РАЗДЕЛ 2
ОСОБЕННОСТИ СВЧ РЕФЛЕКТОМЕТРИИ НА ТОРСАТРОНЕ "УРАГАН–3М"
Объектом исследований, представленных в диссертации, является тороидальная
магнитная ловушка с вращательным преобразованием вакуумного магнитного поля.
Такая конфигурация была предложена Л.Спитцером в 1951 г. [1]. В 1961 г.
В.Ф.Алексин рассмотрел возможность создания ловушки, состоящей из соленоида и l
винтовых проводников с одинаковым направлением токов и показал, что в такой
системе могут существовать магнитные поверхности [2]. В последствии такая
ловушка получила название торсатрон и гелиотрон. Впервые торсатроны были
сооружены в ХФТИ АН УССР [2–4].
2.1. Конструкция, параметры и особенности торсатрона “Ураган-3М”
Установка “Ураган-3М” (рис.2.1) – трехзаходный торсатрон с открытым дивертором,
с девятью периодами винтовой обмотки, большим радиусом тора R = 100 см,
внутренним радиусом винтовой обмотки rh = 19 см [2, 5–12]. Магнитная система
вместе с силовой рамой помещена в вакуумную камеру объемом 70 м3 и диаметром 5
м, откачиваемую до давления 3Ч10-7 Тор с помощью насосов ТМН-500 и АВЕД с
производительностью 500 л/с и 100000 л/с. Объем вакуумной камеры в 300 раз
больше чем объем удержания плазмы.
Установка состоит из вакуумной камеры, магнитной системы, пульта управления,
средств напуска и откачки водорода и примесей, ВЧ нагрева и комплекса
измерительных диагностик.
Одно из преимуществ торсатрона “Ураган-3М” перед классическим стелларатором –
наличие специального устройства для очистки плазмы от примесей –
пространственного винтового дивертора. Специфика магнитной конфигурации в
данном случае состоит в том, что вершины крайней неразрушенной магнитной
поверхности (ребра сепаратрисы) распологаются в области пространства между
полюсами. Разомкнутые силовые линии выходят из рабочего объема за винтовые
проводники. Вдоль этих силовых линий, замыкающихся вокруг полюсов, выводится за
пределы ловушки плазма, диффундирующая через крайнюю неразрушенную магнитную
поверхность.
Рис. 2.1. Схема конструкции торсатрона "Ураган-3М":
1 – обмотки винтового магнитного поля;
2 – главные обмотки вертикального поля;
3 – компенсационные обмотки;
4 – ВЧ-антенна;
5 – токовводы;
6 – патрубок присоединения вакуумных насосов.
После откачки вакуумной камеры установки производилась чистка ближайших к
объему удержания поверхностей СВЧ разрядом (ЭЦР на частоте f = 2.45 ГГц с
мощностью 3.6 кВт) и ВЧ разрядом при малом магнитном поле (В0 = 0.02 Тл). В
целом применение методов ВЧ и СВЧ чистки позволяет улучшить вакуум и главное
уменьшить поток примесей при воздействии ВЧ полей и потоков частиц на
конструкционные элементы в рабочем режиме [5, 7, 8].
Многократное превышение объема камеры над объемом удержания приводит к тому,
что рабочий газ (водород) не выгорает полностью, а поступает в объем удержания
из окружающего пространства. Это приводит к охлаждению плазмы. Поэтому в
установке предусмотрен локальный (в ловушку) импульсный напуск рабочего газа.
Рис. 2.1а. Сечение Д-Д магнитной системы торсатрона "Ураган-3М":
1 – стенка циллиндрической камеры торсатрона;
2 – главные обмотки вертикального поля;
3 – обмотка винтового поля;
4 – компенсационные обмотки;
5 – СВЧ вводы (волноводы различных сечений);
6 – СВЧ антенны;
7 – магнитные поверхности (область удержания плазмы).
Магнитная система представляет собой тороидальную конструкцию, выполненную из
трех винтовых обмоток и четырех катушек вертикального магнитного поля
(рис.2.1а, рис.2.2). Система позволяет создавать семейство вложенных магнитных
поверхностей со средним радиусом последней замкнутой поверхности apl = 12.5 см.
Отношение вертикального магнитного поля к продольному В^/В0 могло
регулироваться и в эксперименте составляло ~ 1.25 %.
Плазма создавалась и нагревалась ВЧ методом [7] путем резонансного возбуждения
ионных циклотронных волн на частотах f = 8.5ё8.8 МГц при В = 6.8ё7.2 кГс. При
магнитном поле В = 7ё7.2 кГс проводились основные исследования.
Рис. 2.2. Схема размещения диагностических устройств на торсатроне "Ураган-3М":
I, II, III – винтовые тороидальные обмотки,
А – сечение Д-Д, четырех-ракурсный СВЧ рефлектометр,
Б – сечение Ж-Ж, одноканальный СВЧ рефлектометр,
В – сечение А-А, открытый СВЧ резонатор,
Г – сечение Г-Г, СВЧ рефлектометр зондирования по касательной,
1, 2, 3, 4 – системы электрических зондов,
5, 6 – ВЧ антенны,
7 – СВЧ интерферометр l = 1 мм,
8 – сечение А-А, интерферометр l = 2 мм,
9 – оптическая спектроскопия,
10 – вакуумная камера.
Для возбуждения ВЧ-волн в установке, ионизации рабочего газа и нагрева плазмы
применялись два различных типа антенн [5, 7, 12]: антенны рамочного типа со
специально выбранным спектром тороидальных и азимутальных волновых чисел и
трехполувитковые антенны. Антенны первого типа (f » 8.8 МГц) обеспечивали
поджиг разряда и создание плазмы сравнительно низкой плотности (с плотностью
электронов ne » 2Ч1012 см-3). При этом максимум ВЧ поля создавался во внешней
части области удержания (r/a > 0.5). Антенны второго типа (f » 8.5 МГц)
производили распределение ВЧ поля во внутренней области плазменной ловушки (r/a
< 0.5) и позволяли создавать плазму с плотностью до 2Ч1013 см-3. Основные
рабочие параметры установки приведены в табл.2.1.
Таблица 2.1
Основные рабочие параметры торсатрона “Ураган-3М”
Наименование параметра
Значение
Удерживающее магнитное поле, В0, Тл
0.4ё2.0
Большой радиус тора, R, м
1.0
Малый радиус винтовой обмотки, м
0.19
Большой радиус винтовой обмотки, м
0.30
Средний радиус последней замкнутой поверхности, apl, м
0.125
Диапазон изменения поперечного магнитного поля
-1% < В^/В0 < +1.5%
Длительность импульса, с
Ј 0.1
Вращательное преобразование (в ед
- Київ+380960830922