Способ высокочастотного нагрева плазмы и устройство для его осуществления

 

1. Способ высокочастотного нагрева плазмы путем воздействия на плазму высокочастотными электромагнитными колебаниями, о т л и ч аю щ и и с я тем, что, с целью повышения эффективности нагрева плазмы . путем повышения допустимого уровня вводимой мощности, на плазму воздействуют несинусоидальными высокочастотными колебаниями с полосовыми частотными спектрами со сравнимыми амплитудами отдельных спектральных компонент с центральными частотами полос,близкими к частотам характерных плазменных резонансов, при этом ширина каждой полосы не превышает полосу фазовых колебаний частиц,захватываемых вблизи характерных плазменных резонансов. 2.Устройство для высокочастотного нагрева плазмы, содержащее источник постоянного тока или напряжения , задающий генератор, систему, образованную магнитными или электрическими изл 1ающими элементами, и усилительные элементы, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности нагрева плазмы путем повышения допустимого уровня вводимой мощности, последовательно с излучающим элементом включен пирокополосный усилительный элемент , причем управляющие электроды усилительных элементов соединены поi парно так, что образуют по крайней мере один массив из 2 элементов, (Л где ,2,3,..., и подключены через систему проводников к задающему генератору , который выполнен в виде генератора несинусоидальных колебаний с частотно-фазовой модуляцией. 3.Устройство по п. 2, отлиел чающееся тем, что один конец 00 о to каждого магнитного излучаюп1его элемента антенны подключен к одному из полюсов источника тока через управляемый ключевой элемент,а другой коN3 нец элемента подключен непосредственно к противоположному полюсу того же источника тока. 4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что каждый электрический излучающий элемент антенны подключен к одному из полюсов источника постоянного напряжения через управляемый ключевой элемент,при этом другой полюс источника напряженияподключен к общему заземленному проводнику.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧ ЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕПЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21} 3523621/24-25 (22} 13,12.82 (46) 30.11.86. Бюл. 11 - 44 (72) С.М.Криворучко, И.К,Тарасов и В.А.Башка (53) 533.9(088.8) (56) Семашко Н.Н. Инжекторы быстрых атомов. — Итоги науки и техники, Физика плазмы, т. 1, ч ° 1, стр, 272, ВИНИТИ, 1980.

Аликаев В.В. и др. Известия

АН СССР, Энергетика и транспорт, 1975, б (60), Т.Consoli in Proceedings of the

2-nd )oint 6гепаЬ 1е-Varenna Internationa.3 Symposium on Heating in

Toroidaf P fasma.s vo f. I (1980) 27, 3-17 September, 1980 (прототип), (54) СПОСОБ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО НАГРЕВА ПЛАЗМЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) 1. Способ высокочастотного нагрева плазмы путем воздействия на плазму высокочастотными электромагнитными колебаниями, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью повышения эффективности нагрева плазмы путем повышения допустимого уровня вводимой мощности, на плазму воздействуют несинусоидальными высокочастотными колебаниями с полосовыми частотными спектрами со сравнимыми амплитудами отдельных спектральных компонент с центральными частотами палос, близкими к частотам характерных плазменных резонансов, при этом ширина каждой полосы не превышает полосу фазовых колебаний частиц, захватываемых вблизи характерных плазменных резонансов.

ÄÄSUÄÄ 1158022 А

1511 Н 05 Н 1/00, G 21 В 1/00

2. Устройство для высокочастотного нагрева плазмы, содержащее источник постоянного тока ил . напряжения, задающий генератор, систему, образованную магнитными или электри— ческими излучающими элементами, и усилительные элементы, о т л и ч аю щ е е с я тем, чта, с целью павишения эффективности нагрева плазмы путем повышения допустимого уровня вводимой мощности, последовательно с каждым излучающим элементом включен широкополосный усилительный элемент, причем управляющие электроды усилительных элементов соединены попарно так, что образуют по крайней мере один массив из 2" элементов, где г.=1,2,3,..., и подключены через систему проводников к задающему генератору, который выполнен в виде генератора несинусаидальных колебаний с частотно-фаэовой модуляцией, 3. Устройство по п. 2, о т л ич а ю щ е е с я тем, что один конец каждого магнитного излучающего элемента антенны подключен к одному из полюсов источника тока через управляемый ключевой элемент,а другой конец элемента подключен непасредственно к противоположному полюсу того же источника тока.

