Способ высокочастотного нагрева плазмы и устройство для его осуществления

Номер патента: 1158022

Авторы: Башко, Криворучко, Тарасов

ZIP архив

Текст

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕПЬСТВУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(56) Семашко Н.Н. Инжекторы быстрыхатомов, - Итоги науки и техники,Физика плазмы, т. 1, ч1, стр, 272,ВИНИТИ, 1980,Аликаев В,В. и др. ИзвестияАН СССР, Энергетика и транспорт,1975, б (60),Т.Сапяа 1 х 1 п Ргосеей 1 пя аГ 1 Ье2-п 6 а 1 пС ОгепаЬ 1 еагеппа 1 п 1 егпМапа 1 Бутпрая 1 цп ап НеаС 1 п) 1 пТаго 1 баГ Рбаятпа.я ча). 1 (1980) 27,3-17 Еер 1 етЬег, 1980 (прототип),(54) СПОСОБ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО НАГРЕВА ПЛАЗМЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) 1. Способ высокочастотного нагрева плазмы путем воздействия наплазму высокочастотными электромагнитными колебаниями, о т л и ч аю щ и й с я тем, что, с целью повышения эффективности нагрева плазмыпутем повышения допустимого уровнявводимой мощности, на плазму воздействуют несинусоидальными высокочастотными колебаниями с полосовыми частотными спектрами со сравнимыми амплитудами отдельных спектральных компонент с центральными частотами палос, близкими к частотамгхарактерных плазменных резонансов, при этом ширина каждой полосы не превышает полосу Фазовых колебаний частиц, захватываемых вблизи характерных плазменных резонансов. ЯО 1158022 А 15Н 05 Н 1/00) 0 21 В 1/00 2, Устройство для высокочастотного нагрева плазмы, содержащее источник постоянного тока или 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 повышения 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 в фаэов модуляцией,3, Устройство па 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 изполюсов источника тока через управляемый ключевой элемент,а другой конец элемента подключен непасредственно к противоположному полюсу того же источника тока.Устройство па п. 2, а т л ич а ю щ е е с я тем, чта каждый электрический излучающий 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,158022 э, Устройство по и, ", .о ; л ич а ю и, е е с я тем, что обд конца каждого магнитного из;учдюпего эле -МР Ц Г 11 ПОДКЛЮЧЕН К ОДНОМУ И 3 ЦОЛЕОСОВ источника тока через управляемые ключевые элементы, а другой полюс источника тока подключен непосредственно к точке, раэделяюпНй излучающий магнитный элемент нд дне части так, что обс части элемента образуют два массизд из 2 элеметов, где 5.=1,2бб, УстрайстЗО по и. 2, 0 т л ич а и и; е ез с я тем. что каждый И 3 О б р е т е нс о те 1 о ст с я 1 с а б;1;1 с ти цдгренд плазмы с помапьк нысокочд - с",о".их полей и может быть использовано в термоядерных устройствах с ьдг:,5 Тцим удерждеием плдэми ( токамаки, стеллдраторы, адиабатические лонупсЕ, а так се н любой другой об:асти, сняэдецой с возбуждением элек - тромагцитцых нол н средах.Извес тси способ нагрева п.дзмп путем инжекции быстрых нейтральных д та" Он, ) "1 От спас Об техпичг" ки с 110 -жен и ма:оэффективец д:я крупныхтермоядерных установок, где для обеспече ция проникцс не 5 я дтомсв н плд з -му треб лОтс я ач ееь 1 ысасне эцсрги 1 инжекции чдс ин. 1 знестнея способы высокочастотцо -го нагрева п.1 азмы электромагнитьми волнами и ус гройствд для их асупсот - 2 О нления, которые основаны нд возможности возбуждения и распространения в плазме электромагнитных волн нразличных диапазонах частот и поглощения дстицами плазмы энергии этих25 НОЛЕ 1,11 дибо.ее близким техническим решением является спосоГ и устройство дпя выс.окочастотного нагрева плазмы путем воздействия на плазму электро О магнитных колебаний высокой частоты,Заряженсдя частица, движушаяся н плазме вдоль магнитного поля Б со скоростью , эффективно взаподействует с нолнай либо при условии черенковского резонанса, когда ее электрический 5 зучающй элементподк:ючен к обшей точке пары последовательно соедицецных ключеньх элементов, при этом полюса источника напряжения подслючееи к свободным копнам этой пдри клк 1 чевых элементов 7, Устройства по пц, 2-ч, о т - л ич аюп е е с я тем, что суммы длин проводников, соединяюпих генератор несинусоидальных колебаний с управляющими электродами каждогоключевого элемента, ранцы междусс,бой,скорость совпадает с фазовой скоростью полни в цдпрднлении магнитного поля, , = д./1 ( ,ив частота волны,2 1(, - проекция но:нового нектара 1, цд ц,црдвлецие манитного полялибо при ус.Озии циклотронного резандцса, когда частота нолцы в системе отсчета, дних.ушейся вдоль мдгнит О ЕО ПОЛЕЕ СО СКОРОСТЬЮ- Ч ОЭ =сЬ"н -1.1 ранна или кратка циклотроцнойе 1.ЧаСТОТЕ ЧЛСТИцЫ со = --Т,Е, КОГдаи г 1пд -- 5,.5 +1 С дС .". - ПЕЛОЕ ЧИСЛО, Срзаряд чдстиць, и. - Се масса, Гкарость полошеция энергии но:и: чдс - тицами плдзми зависит не только от числа частиц, имс ющих резадеснуюскорость, цо н спирины резоцднса нппостранстне скоростей .