Устройство для возбуждения электромагнитных волн в плазме Советский патент 1982 года по МПК H05H1/18 G21B1/00 

ной эиерги при высоких уровнях мощности величина высокочастотного потенциала на элементах системы все же весьма значительна, что вызывает трудности в обеспечении электрической прочности таких систем. Кроме того, в таких системах значительвой величины достигают продольные электрические поля, которые приводят к нежелате тьным эффектам в периферийных областях плазменного шнура (генерация «медленных волн и периферийный нагрев плазмы, развитие турбулентных процессов на периферии шнура и т. п.). С целью устранения этих полей приходится использоиать дополнительные элементы, например систему проводников типа «беличья клетка. Недостатком таких систем является широкий спектр (по продельным волновым числам) возбуладаемых в плазме колебаНИИ, что для ряда методов нагрева приводит к снижению эффективности нагрева (например, при использовании черенковского по(глош,ения энергии волц частицами плазмы. Хотя сужение спектра может быть доститнуто при одновременном использовании нескольких таких витков, однако необходимость создания жестких фазовых соотношений для токов, протекающих в соседних витках, приводит к существенному конструкторскому усложнению таких систем. Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство для возбул дения электромагнитных волн в плазме, находящейся в металлической камере, состоящее из источника высокочастотной энергии, подводящего фидера и излучающей поверхности 3. В качестве излучающей поверхности в таком устройстве используется поверхность диэлектрического оезонатора, размещенного между поверхностью плазмы и стенкой камеры. В таком устройстве можно обеспечить требуемую структуру электромагнитного поля, позволяющую возбуж;дать «быстрые волны в плазме, а также обеспечить необходимое замедление. Кроме того, в даШых устройствах могут полностью отсутствовать продольные электрические поля вблизи позерхности плазмы и, таким образом, устраняются нежелательные эффекты, связанные с возбуждением «медленных волн в плазме. Главным достоинством подобното устройства является возможность ввода в плазму высокочастотной энергии при весьма высоком уровне мощности, требуемом, например, для осуществления нагре ва плазмы. Однако в таких устройствах для осуществления резонаторных (волноводных) свойств необходимо использование диэлектриков с достаточно высоким значением диэлектрической проницаемости (-100). Кроме того, так как минимальная толщина диэлектрика должна быть порядка длины волны в диэлектрике, габариты таких систем, особенно при использовании относительно низких частот оказываются весьма значительными. При этом возможности диэлектрика с точки зрения его электрической прочности используются весьма недостаточно. Существенным недостатком таких систем является необходимость изготовления сложных по форме и значительных По объему диэлектрических элементов, технология изготовления которых весьма дорогосГгоюща. Цель изобретения - упрощение конструкции устройства для возбуждения электромагнитных волн. Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве для возбуждения электромагнитных волн в плазме, находящейся в металлической камере, состоящем из источника высокочастотной энергии, подводян его фидера и излучающей поверхности, излучающая поверхность выполнена в виде металлической пластины-сектора, расположенного вблизи стенки камеры, параллельно ей, причем длина пластины вдоль оси камеры больше ее ширины, а между пластиной-сектором и поверхностью камеры размещены равномерно вдоль оси камеры емкостные элементы. Система «пластина-сектор - диэлектрик-металлическая камера обладает свойством направляющей системы, вдоль которой (параллельно оси камеры) может распространяться электромагнитная волна. При этом фазовая скорость волны может быть меньще скорости света. На азимутальных кромках пластин-секторов возбуждаются токи, текущие по внешней, обращенной к плазме поверхности пластин. Эти ТО1КИ и являются «возбуждающими токами, вызывающими генерацию «быстрых электромагнитных волн в плазме, которые уносят вглубь плазменного шнура электромагнитную энергию. Так как в такой системе фазовая скорость волны, распространяющейся вдоль системы, весьма слабо зависит от расстояния между пластиной-сектором и поверхностью камеры, то это р асстояние может быть выполнено весьма малым, что позволяет, во-первых увеличить эффективность использования объема камеры для размещения плазменного шнура, во-вторых, эффективно использовать диэлектрик, так как в этом случае толщину диэлектрика можно выбирать только из условия полного использования его электрической прочности. Кроме того, в такой системе становится возможным использование в качестве емкостного элемента вместо сплошного диэлектрика набора из отдельных емкостных элементов, выполненных например, в виде отдельных конденсаторов, либо систем типа «грейенка в гребенке, «гребенка под плоскостью и т. п.