4. Устройство па п. 2, а т л ич а ю щ е е с я тем, чта каждый электрический ызлучаюший элемент антенны подключен к одному из полюсов источника постоянного напряжения через управляемый ключевой элемент,при этом другой полюс источника напряжения подключен к общему заземленному проводнику.

11>8022

> . У(тройс тво а io и. е е с я тем, что 06(1 концB каждого магнитногo из:Еучаю(пего эле—

MP f{.Г(1 I10ДfCIII0)(Е1{Ы ис точника тока через управляемые клн>чевые элементь{, а другой полюс Нсточ ника ток(I подключен непоср едс тв ен«о к точке, раэделяюп{ий излучающий магнитный элемент HH две части так, что обе части элемента образук(т два массива Hç 2 элементов, где 1-.=1, 2 „

ti 1 .>, 6, Уc""..,,>01{ство по и. 2, 0 т л и— ч а ю и; е с я тем. ч То каждый

ИзОб{>(гение 0Tíîñèòcÿ к Об.l(1 cTH нагрева плазмы c помопеьк высокоча— с".о", {ых полей и может быть использовано в термоядерных устройствах с ма(1(ит{{ым уд({ржа({и м плазмы (гокамаки, с тел;{ар аторы, адиаб а тич еские ло«ушки!, а также в любой другой обла сти, с в я заьп(ой с возбуждением элек— тро маг E{H Tf ff,f>l но {н в с редах .

Изнест.ен способ нагрева и",аз(ь: путем инжекции быстрых нейтральных атомo». Отот способ тех;п(чески сло— жен H ма:Ео эффек типе ц д-Ея к >VI 1{vIx термоядерных y(тaíoвок, где для обес—

1 печения проникн(вени{я атомов B плаз—

Mv треб,,)ютс я Оч е{ь высОки е энергии инжекц{{и H Qc I { I!, 1! звестнь(способы высокочастотного нагрева плазмы электромагнитными волнами -{ ус гройства для их асуп(сст— вления, котоэые основаны на возмож«{ости возбуждения и распрострапения в плазме электромагнитных волн в различных диапазонах частот и погло— щения (астицам1{ плазмы энергHH этих

25 волн.

1!еп{бо.{ее близким техническим решением является спосоГ и устройство для высокочастотного нагрева плазмы путем воздействия на плазму электро- 30 магнитных колебаний вы(окой частоты, Заряженная частица, движущаяся в плазме вдоль магнитного поля Б со скоростью <„, эффективно взаимодействует с волной либо при условии черенковского резонанса, когда ее электрический и лучающий -(лемент подк:Еючен к обшей точке пары последовательно соединенных ключевь{х элементов, при этом полюса источника напряже{{ия подключе{п к свободным концам .(той пары клкчевых элементов

7. Устройство по Illl . 2-ч, о т— л и ч а ю ш е е с я тем, что суммы длин проводников, соединяюп(их генератор несинусоидальных колебаний с управляющими электродами каждого ключевого элемента, равны между с бой. с I(0po v ть C ol{11) gal T с фаз овой скоростью волны в направлении магнитного поля,, = - /1:, о! — частота волны, Р

2 !

<, — проекция волнового вектора !. на H(п{равлепие мае нитного поля,, IH

1 бо при условии циклотронного резо— панса, когда - астота волны в системе отсче"à,,движуп{ейся вдоль l({1 нит110 l 0 ПОЛЕ{ CO CKOPOCÒÜEG (— (J LJ =()>")))

-1,, .1,, равна или кратна циклотронной ей)

)E;lC TH1ff)l ((= — — ) T, () . Ко ГДа я . =Е. l +К V„, 1Д(. — ПЕЛОЕ -:HC»0, Е р заряд частиць., Ill — cе масс а, Гкорость по{ лощеиия з{{ерг{{и во:и: частицами плазмы зависит не только от числа !астиц, имеющих резона({сную скорост ., 1 .о и ширины резонанса в ппостранстf)e скоростей >.v„, определяемой {пириной фазовых скоростей пакета волH 5 и1!1(возбуждаемых в плазме.