ч, опредс -ляемой пирицой фазовых скоростейпакета нолн ьы 71 с, возбуждаемых нплазме.Для создания достаточно широкого спектра па фазоным скоростям ьс),=сд= лизлучаемых в плазму но:Ец,рнеобходимо, чтобы излучаюпее дцтен - ное устрсйство имело достаточно мас Е, ЕЕлые продольные размерысд 1, К," -31Однако в этом случае излучающая поверхность антенны оказывается малой, что приводит при заданной неги- чине общей высокочастотной мощности, вводимой в плазму, к больппм удельным потокам высокочастотной мощности, к большим уровням напряжегцос. -ти электрического поля. Вследствиеэтого на периферии плазмы (особешговблизи антенны) могут развиватг сяразличного типа неустойчивости (пучковые, параметрические и др,),которые приводят к нежелательным явлениям (нагреву периферийной эоны плазмьг повышенной диффузии, бомбардировке стенки камеры высокоэнергетичными частицами) и к загрязнению плазмы потоками примесных атомов, идущих со стенки камеры. Кроме того,при больших удельных потоках ВЧ энергии возникают интенсивные ВЧ поля,в которых заряженные частицы из периферии плазмы могут непосредственно ускоряться в электрическом поле,создаваемом антенной, и приводить кдополнительному распылению как самой антенны, так и ограничительных 20диафрагм и стенок камеры. Увеличение числа высокочастотныхсинусоидальных 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 опреде 30 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.40Целью 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 50спектрами со сравнимыми амплитудами отдельных спектральных компонент с нейтральными частртами полос, близкими к частотам характерных плазменных резонансов, при этом ширина каж дой полосы не превышает полосу фазовых колебаний частиц, захватываемых вблизи характерных плазменных резонансов.,1 аггьгьггй способ нагрева может быть реализован с помогггью устройства дтгя высокочастотного нагрева плазмы, включающего 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 утгравляющие электроды усилительных элементов соединены попарно так, что образуют по крайней мере один массив из 2 ггэлементов, где г.=1,2,3.и подключены через систему проводников к задающему генератору, который выполнен в виде генератора несинусоидальных колебаний с частотнофазовой модуляцией.При этом один конец каждого магнитного излучаюпгего элемента подключен к одному из полюсов источника тока через управляемый ключевой элемент, а другой конец элемента подключен непосредственно к противоположному 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 п=1,2,3; каждый электрический излучающий элемент подключен к общей точке пары последовательно соединенных ключевыхэлементов, при этом полюса источника напряжения подключены к свободным концам этой пары ключевых элементов,В случае, когда необходимо получить синфазнуюзапитку всех излучателей антенны, суммы длин проводников, соединяющих генератор несинусоидальных колебаний с управляющими электродами каждого ключевого элемента, равны между собой.Благодаря этим характерным признакам представляется возможностьеде эир( ць н; ; ме алцп н ппровком частотном цтс эгаг, В этом слу -чае даже прц возбужденииьцсй про -с т 1 э а и с т и Р и ц О й Г а ры О ц с к ц К и о. Уч а ю тся волны, перекрываюцие больпой иц -тернал по фаэоным скоростям л с(лиэ- Вазцкающий при этом спектрКволн обладает дискретной структу -рой. В результате взаимодействия срезонансцьгми частицами каждая иэ волн этой структуры эффективно отдает свою энергию частицам плазмь, При этом захваченные полем каждой изволн частицы плазмы соверпают коле 2 ебация с частотой Я =К и -- , гден(К - волновой вектор 1-ой волны;нее потенциал; е - заряд частицы; ш - ее масса,Такие ас.цилляции захначенньгх частиц гриводят к упирецию резонансов и при достаточных амплитудах во.н эти резонансы могут перекрываться, приводя к нозникнонению ширского спектра плазменных волн, эффективно обменивающегося энергией с частицами плазмы.3 то происходит при условии, когда разница между фазовыми скоростями соседних волн волнового пакета становится сравнимой с амплитудойскорости захвата тцх же волн, т.екогда и - Ч - и" -. 2 У,г;чРКак следствие этого, вэ взаимодейс.тнии волна-частица будет участвовать болыпое число частиц плазмы, т.е. большая часть высокочастотной энергии будет передаваться всему объему плазмы, Таким образом, супгестно технического решения выражается н там, ч:га нагрев плазмы осуществляется элект 1 эомагнитными колебаниями, кото - рые возбуждаются несинусоидальными импульсами, например, прямоугольной/ формы с временем нарастания ,спада) меньшим периода колебаний характерного плазменного резонанса.