научная статья по теме ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ ВЧ-РАЗРЯДА, СОЗДАВАЕМОГО РАМОЧНОЙ АНТЕННОЙ, В ТОРСАТРОНЕ “УРАГАН-3М” Физика

Текст научной статьи на тему «ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ ВЧ-РАЗРЯДА, СОЗДАВАЕМОГО РАМОЧНОЙ АНТЕННОЙ, В ТОРСАТРОНЕ “УРАГАН-3М”»

ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2014, том 40, № 8, с. 697-706

= СТЕЛЛАРАТОРЫ :

УДК 533.9.03;533.9.16

ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ ВЧ-РАЗРЯДА, СОЗДАВАЕМОГО РАМОЧНОЙ АНТЕННОЙ, В ТОРСАТРОНЕ "УРАГАН-3М"

© 2014 г. В. В. Чечкин, Л. И. Григорьева, Р. О. Павличенко, А. Е. Кулага, Н. В. Заманов, В. Е. Моисеенко, П. Я. Бурченко, А. В. Лозин, С. А. Цыбенко, И. К. Тарасов, И. М. Панкратов, Д. Л. Греков, А. А. Белецкий, А. А. Касилов, В. С. Войценя, В. К. Пашнев, В. Г. Коновалов, А. Н. Шаповал, Ю. К. Миронов, В. С. Романов

Национальный научный центр "Харьковский физико-технический институт", Институт физики плазмы, Харьков, Украина e-mail: chechkin@ipp.kharkov.ua Поступила в редакцию 14.10.2013 г.

Окончательный вариант получен 14.02.2014 г.

В трехзаходном торсатроне "Ураган-3М" водородная плазма создается и нагревается высокочастотными полями в области альфвеновских частот (ю й юс(). Для этого используется рамочная антенна с широким спектром генерируемых продольных волновых чисел. Экспериментально исследовано развитие разряда при разных значениях высокочастотной мощности, подводимой к антенне (анодного напряжения генератора, тока в антенне), и исходного давления рабочего газа. Показано, что в зависимости от величины тока в антенне и давления водорода могут существовать два режима разряда, различающиеся величинами плотности плазмы, ее температуры и потерь. Смена режимов при повышении анодного напряжения носит скачкообразный характер. На конкретные значения мощности и давления, при которых происходит смена режимов, влияют ВЧ-предионизация или стабилизация пробоя СВЧ-разрядом. Полученные результаты позволят в будущих экспериментах подобрать оптимальные режимы ВЧ-разряда, создаваемого рамочной антенной, как источника исходной плазмы для получения и нагрева более плотной плазмы с помощью другой, более коротковолновой антенны (так называемая трехполувитковая антенна).

DOI: 10.7868/S0367292114080034

1. ВВЕДЕНИЕ

В трехзаходном торсатроне "Ураган-3М" (У-3М) с естественным винтовым дивертором водородная плазма создается и нагревается ВЧ-полями в области альфвеновских частот (ю й юс) [1]. В описываемых ниже экспериментах для ввода ВЧ-мощности в плазму используется антенна рамочного типа (рамочная антенна) с широким спектром генерируемых продольных, то есть направленных вдоль магнитного поля, волновых чисел. Помещение всей магнитной системы в большую вакуумную камеру и способ создания и нагрева плазмы при непрерывном напуске рабочего газа (водорода) обусловливают ряд особенностей в развитии разряда, изменении параметров плазмы на протяжении ВЧ-импульса и после его окончания в зависимости от ВЧ-мощности, давления водорода, наличия предварительной ВЧ-ионизации или стабилизации пробоя СВЧ-разрядом.

Ранее при подводимой к антенне ВЧ-мощно-сти Р й 150 кВт была получена плазма с линейно-усредненной плотностью (средней плотностью)

электронов пе й 2 х 1012 см-3, радиационной температурой электронов в центральной области

Т™ё (0) ~ 500-800 эВ и двумя группами ионов с

разной температурой, причем более высокая температура составляла ~300-600 эВ (см., например, [2]). В У-3М плазма с такими параметрами является слабостолкновительной, и ее исследование представляет самостоятельный интерес с точки зрения моделирования физических процессов в больших термоядерных установках. Так, в этом режиме был обнаружен и исследован эффект вертикальной асимметрии (асимметрии верх-низ) плазменных диверторных потоков и показано, что асимметрия обусловлена прямыми (бесстолк-новительными) потерями заряженных частиц [3]. При достаточно большой мощности Р наблюдался переход в Н-подобную моду удержания [2, 4], в результате которого время удержания энергии тЕ возрастало примерно в два раза [5]. Было показано, что переход носит бифуркационный характер и инициируется одиночным кратковременным импульсом повышенных потерь быстрых ионов.

С другой стороны, в У-3М плазма, создаваемая рамочной антенной, используется в качестве исходной для создания и нагрева на частотах ю й юе(-более плотной плазмы (до ~1013 см-3) с помощью другой, более коротковолновой антенны с азимутальными токами (так называемая трехполувит-ковая антенна) [6, 7]. Следует отметить, что со-

СВЧ-интерформетр

подвижный див. ленгм. зонды

ленгм. зонд

Рис. 1. Винтовые катушки I, II, III магнитного поля торсатрона У-3М. Отмечены симметричные полои-дальные сечения А1, D1, А2, D2, ..., А9, D9 в периодах винтового поля соответственно 1, 2, ..., 9 и расположения основных диагностических средств, а также места расположения рамочной (РА) и трехполувитко-вой (ТПВА) антенн по тору (штриховые линии). Вводы антенн находятся с наружной стороны тора в сечениях D1 и D4.

