МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«Национальный исследовательский ядерный университет «мифи»

ОТЧЕТ О ГРУППОВОМ ЗАДАНИИ ПО ДИСЦИПЛИНЕ

«ДЕТАЛИ МАШИН И ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ»

«Экспериментальная установка Магнетор»

Выполнили:

_____________ студент группы Т06-21

А. С. Пришвицын

_____________ студент группы Т06-21

А. Ю. Хомяков

_____________ студент группы Т06-21

М. Д. Болотов

Проверили:

_____________ заместитель заведующего

кафедры 18 А. В. Берестов

_____________ ассистент кафедры 18

Г. К. Барышев

Москва 2015

Введение

Рис.1 (а,б). Фотографии установки “МАГНЕТОР”

Установка “МАГНЕТОР” (Рис.1(а,б)) была создана на кафедре Физики Плазмы МИФИ в феврале 2002 года как прообраз альтернативной токамакам термоядерной системы. Установка представляет собой вакуумную камеру, в которую помещены две кольцевые катушки с токами противоположного направления, что обеспечивает поджатие полем внешней токовой катушки основного магнитного поля, создаваемого внутренней токовой катушкой. Получаемая таким образом магнитная конфигурация, в которой системой подачи СВЧ-мощности создаётся плазма, имеет сепаратрису. Удержание плазмы происходит внутри области ограниченной ею. На установке “МАГНЕТОР” была получена плазма плотностьюn~ 10¹¹см^-3и температуройT_e~ 10 эВ при давлении нейтрального газа 10^-4тор. От существующих аналогов – систем, работающих с ОМК плазмой – установку выгодно отличает то, что магнитная система создаёт стационарное поле. Таким образом, снимается ряд проблем, связанных с устойчивостью внутреннего кольца и длительного поддержания тока в нём. Бандаж внутренней катушки жёстко прикреплён к бандажу внешней, благодаря чему нет необходимости изготавливать внутреннее токовое кольцо из дорогих сверхпроводников, снимается проблема его охлаждения, существенно упрощается конструкция источника питания. Магнитная пробка между внешней и внутренней катушкой снижает потоки заряженных частиц на соединяющие подпорки, и при существующих параметрах плазмы надёжно защищает их от вредного воздействия плазмы.

1. Принципиальная схема установки

   Рис.2. Блок-схема установки “МАГНЕТОР”

2. Вакуумная схема установки

Разрядная вакуумная камера из немагнитной нержавеющей стали представляет собой вертикальный цилиндр высотой 450 мм и внутренним диаметром 480 мм, по бокам которого расположены четыре боковых патрубка с внутренним диаметром 300 мм. Откачка камеры до высокого вакуума (< 10^-5Торр) осуществляется вакуумным постом, собранным на основе турбомолекулярного насоса ТМН-1500.

Откачка установки на высокий вакуум (<10^-5Торр) осуществляется вакуумным постом, схематично представленным на рис.3., и собранным на основе турбомолекулярного насоса ТМН-1500 . Предварительная откачка камеры производится через клапан КЭУн-63-1, с электромеханическим приводом, форвакуумным насосом НВР16-Д. Этим же насосом через аналогичный клапан КЭУн-63-2 откачивается турбо-молекулярный насос ТМН-1500, который в свою очередь осуществляет откачку вакуумной камеры на высокий вакуум через высоковакуумный затвор ЗЭПМ-250 (Шибер), при этом клапан закрыт. Для контроля давления используются широкодиапазонный датчик давленияPKR-251 фирмы Pfeiffer, представляющий собой комбинацию датчика Пирани и магнитноразрядного (инверсно-магнетронного) преобразователя, диапазон измерений при этом составляет от 1· 10³до 5· 10^-9мбар. Датчик заменяет ранее используемые ПМИ-3-2 (на выходе из насоса ТМН-1500) и термопарный преобразователь ПМТ-4 и ионизационный преобразователь ПМИ-3-2, расположенные непосредственно в разрядной камере. Также для измерения вакуума используется тепловой преобразователь ПМТ-6-3, помещённый на байпассном трубопроводе. Подача рабочих газов организована посредством газовой системы и газовых натекателей.

Установка может использовать в качестве плазмообразующих газов Ar, воздух, N₂, иHe. Диапазон рабочих давлений составляет от 10^-2до 10^-5Тор.

