Radio-frequency equipment for Uragan stellarators

A description of high-voltage high-frequency pulse generator design is provided in the article. The matching devices and antennas that are used for plasma creating and heating, together with the ones for Uragan-2M stellarator`s chamber cleaning are also described.Приведено описание высоковольтного ВЧ-импульсного генератора, конструкций согласующих устройств и антенн, применяемых в стеллараторах «Ураган» для чистки стенок камеры, создания и нагрева плазмы.Дано опис високовольтного ВЧ-імпульсного генератора, конструкцій узгоджуючих пристроїв та антен, які застосовуються у стелараторах «Ураган» для чищення стінок камери, створення та нагріву плазми

Effect of plasma on the radio-technical characteristics of the Uragan-2M torsatron matching RF systems

There were carried out qualitative studies of the effect of plasma parameters during the RF disharge wall conditioning in a helium atmosphere on the quality factor of the antenna oscillating circuit at Uragan-2M torsatron. The quality factor is determined from the ratio of the electric current in the circuit to the feed current. The dependence of the quality factor of the toroidal steady magnetic field as well as on the helical field is analyzed. The dependence on the helical field is much stronger; with its increase the quality factor increases that is accompanied with reduction of the antenna load. Also, the ratio of idling current in the antenna (when the plasma even less) to the current in the antenna is measured during the discharge. The dependence of this parameter on the toroidal magnetic field and the neutral gas pressure is studied.Проведены качественные исследования влияния плазмы в режиме ВЧ-чистки в атмосфере гелия на добротность антенного колебательного контура в торсатроне Ураган-2М. Добротность определялась из отношенния тока в контуре к току подводящего фидера Q=Ik/If. Проанализирована зависимость добротности как от тороидального поля, так и от винтового. Зависимость от винтового поля значительно сильнее, с его ростом добротность увеличивается, что соответствует снижению нагрузки антенны. Также измерялся параметр Iaxx/IaL, т.е. отношение тока в антенне в момент холостого хода генератора (когда плазмы еще нет) к току в антенне в момент разряда. Приведены зависимости этого параметра от тороидального поля и от давления.Проведені якісні дослідження впливу плазми в режимі ВЧ-чистки в атмосфері гелію на добротність антенного коливального контуру в торсатроні Ураган-2М. Добротність визначалась з відношення струму в контурі до струму підвідного фідера Q=Ik / If. Показана залежність добротності як від тороїдального, так і від гвинтового полів. Залежність від гвинтового поля значно сильніше, з ростом поля добротність збільшується, що відповідає зниженню навантаження антени. Вимірювався також параметр Iaxx / IaL, тобто відношення струму в антені в момент холостого ходу генератора (коли плазми ще немає) до струму в антені в момент розряду. Виявлено також залежності цього параметру від тороїдального поля та від тиску

