ВАНТ №2 2005

The plasma in the WEGA stellarator is generated and heated by Electron Cyclotron Resonance Heating (ECRH). The microwave is emitted from the low field side mid-plane with power of up to 6+20 kW and with a frequency of 2.45GHz (λ=12.45 cm). The low cut-off density of n_cutoff=7.5*10¹⁶m^-3 makes ECRH on the WEGA stellarator inefficient in both O-mode and X-mode regime. This was confirmed in the first experimental campaign by perpendicular launch of the microwave with a TE11 antenna. In these experiments only edge heating was observed. Density and temperature profiles were hollow [1]. For the over dense plasma heating, mode conversion into the electrostatic electron Bernstein waves (EBW) is required. Two schemes have been tested: the direct X-B (X-mode to Bernstein mode) conversion, where an X-wave must be launched perpendicular to the magnetic field into an over dense plasma with a steep density gradient. In these experiments the strong reflection of the microwave power at the cut-off layer prohibited efficient plasma heating. Another possibility is the O-X-B conversion scheme [2]. The methods of its achievement with different antennas are the subject of this paper.

Плазма в стеллараторе WEGA создается и нагревается при помощи СВЧ-нагрева на электронно-циклотронной частоте (ЭЦР). Ввод СВЧ-энергии производится с внешней стороны тора в его экваториальной плоскости на частоте 2.45 ГГц (λ=12.45 см) и с максимальной мощностью до 26 кВт. Низкая критическая плотность плазмы для данной частоты (n_cutoff=7.5*10¹⁶ м^-3) делает традиционный ЭЦР-нагрев неэффективным, как в режиме «обыкновенной» (О-волна), так и в режиме «необыкновенной» волны (Н-волна), что было подтверждено в ходе первой экспериментальной кампании, когда СВЧ-энергия вводилась перпендикулярно силовым линиям магнитного поля при помощи цилиндрического ТЕ11 волновода. В этих экспериментах наблюдался нагрев периферийной плазмы, профили плотности и температуры имели полый характер [1]. Для нагрева плазмы с плотностью, выше плотности отсечки, необходима трансформация в электростатическую Бернштейн волну (ЭБВ). Два сценария нагрева были протестированы на установке: первый с непосредственной трансформацией Н-волны в ЭБВ, в этом случае Н-волна должна быть запущена перпендикулярно магнитному полю в плазму с плотностью, превышающей критическую. В этих экспериментах сильное отражение СВЧ- энергии в слое отсечки препятствовало эффективному нагреву плазмы. Во втором случае используется сценарий с двойной конверсией сначала О-волны в Н-волну с последующим превращением Н-волны в ЭБВ[2]. Методы реализации такого сценария и есть тема настоящей работы.

Плазма у стеллараторі WEGA утворюється та нагрівається за допомогою НВЧ-нагріву на електронно-циклотронній частоті (ЕЦР). Ввід НВЧ-енергії здійснюється із зовнішнього боку тору у його екваторіальній площині, на частоті 2.45 ГГц (λ=12.45 см) та з максимальною потужністю до 26 кВт. Низька критична щільність плазми для цієї частоти (n_cutoff=7.5*10¹⁶ м^-3) робить традиційний ЕЦР-нагрів неефективним, як у режимі «Звичайної» (З-хвиля), так і у режимі «Незвичайної» хвилі (Н-хвиля), що було підтверджено у ході першої експериментальної кампанії, коли НІЧ-енергія вводилась перпендикулярно силовим лініям магнітного поля за допомогою циліндричного ТЕ11 хвилеводу. У цих експериментах спостерігався нагрів периферичної плазми, профілі щільності та температури мали порожній характер [1]. Для нагріву плазми з щільністю вище щільності відсічки необхідна трансформація в електростатичну Бернштейн хвилю (ЕБХ). Два сценарії нагріву було випробувано на установці: перший з трансформацією Н-хвилі у ЕБХ, в цьому випадку Н-хвиля повинна бути введена перпендикулярно магнітному полю в плазму з щільністю, яка перевищує критичну. У цих експериментах сильне відбиття НВЧ-енергії у шарі відсічки перешкоджало ефективному нагріву плазми. У другому випадку використовується сценарій з подвійною конверсією спочатку З-хвилі у Н-хвилю з наступною трансформацією Н-хвилі в ЕБХ [2]. Методи реалізації такого сценарію і є темою цієї роботи.