Torsatron U-2M magnetic surfaces with enhanced mirror ratio

Existence of closed magnetic surfaces with enhanced mirror ratio value and mirror region longitudinal size in a model of the combined magnetic system is shown by numerical calculations. The calculation model contains the l=2 polarity torsatron U-2M magnetic system with the additional toroidal magnetic field coils and the mirror-type magnetic system. The mirror-type magnetic system is realized by switching off two adjacent additional toroidal magnetic field coils.Чисельні розрахунки показали можливість існування конфігурації замкнутих магнітних поверхонь зі збільшеним пробковим відношенням і повздовжнім розміром пробкової області в моделі комбінованої магнітної системи. До складу моделі входять магнітна система 2-заходного торсатрона У-2М з котушками додаткового тороїдального магнітного поля та магнітна система типу пробкотрон. Остання реалізується шляхом відключення двох суміжних котушок додаткового тороїдального магнітного поля.Численными расчетами показано существование конфигурации замкнутых магнитных поверхностей с увеличенным пробочным отношением и большим продольным размером пробочной области в модели комбинированной магнитной системы. В состав модели входят магнитная система 2-заходного торсатрона У-2М с катушками дополнительного тороидального магнитного поля и магнитная система типа пробкотрон. Последняя реализуется путем отключения двух смежных катушек дополнительного тороидального магнитного поля

MHD plasma activity in the U-3M torsatron during the RF cleaning mode with the magnetic field Bφ(0) = 0.02 T

In the considered mode of cleaning, plasma was created and heated by antennas at frequencies fRF₁ ≈ 7.9 and fRF₂ ≈ 8.8 MHz, the magnitude of the constant magnetic field was Bφ(0) ≈ 0.02 T, so that the ion cyclotron frequency was much lower than the heating frequency. The average plasma density was n- ~ 1×10¹⁸ m⁻³, electron temperature was ~10 eV, working gas pressure was 10⁻⁴ Torr. Using a set of 15 magnetic sensors installed in one of the poloidal sections of the torus, fluctuations of the poloidal magnetic field were recorded. It was found that in the investigated frequency range 0...100 kHz, the spectrum of fluctuations of the poloidal magnetic field has two characteristic frequencies 6 and 49 kHz. The dynamics of the intensity of the magnetic plasma fluctuations for the investigated frequencies was also studied.У розглянутому режимі чищення плазма створювалася і нагрівалася антенами на частотах fRF₁ ≈ 7,9 та fRF₂ ≈ 8,8 МГц, величина постійного магнітного поля Bφ(0) ≈ 0,02 Тл, так що іонна циклотронна частота була набагато меншою частоти нагріву. Середня густина плазми була n- ~1x10¹⁸ м⁻³, електронна температура ~ 10 еВ, тиск робочого газу 10⁻⁴ Tорр. За допомогою набору з 15 магнітних датчиків, встановлених в одному з полоїдальних перетинів тора, реєструвалися флуктуації полоїдального магнітного поля. Було виявлено, що в досліджуваному діапазоні частот 0…100 кГц спектр флуктуацій полоїдально го магнітного поля має дві характерні частоти – 6 та 49 кГц. Також вивчена динаміка інтенсивності магнітних флуктуацій плазми для досліджуваних частот.В рассматриваемом режиме чистки плазма создавалась и нагревалась антеннами на частотах fRF₁ ≈ 7,9 и fRF₂ ≈ 8,8 МГц, величина постоянного магнитного поля Bφ(0)≈0,02 Тл, так что ионная циклотронная частота была много меньшей частоты нагрева. Средняя плотность плазмы была n- ~1x10¹⁸ м⁻³, электронная температура ~ 10 эВ, давление рабочего газа 10⁻⁴ Tорр. С помощью набора из 15 магнитных датчиков, установленных в одном из полоидальных сечений тора, регистрировались флуктуации полоидального магнитного поля. Было обнаружено, что в исследуемом диапазоне частот 0…100 кГц спектр флуктуаций полоидального магнитного поля имеет две характерные частоты – 6 и 49 кГц. Также была прослежена динамика интенсивности магнитных флуктуаций плазмы для исследуемых частот

Structure of MHD fluctuations in the torsatron U-3M in steady-state stage of discharge