Measurements of wall conditioning rate at Uragan-2M

An experiment on chamber RF cleaning for 12 hours a day during 2 weeks with the subsequent vacuum pumping out was carried out. The plasma was produced by the UHF generator with the frequency of 2.4 GHz. Afterwards, the VHF generator working at the frequency of 132 MHz in a continuous mode was turned on and continued to work independently. The process of wall conditioning involved filling the chamber with H₂ under the pressure range inside the chamber of (1.8…2.0)·10⁻⁴ Torr. During the process of radio-frequency (RF) chamber cleaning the pumped out gas was condensed on the cryogenic trap surface. Afterwards the trap was cut off, heated up and the gas pressure Pg inside the cut off trap chamber was measured. The Pg dependence on both discharge power and condensation time period is analyzed. As a result of the RF cleaning the Pg pressure was reduced by 4…5 times. The vacuum pumping out speed was measured when filling the vacuum vessel with propane and nitrogen.Был проведен эксперимент по чистке стенок камеры в течение 2 недель по 12 часов в день с последующей откачкой камеры. Плазма создавалась СВЧ-генератором с частотой 2.4 ГГц и затем включался УКВ-генератор, работающий на частоте 132 МГц в непрерывном режиме, который в дальнейшем работал самостоятельно. Чистка производилась с напуском водорода в диапазоне давлений в камере (1.8...2.0)×10⁻⁴Торр. В процессе чистки камеры УКВ-разрядом производилась конденсация образовывающегося внутри камеры газа на охлажденную поверхность азотной ловушки. Затем ловушка отсекалась от насоса и от камеры установки, проводилось ее отепление и измерялось давление газа Pg в отсеченной камере ловушки. Показана зависимость Pg от мощности разряда и длительности конденсации. По результатам эксперимента отмечено снижение значений Pg в 5...6 раз. Проведено измерение скорости откачки вакуумной системы для пропана и азота.Було проведено експеримент з очищення стінок камери на протязі 2 тижнів по 12 годин на день з наступною відкачкою камери. Плазма створювалась НВЧ-генератором з робочою частотою 2.4 ГГц, після цього вмикався УКВ-генератор, що працював на частоті 132 МГц у безперервному режимі, який надалі працював самостійно. Очищення проводилось з напуском водню у діапазоні тиску в камері (1.8...2.0)×10⁻⁴ Торр. Протягом процесу чищення камери УКВ-розрядом проводилась конденсація газу, що створюється в камері, на охолоджену поверхню азотного уловлювача. Потім пастка відтиналася від насоса і від камери установки, проводилося ії утеплення й вимірювався тиск газу Pg у відсіченій камері пастки. Показано залежність Pg від потужності розряду та тривалості конденсації. За результатами експерименту відмічено зниження значень Pg у 5...6 разів. Проведено вимірювання швидкості відкачки вакуумної системи для пропану та азоту

RF wall conditioning at the Uragan-2M with use of high vacuum cryogenic trap

The results of evaluating the effectiveness of the vacuum chamber wall conditioning procedure by the use VHF of continuous discharge and RF pulse discharge that were applied either separately or in combination with each other in helium atmosphere at Uragan-2M are presented. The high-vacuum cryogenic traps are enabled in these experiments. Some amount of gas pumped from the vacuum chamber is condensed on the surfaces of cryogenic traps integrated in the input branch pipes of the vacuum system. Periodically, one trap is separated from the chamber and from the pump by vacuum valves and warmed up what led to release of the condensed gases into the enclosed volume. The value of pressure Pg inside this volume is proportional to the amount of pumped gas and, consequently, to the effectiveness of the wall conditioning process. It was found that the value Pg in the combined VHF + RF discharge is 2-3 times higher than in the case of using only pulsed RF discharge.Приведены результаты ВЧ-чистки в стеллараторе Ураган-2М с использованием УКВ непрерывного разряда в атмосфере гелия. При этом часть откачиваемого газа конденсировалась на криогенную ловушку. Процесс чистки контролировался измерением давления газа Pг в отсеченном объеме с ловушкой после ее отепления. Значение Pг пропорционально количеству откачиваемого газа. Обнаружено, что количество сконденсированного на ловушке газа при комбинированном УКВ+ВЧ-разряде в 2-3 раза выше, чем в случае использования только импульсного ВЧ-разряда.Наведено результати ВЧ-чистки в стелараторі Ураган-2М з використанням УКХ безперервного розряду в атмосфері гелію. При цьому частина відкачуваного газу конденсувалась на криогенну пастку. Процес чищення контролювався за допомогою вимірювання тиску газу Pг у відсіченому об`ємі з пасткою після її отеплення. Значення Pг пропорційно кількості відкачуваного газу. Виявлено, що кількість сконденсованого на пастці газу при комбінованому УКХ + ВЧ-розряді в 2-3 рази вище, ніж у випадку використання тільки імпульсного ВЧ-розряду

Behavior features of the ungrounded antenna potential shift in Uragan-2M torsatron

The potential shift appears at frame antenna during plasma creation in Uragan 2M torsatron. This paper provides experimental study of that potential dynamics (Ump). The measurements showed that Ump value can be both positive and negative. The dependency of Ump from RF generator feeding voltage and working gas pressure is given. The cause of positive Ump value is identified.При створенні плазми в торсатроні Ураган 2М рамкова антена набуває постійного потенціалу. Наводиться експериментальне дослідження динаміки цього потенціалу Ump. Вимірювання показали, що величина Ump має як позитивну складову, так і негативну. Наведено залежність потенціалу Ump від напруги живлення ВЧ генератора та від тиску робочого газу. З’ясовується причина наявності позитивної складової

