Устройство для возбуждения "медленных" волн в плазме Советский патент 1982 года по МПК H05H1/18 

Изобретение относится к устройствам для возбуждения электромагнитных волн в плазме, в частности, предназначено для осуществления высокочастотного нагрева плазмы в термоядерных установках типа «ToKaMiaK и «Стелларатор.

Известно, что одним из наиболее перспективных методов высокочастотного нагрева плазмы является использование нижнего гибридного резонанса. Для осуществ. ления такого метода нагрева необходимо возбуждение «медленных волн в плазме, фазовая скорость которых вдоль магнитного

поля меньше скорости света ( 1,5-

3), что требуется для удовлетворения условия доступности Голанта-Стикса 1.

Известно устройство для возбуждения «медленных волн в плазме, представляющее собой систему экранов, охватывающих плазменный шнур. Экраны разделены друг от друга азимутальными щелями, к кромкам которых подключен нсточннк высокочастотной энергии 2.

Благодаря малой ширине щели относительно ширины экрана в плазме возбуждается широкий спектр волн с различными фазовыми скоростями вдоль напр авления манитного поля. Это позволяет, в частности, осуществить черенковское поглощение энергии «медленных волн частицами плазмы. Однако использование волн с широким спектром по фазовым скоростям приводит к усиленному поглощению высокочастотной энергии в периферийных областях плазменного шнура в результате черенковского взаимодействия и, следовательно, к уменьшению потока энергии волны, достигающей обл1асти нижнего гибридного резонанса в глубине плазмы.

Известна также возбуждающая система типа «гребенка, использующая для создания з амедления волны гофрировку внутренней поверхности вакуумной камеры 3, В таких системах легко получить необходимое замедление при сохранении сравнительно небольших габаритов системы. Однако данные системы могут работать только в случае, если между поверхностями плазмы и плазменного шнура существует вакуумный промежуток, через осуществляется перенос высокочастотной энергии вдоль излучающей поверхности. В условиях же реальных термоядерных ловушек плотность частиц плазмы вблизи излучающих поверхностей остается существенной, что может привести к сильной связи излучающей поверхности с пл азмой и, как следствие, к малой эффективной

длине излучения и к расширению спектра возбуждаемых в плазме волн.

Наиболее близким к изобретению по технически сущности является устройство для возбуждения «ме|дленн ых волн в плазме, находящейся в металлической камере, содержащее волновод-излучатель, соедиленный с источником высокочастотной вйергии (4.

В качестве излучателя используется открытый конец волновода. Для этих целей в металлической Вакуумной камере термоядерной ловушки, например, типа «Токамак выполняются прямоугольные патрубки, которые используются в качестве волново-дов. С одной стороны такой волновод подключен к источнику высокочастотной энергии, с другой - открытый конец волновода, обращенный к плазме, выполняет функции аитенны-излуяателя. Используется также систем(а сфазированных волноводов, размещенных в одном патрубке, что позволяет сузить спектр по продольным фазовым скоростям возбуждаемых в плазме колебаний.

Известное устройство обладает, как правило, М|алой площадью поперечного сечения патрубков по сравнению с обЩей площ-адью поверхности плазменного шнура. Это обстоятельство требует ввода в плазму высокочастотной энергии с высоким значением удельного потока, что приводит к большим значениям напряженности электрического поля в плазме особенно в области 1аитенны н, как следствие, к развитию параметрических неустойчивостей, приводящих к поглощению электромагнитных волн на поверхтости плазменного шнура. Кроме того, в таких устройствах спектр возбуждаемых в плазме колебаний даже в случае использования нескольких сфазированных волноводов имеет весьма существенные коротковолновые составляющие, что также может привести к нежелательному периферийному нагреву плазмы из-за черенковского взаимодействия волн с электронами, особенно с «убегающими электронами, концентрация которых значительна в ловушках типа «Токамак. Недостатком таких устройств является также весьма сильная неоднородность напряженности электрического поля по сечению излучающего волновода в месте его раскрыва. Так как волновод открыт со стороны плазмы, то в условиях интенсивного облучения из плазменного шнура возникает опасность развития дуговых разрядов. Кроме того, при изменении параметров плазмы в течение рабочего импульса возможно существенное изменение коэффициента отражения от излуч ающего конца волновода, чтх) затрудняет согласование всего волноводного тракта.