С целью увеличения КПД излучающей поверхности параметры емкостных элементов и азимутальные размеры пластинсекторов выбираются такими, чтобы азимутальная ширина пластины была больиле, чем половина длины волны, распространяющейся в области между пластинами-секторами и поверхностью камеры.

В этих условиях оказывается возможным существование волн, распространяющихся вдоль системы, распределение поля п азимутальном направлении для которых обладает следующей особенностью: вектор электрического поля между пластиной и поверхноцтью камеры на противоположных азимутальных кромках пластин-секторов имеет различное направление. В этом случае по внещней поверхности пластинсекторов, обращенной к поверхности плазмы, будет протекать «возбуждающий азимутальный ток, плотность которого примерно одинакова по всей ширине пластины-сектора. Это обстоятельство позво;1яет обеспечить относительно высокое значение удельного потока энергии, уносимой в плазму, по сравнению с потоком, переносимым вдоль рассм атриваемого устройства, что в конечном счете, обеспечивает высокий КПД устройства.

В противоположном случае, когда щирина пластины-сектора меньще половины длины волны, также могут существовать волны, распространяющиеся вдоль системы. Однако в этом случае электрическое поле на противоположных кромках пластин имеет одинаковое направление. Поэтому «возбуждающпй р.зимутальный ток на внещней сггороне пластин будет сосредоточен только вблизи азимутальных кромок пластин (в середине пластин плотность этого тока равна нулю), а его величина будет весьма мала. В таком случае связь направляющей системы с плазмой оказывается существенно меныие, чем в предыдущем случае, что может привести к значительному повыщению доли оммических потерь в устройстве, и. тяким образом, к уменьщенню КПД.

С целью устранения продольных электрических полей в плазме, длина пластины-сектора выбирается равной или больиге половины ллипы )Т, а копцы пластины-сектора соединен м.еталлигескмМ11 пластинами с камерой.

Соединение концов пластины-сектора с камерой через металлические закоротки позволяет устранить протольпые электрические поля не только на поверхности излучаемого элемента, но и на его концах. В этом случае в предлагаемой системе полностью исключается возбуж.теиис нежелательной «медленной волны, которая может приводить, в частности, к нагреву периферии плазменного шнура. Для оох)анения резонансных свойств устройства, т.е. для обеспечения условий существования резонансной частоты, длина пластины-сгктора должна быть больше аксиальной юловины длины волны. При этом электэодинаминеские характеристики системы практически не изменяются, за исключением того, что введение закорачивающих

пластин соответствует использованию направляющей системы с электрически закороченными концами.

В ловущках стсллараториого либо торсатронного типа пластина-сектор располагается в области разрушенных магнитных поверхностей и выполняется в виде винтовой поверхности под углом к оси камеры , равным углу навивки полю|сов винтовых обмоток.

Гах как в ловгшках сте.ктаратор ого

как в ловушках сте.ктаратор

ой либо торсатронного типа с металличес вакуумной камерой наиболее полное исГ1ользование объема камеры достигаете в случае, если вершииы сепаратриссы, ограничмвающей плазменный щнур, оиираКТся на стенку камеры, то возможно использование предлагаемого устройства без ум( объема плазменного щнура, если

расположить пластины-сектора в обла

ти, находящейся между соседними верщ насепаратриссы (область разрущенйых магнитных поверхностей не используется

для размещения плазмы). При этом

для того, чтобы пластины-сектора находи; ись

помагнитных

ск).;; а с т и р а з р у ш е п н ы х

верхностей по всей длине системы, гла1Ю

стины-сектора должны оыть выполнены винтовой поверхности с углом нави

Л1,

нолюсов винтовой

равным углу навивки 40 обмотки.

