U-3M plasma startup scenario sustained by gas puffing as a different plasma confinement scenario: first results

In order to reduce flux of neutrals into the plasma confinement volume, discharge start-up scenario maintained by impulse gas puffing (GP) has been proposed. Absence of constant working gas feeding in this scenario opens a possibility to reduce working gas pressure in the U-3M vacuum vessel. It was shown that the time of entire vessel filling after sharp gas puffing pulse is about 10…20 ms. In discharges with 5…6 kV on the RF generators and proposed start-up scenario, a delay between GP pulse and plasma creation was shorter than the chamber filling time. The same level of the electron density has been achieved in the discharge under consideration and conventional 5…6 kV discharge maintained by the constant gas feeding only. The Hα emission waveform in the considered discharges is similar to its waveforms in the conventional devices where the sizes of vacuum chamber and plasma are close each other.Для того, чтобы уменьшить поток нейтралов в объем удержания плазмы, был предложен сценарий разряда У-3М, поддерживаемого импульсным напуском газа. Отсутствие постоянной подачи газа в этом сценарии позволяет уменьшить давление рабочего газа в вакуумной камере У-3М. Было показано, что время заполнения вакуумной камеры У-3М после резкого импульса напуска газа составляет около 10...20 мс. В разрядах с 5...6 кВ на ВЧ-генераторах в режиме предложенного сценария напуска газа задержка между импульсом напуска и созданием плазмы была короче времени заполнения камеры. Тот же уровень плотности электронов был достигнут в рассматриваемом разряде и обычном 5...6 кВ разряде, поддерживаемом только постоянной подачей газа. Форма временной зависимости эмиссии линии Hα в рассматриваемых разрядах похожа на форму этой зависимости в обычных установках, в которых размеры плазмы и камеры близки друг к другу.Для того, щоб зменшити потік нейтралів в об’єм утримання плазми, був запропонований сценарій розряду У-3М, що підтримується імпульсним напуском газу. Відсутність постійної подачі газу в цьому сценарії дозволяє зменшити тиск робочого газу у вакуумній камері У-3М. Було показано, що час заповнення вакуумної камери У-3М після різкого імпульсу напуску газу становить близько 10...20 мс. У розрядах з 5...6 кВ на ВЧ-генераторах у режимі запропонованого сценарію напуску газу затримка між імпульсом напуску і створенням плазми була коротшою ніж час заповнення камери. Той же рівень густини електронів був досягнутий в розглянутому розряді і звичайному 5...6 кВ розряді, що підтримується тільки постійною подачею газу. Форма часової залежності емісії лінії Hα в розглянутих розрядах схожа на форму цієї залежності в звичайних установках, в яких розміри плазми і камери близькі один до одного

Peripheral plasma characteristics in the Uragan-3M torsatron

In the l=3/m=9 Uragan-3M (U-3M) torsatron a hydrogen plasma is produced and heated by RF fields in the Alfvén range of frequencies (ω≤ωci). Peripheral plasma is investigated using two moveable Langmuir probes. Spatial distributions of plasma parameters, Vf, Te and ne in two operating regimes and in three cross-sections are measured. Link between confinement volume and transition layer is shown. RF electric antenna field influence on the probes is discussed.В торсатроне Ураган-3М (У-3М) водородная плазма создается и нагревается ВЧ-полями в области альфвеновских частот (ω≤ωci). Периферийная плазма исследована с помощью двух подвижных ленгмюровских зондов. Пространственные распределения параметров плазмы (Vf, Te и ne) были измерены в двух режимах работы установки в трех полоидальных сечениях. Показано существование связи между областью удержания и переходным слоем. Обсуждается влияние ВЧ-электрического поля антенны на зонд.У торсатроні Ураган-3М (У-3М) воднева плазма створюється та нагрівається ВЧ-полями в області альфвенівських частот (ω≤ωci). Периферійна плазма досліджена за допомогою двох рухомих ленгмюровських зондів. Просторові розподіли параметрів плазми (Vf, Te та ne) були виміряні в двох режимах роботи установки в трьох полоїдальних перерізах. Показано існування зв'язку між областю утримання та перехідним шаром. Обговорюється вплив ВЧ-електричного поля антени на зонд

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

Scroll waves in isotropic excitable media : linear instabilities, bifurcations and restabilized states

Scroll waves are three-dimensional analogs of spiral waves. The linear stability spectrum of untwisted and twisted scroll waves is computed for a two-variable reaction-diffusion model of an excitable medium. Different bands of modes are seen to be unstable in different regions of parameter space. The corresponding bifurcations and bifurcated states are characterized by performing direct numerical simulations. In addition, computations of the adjoint linear stability operator eigenmodes are also performed and serve to obtain a number of matrix elements characterizing the long-wavelength deformations of scroll waves.Comment: 30 pages 16 figures, submitted to Phys. Rev.