Целью изобретения является увеличение уровня вводимой в плазму высокочастотной энергии.

Поставленная цель достигается тем, что

в устройстве для возбуждения «медленных волн в плазме, н аходящейся в металлической камере, содержащем волновод-излуча5 тель, соединенный с источником высокочастотной энергии, волновод-излучатель образован стенкой металлической камеры и экраном, размещенным внутри камеры параллельно ее стенке, причем в экране выполнена система азимутальных щелей. Ширина каждой щели экрана значительно меньше ее азимутальной длины, а расстояние между соседними щелями вдоль оси камеры примерно рнвно ширине щели н 15 значительно меньше длины волны. Источник высокочастотной энергии подключен к волноводу-излучателю через патрубок-волновод. В области расположения патрубка волновода экран выполнен без азимутальных щелей. Источник высокоч астотной энергии подключен между металлической камерой и экраном через коаксиальный кабель-фидер.

В волноводе-излучателе, образованном

5 стенкой металлической камеры и экраном, параллельным стенк,ам камеры, вдоль оси к амеры может распространяться электромагнитная волна, фазовая скорость которой благодаря наличию системы азимутальных щелей может быть меньше скорости света, что обеспечивает удовлетворительные условия доступности ГолантаСтикса. Кроме того, благодаря наличию азимутальных щелей-секторов на внешней

5 стороне экрана; обращенной к поверхности плазменного шнура, возникает «возбуждающее электромагнитное поле, поляризация которого обеспечивает возбуждение в плазме «медленной волны, уносящей

0 энергию вглубь пл1азмы. При этом становится возможным осуществить транспортировку электромагнитной энергии от места подключения высокочастотного источника вдоль плазменного шнура в вакуумной,

5 не заполненной плазмой, области камеры и обеспечить ее излучение в плазму через значительную по размерам излучающую поверхность. Поэтому при умеренных удельных потоках электромагнитной энергии в плазму становится возможным значительное увеличение общей высокочастотной энергии, вводимой в плазму. Наиболее оптимальные п араметры «возбуждающего поля на поверхности экрана волновода-излучателя достигаются в устройстве, в котором ширина каждой щели экрана значительно меньше ее азимутальной длины, -а расстояние между соседними щелями вдоль оси камеры примерно равно ширине щели и значительно меньше длины волны. Благодаря малому расстоянию между соседними щелями по сравнению с длиной волны и примерному равенству расстояния между щелями и шириной щели достигается уменьшение интенсивности в спектре

«возбуждающего поля коротковолновых гармоник по сравнению с основной (рабочей) гармоникой, что позволяет свести к минимуму уровень возбуждаемых в плазме сильнозамедленных волн, которые изза черенкоБского механизма могут поглощаться на периферии плазменного шнура. Кроме того, благодаря значительному различию между шириной щели и ее азимутальной длиной, а также ук;азанному соотношению между шириной щели и расстоянием между соседними щелями достигается сильное замедление возбуждаемой в плазме волны, что позволяет обеспечить достижение условия доступности ГолантаСтикса.