с целью возбуждения в бегуlejiв одном направлении вдоль плаз троного шнура электромагнитных волн, дольная длина пластин-секторов выбирается больше длины затухания волны, распространяющейся в области между пластинами-секторами п металличе:кои камерой, а источник высокочастотной энергии подключен к нластинам-сект4рам

БиЛИЗ,: ОДНОГО 113 СГО КОНЦОВ.

Благодаря такому выполнению ycTjpoiiства в пространстве между пластинойсектором и металлической камерой п тпчески будет суп1ествовать только BQ

оегущая от местг

ика

подключения пстош к другому концу пластин-секторов, так как из-за превышения длины системы над длиной затухания амплитуда отраженной волны, бегущей в противоположном :;:iправленпп, будет незначительна. Необходимая длина затухания может быть обеспечена либо за счет излучения

очаВЫСО1

либо, на|пристотнои энергии в плазму, мер, за счет использования специальных

емкостных элементов в устройстве с коническими потерями.

При применении подобного устройства становится возможным возбуждение в плазменном шнуре волн, распространяющихся в одном направлении, 1что является необходимым, например, для создания стационарного тока в токамаках, либо для устранения на1Грева убегающих электрорюв в токамаке с индукционным разрядом.

На фиг. 1 приведен пример выполнения предлагаемого устройства в тороидальной ловущке типа «Токамак ; на фиг. 2, 3 - электродинамическая схема предлагаемого устройства; на фиг. 4-10 - примеры выполнения емкостных элементов; на фиг. И - пример выполнения устройства в магнитной лов)шке стеллараторного типа; на фиг. 12 - пример выполнения устройства, при котором полностью отсутствуют продольные электрические поля на поверхности плазменного щнура.

В примере выполнения устройства, показанного на фиг. I, в металлической вакуумной камере 1 тороидальной ловущки, например типа «Токамак, между плазмергным щиуром 2 и стенкой камеры 1 расположены три пластины-сектора 3 с толщиной d, выполненные из проводящего материала, например из нержавеющей стали. К пластинам-секторам 3 подключены источники высокочастотной энергии 4 с помощью коаксиальных кабелей-фидеров 5. Между пластинами-секторами 3 и поверхностью камеры I помещен диэлектрик 6с высоким значением диэлектрической проницаемости.

Основные принципы работы такой системы могут быть рассмотрены на упрощенной системе (фиг. 2-3), являющейся электродинамической моделью устройства, показанного на фиг. 1.

Система «пластина 3 - диэлектрик 6 - проводящая плоскость 7 является напр|авляющей системой, в которой вдоль координаты Z может распространяться зглна. Фазовая скорость волны (Уф) может быть определена из дисперсионного уравнения для такой системы, которое можно получить, например, из условия поперечного резонанса:

)/..(4-,

Г(ы

к

е / -

размер (см.

геометрический фиг. 2);

круговая ч астота;

ю - (2 скорость света; постоянная;

а -

.

У(а)) - внешняя проводимость, опре.теляется, как отношение плотности токов

(/ф), протекающих на внешней стороне поверхности пластины 3, и разности потенциалов между кромкой пластины 3 и плоскостью 7.

Можно показать, что для замедленных с внешняя проводимость в случае отсутствия плазмы носит индуктивный характер. При наличии плазмы составляющая тока /ф, протекающая в азимутальном направлении по внешней поверхности пластин-секторов 3, приводит к возбуждению в плазме «быстрых волн, а следовательно, к появлению реальной составляющей в величине внещней проводимости Y().

Как следует из выражения (1), возможны случаи, для которых сз щественно различается топография полей в системе. Наиболее важными для приложений являются дв,а следующих случая.