Design and application of glow discharge cleaning at Uragan-2M stellarator

For the Uragan-2M stellarator, a glow discharge cleaning (GDC) system is developed. An overview of the GDC system design is presented. The first experimental studies of GDC in an argon atmosphere have been carried out. The dependence of the breakdown voltage on the argon pressure is determined. The current-voltage characteristics of the gas discharge were measured as a function of the working gas pressure also in presence of a magnetic field.На стелараторі Ураган-2М розроблена система для чищення стінок вакуумної камери жевріючим розрядом. Представлено огляд системи жевріючого розряду. Проведено перші експериментальні дослідження розряду в атмосфері аргону. Визначено залежність пробивної напруги від тиску аргону. Виміряні вольт-амперні характеристики газового розряду в залежності від тиску робочого газу при відсутності і наявності магнітного поля.На стеллараторе Ураган-2М разработана система для чистки стенок вакуумной камеры тлеющим разрядом. Представлен обзор системы тлеющего разряда. Проведены первые экспериментальные исследования разряда в атмосфере аргона. Определена зависимость пробивного напряжения от давления аргона. Измерены вольт-амперные характеристики газового разряда в зависимости от давления рабочего газа при отсутствии и наличии магнитного поля

Two-strap RF antenna in Uragan-2M stellarator

A unshielded two-strap antenna had been installed in Uragan-2M. A vacuum chamber inner walls conditioning regime with the two-strap antenna is studied in a weak magnetic field. Plasma with the density nₑ~ (0.2…0.95)·10¹²сm⁻³ and sustained. The RF frequency was f₀~5 MHz, RF plasma was sustained in stationery magnetic field B₀≈0.01 T, at hydrogen pressure range 3·10⁻³…3·10⁻² Pa.Введена в експлуатацію на Урагані-2М багатофункціональна неекранована двонапіввиткова антена. Відпрацьована можливість роботи двонапіввиткової антени в режимі чистки внутрішніх поверхонь вакуумної камери в слабкому магнітному полі. Плазма створювалась і підтримувалась густиною nₑ~ (0.2…0.95)·10¹²сm⁻³. За робочої частоти f₀~5 МГц ВЧ-плазма створювалась у стаціонарному магнітному полі B₀≈0.01 Tл за тиску водню 3·10⁻³…3·10⁻² Па.Введена в эксплуатацию на Урагане-2М многофункциональная неэкранированная двухполувитковая антенна. Отработана возможность работы двухполувитковой антенны в режиме чистки внутренних поверхностей вакуумной камеры в малом магнитном поле Плазма создавалась и поддерживалась с плотностью ne~ (0.2…0.95)·10¹²сm⁻³. При рабочей частоте f₀~5 МГц ВЧ-плазма создавалась в стационарном магнитном поле B₀≈0.01 Tл при давлении водорода 3·10⁻³…3·10⁻² Па