Использование массивов излучающих элементов антенны, в свою очередь, позволяет снизить удельный поток энергии нысокочастотнога поля с однов ременгы увеличением излучаемоймапна сти .При исг 1 альзавании в качестве кгючевых элементов попупроводниковых структур, транзисторон, тирис торов,(диодов, представляется вазможнаст располагать эти элементы вблизи цэгучаюпцх э еьцтан ан.цы, та зца - (итс;ццо сократит готари ца средачу высокочастотной .эцс(рг ии от ее ис - точцика к излучающему элементу,Изобретение поясняется чертежом,где ца фцг, 1 изображена схема антенного устройства, выполненного в ниде массива излучающих элементов, подключ ецгьх через систему ключевых эле- О ментов к задаюпему генератору, Иафиг. 2 покаэац вариант выполненияпары излучаюпгих элементов устройствас,есимметричными вибраторами магнитного типз15 Па фиг, 3 показан вариант выполнения пары излучающих элементов снесимметричными вибраторами электрического типа.Па фиг. 4 показан нариацт ныпол цения пары излучающих элементов ссимметричными вибраторами магнитногоипа 11 а фиг. 5 показан вариант ньпголнеция излучателя предлагаемого устрой 25с тна с симметричными вибраторамиэлектрического типа,Устройство состоит см. фиг, 1(из источника пос.тоянного тока 1 цапряжеция 2 задающего генераторацесинусоидальных колебаний трапецеидальцай или прямоугольной формы 3,ацтецны и виде поверхности, образонапай излучателями 4, соединенньмипопарно н соответствии с топологией35 диодной группы так, что они обра -зуют массив из 2" элементов, расположенных в вакуумной камере тароидальцой магнитной ловушки 5,Излучатели 4 через ключевые зле 40 менты б подкгтючены к источнику тока1 напряжения 2), В качестне ключевых элементов б испо.гьзованы транзисторы, которые через систему проводников 1 подключены к генератору45 3. При этом суммы длин проводников1, соединяющих генератор 3 с управ -ляющими электродами каждого ключевого элемента 6, равны между собой.Если в качестве излучателей ан 50 тенны использованы несимметричныевибраторы магнитного типа (см,фиг.2 эв виде одного витка 4, тогда черезкгцоченые элементы б (биполярные транзисторы один конец каждого нибратора - витка 4 подключен к одномуиз полюсов источника тока 1, а другой конец - непосредственно к про -тиноположному полюсу этого источникаПри использовании в качестве излучателей антенны несимметричныхвибраторов 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 обему (заземленному) проводнику, Ес Оли в качестве излучателей антенныиспользованы симметричные вибраторымагнитного типа в виде двух витков4 с отводом от средней точки (см.фиг, 4), тогда оба конца вибратора 154 через ключевые элементы 6 (биполярные транзисторы) подключены к одному из полюсов источника тока 1, адругой полюс источника тока 1 подключен к средней точке вибратора 4, 20Конденсаторы 8 необходимы для выравнивания характеристик ключевых элементов 6,При использовании в качестве излучателей антенны симметричных вибраторов электрического типа (см,фиг, 5) в виде колец 4, каждый вибратор подключен к общей точке парыпоследовательно соединенных ключевыхэлементов 6 (полевые транзисторы), 30а полюса источника напряжения 2 подключень к свободным концам этой пары ключевых элементов.Устройство работает следующим образом.Электрическую энергию от источника постоянного тока 1 подают наантенное устройство, выполненное из2 " излучателей магнитного типа 4(каждый излучатель представляет собой два витка коаксиально окружающих плазменный шнур) через транзисторы 6, управляющие электроды которых соединены попарно в соответствиис топологией диадной группы. Благодаря тому, что суммы длин проводников 7, соединяющих задаюций генератор 3 с управляющими электродами транзисторов 6, равны между собой, обеспечивается одновременное срабатывание всех транзисторов 6. .1 ри 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 шириной1полосы= -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 ьГ.Ь 10 мГц. Электромагнитные поля антенны возбуждают в плазме плазменные волны со спектром частот такой же ширины. 11 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 И.Попович Корректор М.Максимишинец Заказ 6500/4 Тираж 765 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д.

Смотреть

Заявка

3523621, 13.12.1982

ПРЕДПРИЯТИЕ ПЯ В-8851

КРИВОРУЧКО С. М, ТАРАСОВ И. К, БАШКО В. А

МПК / Метки

МПК: G21B 1/00, H05H 1/00

Метки: высокочастотного, нагрева, плазмы

Опубликовано: 30.11.1986

Код ссылки

<a href="https://patents.su/6-1158022-sposob-vysokochastotnogo-nagreva-plazmy-i-ustrojjstvo-dlya-ego-osushhestvleniya.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентов СССР">Способ высокочастотного нагрева плазмы и устройство для его осуществления</a>

Похожие патенты