здание предварительной плазмы с помощью электромагнитных полей в широком диапазоне частот применяется или планируется в ряде замкнутых магнитных ловушек (см., например, [8]). Достоинствами метода, используемого на У-3М, являются сравнительно простая конструкция рамочной антенны, ее компактность и широкопо-лосность, а также доступность и относительно невысокая стоимость генераторов в используемом диапазоне частот. Это позволяет эффективно применять такую антенну в малых установках не только для доведения плотности плазмы до единиц 1012 см-3, но и, как уже отмечалось выше, для сопутствующего альфвеновского нагрева при таких относительно низких плотностях. Кроме того, та же рамочная антенна (вместе с трехполувит-ковой антенной) и те же генераторы уже длительное время используются на У-3М для чистки поверхностей вакуумной камеры и кожухов винтовых катушек с помощью плотной низкотемпературной плазмы, которая создается при возбуждении быстрых магнитозвуковых волн в слабом магнитном поле (ю > юс) [9].

В настоящей работе проведены подробные экспериментальные исследования развития разряда, создаваемого рамочной антенной, при разных значениях мощности Р и исходного давления водородар в вакуумной камере, а также в зависи-

мости от наличия или отсутствия предварительной ионизации. Будет показано, что могут существовать два режима разряда, различающиеся величинами средней плотности плазмы, ее температуры и потерь. Эти режимы могут реализоваться либо в одном ВЧ-импульсе в процессе развития разряда, либо в условиях, когда зафиксирован один из параметров Р или р, а другой изменяется от импульса к импульсу.

Следующим этапом исследований, планируемых в ближайшем будущем, явится выбор оптимальных режимов этого разряда как источника исходной плазмы для последующего получения плазмы с более высокими параметрами с помощью трехполувитковой антенны.

Ранее начальная стадия развития разряда, на которой ближнее поле рамочной антенны, не имеющей электростатического экрана, осуществляет пробой нейтрального газа, его ионизацию и доводит плотность плазмы до единиц 1011 см-3, когда в плазменном шнуре уже могут возбуждаться альфвеновские волны, была подробно рассмотрена экспериментально и теоретически в работах [10-12].

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСЛОВИЯ

Установка У-3М (рис. 1) представляет собой трехзаходный (€ = 3) торсатрон с 9 периодами (т = 9) винтового магнитного поля. Большой радиус тора Я0 = 100 см, средний радиус плазмы а « 12 см, угол вращательного преобразования на границе плазмы г(а)/2я « 0.3. Тороидальная составляющая магнитного поля Вф ^ 1 Тл создается только винтовыми катушками. Эксперименты проводились в магнитной конфигурации с осью, смещенной относительно круговой оси тора наружу на ~5 см. Вся магнитная система, включая винтовые катушки и катушки вертикального поля, помещена в большую вакуумную камеру диаметром 5 м и высотой 3.6 м, свободный объем которой (~70 м3) примерно в 200 раз превышает объем удержания. Внутренний радиус вакуумных кожухов винтовых катушек равен 19 см, наружный 34 см, ширина свободного пространства между кожухами от 13 до 27 см. В таких условиях реализуется открытый естественный винтовой дивертор.

Рабочий газ (водород) напускается в вакуумную камеру непрерывно при давлениир ~ 10-5 Торр. Как показывают прямые измерения, за время рабочего импульса величина р уменьшается примерно на 20%. С учетом этого давлениер будет называться исходным (то есть установленным перед включением рабочего импульса).

Плазма со средней плотностью несколько единиц 1012 см-3 создается ВЧ-полями и нагревается в режиме многомодового альфвеновского резонанса (ю ^ юс) [1], когда в объеме удержания для возбуждаемых антенной колебаний с продольной

Рис. 3. Зависимость ВЧ-тока в рамочной антенне, Рис. 2. Расположение рамочной антенны и ее вводов IRF, от анодного напряжения генератора "Каскад-1",

относительно винтовых катушек I и III. ик

длиной волны и волновым числом k|| = 2п/Х|| выполняются резонансные условия (условия локальных альфвеновских резонансов)

N2 = 6i, (1)

где Щ = kyc/ю, « w2pi/(ю2 -ю2) — компонента тензора диэлектрической проницаемости, юр1 — плазменная частота ионов. ВЧ-мощность вводится в плазму с помощью неэкранированной рамочной антенны [1] (рис. 2), продольные проводники которой изогнуты вдоль обращенных к плазме поверхностей кожухов винтовых катушек, а поперечные — вдоль крайней замкнутой магнитной поверхности. Вводы антенны находятся с наружной стороны тора в симметричном полоидальном сечении D1 (зазор между катушками I и III, см. рис. 1). Антенна частично охватывает плазменный шнур на протяжении 66 см вдоль тора.

Из дисперсионного уравнения, связывающего поперечный N± и продольный Щ показатели преломления волн, возбуждаемых в плазме с ионами одного сорта в области частот ю ^ юс1 [13] (см. также [14]), следует существование двух волн: медленной и быстрой, с соответственно большим

и меньшим значениями N ±, которые отвечают заданному антенной значению N . Прямое возбуждение медленной альфвеновской волны производится преимущественно токами, которые текут в продольных проводниках антенны, а генерируемое этими токами электрическое поле может проникать в плазму ввиду отсутствия у антенны электростатического экрана. Расчетный спектр продольных волновых чисел к^, ответственных за возбуждение медленной волны, занимает область от 0.02 до 0.16 см-1 с максимумом генерации при k|

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»