Рис.3. Схема вакуумного поста

3. Магнитная система

Магнитная система состоит из двух кольцевых катушек прямоугольного сечения, расположенных в вакуумной камере при помощи системы крепления и изолированные от стенок камеры. Внутренний радиус внутренней катушки 16 см, внешний диаметр внешней 40 см. Во внутренней катушке 650 витков, во внешней – 332 витка. Бандажи катушек выполнены из меди и скреплены друг с другом при помощи 4 перемычек.

Токи в катушках противоположного направления. Каждая катушка подключена к отдельному источнику питания, состоящему из трёхфазного регулятора напряжения РНТ-20 и трёхфазного выпрямителя. Таким образом, ток в каждой из катушек можно регулировать от 0 до 60 А, изменяя тем самым величину пробки между катушками и положение сепаратрисы. Часть линий магнитного поля замкнута внутри установки, часть – упирается в стенки патрубков На Рис.14 представлена топология магнитного поля установки, когда в обеих катушках текут токи 50 А. При этом центральная пробка составляет 1500 Э, пробка между катушками 1800 Э, а сепаратриса полностью расположена внутри камеры, не касаясь стенок. Благодаря пробке между внешней и внутренней катушками снижается поток плазмы на перемычки, тем самым реализуется магнитная защита. Запуск магнитного поля реализован в двух режимах: в ручном (с помощью кнопки на пульте) и автоматически, с заданной задержкой, после запуска СВЧ-генерации магнетрона с помощью программы, написанной на Labview, интерфейс которой изображен на рисунке 4.

Рис. 4. Программа контроля параметров эксперимента

Программа также выводит на экран информацию о токе в витках катушек, измеряемом с помощью датчиков холла, установленных в цепи питания катушек.

4. Система зажигания разряда

Система зажигания разряда состоит из СВЧ-магнетрона, работающего на частоте 2.45 ГГц (длина волны в вакууме 12.24 см) с волновым сопротивлением 75 Ом и коаксиальной линии согласования тремя четвертьволновыми трансформаторами на импеданс 163 Ом петлевой антенны квадратного сечения стороной 2 см, приваренной изнутри к стенке камеры. Резонансная поверхность 875.52 Э расположена вблизи внутренней катушки. Магнетрон работает импульсами с частотой 50 Гц и скважностью 2.

5. Система диагностики плазмы

Диагностика получаемой плазмы осуществляется при помощи двойного зонда Ленгмюра. Зонд укреплён на фланце ДУ-150 патрубка, соосного с катушками магнитного поля. При своих малых размерах, конструкция зонда такова, что измерениями можно охватить область патрубка, внутренней пробки и пробки между катушками. Благодаря тому, что топология магнитного поля имеет аксиальную симметрию, зонд может охватить измерениями все замкнутые в пределах камеры магнитные поверхности. Система перемещения зонда представляет собой полированную медную трубку уплотненную на вакуум с помощью тефлонового вильсоновского уплотнения. Трубка расположена параллельно магнитной оси установки и смещена от нее на 110 мм. На внешнем конце трубки смонтированы герметичные электрические вводы. Со стороны вакуума на трубке расположен узел для крепления зондов. Стыковочный узел ориентирует зонды под углом 90º к оси. Снаружи от вакуумного объема к трубке жестко прикреплена алюминиевая каретка, продольное перемещение зонда происходит при ее перемещении вдоль закрепленных на фланце направляющих стержней. В радиальном направлении перемещение осуществляется за счет поворота зонда вокруг оси трубки.

Рис. 5. Схема зондовых перемещений

Зонд представляет собой два цилиндрических вольфрамовый электрода диаметром d = 0,4 мм c длиной рабочей части l = 3мм, выступающих за срез керамического изолятора (двухдырочная керамика Al2O3), расстояние между электродами составляет L = 3мм.

Принципиальная схема подключения зонда представлена на рисунке 12.

Рис. 6. Принципиальная схема подключения зонда

Измерительные сопротивление 1,1 кОм. Иногда используется емкость С для сглаживания сигнала при сильном зашумлении.

Для питания зонда используется батарея аккумуляторов (U= 70 В) для подачи постоянного смещения на зонд. Измерения проводятся с помощью 4-х канального цифрового запоминающего осциллографа Tektronix TPS2024 с развязанными друг от друга каналами. Запись осциллограмм осуществляется на карту памяти осциллографа. Далее путем исключения временной зависимости строятся вольт-амперные характеристики зонда для последующей обработки.