Поле ЕХ (см. фиг. 2) в пространстве между пластиной 3 и плоскостью 7 имеет один узел. Условие для существования такого распределения следующее:

, S.

(2)

Поле ЕХ в этой же области нигде не об30 раи1ается в ноль. Условие для существования такого распределения:

Е) случае, показапном на фиг. 3, возможно существоваиие волн с фазовой

С

скоростью . Педостатком тако

го режима является наличие интенсивных

высоких гармоник в Фурье-спектре по азиf. -

мутзльным волновым числам (Ку , 3, 5...), что следует, в частности, из ь;артины распределения плотности тока на поверхности пластины. Кроме того, плотность этого тока может -быть относительно малой величиной, а, следовательно, малой гбудет реальная часть проводимости ((), что соответствует сла.бой связи направляющей системы с плазмой.

В случае, показанном на фиг. 2, благодаря разному знаку цоля Е на азимутальных кромках пластин-секторов, распределение тока на внешней поверхности пластин не имеет узла, поэтому в этом примере будут в основном возбуждаться волны с . В этом случае ширина пластины должна быть больще . / I/ Рг.;-г - (и1нрина пластины / должна быть больше, 1чем половина длины волны, распространяющейся в

ка в гребенке, «гребенка под плоскостью и т. п.

С целью увеличения КПД излучающей поверхности параметры емкостных элементов и азимутальные размеры пластинсекторов выбираются такими, чтобы азимутальная ширина пластины была больиле, чем половина длины волны, распространяющейся в области между пластинами-секторами и поверхностью камеры.

В этих условиях оказывается возможным существование волн, распространяющихся вдоль системы, распределение поля п азимутальном направлении для которых обладает следующей особенностью: вектор электрического поля между пластиной и поверхноцтью камеры на противоположных азимутальных кромках пластин-секторов имеет различное направление. В этом случае по внещней поверхности пластинсекторов, обращенной к поверхности плазмы, будет протекать «возбуждающий азимутальный ток, плотность которого примерно одинакова по всей ширине пластины-сектора. Это обстоятельство позво;1яет обеспечить относительно высокое значение удельного потока энергии, уносимой в плазму, по сравнению с потоком, переносимым вдоль рассм атриваемого устройства, что в конечном счете, обеспечивает высокий КПД устройства.

В противоположном случае, когда щирина пластины-сектора меньще половины длины волны, также могут существовать волны, распространяющиеся вдоль системы. Однако в этом случае электрическое поле на противоположных кромках пластин имеет одинаковое направление. Поэтому «возбуждающпй р.зимутальный ток на внещней сггороне пластин будет сосредоточен только вблизи азимутальных кромок пластин (в середине пластин плотность этого тока равна нулю), а его величина будет весьма мала. В таком случае связь направляющей системы с плазмой оказывается существенно меныие, чем в предыдущем случае, что может привести к значительному повыщению доли оммических потерь в устройстве, и. тяким образом, к уменьщенню КПД.

С целью устранения продольных электрических полей в плазме, длина пластины-сектора выбирается равной или больиге половины ллипы )Т, а копцы пластины-сектора соединен м.еталлигескмМ11 пластинами с камерой.

Соединение концов пластины-сектора с камерой через металлические закоротки позволяет устранить протольпые электрические поля не только на поверхности излучаемого элемента, но и на его концах. В этом случае в предлагаемой системе полностью исключается возбуж.теиис нежелательной «медленной волны, которая может приводить, в частности, к нагреву периферии плазменного шнура. Для оох)анения резонансных свойств устройства, т.е. для обеспечения условий существования резонансной частоты, длина пластины-сгктора должна быть больше аксиальной юловины длины волны. При этом электэодинаминеские характеристики системы практически не изменяются, за исключением того, что введение закорачивающих

пластин соответствует использованию направляющей системы с электрически закороченными концами.

В ловущках стсллараториого либо торсатронного типа пластина-сектор располагается в области разрушенных магнитных поверхностей и выполняется в виде винтовой поверхности под углом к оси камеры , равным углу навивки полю|сов винтовых обмоток.

