры, причем каждый дополнительный проводник ориентирован так, что его проекция на стенку камеры параллель7
на оси камеры, а зазор между поверхностью, образованной системой дополнительных проводников, и поверхностью излучающего элемента плавно увеличивается от места их соединения в направлении общего проводника.
8
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе
1. Авторское свидетельство СССР № 762613, кл. G 2IB 1/00, 26.02.79 (прототип) .
Фuг,.
