Ray tracing analysis of slow wave heating in the ion cyclotron range of frequencies in Uragan-3M torsatron

Ray tracing analysis of slow waves (SW) propagation and absorption was used to obtain a qualitative description of ICRF heating by Frame-Type Antenna (FTA) in Uragan-3M torsatron. These issues were studied using ray code “RayU3” which takes into account real torsatron geometry. The dependences of SW propagation and absorption on the plasma density, temperature and the antenna location are determined. Calculated profiles of absorbed RF power depending on boundary temperature for a set of rays are also presented.Распространение и поглощение медленной волны (МВ) в плазме торсатрона Ураган-3М было исследовано методом лучевых траекторий. Целью работы было получение качественной картины нагрева плазмы за счёт возбуждения МВ рамочной антенной. Для этого был использован лучевой код “RayU3”, который выполняет расчёты в реальном магнитном поле торсатрона. Представлены зависимости распространения и поглощения МВ от плотности и температуры плазмы, а также положения места старта лучей на антенне. Также приведены профили поглощённой ВЧ-мощности, просуммированной по лучам, в зависимости от температуры приграничной плазмы.Поширення та поглинання повільної хвилі (ПХ) в плазмі торсатрона Ураган-3М було досліджено методом променевих траєкторій. Метою роботи було отримання якісної картини нагрівання плазми за рахунок збудження ПХ рамковою антеною. Для цього було використано променевий код “RayU3”, що виконує розрахунки в реальному магнітному полі торсатрона. Наведено залежності поширення та поглинання ПХ від густини та температури плазми, а також від місця старту променів на антені. Також обчислено профілі ВЧ-потужності, що поглинається плазмою, підсумованій по багатьом променям, в залежності від температури периферійної плазми

Effect of the lower hybrid heating on the confinement of high energy ions in stellarators

In a stellarator-type device, the effect of the lower hybrid (LH) heating on the ion confinement is investigated. For this purpose, the motion of high energy ions is simulated numerically in the Large Helical Device, as an example of such a device. It is shown that owing to LH heating, initially well-confined particles are expelled from the plasma in time less then the ion-electron collisional time. Therefore, it is possible to use this method of heating for helium ash removal in a stellarator-reactor

RF way of impurity fluxes control in tokamaks

We have studied the influence of the local heating on the impurity flows in tokamaks in the Pfirsch-Schluter regime. If the effect of the thermoforce on the impurity ions is included into consideration, the impurity flux can be reversed by heating the impurities. This concept can be realized in tokamak experiments using RF heating. We describe the scheme of the RF heating of impurities and present estimates of the power required

RF field pattern in the plasma cylinder of finite length for various antennas

The paper deals with numerical calculations of electromagnetic fields, which are launched in the plasma cylinder of finite length surrounded by metal vessel. The RF antenna is located at the end face of the cylinder and placed between two dielectric plates. Such configuration is typical for plasma sources used for technological purposes [1, 2]. The obtained outcomes can be used for improvement of the characteristics of similar systems.В роботі виконаний числовий розрахунок електромагнітних полів, які генеруються в обмеженому металевими стінками плазмовому циліндрі. ВЧ поля генеруються антеною, розміщеною між двома діелектричними пластинами в торці циліндра. Така конфігурація характерна для плазмових джерел, які використовуються в промислових цілях. Отримані результаті можна використовувати для покращення характеристик подібних систем.В работе проведен численный расчет электромагнитных полей, возбуждаемых в плазменном цилиндре ограниченной длины, заключенном в металлический кожух. ВЧ поля возбуждаются антенной, расположенной на торце цилиндра и помещенной между двух диэлектрических пластин. Такая конфигурация характерна для плазменных источников, используемых в технологических целях. Полученные результаты могут быть использованы для улучшения характеристик подобных систем

ICRF mode conversion efficiency in a two-ion component plasma of a tokamak

Mode conversion of fast magnetosonic wave (FMSW) into a short-wavelength wave is studied in the presence of ion cyclotron absorption and direct electron damping in a tokamak plasma. In plasmas with two (a majority and a light minority) ion species, FMSW launched from the low-field side ICRF antenna can convert to a slow mode which runs towards the minority cyclotron resonance point, if the component of confining filed along the big radius of torus is sufficiently large. The efficiency of conversion has been studied with the help of one-dimensional code which computes full-wave solution of Maxwell equations with cold plasma conductivity. The dependencies of conversion efficiency on plasma density and minority concentration have been established.Досліджено конверсію швидкої магнітозвукової хвилі (ШМЗХ) в повільну хвилю (ПХ) в плазмі токамаку з урахуванням іонного циклотронного поглинання ПХ та поглинання ПХ на електронах. В двокомпонентній плазмі ШМЗХ, що випромінюється з боку слабкого магнітного поля, може трансформуватися у ПХ, яка поширюється в напрямку циклотронного резонансу іонів малої добавки, якщо проекція полоідального магнітного поля в напрямку великого радіуса тора достатньо велика. Ефективність конверсії вивчалась за допомогою одновимірного коду, який розв’язував систему рівнянь Максвелла в наближенні холодної плазми. Отримано залежність ефективності конверсії від концентрації малої добавки та густини плазми.Исследована конверсия быстрой магнитозвуковой волны (БМЗВ) в медленную волну (МВ) в плазме токамака с учетом ионного циклотронного поглощения МВ и затухания МВ на электронах. В двухкомпонентной плазме БМЗВ, излучаемая со стороны слабого магнитного поля, может трансформироваться в МВ, которая распространяется в направлении циклотронного резонанса ионов малой добавки, если проекция полоидального магнитного поля на направление большого радиуса тора достаточно велика. Эффективность конверсии изучалась с помощью одномерного кода, который решал систему уравнений Максвелла в приближении холодной плазмы. Получена зависимость эффективности конверсии от концентрации малой добавки и плотности плазмы

