EAST上離子回旋天線與等離子體的耦合研究.pdf

1、離子回旋(ICRF)波加熱是磁約束核聚變裝置中一種非常重要的輔助加熱手段，ICRF波加熱等離子體的有效性已經(jīng)在EAST和其他裝置上得到了驗(yàn)證。目前EAST上有兩套ICRF天線，分別安裝在B與I窗口，最大源功率可達(dá)12MW，工作頻率為25～70MHz。天線與等離子體之間的耦合在ICRF波加熱中扮演著非常重要的角色，它不僅限制了離子回旋加熱系統(tǒng)的最大可注入功率，而且與ICRF波的加熱效率密切相關(guān)。本文主要針對(duì)EAST上ICRF天線與等離子體

2、之間的耦合進(jìn)行研究。
　　基于變分法的天線耦合程序可以自洽計(jì)算天線電流帶的電流分布，本文對(duì)其做進(jìn)一步發(fā)展，在考慮了雙層折疊天線結(jié)構(gòu)和法拉第傾斜角的基礎(chǔ)上，寫入了EAST上B與I窗口的ICRF天線模型。程序被應(yīng)用在EAST天線耦合實(shí)驗(yàn)分析中，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果的一致性證實(shí)了程序的可靠性。
　　本文利用天線耦合程序?qū)AST上的ICRF天線耦合阻抗和功率譜進(jìn)行了計(jì)算，并對(duì)影響天線耦合的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。影響天線耦合的因素

3、分為兩類:天線結(jié)構(gòu)參數(shù)和等離子體參數(shù)。天線結(jié)構(gòu)參數(shù)涉及陣列天線相位、法拉第屏傾斜角、電流帶的尺寸及折疊結(jié)構(gòu)相對(duì)位置、陣列單元之間的距離、陣列單元電流幅度比;等離子體參數(shù)包括等離子體密度、邊界密度梯度和磁場強(qiáng)度。對(duì)B與I窗口的天線耦合特性及功率譜進(jìn)行了對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)B窗口的環(huán)向功率譜較寬，不利于功率譜的精確控制，但耦合阻抗較大，耦合效率較高;另外，B窗口極向輻射帶之間的相位差可調(diào)，或可以作為提高B窗口耦合效率的一種嘗試手段。通過對(duì)天線場圖

4、結(jié)構(gòu)的研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)輻射場慢慢深入等離子體內(nèi)部時(shí)，天線陣列或單天線的輻射場圖的極向分布幾乎沒有變化，而在磁場方向發(fā)生明顯擴(kuò)散，同時(shí)場幅度減小?？紤]了法拉第傾斜角的場擴(kuò)散方向與托卡馬克環(huán)向有一個(gè)夾角，恰好與磁場相對(duì)于環(huán)向的傾斜角一致。B窗口天線陣列的輻射場場圖不僅與環(huán)向相位有關(guān)，而且受極向電流帶相位的影響，當(dāng)極向相位改變時(shí)，場圖的幅度和極向分布隨之發(fā)生變化。
　　對(duì)EAST托卡馬克上開展的一系列旨在提高ICRF波耦合效率的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了分

5、析與討論，取得了實(shí)驗(yàn)耦合阻抗與天線程序計(jì)算結(jié)果的一致性，并探索了提高耦合阻抗的可行方法。在偶極子相位條件下，減小最外閉合磁面與限制器之間的間距或增加芯部等離子體密度都會(huì)減小衰減層的寬度，進(jìn)而提高波耦合效率。改變天線相位使高環(huán)向波數(shù)的波譜向低環(huán)向波數(shù)轉(zhuǎn)換也可以有效增加耦合阻抗。B窗口天線端口充氣實(shí)驗(yàn)中，充氣速率為3.5×1020/s時(shí)的耦合阻抗比未充氣時(shí)增加了35％，證明了充氣實(shí)驗(yàn)對(duì)優(yōu)化波耦合的有效性。等離子體LH模轉(zhuǎn)換時(shí)刻耦合阻抗會(huì)忽然