Influence of plasma with finite pressure on magnetic configuration of torsatron U-3M

Series of experiments on generation of mode with high β (up to about 1.3%) in torsatron U-3M were performed using nitrogen as working gas. The dependence of average β from input power was obtained. The average plasma radii in modes with various β were determined. The estimation of rotational transformation angle was done in view of presence of the plasma in device.На торсатроні У-3М проведено серію експериментів по створенню режиму з високим β (до 1.3%) з використанням азоту в якості робочого газу. Отримано залежність середнього β від потужності, що вводиться. Було визначено середній радіус плазми в режимах з різним β. Оцінка кута обертального перетворення була зроблена з урахуванням наявності плазми в установці.На торсатроне У-3М проведена серия экспериментов по созданию режима с высоким β (до 1.3%) с использованием азота в качестве рабочего газа. Получена зависимость среднего β от вводимой мощности. Был определён средний радиус плазмы в режимах с различным β. Оценка угла врщательного преобразования была сделана с учетом наличия плазмы в установк

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

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

Behaviour of the radiation of the suprathermal electrons at the Uragan-3M torsatron after RF heating off from ECE measurements

The microwave radiometry is a well-known diagnostics to obtain the information on temporal evolution and radial profile of the electron temperature at U-3M torsatron plasma experiments. However, under low plasma density with this diagnostics we report on the large production of runaway electrons after RF heating pulse off. We notice a gradually increasing of the radiometer signal at the frequencies that match the second and third harmonics of electron cyclotron emission of the extraordinary mode. This effect could be explained with the existence of the “runaway” electrons in U-3M discharge. A phenomenological description of this process is presented, where the time evolution of the ECE radiation signal is compared to the electron density evolution.Микроволновая радиометрия является хорошо известной диагностикой для получения информации о временной эволюции и виде радиального профиля температуры электронов во время плазменных экспериментов на торсатроне У-3М. Тем не менее, в случае низкоплотной плазмы при помощи этой диагностики наблюдается появление значительного числа «убегающих» электронов после отключения импульса высокочастотного нагрева. Замечено постепенное увеличение сигнала радиометра на частотах, которые соответствуют второй и третьей гармоникам электронной циклотронной эмиссии необыкновенной волны. Этот эффект можно объяснить существованием «убегающих» электронов в разряде У-3М. Представлено феноменологическое описание этого процесса, где временная эволюция сигнала излучения ECE сравнивается с эволюцией плотности электронов.Мікрохвильова радіометрія є добре відомою діагностикою, для отримання інформації про тимчасову еволюцію та вигляд радіального профілю температури електронів під час плазмових експериментів на торсатроні У-3М. Тим не менш, у випадку низькощільної плазми за допомогою цієї діагностики спостерігається поява значного числа «тікаючих» електронів після відключення імпульсу високочастотного нагріву. Помічено поступове збільшення сигналу радіометра на частотах, які відповідають другій і третій гармонікам електронної циклотронної емісії незвичайної хвилі. Цей ефект можна пояснити існуванням «тікаючих» електронів у розряді У-3М. Представлено феноменологічний опис цього процесу, де тимчасова еволюція сигналу випромінювання ECE порівнюється з еволюцією щільності електронів

Energy confinement in the torsatron Uragan-3M during the RF-heating mode

Energy confinement time of plasma in torsatron U-3M was measured both during quasi-stationary stady of RF-discharge and after RF-power cut-off. Power absorbed by plasma in the confinement region was estimated. A mechanism which explain the plasma density behavior in the confinement region is proposed.Експериментально визначено енергетичний час життя плазми під час квазістаціонарної стадії ВЧ-розряду і при вимкненні ВЧ-розряду в торсатроні У-3М. Оцінена частка потужності, що випромінюється ВЧ-антеною, яка поглинається плазмою в області її утримання. Запропоновано можливий механізм, що пояснює поведінку щільності плазми в області утримання.Экспериментально определено энергетическое время жизни плазмы во время квазистационарной стадии ВЧ- разряда и при выключении ВЧ-разряда в торсатроне У­-3М. Оценена доля мощности, излучаемой ВЧ-антенной, которая поглощается плазмой в области ее удержания. Предложен возможный механизм, объясняющий поведение плотности плазмы в области удержания