Для обеспечения эффективного возбуждения волновода-излучателя от источника высокоч1астотной энергии используется устройство, в котором источник высокочастотной энергии подклю:чен к волноводу-излучателю через патрубок-волновод, причем в области расположения патрубка-волновода экран выполнен без азимутальных щелей. Использование патрубка-волновода обеспечивает необходимую поляризацию возбуждаемых в волноводе-излучателе колебаний, а также достичь хорошего согласования импеяансов волновоД|а-излуч;ателя и всего волноводного тракта, соединяющего высокочастотный источник с нагрузкой. При этом патрубок-волновод недоступен излучению из плазмы из-за наличия между плазмой и патрубком сплошного экраН1а волновода-излучателя, 1что позволяет без опасности электрического пробоя увеличить уровень потока энергии через патрубок-волновод. Источник высокочастотной энергии может быть подключен между металлической камерой и экраном через коаксиальный кабель-фидер. Когда внешний проводник кабеля-фидера подключен к камере, а внутренний - к экрану, в волноводе-излучателе будут возбуждаться колебания, по поляризации аналогичные предыдушему случаю, при котором возбуждение волновода-излучателя осуществлялось через волновод-патрубок. При этом для ввода высокочастотной энергии внутрь камеры могут быть использованы небольшие по размерам патрубки.

На фиГ. 1 приведен пример выполнения предлагаегмого устройства в ловушке, имеющей прямоугольный патрубок; на фиг. 2 и 3 - упрощенная схема устройства, объясняющая ее электродинамические свойства; на фиг. 4 - пример выполнения устройства, в котором обеспечивается возбуждение волн, бегущих в одну сторону; на фиг. 5 - пример выполнения устройства при наличии в вакуумной камере широкого патрубка; на фиг. 6 - устройство, в котором подключение к источнику высокочастотной мощности осуществляется при помощи коаксиальных кабелей-фидеров.

В примере выполнения устройства, показанном на фиг. 1, источник высокочастотной энергии 1 через волноводный тракт 2 подключен к патрубку-волноводу 3, являющемуся частью металлической вакуумной камеры 4 магнитной ловушки. Диэлектрическое окно 5 в патрубке-волноводе 3 служит для разделения вакуумной части ловушки от объема, соединенного с атмос0 ферой. В области подключения патрубкаволновода 3 к вакуумной камере 4 распо, ложен волновод-излучатель, о-бразоваяный стенкой вакуумной камеры 4 и экраном 6. Экран 6 выполнен в виде сектора, края ко5 торного соединены с вакуумной камерой 4, причем в экране 6 имеется несколько рядов азимутальных щелей 7. Ширина каждой щели 7 значительно меньше длины щели, а расстояние между соседними щелями

0 примерно равно ширине щели.

Устройство (фиг. 1) работает следующим образом.

Электромагнитная волна типа Е, распространяясь в волноводе 3, возбуждает

5 в волноводе-излучателе 6 аналогичного типа волну, которая распространяется в обе сторны от места подключения волновода 3 вдоль оси вакуумной камеры 4. Благодаря наличию системы азимутальных

0 щелей фазовая скорость вдоль направления распространения имеет меньшее значение, чем в гладком волноводе, в котором фазовая скорость Уср обычно больше скорости света.

5

На фиг. 2 показана часть экрана 6 со щелями 7. Продольная перемычка-проводник 8 экрана, образованная той частью экран а, в которой отсутствуют щели, является по сути обкладкой полосковой линии, образованной экраном и поверхностью вакуумной камеры. Вдоль такой системы может распространяться волна типа Е, фазо5 вая скорость которой Vcp Т/ (

г L.J

погонная индуктивность, Ср - погонная емкость). Однако благодаря подключению к перемычке-проводнику 8 боковых пласQ тин 9, что конструктивно достигается щелями 7, погонная емкость Ср полосковой линии увеличивается. Это увеличение емкости может быть примерно в --- раз

5 (при равенстве расстояний между соседними щелями и щириной щели), что приводит к уменьшению фазовой скорости в

, A+V,

раз. В случае, показанном на V Т

л

фиг. 1, когда боковые кромки экрана 6

подключены к вакуумной камере 4, фазоВая скорость Уср в волноводе с экраном 6 без прорезей-щелей 7 будет несколько больше скорости света С. При наличии щелей фазовая скорость будет уменьшена з

