HL-1M装置等离子体与ICRH发射天线的相互作用 - 副本.ppt

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1、HL－1M装置等离子体与ICRH发射天线的相互作用赵培福1.引言2.发射天线的构成和安装布局3.等离子体与发射天线的相互作用及影响4.ICRH实验现象讨论5.关于ICRH发射天线改进建议6.结论核西物院－聚变所2002.9核西物院－聚变所2002.9ICRH实验的一个比较突出的问题就是杂质。杂质的产生与ICRH发射天线同等离子体的相互作用和RF脉冲的发射有着不可忽视的联系。HL－1M装置的ICRH实验也同样存在类似的问题。本文对ICRH发射天线在两年多实验中的变化作了简要的介绍和讨论，并对今后ICRH发射天线的设计提出了一些建议。核西

2、物院－聚变所2002.91.引言在Tokamak装置的非均匀磁场中，只有快磁声波才能在等离子体中传播。因而离子回旋频段的RF加热天线发出的RF波与等离子体是近场耦合。在装置真空室中，ICRH发射天线与边缘等离子体靠得很近，边缘等离子体与发射天线的相互作用非常强；发射天线产生的RF电场会加速周围的离子，造成离子对天线的轰击。这些都使天线部件的溅射量增大，从而造成天线部件的损伤和浸蚀，产生大量的杂质。杂质的产生，尤其是重杂质的产生将对Tokamak装置放电带来严重的影响[1-6]。如对等离子体品质、对等离子体总的能量约束时间等都有影响，甚

3、至使等离子体放电破裂。核西物院－聚变所2002.9HL－1M装置ICRH系统于1998年正式投入运行。RF发生器输出脉冲功率0.8MW；工作频率28MHz－32MHz；脉冲宽度100ms。主要在氘占90－95％，少数粒子氢占10－5％的快波（ωΩi）加热条件下进行实验。实验中发现工作不正常，怀疑天线有打火迹象，因而拆卸发射天线。由此给予了解天线各部件表面状况和分析产生的原因提供了机会，本文正是这方面作了一些讨论。核西物院－聚变所2002.92.发射天线的构成和安装布局ICRH发射天线系统结构很复杂，大型Tokamak装置的RF发射天

4、线是一个多元天线阵列，而中小型装置一般只有一个单元。发射天线单元包括一个一定宽度、一定长度的弧形或环状的载流体（称中心导体）、一个稍宽和长度稍长的弧形导体（称回流导体）一个罩在中心导体外带有缝隙的法拉弟屏蔽和与真空室连接的转换基座。RF电流在中心导体上沿极向流动，从回流导体返回。从而天线发射出的电磁波以快磁声波在等离子体中传播，在等离子体中激发起离子回旋波,达到共振有目的去加热等离子体。法拉弟屏蔽有减小高能等离子体轰击中心导体、改善天线电气性能以及屏蔽发射天线周围产生的强感应电场的作用[11－12]。核西物院－聚变所2002.9HL－

5、1M装置的ICRH发射天线是异向激励的对称弧形天线。天线安装在HL－1M装置正东南的水平方向低磁场侧，天线被装置的孔栏所遮盖位于装置孔栏的阴影区，其径向位置在a=27cm，可调15mm,HL-1M装置等离子体小半径r=26cm。（见图1）。面积为2510cm2的发射天线中心导体(长25cm、宽10cm)、回流导体、带缝的法拉弟屏蔽和同轴线转换接头都是紫铜制造，条形相间带缝隙的法拉弟屏蔽外覆盖有一层防止杂质进入等离子体的氮化硼(BN)薄片(见图２)。天线的中心导体和回流导体都采用同轴结构，与一组陶瓷真空电容器及５英寸同轴线相连接。发射天

6、线通过一套不锈钢法兰安装在HL－1M装置的真空室上。核西物院－聚变所2002.9核西物院－聚变所2002.9核西物院－聚变所2002.93.等离子体与发射天线的相互作用及影响在HL－1M装置的真空室中，ICRH发射天线与边缘等离子体靠得很近约1cm左右。随着RF功率的增加天线附近的RF感应电场也随着增大，电场加速周围的离子，造成离子对天线的轰击。使发射天线各部件的溅射量增大，导致杂质含量的增加。ICRH的RF脉冲最长不过100ms，而装置放电灼热的等离子体存在时间是秒量级。放电产生的高能粒子对发射天线的轰击是不可忽视的，对天线的损害也

7、是严重的，也会产生大量的杂质。杂质对等离子体总的能量约束时间和等离子体的品质都有严重的影响。现就天线损伤状况、起因以及对RF加热实验的影响介绍如下。核西物院－聚变所2002.9核西物院－聚变所2002.9核西物院－聚变所2002.93.1天线部件的损伤状况从拆卸下来的天线可见，BN薄片已经损坏，部分碎片脱落。BN薄片正对等离子体的面与等离子体相迎的东侧面都有明显的深浅相间的棕色条纹，正好与法拉弟屏蔽的条纹相对应。天线偏南一侧的BN薄片上有非常清晰的弧形状的彩色条纹。BN薄片两侧靠天线外环部分基本上仍是乳白色，固定螺钉清晰可见；而内环靠

8、东侧一面是深棕色与正面一样都有烤焦之感，靠南一侧为深灰色（见图片３）。核西物院－聚变所2002.9HL－1M装置放电的等离子体电流是沿顺时针方向运行，因此，在BN薄片的正对等离子体的正面和与等离子体相迎的东侧呈现的深浅不