Гах как в ловгшках сте.ктаратор ого

как в ловушках сте.ктаратор

ой либо торсатронного типа с металличес вакуумной камерой наиболее полное исГ1ользование объема камеры достигаете в случае, если вершииы сепаратриссы, ограничмвающей плазменный щнур, оиираКТся на стенку камеры, то возможно использование предлагаемого устройства без ум( объема плазменного щнура, если

расположить пластины-сектора в обла

ти, находящейся между соседними верщ насепаратриссы (область разрущенйых магнитных поверхностей не используется

для размещения плазмы). При этом

для того, чтобы пластины-сектора находи; ись

помагнитных

ск).;; а с т и р а з р у ш е п н ы х

верхностей по всей длине системы, гла1Ю

стины-сектора должны оыть выполнены винтовой поверхности с углом нави

Л1,

нолюсов винтовой

равным углу навивки 40 обмотки.

с целью возбуждения в бегуlejiв одном направлении вдоль плаз троного шнура электромагнитных волн, дольная длина пластин-секторов выбирается больше длины затухания волны, распространяющейся в области между пластинами-секторами п металличе:кои камерой, а источник высокочастотной энергии подключен к нластинам-сект4рам

БиЛИЗ,: ОДНОГО 113 СГО КОНЦОВ.

Благодаря такому выполнению ycTjpoiiства в пространстве между пластинойсектором и металлической камерой п тпчески будет суп1ествовать только BQ

оегущая от местг

ика

подключения пстош к другому концу пластин-секторов, так как из-за превышения длины системы над длиной затухания амплитуда отраженной волны, бегущей в противоположном :;:iправленпп, будет незначительна. Необходимая длина затухания может быть обеспечена либо за счет излучения

очаВЫСО1

либо, на|пристотнои энергии в плазму, мер, за счет использования специальных

женной вблизи стенки камеры, параллельно ей, причем длина пластины вдоль оси камеры больше ее ширины, а между пластиной-сектором и поверхностью камеры размещены равномерно вдоль оси камеры емкостные элементы.

2.Устройство по п. 1, отличаюш,ес с я тем, что, с целью уменьшения азимутальных размеров пла.стин-секторов, СДна из азимутальных кромок пластинсекторов соединена с металлической камерой, причем азимутальная ширина пластины больше, чем четверть длины волны, распространяюшейся в области между пластинами-секторами и поверхностью камеры.

3.Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что с целью устранения продольных электрических полей в плазме длина пластины-сектора выбирается равной или больше половины длины волны, а концы пл.астины-сектора соединены металлическими пластинами с камерой.

4.Устройство по пп. 1-4, отличающееся тем, что в магнитных ловушках стеллараторного либо торсатронного типа, пластина-сектор выполнена в виде винтовой поверхности под углом к оси камеры.

равным углу навивки полюсов винтовой обмотки и расположена в области магнитных поверхностей.

5. Устройство по пп. 1-5, отличающ е е с я тем, что, с целью воз)буждения в плазме электромагнитных волн, бегущих вдоль оси камеры в одном направлении, продольная длина пластины-сектора выбирается больще длины затухания волны,

распространяющейся в области мелоду пластиной и камерой, а источник высокочастотной энергии подключен к пластинесектору вблизи одного из его концов.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1.Труды второй международной конференции по мирному использованию атомной энергии. Доклады иностранных ученых, т. 1. Физика горячей плазмы и термоядерные реакции, Атомиздат, 1959, с. 248.

2.Труды 6-ой международной конференции по физике плазмы и управляемому

термоядерному синтезу. Берхтеогаден, 1976. Вена, 1977, с. 39.

3.Авторское свидетельство СССР ЛЬ 397139, кл. Н05Н .1/18 (прототип).

е/г.

f.J

фуг. 5

07

-IJ.

/TZV.

(руг. 7

ff J

J -iFM

4-Л

J

П

, a

Й%-.

аг. //