Modelling of ICRF heating and current drive in tokamak plasma with two ion species

Fast magnetosonic wave propagation in real tokamak geometry is studied using a 2D finite difference code. Propagation and absorption of converted small scale waves is treated with help of the ray tracing code. Driven current densities are calculated in linear approximation using current drive efficiencies computed by the code SYNCH. It has been found that CD efficiency and current profile are almost independent of the toroidal antenna spectrum.Исследовано распространение быстрых магнитозвуковых волн в токамаке с учетом реальной геометрии установок при помощи двумерного конечно-разностного кода. Распространение и поглощение конвертированных мелкомасштабных волн изучалось методом лучевых траекторий. В линейном приближении рассчитаны плотности токов увлечения с использованием эффективности создания токов увлечения, вычисляемой кодом SYNCH. Показано, что эффективность создания и распределение тока увлечения почти не зависят от тороидального спектра антенны.Досліджено поширення швидких магнітозвукових хвиль у токамаках з урахуванням реальної геометрії установок за допомогою двовимірного скінченно-різницевого коду. Поширення та поглинання конвертованих дрібномасштабних хвиль було вивчено методом променевих траєкторій. У лінійному наближенні розраховано щільності стаціонарного струму захоплення з використанням ефективності утворення стаціонарного струму захоплення , що обчислювалась кодом SYNCH. Показано, що ефективність утворення та розподіл стаціонарного струму захоплення майже не залежать від тороїдального спектра антени

Influence of the frame-type antenna on the RF-discharge peripheral plasma parameters in the Uragan-3M torsatron

A qualitative evaluation is made of what changes of the electric potential near the frame-type antenna occur under the influence of following effects: the ponderomotive Miller force, which acts on plasma electrons near the source of radiation; the rectification of the probe oscillating potential of the RF waves, which are excited by the frame-type antenna; and the rectified potential of the antenna, which arises, when RF power is on.Получены качественные оценки изменения электрического потенциала вблизи рамочной антенны вследствие воздействия: пондеромоторной силы Миллера, которая действует на электроны плазмы вблизи источника излучения; выпрямленного зондом осциллирующего потенциала высокочастотных волн, возбуждаемых рамочной антенной; и выпрямленного потенциала рамочной антенны, возникающего при подаче на неё ВЧ-напряжения.Отримані якісні оцінки зміни електричного потенціалу поблизу рамкової антени внаслідок впливу: пондеромоторної сили Міллера, яка діє на електрони плазми поблизу джерела випромінювання; випрямленого зондом осцилюючого потенціалу високочастотних хвиль, які збуджуються рамочною антеною; випрямленого потенціалу рамочної антени, який виникає при подачі на неї ВЧ-напруги

Measurements of plasma density in URAGAN-3M torsatron using dual-polarization interferometry

