Устройство для высокочастотного нагрева плазмы

О П И С А Н И Е ц)824785ИЗОБРЕТЕНИЯ Союз Советских Социвпистических Рвооублик(5 явкиприсоединени Гос доротооиимй комитет 23) Приоритет43) Опубликовано 15,10.82. Бюллетень38 (53) УД СССР о Левам изобретений1,039.688.8) 71) Заявитель 54) УСТ РО Й СТВ СОКОЧАСТОТНОГО НАГРЕВА ЗМЫ ВПЛ 25 Данное изобретение относится к устроиствам для возбуждения электромагнитных волн в плазме, в частности, для высокочастотного нагрева плазмы в термоядерных установках типа Токамак или Стелларатор.По основному авт. св.762613 известно устройство длп высокочастотного нагрева плазмы, содержащее излучающий элемент, помещенный внутри камеры и подключенный к блоку конденсаторов, причем 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, а общий проводник расположен в плоскости перпендикулярной к оси камеры, так что проекция любого проводника на указанную плоскость меньше аналогичной проекции общего проводника 11, 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 наклона их 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.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 импе- данса к активной. По этой причине уменьшение 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 1 проводников излучающего элемента ниже некоторого критического значения волновое сопротивление будет оставаться неизменным, а добротность будет увеличиваться, что в конечном счете приведет не к умень, шению 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. 20Целью дополнительного изобретения является повышение температуры плазмы путем увеличения уровня вводимой энергии,Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве, содержащем излу З чающий элемент, помещенный внутри камеры и подключенный к блоку конденсаторов, в котором излучающий элемент выполнен в виде системы параллельных проводников, расположенных параллельно стен- ЗО кам 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 меньше аналогичной проекции общего проводника, проводники, образующие излучающий элемент, расположены так, что угол их наклона к оси ка О меры изменяется вдоль оси камеры по периодическому, например синусоидальному закону, внутрь камеры дополнительно помещен оптически плотный экран, образованный параллельными пластинами, кото рые 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 дополни тельных проводников, расположенных между излучающим элементом и стенкой камеры, причем каждый дополнительный проводник ориентирован так, что его проекция 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 продольный ток будет течь не по стенкам вакуумной камеры, а по дополнительным проводникам. Так как дополнительные проводники расположены значительно ближе к излучающему элементу, чем к стенке вакуумной камеры, то магнитный паразитный поток (Н составляющая) будет заключен в существенно меньшем объеме (между излучающей поверхностью и поверхностью, образованной дополнительными проводниками), чем рабочий поток (Н, составляющая), Благодаря выбранной ориентации дополнительных проводников рабочий магнитный поток по-прежнему будет заключен во всем объеме между излучающим элементом 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 уровень 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 паразитного потока (паразитной индуктивности) при сохранении условий равной электрической прочности во всех точках излучающего элемента. Действительно, минимальный зазор и, следовательно, минимальное значение паразитного потока определяется условиями электрической прочности, а так как разность потенциалов увеличивается от места соединения дополнительных проводников и проводников излучающего элемента в направлении общего проводника, то условие равнопрочности и минимальной паразитной индуктивности будет удовлетворено при указанном выше плавном изменении зазора между этими элементами,На фиг. 1 приведен пример выполнения описываемого устройства, разработанногодля использования в токамаке Тустройство показано с частичными вырезами для лучшего понимания конструкции); на фиг. 2 схематично показано описываемое устройство, поперечное сечение; на фиг. 3 - известное устройство, то ке сечение; на фиг. 4 - описываемое устройство, вид изнутри камеры со стороны ее оси (без жалюзийных экранов),Устройство размещается в тороидальной вакуумной камере 1, имеющей патрубок 2, оазвитый в азимутальном направлении. Проводники излучающего элемента 3 оасположены симметрично относительно общего проводника 4 с наклоном к оси камеры 1. Угол наклона проводников в этом примере составляет величину к - 20. С одной стороны проводники излучающего элемента 3 соединены с общим проводником 4 через систему проводников 5, перпендикулярных 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 1, и через систему проводников 5, перпендикулярных к поверхности излучающего элемента 3, причем подключение к камере 1 производится вблизи общего проводника 4. Дополнительные проводники 6 расположены под углом р к поверхности излучающего элемента 3 так, что расстояние между ними плавно увеличивается в направлении общего проводника 4. В рассматриваемом примере угол1,5. Дополнительные проводники 6 ориентированы таким образом, что их проекция на стенку камеры 1 параллельна оси камеры. Излучающий элемент 3 со стороны плазмы закрыт жалюзийным экраном 1, концы которого соединены с камерой 1. Вдоль общего проводника 4 равномерно паспределены контурные конденсатооы 8. Запитка устройства пооизводится от высокочастотных 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 камерч 1 через дополнительные проводники 6. Чтобы они не оказывали влияние на процесс возбуждения электоомагнитных волн в плазме, они ориентированы таким образом, что их проекция на стенку вакуумной камеры 1 параллельна оси камеры 1. Такое расположение дополнительных проводников 6 приводит к томч, что в них отсутствует азимутальная составляющая тока, направленная навстречу возбуждающему току и ослабляющая электромагнитное поле в плазме. Это дает возможность приблизить дополнительные провод ники 6 к излучающему элементу 3 на минимальное расстояние, определяемое только электрической прочностью, что в свою очередь позволяет уменьшить 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 дополнительными 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 устройства.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. Другое преимущество предложенного устройства заключается в том, что оно позволяет получить излучающую поверхность большеи площади,Результаты численного расчета для случая применения предлагаемого и известного устройств в условиях токамака Т(в случае нагрева плазмы с использованием ионно-циклотронного резонанса) показывают, что при азимутальном размере излучающего элемента ср=90, углах к=20, Р= = 1,5 и максимальном значении высокочастотного потенциала на излучающем элементе 0=5 10 В возможна передача в плазму энергии с мощностью, превышающей аналогичное значение мощности в известном устройстве в 3 - 4 раза. 5 ю 15 20 25 ЗО 3540 45 50 55 60 65 Формул а изобретенияУстройство для высокочастотного нагрева плазмы по авт, св. Мо 762613, о тл 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, расположенных между излучающим элементом и стенкой камеры, причем каждый дополнительный проводник ориентирован так, что его проекция на стенку камеры параллель 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. 824785 8 Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1, Авторское свидетельство СССР 5 Мо 762613, кл, б 21 В 1/00, 26,02.79 (прототип),Составитель Е. Гусаровадактор Е. Зубиетова Техред А. Камышникова Корректор О. Тюринказ 1654/1 Изд.244 Тираж 450 Подписное ПО Поиск Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5графия, пр. Сапунова