Для создания достаточно широкого спектра по фазовым скоростям (1Е1„= и3

= л — — излучаемых в плазму воле{, !

) Р

)) необходимо, чтобы излучающее affтен— ное устрсйство имело достаточно ма,„{Е ) лые продольные размеры -,(лК„-К," —, ))

Однако в этом случае излучающая поверхность антенны оказывается малой, что приводит при заданной величине общей высокочастотной мощности, вводимой в плазму, к больпп{м удельным потокам высокочастотной мощности, к большим уровням напряженно(.—

1!5ЯО22

Увеличение числа высокочастотных синусоидальных генераторов и антенных устройств позволяет повысить уровень вводимой высокочастотной энергии в некоторых пределах.

Однако уровень вводимой в плазму высокочастотной энергии будет ограничен малой шириной резонанса в пространстве фазовых скоростей опреде30 ляемом малой частотной полосой пакета волн, возбуждаемых в плазме.

Кроме того, наличие нескольких линий передачи высокочастотной энергии от генераторов к антенным устройствам 35 приводит к существенному увеличению потерь высокочастотной энергии и увеличению количества согласующих и защитных элементов.

40

Целью изобретения является повышение допустимого уровня вводимой высокочастотной мощности ..

Поставленная цель достигается тем, что в способе высокочастотного 45 нагрева плазмы, основанном на воздействии на плазму электромагнитных колебаний, на плазму воздействуют несинусоидальными высокочастотными колебаниями с полосовыми частотными 50 спектрами со сравнимыми амплитудами отдельных спектральных компонент с нейтральными частотами полос, близкими к частотам характерных плазменных резонансов, при этом ширина каж- 55 дой полосы не превышает полосу фазовых колебаний частиц, захватываемых вблизи характерных плазменных резонансов. ти электрического поля. Bcëåäãòâèå этого на периферии плазмы (особенно вблизи антенны) могут развиватJ ся различного типа неустойчивости (пучковые, параметрические и др.,,êîòîрые приводят к нежелательным явлениям (нагреву периферийной эоны плазмы> повышенной диффузии, бомбардировке стенки камеры высокоэнергетичными частицами) и к загрязнению плаз- 10 мы потоками примесных атомов, идущих со стенки камеры. Кроме того, при больших удельных потоках ВЧ энергии возникают интенсивные ВЧ поля, в которых заряженные частицы из пе- 15 риферии плазмы могут непосредственно ускоряться в электрическом поле, создаваемом антенной, и приводить дополнительному распылению как самой антенны, так и ограничительных диафрагм и стенок камеры., 1анный способ наг рева может быть реализован с помощью устройства д тя высокочастотного нагрева плазмы, включающегo источник постоянного тока или напряжения, задающий генератор, антенну, образованную магнитными или электрическими излучателями, и усилительные элементы, что последовательно с каждым излучающим элементом антенны включен широкополосный усилительный элемент, причем управляющие электроды усилительных элементов соединены попарно так, что образуют по крайней мере один массив из 2 элементов, где n=l 2,3,..., и подключены через систему проводников к задающему генератору, который выполнен в виде генератора несинусоидальных колебаний с частотнофазовой модуляцией. !

При этом один конец каждого магнитного излучающего элемента подключен к одному из полюсов источника тока через управляемый ключевой элемент, а другой конец элемента подключен непосредственно к противополож ному полюсу того же источника тока, каждый электрический излучающий элемент антенны подклкчен к одному из полюсов источника постоянного напряжения через управляемый ключевой элемент, при этом другой полюс источника напряжения подключен к общему заземленному проводнику, оба конца каждого магнитного излучающего элемента подключены к одному из полюсов источника тока через управляемые ключевые элементы, а другой полюс источника тока подключен непосредственно к точке, разделяющей излучающий элемент на две части так, что обе части элемента образуют два массива из 2 элементов, где n=l,2,3...; каждый электрический излучающий элемент подключен к общей точке пары последовательно соединенных ключевых элементов, при этом полюса источника напряжения подключены к свободным концам этой пары ключевых элементов.