Study of MHD fluctuations was performed in quasi-stationary mode of weakly collisional discharge in torsatron U-3M in frequency range 0.5…70 kHz. The fluctuations of the magnetic field were detected in the following frequency ranges: 2.5…3.9, 5.9…7.2, 9.4…10.9, 14…15.9, 20…27, 39…47 kHz. It is also shown that there are standing and rotation structures. Rotation structures can rotate in the direction of both ion and electron diamagnetic drift. The poloidal structure of plasma MHD activity with wave numbers m=0; 1; 2; 3 was obtained, which made it possible to determine the level of fluctuations of the magnetic field inside the confinement volume.Проведено вивчення структури МГД-флуктуацій в квазістаціонарному режимі розряда з малими частотами зіткнень у торсатроні У-3М у діапазоні частот 0,5...70 кГц. Були виявлені флуктуації магнітного поля в наступних діапазонах частот: 2,5…3,9; 5,9…7,2; 9,4…10,9; 14…15,9; 20…27; 39…47 кГц. Була отримана полоідальна структура МГД-активності плазми з хвильовими числами m = 0; 1; 2; 3, що дозволило визначити рівень флуктуацій магнітного поля всередині обсягу утримання. Показано також, що існують стоячі і обертові структури. Обертові структури можуть обертатися як у напрямку іонного, так і електронного діамагнітного дрейфів.Проведено изучение структуры МГД-флуктуаций в квазистационарном режиме слабостолкновительного разряда в торсатроне У-3М в диапазоне частот 0,5…70 кГц. Были обнаружены флуктуации магнитного поля в следующих диапазонах частот: 2,5…3,9; 5,9…7,2; 9,4…10,9; 14…15,9; 20…27; 39…47 кГц. Была получена полоидальная структура МГД-активности плазмы с волновыми числами m=0; 1; 2; 3, что позволило определить уровень флуктуаций магнитного поля внутри объема удержания. Показано также, что существуют стоячие и вращающиеся структуры. Вращающиеся структуры могут вращаться как в направлении ионного, так и электронного диамагнитного дрейфов

Hydrogen recycling during RF plasma heating in the U-3M torsatron

The hydrogen recycling behavior has been studied during the plasma experiments in torsatron U-3M. For this purpose, the time dependence of the molecular hydrogen pressure in the U-3M torsatron vacuum chamber in the modes of RF wall conditioning and RF plasma heating has been measured. The experimental results show that the hydrogen pumping from the vacuum chamber runs at constant rate during the RF discharge for each mode. After RF power switching-off the inverse desorption of hydrogen, accumulated during the RF discharge in the vacuum chamber walls and helical coil surfaces, is observed. When the antenna anode voltages and the RF pulse duration in both modes are increasing, the character of the time dependences of hydrogen pressure does not change significantly.Изучено поведение рециклинга водорода во время плазменных экспериментов на торсатроне У-3М. Для этой цели было проведено измерение временных зависимостей давления водорода в вакуумной камере торсатрона У-3М в режимах ВЧ-чистки стенок камеры и ВЧ-нагрева плазмы. Экспериментальные результаты показали, что в обоих режимах во время ВЧ-разряда скорость откачки водорода из вакуумной камеры остается постоянной для каждого из режимов. После выключения ВЧ-мощности наблюдается обратная десорбция водорода, накопленного во время ВЧ-разряда в стенках вакуумной камеры и винтовых катушек. Повышение анодных напряжений на ВЧ-антеннах и увеличение длительности ВЧ-импульса существенно не влияют на характер временных зависимостей давления водорода.Вивчено поведінку рециклінгу водню під час плазмових експериментів на торсатроні У-3М. Для цієї мети було проведено вимірювання часових залежностей тиску водню у вакуумній камері торсатрона У-3М в режимах ВЧ-чистки стінок камери і ВЧ-нагріву плазми. Експериментальні результати показали, що в обох режимах під час ВЧ-розряду швидкість відкачування водню з вакуумної камери залишається постійною для кожного з режимів. Після виключення ВЧ-потужності спостерігається зворотна десорбція водню, накопиченого під час ВЧ-розряду в стінках вакуумної камери і гвинтових котушок. Підвищення анодних напруг на ВЧ-антенах і збільшення тривалості ВЧ-імпульсу істотно не впливають на характер тимчасових залежностей тиску водню