The basic idea of this work is simultaneous using of O- and X-modes for determination in torsatron not only average plasma density but density profile, too. The dual polarization interferometer was placed very close to E-E minor cross-section of U-3M torsatron. First measurements of phase shifts were made. The interpretation of obtained results is presented.Интерферометрия с использованием обыкновенной волны хорошо известна и часто применяется в диагностике плазмы. В случае перпендикулярного распространения относительно удерживающего магнитного поля волновое число обыкновенной волны зависит только от плотности плазмы k₀ = ω√ε₃ / c, ε₃ = 1 - ω₂p / ω². Для обыкновенной волны набег фазы пропорционален средней плотности вдоль зондирующего луча для частот ω больших, чем плазменная частота ωp. Для необыкновенной волны при перпендикулярном зондировании набег фазы зависит от плотности плазмы и распределения удерживающего магнитного поля kx = ω√ε₁² − ε₂² / √ε₁c, ε₁ = 1 - ωp² / (ω² - ωc², ε₂ = ωp² ωc / ((ω² - ωc²) ω. При известном магнитном поле для установок типа торсатрон, измерение набега фазы необыкновенной волны дает дополнительную информацию о профиле плотности плазмы. Величина ¬n / n0 может характеризовать пикированность профиля, где n₀ − центральная плотность плазмы в малом сечении шнура. Мы предполагаем, что профиль плазмы монотонный. Двуполяризационный интерферометр был установлен очень близко к малому сечению Е-Е-торсатрона У-3М. Представлены первые результаты измерения и их интерпретация.Інтерферометрія з використанням звичайної хвилі добре відома і часто використовується для діагностики плазми. Для випадку перпендикулярного поширення відносно утримуючого магнітного поля хвильове число звичайної хвилі залежить тільки від густни плазми k₀ = ω√ε₃ / c, ε₃ = 1 - ω₂p / ω². Для звичайної хвиі для частот ω , що значно більші за плазмову частоту ωp, набіг фази є пропорційним до середньої густини плазми вздовж променя, що зондує. Для незвичайної хвилі при перпендикулярному поширенні набіг фази залежить від густини плазми і розподілу магнітного поля, що утримує плазму, kx = ω√ε₁² − ε₂² / √ε₁c, ε₁ = 1 - ωp² / (ω² - ωc², ε₂ = ωp² ωc / ((ω² - ωc²) ω. Для установок типу торсатрон розподіл магнітного поля є відомим. Тому вимірювання набігу фази незвичайної хвилі дає додаткову інформацію що до профілю густини плазми. Величина ¬n / n₀ може характеризувати пікированість профілю. Тут n₀ – центральна густина плазми в малому перерізі. Ми припускаємо, що профіль плазми є монотонним. Двуполяризаційний інтерферометр було встановлено дуже близько до малого перерізу Е-Е-торсатрону У-3М. Наведено перші результати вимірювань та їх інтерпретацію

The HF field pattern in the magnetized plasma cylinder of finfte lenght

The PR-1 device is the wide-aperture source of homogeneous plasma. It is using for plasma processing of big diameter samples such as parts of HF antenna and elements of vessel of fusion devices. The paper presented deals with investigation of HF field pattern of the operation regime with external magnetic field. It is shown that the HF fields penetrate into the plasma volume better as compared with the case when magnetic field is turned off. So the plasma flow of greater density could be generated.Установка ПР-1 являє собою широкоапертурне джерело однорідної плазми, яке сконструйоване для обробки примірників великого діаметру, таких як елементи конструкції ВЧ антен та складові частини камери термоядерних установок. В роботі досліджено розподіл електромагнітних полів в камері установки, що працює в режимі з зовнішнім магнітним полем. Доведено, що в цьому режимі ВЧ поля краще проникають в плазму, ніж в режимі без магнітного поля. Тому в режимі з зовнішнім магнітним полем можливо створювати потік плазми з більшою густиною.Установка ПР-1 предназначена для плазменной обработки образцов большого диаметра, таких как элементы конструкции ВЧ антенн и элементы камеры установок для магнитного удержания плазмы. В работе проведено изучение распределения ВЧ полей в объеме установки в режиме с внешним магнитным полем. Показано, что в этом случае ВЧ поля лучше проникают в плазму, чем без магнитного поля. Это позволит создавать плазменные потоки большей плотности

Characteristic properties of the three-half-turn-antenna-driven RF discharge in the Uragan-3M torsatron

In the λ = 3 Uragan-3M torsatron hydrogen plasma is heated by RF fields in the Ålfven range of frequencies (ω≤ωсi). Plasma with the mean density ‾ne units of 10¹² сm⁻³ is produced by the frame antenna and used as an initial plasma (“target”) to produce and heat a denser plasma (up to ‾ne ~ 10¹³ сm⁻³) by means of the shorter wavelength three-half-turn antenna with azimuthal currents. Characteristics of the three-half-turn-antenna-driven discharge are studied experimentally depending on the RF power fed to the antenna and initial plasma parameters.В трехзаходном торсатроне Ураган-3М водородная плазма создается и нагревается ВЧ-полями в области альфвеновских частот (ω≤ωсi). Плазма со средней плотностью ‾ne единицы 10¹² см⁻³ создается рамочной антенной и используется как исходная для получения и нагрева более плотной плазмы (до ‾ne ~ 10¹³ см⁻³) с помощью более коротковолновой трехполувитковой антенны с азимутальными токами. Экспериментально исследуются характеристики ВЧ-разряда, поддерживаемого трехполувитковой антенной, в зависимости от ВЧ-мощности, подводимой к антенне, и параметров исходной плазмы.У трьохзаходному торсатроні Ураган-3М воднева плазма створюється і гріється ВЧ-полями в області альфвенівських частот (ω≤ωсi). Плазма з середньою щільністю ‾ne одиниці 10¹² см⁻³ створюється рамковою антеною і використовується як початкова для одержання та нагріву щільнішої плазми (до ‾ne ~ 10¹³ см⁻³) за допомогою більш короткохвильової трьохнапіввиткової антени з азимутальними струмами. Експериментально досліджуються характеристики ВЧ-розряду, який підтримується трьохнапіввитковою антеною, в залежності від ВЧ-потужності, що підводиться до антени, та параметрів початкової плазми