Decreasing water concentration in the Uragan-3M device with UHF discharge

Uragan-3M device vacuum chamber is a cylinder with volume of 70 m³. Between the operation series, it is opened to the atmosphere for scientific and technical works. The problem of high water vapour concentration in the residual gas appears each time the chamber is closed and pumped. Effective water vapour removal can be achieved by baking the vacuum chamber walls at high temperatures (200…400°C) or increasing atomic hydrogen flow produced by the wall conditioning discharge in the plasma confining volume, as far as Н₂О detachment speed should be higher than adhesion. It's not technically possible to heat Uragan-3M device vacuum chamber. Room temperature of the vacuum chamber walls is not an obstacle for an UHF discharge with high enough plasma density (8∙10¹⁰ cm⁻³).Вакуумная камера установки Ураган-3М представляет собой цилиндр из нержавеющей стали объемом ~70 м³. Периодически вакуумная камера вскрывается для напуска атмосферного давления с целью проведения научных и технических работ. После ее закрытия и откачки до высокого вакуума, появляется проблема, связанная с высокой концентрацией воды в остаточном газе. Для эффективного удаления паров воды обычно используется прогрев стенок камеры при температуре 200…400°С. Альтернативой является поддержание плазменного разряда в водороде, обеспечивающего поток атомарного водорода на стенку. На установке Ураган-3М прогрев камеры технически не возможен, поэтому использовался плазменный СВЧ-разряд с достаточной величиной плотности плазмы (8∙10¹⁰ см⁻³).Вакуумна камера установки Ураган-3М являє собою циліндр з нержавіючої сталі об'ємом ~70 м³. Періодично вакуумна камера відкривається для напуску атмосферного тиску для проведення наукових і технічних робіт. Після її закриття та відкачування з'являється проблема, пов'язана з високою концентрацією води в залишковому газі. Для ефективного видалення парів води необхідно підтримувати стінки камери при високій температурі (200…400°С). Альтернативою є підтримка плазмового розряду у водні, що забезпечує потік атомарного водню на стінку. На установці Ураган-3М прогрів камери технічно не можливий, тому кімнатну температуру стінок камери доводиться компенсувати достатньою величиною щільності плазми (8∙10¹⁰ см⁻³) НВЧ-розряду

Creation of low density starting plasma with small frame antenna at Uragan-3M device

Deficient shot-to-shot stability of Uragan-3M discharges makes difficult to reproduce experimental results over the period of experimental session. An efficient way of reducing difference between shots is creation of initial low density plasma before the main discharge to start up. A RF pre-ionization in the same frequency range as that of the main discharge is used in the Uragan-3M torsatron. The pre-ionization provides stable discharges during the whole experimental campaign. The main parameters of the pre-ionization plasma are measured and discussed.Нестабильность разрядов Урагана-3М затрудняет воспроизведение экспериментальных результатов в течение одной экспериментальной кампании. Эффективным способом устранения различия между параметрами плазмы в разных импульсах является предионизация ВЧ-разрядной низкоплотной плазмой, которая создается малой рамочной антенной. Предионизация обеспечивает стабильность разрядов в течение всей экспериментальной кампании. Были измерены и оценены основные параметры предионизационной плазмы.Нестабільність розрядів Урагана-3М утрудняє відтворення експериментальних результатів на протязі однієї експериментальної кампанії. Ефективним способом усунення різниці між параметрами плазми в різних імпульсах є передіонізація ВЧ-розрядною низькощільною плазмою, яка створюється малою рамковою антеною. Передіонизація забезпечує стабільність розрядів на протязі всієї експериментальної кампанії. Були виміряні й оцінені основні параметри передіонізаційної плазми

Continuous wall conditioning VHF discharge without magnetic field in a toroidal device

Experiments were carried out at Uragan-2M torsaron for wall conditioning without magnetic field. Plasma discharge was created with the same antenna and VHF generator used for weak magnetic field (B0=100 G) wall conditioning. Experiment was carried out during whole wall conditioning period of Uragan-2M experimental campaign. The dynamics of wall conditioning was obtained alongside with standard plasma parameters measurements.На торсатроне Ураган-2М был выполнен модельный эксперимент по чистке стенок вакуумной камеры без магнитного поля. Плазменный разряд создавался той же антенной и СВЧ-генератором, которые использовались для чистки в слабом магнитном поле (B0=100 Гс). Эксперимент проводился на протяжении всего периода чистки во время экспериментальной кампании Урагана-2М. Динамика чистки стенок была получена вместе со стандартными измеряемыми параметрами плазмы.На торсатроні Ураган-2М було проведено модельний експеримент із чистки стінок вакуумної камери без магнітного поля. Плазмовий розряд створювався тією самою антеною та НВЧ-генератором, що використовуються для чистки в слабкому магнітному полі (B0=100 Гс). Експеримент проводився впродовж всього періоду чистки пiд час експериментальної кампанії Урагана-2М. Динаміка чистки стінок була отримана разом із стандартними вимірюваними параметрами плазми