Magnetic diagnostics for torsatron U-2M

The features of application of magnetic diagnostics in torsatron U-2M are described. The methods to account for the influence of the metal environment and induced magnetic fields on the results of magnetic measurements are presented. During the experimental program on torsatron U-2M with help of magnetic diagnostics, the most important characteristics of the plasma, such as the value of the plasma energy content, the energy confinement time, the power inputted in the plasma, the value of Pfirsch-Schluter currents, the presence of magnetic islands, the shift of magnetic surfaces, the structure of MHD instabilities will be determinedОписано особливості застосування магнітної діагностики в торсатроні U-2M. Представлено методи врахування впливу металевого оточення на результатах магнітних вимірювань. У ході експериментальної програми на торсатроні U-2M за допомогою магнітної діагностики визначатимуться найбільш важливі характеристики плазми, такі, як величина енерговмісту плазми, енергетичний час життя, введена в плазму потужність, величина струмів Пфірша-Шлюттера, наявність магнітних островів, зсув магнітних поверхонь, структура МГД-нестійкостей.Описаны особенности применения магнитной диагностики в торсатроне U-2M. Представлены методы учета влияния металлического окружения на результаты магнитных измерений. В ходе экспериментальной программы на торсатроне U-2M с помощью магнитной диагностики будут определяться наиболее важные характеристики плазмы, такие, как величина энергосодержания плазмы, энергетическое время жизни, введенная в плазму мощность, величина токов Пфирша-Шлюттера, наличие магнитных островов, смещение магнитных поверхностей, структура МГД-неустойчивостей

Features of the upgraded magnetic diagnostics application in the U-2M torsatron

Modernized magnetic sensor systems have been developed and tested to carry out the magnetic measurements on the U-2M torsatron. The effect of the metallic environment, high-frequency noise and the instability of the external magnetic field in the U-2M torsatron on the readings of magnetic sensors recorded during plasma experiments were studied.Для магнітних вимірів на установці торсатрон Ураган У-2М розроблені модернізовані системи магнітних датчиків і реєструючого устаткування. Вивчено впливи металевого оточення, радіочастотних перешкод і нестабільності зовнішнього магнітного поля в торсатроні Ураган У-2М на показання магнітних датчиків під час плазмових експериментів.Для магнитных измерений на установке торсатрон Ураган У-2М разработаны модернизированные системы магнитных датчиков и регистрирующей аппаратуры. Изучены влияния металлического окружения, радиочастотных помех и нестабильности внешнего магнитного поля в торсатроне Ураган У-2М на показания магнитных датчиков во время плазменных экспериментов

Structure of intensive MHD fluctuations in torsatron in the mode of low frequency collisions

The structure of MHD-fluctuations in the frequency range 0.5…52 kHz of RF produced plasma was studied in the Uragan-3M torsatron by the use of magnetic probes placed in one of the poloidal cross-sections. Three types of fluctuations with specific spatial (3D) structures were observed. The first type: when the structure amplitude is changing slowly and the structure rotates as a whole with some frequency. The second type: the structure does not rotate but its amplitude is time varying. The third type is a combination of the first two types: the structure rotates and at the same time its amplitude fluctuates. The correlation was found between the level of fluctuations and the time dependence of plasma energy content before and after transition to regime of better confinement of plasma.С помощью набора магнитных датчиков, размещённых в одном из полоидальных сечений, на установке Ураган-3М исследовалась структура МГД-колебаний плазмы в диапазоне частот 0,5…52 кГц. Наблюдались 3 типа колебаний, имеющих определённую пространственную структуру. Первый тип колебаний, когда амплитуда почти не изменяется со временем, а их структура вращается с определённой частотой. Второй тип – пространственная структура не вращается, но её амплитуда изменяется в определённом диапазоне частот. Третий тип представляет собою объединение первых двух типов – структура вращается, и при этом наблюдаются колебания амплитуды. Была обнаружена связь уровня флуктуаций и временного поведения энергосодержания плазмы перед переходом в режим улучшенного удержания и после него.За допомогою набору магнітних датчиків, розміщених в одному з полоідальних перетинів, на установці Ураган-3М досліджувалася структура МГД-коливань плазми в діапазоні частот 0,5…52 кГц. Спостерігалися 3 типи коливань, що мають певну просторову структуру. Перший тип коливань, коли амплітуда майже не змінюється з часом, а їх структура обертається з певною частотою. Другий тип - просторова структура не обертається, але її амплітуда змінюється в певному діапазоні частот. Третій тип являє собою поєднання перших двох типів структура обертається, і при цьому спостерігаються коливання амплітуди. Був виявлений зв'язок рівня флуктуацій та тимчасової поведінки енергозмісту плазми перед переходом у режим покращеного утримання і після нього

