ICRH天線系統與等離子體相互作用的理論研究.pdf

1、離子回旋共振加熱(ICRH)是世界上已有的托卡馬克裝置和未來的ITER實驗裝置輔助加熱的主要方式之一，它不僅能有效加熱等離子體中的離子或電子，而且能進行鋸齒控制改善等離子體約束。開展ICRH天線系統與等離子體的相互作用的研究對于實現將來聚變堆穩(wěn)態(tài)運行和等離子體高性能運行具有重要的研究意義。
　　離子回旋共振加熱時，天線輸入阻抗隨等離子體參數變化而變化，當傳輸線上電流一定，且不產生高壓電擊穿現象的條件下，相對于傳輸線的特性阻抗，天線

2、的輸入阻抗很小。天線負載的這兩個特點使得如何進一步提高 ICRH天線耦合到等離子體中的能量和改善天線系統的阻抗匹配效果成為受控核聚變理論研究的重要內容。本文首先根據“能量一次吸收”假設，采用冷等離子體的平板模型結合三維天線模型，計算方法采用Green函數方法求解真空區(qū)域的Maxwell方程和變步長四階龍格庫塔方法數值積分求解等離子體的快磁聲波方程，研究了ICRH天線與等離子體的耦合。著重數值模擬和討論了極向對稱放置的ICRH雙天線的相位

3、差對耦合不對稱性的影響、環(huán)向對稱放置的ICRH雙天線的間距對等離子體耦合特性的影響、環(huán)向和極向對稱放置的ICRH四天線的電流分布、饋線端長度和等離子體密度分布對等離子體耦合特性的影響。接著，根據ICRH天線與等離子體耦合模擬計算獲得的天線輸入阻抗結合傳輸線原理分析了離子回旋共振加熱時，三支節(jié)液態(tài)調配器和邊界局域模放電條件下雙共振環(huán)天線的阻抗匹配過程。
　　主要模擬結果表明：1)調節(jié)極向對稱放置的兩天線間的相位差可以控制耦合能量在極

4、向上的不對稱性，當相位差滿足時，隨著相位差的增大，能量在極向上的耦合反對稱性增強，當相位差滿足時，隨著相位差的增大，能量在極向上的耦合反對稱性減少，時能量在極向上的耦合反對稱性最明顯；2)當環(huán)向對稱放置的雙天線同相饋電時，kz適當偏離零點的譜分量(對應最佳吸收的譜分量)所占的比重隨雙天線間距的增大而減小，天線輻射功率的利用率較低，且等離子體從波中吸收的總能量減少，因此為了增強離子回旋共振加熱的效果，應減小雙天線的間距；3)在其它實驗參數

5、相同的條件下，環(huán)向和極向對稱放置的ICRH四天線輻射到真空中的功率隨天線饋線端長度的增加而增加，天線對稱電流分布激發(fā)的輻射功率要比天線反對稱電流分布激發(fā)的高,刮削層密度增加導致ICRH四天線耦合功率增加，其可能的原因是減少了天線發(fā)射波到截止層的衰減長度；4)在其它實驗參數相同的條件下，等離子體密度剖面變化時，三支節(jié)液態(tài)調配器滿足阻抗匹配的支節(jié)液面高度的變化趨勢比波源頻率變化時要平緩，在某些頻段，為了獲得ICRH天線系統的阻抗匹配，三支節(jié)