В случае, когда необходимо получить синфазную запитку всех излучателей антенны, суммы длин проводников, соединяющих генератор несинусоидальных колебаний с управляющими электродами каждого Këþ÷åвого элемента, равны между собой.

Благодаря этим характерным признакам представляется возможность! )8(!22

1 Р!1(р Ир() 13 3 11 13; l,! (3. 3 "1(3»ал! l! r н iii«pо к 0 м ч я (T() т и <) к и! i т Г !) н я (, IS 3 т 0 (л у чае даже при возбуждении (,!иой про— (транс тt» Синай гармаl»ики К 110 . чают ся волны, перекрываю!цHP. б()!!bi t()é и«в тер ял по фяэоным скоростям h v н

hei — Баз»»икающи»» пр»» этом спектр

К волн обладает дискретной структу— рой. В ре за)ьтате взаимодействия с резонансными частицами каждая иэ волн этой с трух туры эффективно о тдает свою энергию частицам плазмь», При этом захваченные полем каждой и(3 волн частицы плазмы саверц!Яют коле— !

»2е ) бания с частотой! 2 =К 33 — — - -, где н (К вЂ” нолнаной вектор -ой волны; н

à — ее потенциал; е — заряд час Httii;

1 ш — ep масс а.

Такие осцилляции захначенньгх час— тиц г!риводят к уп!ирению резонансов и при достаточных амплитудах во.!н эти резонансы могут перекрываться, приводя к нозникнонению ширс>кого спектра плазменных волн, эффективно обменивающегося энергией с частица— ми плазмы. 3то происходит при условии, когда разница между фазовыми скОрОс тями соседних волн волнового пакета с-.анонитс я сравнимой с амплитудой скорости захватя тих же волн, т.е когда

"?

V . -V (3", -.,2; У!,33! Р

Как следствие этого, во BçàHìoäåé— стнии волна — частица будет участвовать большое число частиц плазмы, т.е. большая часть высокочастотной энергии будет передаваться всему объему плазмы. Таким образом, существо технического решения выражается Е3 там, ч(го нагрев плазкы осуществляется электромагнитными колебаниями, кото— рые возбуждаются несинусоидальными импульсами, например, прямоугольной

/ формы с временем нарастания », спада 3 меньшим периода колебаний харак ерного плазменного резонанса.

Использование массивов излучаюгцих элементов антенны, в свою очередь, позволяет снизить удельный пo—

ТоК энергии нысокочастотнога поля с одновременH!.!м увеличением излучаемой

MOIIIHOCTH.

При исг!о!!ь завании в качестве к.-!кче вых элементов полупранодниконых структур, трянзисторон, тирис торов, ( диодoE3) представляется вазможнас TI располагать эти элементы вблизи иэ:! УЧЯЮ!ЦИХ Э Е 1(H TC) H Я Н P!1!»bi Ч Та Э»»Я !и те:1!>1»0 сок рати т потери 1» я ! с !)(.дячу нысакочяс T() тнс>й энс рг ии от ее ис— точ ника к излуч ". þùåìó элементу.

Изобретение поясняется чертежом, где I»a фиг. 1 изображена схема а3»ТР»ного устройства, выполненного в ниде массива излучающих элементов, подключе.ннь!х через систему ключевых эле-!

О ментов к задаю!цему генератору. Ия фиг. 2 показан вариант выполнения пары излучаю!цих элементов устройства с,»гесимметричными вибраторами магнитного типа.

f5 IIa фиг, 3 показан вариант выполнения пары излучающих элементов с несимметричными вибраторами электри«ecE((>t o типа.

Пя фиг. 4 показан вариант ныпол2р пения пары излучающих элементов с симметрич«ыми вибраторами магнитногo

»ипя !

11я фиг. 5 показан вариант ньпголнения излучателя предлагаемого ус трой25 с тна с симметри »нь»ми вибраторами электрического типа.

УстрОйст130 сОстоит (см. фиг, 1

1 из источника пос.таянного тока 1,3»апряжения 2), задающего генератора несинусоидальных колебаний трапецеидальной H>IH прямоугольной формы 3, антенны и виде поверхности, образона»и»ай излучателями 4, соединенными попарно н соответствии с топологией

35 диодной группы так, что они обря— эуют массив из 2" элементов, ряспо— ложенных в вакуумной камере тароидальной магнитной ловушки 5.