Behavior dynamics of low-frequency MHD-fluctuations and main plasma parameters in U-3M torsatron in RF-heating mode

A significant decrease in the intensity of low-frequency MHD-activity is accompanied by sharp increase of plasma energy content in U-3M torsatron. Plasma is generated and heated by RF-fields with frequency of w = 0.8w(ci) and is in a mode of low frequency of collisions. A set of 15 magnetic sensors was installed in one of the poloidal cross-sections of torus. The poloidal component of magnetic field was registered. At some point of time there is a sharp decrease of MHD-activity of plasma with a simultaneous increase of plasma energy content.Существенное уменьшение интенсивности низкочастотной МГД-активности сопровождается резким повышением энергосодержания плазмы в торсатроне У-3М. Плазма создаётся и нагревается ВЧ-полями с частотой w = 0.8w(ci) и находится в режиме редких частот соударений. В одном из полоидальных сечений тора был установлен набор из 15 магнитных датчиков. Регистрировалась полоидальная компонента магнитного поля. В некоторый момент времени наблюдается резкое уменьшение МГД-активности плазмы при одновременном росте энергосодержания плазмы.Суттєве зменшення інтенсивності низькочастотної МГД-активності супроводжується різким підвищенням енергозмісту плазми в торсатроні У-3М. Плазма створюється і нагрівається ВЧ-полями з частотою w = 0.8w(ci) і знаходиться в режимі рідкісних частот зіткнень. В одному з полоідальних перетинів тора був встановлений набір з 15 магнітних датчиків. Реєструвалася полоідальна компонента магнітного поля. В деякий момент часу спостерігається різке зменшення МГД-активності плазми при одночасному зростанні енергозмісту плазми

Magnetic surfaces of a combined magnetic system

The existence of closed magnetic surfaces in a model of the combined magnetic system is shown by numerical simulations. The numeric model contains a magnetic system of the l=2 torsatron with the coils of an additional toroidal magnetic field and the mirror-type magnetic system. The mirror-type magnetic system is realized by switching off one of the coils of an additional toroidal magnetic field.Численными расчетами показано существование замкнутых магнитных поверхностей в модели комбинированной магнитной системы. В состав модели входит магнитная система двухзаходного торсатрона с катушками дополнительного тороидального магнитного поля и магнитная система типа пробкотрон. Последняя реализуется путем отключения одной из катушек дополнительного тороидального магнитного поля.Чисельними розрахунками показано існування замкнутих магнітних поверхонь у моделі комбінованої магнітної системи. До складу моделі входить магнітна система двозаходного торсатрона з котушками додаткового тороїдального магнітного поля та магнітна система типу пробкотрон. Остання реалізується шляхом відключення однієї з котушок додаткового тороїдального магнітного поля

Methods for measuring hydrogen balance in vacuum chamber of U-3M torsatron during plasma experiments

The experimental method was developed for evaluation of a hydrogen particle flux balance over a wide range of operating conditions in the Uragan-3M torsatron (U-3M) in the course of RF discharges. Standard pressure gauges were tested for measurement of non-stationary hydrogen pressure in the U-3M vacuum chamber. The average lifetime of hydrogen ions was determined for each operation mode of U-3M.Разработана экспериментальная методика оценки баланса потоков частиц водорода во время ВЧ-разрядов в торсатроне Ураган-3М (У-3М) в широком диапазоне рабочих параметров. Для измерения нестационарного давления водорода в вакуумной камере У-3М были апробированы стандартные датчики давления. Для каждого из рабочих режимов работы У-3М было определено среднее время жизни ионов водорода.Розроблено експериментальну методику оцінки балансу потоків частинок водню під час ВЧ-розрядів у торсатроні Ураган-3М (У-3М) в широкому діапазоні робочих параметрів. Для вимірювання нестаціонарного тиску водню у вакуумній камері У-3М були апробовані стандартні датчики тиску. Для кожного з робочих режимів У-3М було визначено середній час життя іонів водню