,

V

раз и станет меньше скорости п

света, что обеспечит выполнение условия доступности Голанта-Стикса. Таким образом, благодаря выполнению экрана 6 со щелями осуществляется замедление распространяющихся вдоль волновода-излучателя электромагнитных волн. Поскольку расстояние между соседними щелями значительно меньше длины волны, поле между соседними щелями имеет фазовый сдвит C я и вблизи поверхности экрана со стороны, обращенной к , создается продольное электрическое поле Е со следующим спектром по продольным волновым

числам: основная гармоника с С и набор высших гармоник с Уф ILf

II / -

частота волны, п , 2, 3. Если расстояние L достаточно м.ало, так что V 1/т.е

CI/T.C - тепловая скорость электронов в пл1азме), то высшие гармоники не могут излучаться в плазму и поле Т1аких гармоник быстро спадает при удалении от поверхности экрана 6.

Поэтому уже на расстоянии порядка L/2n электромагнитное поле будет иметь вид монохроматически волны с и бл1агодаря этому полю осуществляется возбуждение в плазме «медленной волны, уносящей энергию в плазму. Возможно также выполнение щелей в экране таким образом, ЧТО край каждой щели одного ряда расположен вблизи середины щели соседнего ряда (фиг. 3). В этом случае «шахматного расположения щелей достижение замедления волны, распространяющейся вдоль оси Z, может быть объяснено увеличением длины пути для тока /, текуЩего по внутренней поверхности экрана 6. При этом может быть достигнуто несколько большее замедление, чем в системе, показанной на фиг. 2. В примере выполнекия устройства, изображенного на фиг. 1, электромагнитные волны распространяются в обе стороны от возбуждающего волновода 3. Если продольная длина волновода-излучателя невелика (несколько длин волн), то волновод-излучатель будет работать в режиме резонатора, в котором входной импеданс волновода-излучателя )1меет резонансный характер на дискретных частотах. Если длина волновода-излучателя достаточно велика, так что длина затухания, обуслорленного излучением высокочастотной энергии в плазму, меньше длины волновода-излучателя, то устройство будет работать в режиме волновода, когда в волноводе-излучателе существуют только бегущие волны. Такой режим более предпочтителен, так как в этом случае более слабое влияние оказывает изменение

параметров плазмы на электродинамические характеристики устройства, в частности на его входной импеданс.

На фиг. 4 показан пример выполнения устройства, в котором достигается излучение в плазму «медленных волн, бегущих вдоль оси камеры в одном направлении. Это достигается благодаря тому, что возбуждающий волновод 3 расположен вблизи одного из концов волновода-излучателя.

При этом длина волновода-излучате«1я выбирается больше, чем длина затухания волновода, обусловленного излучением высокочастотной энергии в плазму. В этом случае в волноводе-излучателе будет сушествовать только волна, бегущая от возбуждающего волновода 3. В таком устройстве можно устр.анить влияние изменения параметров плазмы на работу источника высокочастотной энергии, так как согласование всего волноводного тракта не будет зависеть от параметров плазмы. Кроме того, в таком устройстве можно устранить черенковское взаимодействие (поглощение) «медленной волны с быстрыми (убегающими) электронами плазмы, скорость которых в условиях ловушки типа «Токамак близка к скорости света. Такое взаимодействие нежелательно из-за возможности периферийного нагрева плазмы. Это достигается в случае, если направление дрейфа быстрых электронов и направление распространения «медленной волны вдоль магнитного поля противоположны.

Важной особенностью устройства, показанного на фиг. 4, является то, что экран 6 в области расположения патрубкаволновода 3 выполнен сплошным (без щелей), что позволяет защитить патрубокволновод 3 от воздействия излучения из

плазменного шнура. В этом случае, в сравнении с прототипом, обеспечивается более высокая электрическая прочность в патрубке-волноводе, а следовательно, и проведение через волновод 3 более высокого уровня высокочастотной мощности.