Излучатели 4 через ключевые эле40 кенты б подкггючены к источнику тока

1 (напряжения 2). В качестне ключевых элементов б испо.-»ьзованы транзисторы, которые через систему проводников 7 подключены к генератору

45 3. При этом суммы длин проводников

7, соединяющих генератор 3 с управ— ляющики электродами каждого ключенага элемента б, равны между собой.

Если в качестве излучателей ан50 тенны использованы несимметричные

1 вибратары магнитного типа (см.фиг.2) в виде одного витка 4, тогда через ключе E»btP. элемеHты 6 (биполярные транзисторы) один конец каждого нибра)

Тора — витка 4 подключен к одному из полюсов источника тока 1, а другой конец — непосредственно к пра— тиноположному полюсу этого источникя

1158022

При использовании в качестве излучателей антенны несимметричных вибраторов электрического типа (см. фиг. 3); в виде колец 4, через ключевые элементы 6 (полевые транзисторы) излучатели — кольца 4 — подключены к одному из полюсов источника напряжения 2, а другой полюс источника напряжения подкпочен к общему (заземленному) проводнику. Ес- 10 ли в качестве излучателей антенны использованы симметричные вибраторы магнитного типа в виде двух витков

4 с отводом от средней точки (см. фиг, 4), тогда оба конца вибратора 15

4 через ключевые элементы 6 (биполярные транзисторы) подключены к одному из полюсов источника тока 1, а другой полюс источника тока 1 подключен к средней точке вибратора 4. 20

Конденсаторы 8 необходимы для выравнивания характеристик ключевых элементов 6.

При использовании в качестве излучателей антенны симметричных виб- 25 раторов электрического типа (см, фиг, 5) в виде колец 4, каждый вибратор подключен к общей точке пары последовательно соединенных ключевых элементов 6 (полевые транзисторы), 30 а полюса источника напряжения 2 подключены к свободным концам этой пары ключевых элементов.

Устройство работает следующим образом.

Электрическую энергию от источника постоянного тока 1 подают на антенное устройство, выполненное из

2 " излучателей магнитного типа 4 (каждый излучатель представляет собой два витка коаксиально окружающих плазменный шнур) через транзисторы 6, управляющие электроды которых соединены попарно в соответствии с топологией диадной группы.

Благодаря тому, что суммы длин проводников 7, соединяющих задающий генератор 3 с управляющими электродами транзисторов 6, равны между собой, обеспечивается одновременное срабатывание всех транзисторов 6.

При подаче управляющего периодического сигнала трапецеидальной формы от генератора 3, транзисторы 6 периодически замыкают цепь: источник

1 — излучатель 4, формируя в излучателе периодические токовые импульсы трапецеидальной формы с временем нарастания . Быстрые изменения тока в излучателях 4 приводят к возбуждению электромагнитных полей с шириной

1 полосы дI =

При использовании транзисторов

КТ 903 и генератора трапецеидальных импульсов с частотой 10 мГц и фронтом нарастания 25 нск антенна возбуждает электромагнитные поля в полюсе частот дГ 10 мГц. Электромагнит— ные поля антенны возбуждают в плазме плазменные волны со спектром частот такой же ширины. Г!ирокополосные пакеты плазменных волн перекрывают большой интервал по фазовым скоростям, благодаря чему во взаимодействии волна-частица (в результате которого энергия плазменных волн передается частицам плазмы) участвует значительная доля частиц плазмы и существенно расширяются (в сравнении с узкополосными пакетами) пространственные масштабы области поглощения энергии плазменных волн даже в однородном магнитном поле.

Вследствие этого высокочастотная энергия более эффективно передается всему объему плазмы. Таким образом удается повысить уровень высокочастотной энергии, передаваемой в плазму °

1158022

Редактор О.Иванова Техред H.Попович . Корректор М.Максимишинец

Заказ 6500/4 Тираж 765 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.

4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r, Ужгород, ул. Проектная, 4