При другом применении такого устройства с помощью возбуждаемых в плазме «медленных волн осуществляют поддержание в ловушке типа «Токамак стационаркого тока. В этом случае возможность возбуждения в плазме волн, бегущих в одном направлении, позволяет осуществить увеличение числа электронов плазмы, движущихся в одном направлении, что и приводит к созданию в плазме электрического тока.

На фиг. 5 показан пример выполнения устройства, когда в конструкции В1акуумной камеры 4 имеется широкий патрубок

10.

Это возможно в больших «Токамаках с параметрами термоядерного реактора. В этом случае волновод-излучатель может быть целиком расположен в патрубке. При этом экран 6 с системой -азимутальных щелей расположен на уровне стенки вакуумной камеры, являясь ее продолжением, а устройство допускает возможность монтажа через патрубок. Возбуждающий волновод 3 при этом занимает часть объема патрубка 10.

На фиг. 6 приведен пример выполнения предлагаемого устройства, когда для его возбуждения не требуется наличие в ва камере прямоугольных патрубков. В этом случае подключение источника высокочастотной энергии к устройству для возбуждения «медленных волн осуществляется с помощью коаксиального кабеляфидера .11, внешняя оболочка которого подключается к вакуумной камере 4, а внутренняя - к экрану 6. В волноводе-излучателе будет возбуждаться аналогичный предыдущему случаю тип волны (волна типа «Е). Достоинством такого устройства является возможность осуществить подвод высокочастотной энергии к волноводуизлучателю через небольшие по габаритам патрубки в вакуумной камере 4. Экран 6 волновода-излучателя полностью охватыBiaeT плазменный шнур. Работа такого типа волновода-излучателя принципиально не отличается от работы устройства, когда волновод-излучатель выполнен в виде сектора.

Таким образом, благодаря использованию в предлагаемом устройстве волноводаизлучателя с развитой нзлуч ающей поверхностью становится возможным повысить уровень высокочастотной энергии, вводимой в плазму, при относительно невысоких удельных потоках энергии в . Кроме того, применение такого устройства позволяет просто решить задачу согласования источника с (антенной и возбудить в плазме волны с оптимальным спектром по продольным волновым числам. Малые поперечные размеры систем такого типа позволяют разместить их в orpaHHJ4eHHOM пространстве между плазмой и стенкой вакуумной камеры и, следовательно, с высокой эффективностью использовать объем, в котором создается магнитное поле. Подобные системы могут быть применены также в ловущках других типов, например, в «Стелларатоpax.

Формула изобретения

1.Устройство для возбуждения «медленных волн в плазме, находящейся в

металлической камере, содержащее волновод-излучатель, соединенный с источником высокоч астотной энергии, отличающееся тем, что, с целью увеличения уровня

вводимой в плазму высокочастотной энергии, волновод-излучатель образован стенкой камеры и экраном, размещенным внутри камеры параллельно ее стенке, причем в экране выполнена система азимутальных .

2.Устройство по п. 1, отличающеес я тем, что щирина каждой щели экрана значительно меньще ее азимутальной длины, а расстояние между соседними щелями

вдоль оси камеры примерно равно щирине щели и значительно меньше длины волны.

3.Устройство по п. 1, отличающеес я тем, что источник высокоч астотной энергии подключен к волноводу-излучателю через патрубок-волновод, принем в области располол ения патрубка-волновода экран выполнен без азимутальных щелей.

4.Устройство по п. 1, отличающеес я тем, что источник высокочастотной

энергии подключен между металлической камерой и экраном через коаксиальный кабель-фидер.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1.Лонгинов А. В. и др. Препринт, ХФТИ 72-1, 72-2, т-18687, Харьков, 1972, с. 11- 28.

2.Лонгинов А. В. ЖТФ, XVII, 1591, 1972, с. 14.

3.Голант В. Е. ЖТФ, XVI, 2492, 1972, с. 12.

4. М. Brambilla, Nuclear Fusion, 16, 47, 1976, p. 17 (прототип).

/

/ I

/3

Фиг. 5