離子迴旋共振加熱

DesignofIonCyclotronResonantHeatingAntennaImpedanceMeasurementSystem

為了監測HT-7託卡馬克離子迴旋共振加熱(ICRH)實驗過程中天線阻抗的變化情況，採用傳輸線探針方法，設計了一套基於虛擬儀器技術的天線阻抗自動測量系統；闡述了該系統的工作原理、設計方案和硬件、軟件實現方法；詳細介紹了高頻信號處理電路部分和系統軟件的設計與開發；測試結果表明，整個系統穩定可靠，界面友好，滿足實驗要求。

ICRF 加熱已成為託卡馬克等離子體輔助加熱的主要手段之一。已被普遍接受的共有三種運行方式 ， 即少數粒子基頻加熱， 離子 一 離子混雜共振加熱和單一 種類離子的二 次諧波加熱。由於最後一 種運行方式不需要在等離子體中加少數非燃料粒子，使得這種運行方式最有可能被用於聚變反應堆。HT一 6M 託卡馬克裝置上進行的 ICRF 加熱實驗其目標是對天線特性、射頻系統以及在等離子體高功率密度條件下的物理過程進行研究。 ^[1] 

HT一 6M 託卡馬克的大半徑為0.65M，小半徑為 0.20 M，中心磁場 B_T=15kG 。1/4 周環形天線放在高場 區 ，天線寬度為0.8cm。Faraday 屏蔽為雙層片狀結構。從中心導體到內層 Faraday屏蔽的距離為Icm。根據天線藕合理論的計算程序BRACC所得結果表明，天線的k_‖。 輻射功率譜的最大值為k_‖≈8^μ。當輸入功率為300kW 時，天線的功率密度可達1kw/cm²。傳輸線上的一組電探針是測量系統駐波以確定天線的藕合阻抗 z_A，其測量信號經隔直電路送至計算機作實時處理。當已知天線的藕合阻抗 z_A ，負口可由調配控制系統調節雙T調。 ^[1] 

配器的長度，使系統匹配，將射頻源的最大功率饋入天線。定同藕合器將給出人射波和反射波幅值。射頻源採用 多級放大形式，末級最大功率輸出可達IMW，脈寬因考慮反射保護能力，設為30ms。HT一6M裝置上CIRF 加熱實驗的功率密度為0.8w· Cm ^-3。這個值高於大部分大裝置上所達到的水平，並接近了用於點火裝置的實驗條件。實驗中採用對氫離子二倍頻迴旋共振加熱的方式。射頻源的工作頻率為28MH_z 時，B_T為9.2kG 。

天線的輸人電壓V_A 是天線處最高電壓，它是確定天線藕合功率能力的重要參數。天線擊穿主要是因為天線輸人電壓過高並限制了高功率饋人等離子體 。 ^[1] 

天線藕合電阻 R₆，定義為 R₆，=p_inP /I²_A，其中I_A為天線電流。由一組駐波探針測量得到天線藕合阻抗 z_A， 隨天線輸入功率p_inP增加而呈下降趨勢。當p_inP≈ 20kw，R_6≈1.5Ω。藕合電阻隨輸人功率增加而下降的原因不清。 一種可能的解釋是，當天線的發射功率增加，受有質動力的影響，使天線附近處的等離子體密度和温度減小，這樣藕合電阻也隨之減小。

根據HT一6M裝置的運行參數，考慮離子温度400eV，n_co=1.5 x10¹³cm ^-3， a=0.20M，並假定及k²_ζ= 3X10³，以及∣E ₊ / E₇∣為5%，則計算結果與實驗值較為接近。當ICRP加熱時，由中性拉子能譜儀在水平道測出的離子温度T_i 隨時間變化曲線。經多次測量並作數值平均得加熱效率為1.5 X10¹³eV 、cm^{- 3}/kw。而pLT裝置類似的實驗結果為4.0 x10¹³ev 、cm^-3/kw。加熱效率較低的原因是等離子體本底温度較低以及波加熱時壁循環加劇引起較強的雜 質輻射所致 。 ^[1] 

CIRF加熱引起雜質的增加一 直是 一個嚴重問題。 在HT一6M裝置CIRF實驗中，當射頻功率大於350kw時， 也是因雜質增加使得等離子體破裂。雜質增加的原因尚不清楚。認為ICRF加熱引起邊界等離子體的密度和温度增加是一 種可能的原因。 對這種吸收較弱的等離子體，當提高射頻功率時，在等離子體邊界與壁之間就有較強的電磁波。這種強電磁波與壁相互作用引起雜質的增加從而使等離子體破裂。當等離子體密度較高時，增加了波與等離子體的藕合，減弱了邊界電磁場，使得射頻閾值功率提高。這一解釋通過邊界探針信號也初步得以證實 。 ^[1] 

離子迴旋共振加熱是加熱等離子體的有效方法之一，它能有效地加熱等離子體的各種離子。關於電子加熱，已在進行了仔佃的研究。從不同的角度研究了離子加熱。得到了相似的結果，但是得到的結果都是在平板模型下得到的，因為在託卡馬克裝置可用的離子迴旋頻率段的波，波長比裝置的幾何線度大，因此平板模型近似有其侷限性。利用由直柱近似下曲線化動力方程得到的介電張量及色散關係，得到了離子能量吸收及吸收特徵長度的解析表示式，在等離子體參量慢變化情況下，還可以求得吸收半寬度的表示式。對橢圓極化及圓極化情況下單雙組分等離子體中離子的加熱，得到了一些結果，例如在氘氚組成的等離子體中可以同時存在兩個共振層，分別加熱氘離子和氚離子。橢圓極化波加熱效果比圓極化波好，左旋波的能量更容易被介質吸收。所得的結果在數量級上定性地與其他結果相似，但更接近託卡馬克實際。 ^[2] 

在實際裝置上進行離子迴旋共振加熱的設備，大多數夭線發射的是平面極化波，因此在這裏主要研究橢圓極化及圓極化波的吸收特性，因為圓極化波是橢圓極化波的特殊情況。因此在迴旋阻尼情況下，吸收層是很窄的，這是迴旋阻尼吸收的主要特性。下面分幾種情況來討論具體的離子吸收特徵。· ^[2] 

迴旋阻尼吸收的半寬度是很窄的，而且温度愈高，n1愈大，加熱半寬度愈大，即加熱區域愈大。因此可以選取適度的參量，對某些有特殊作用的區域進行有效的加熱。 ^[2] 

只要知道波譜特性及由波分支色散關係決定的折射率，就可由所給出的表示式計算定域能量吸收及能量吸收特徵長度。 ^[2] 

此時又可分為兩種情況：①氘為多數離子，氫為少數離子H⁺的基波加熱。②氫為多數離子，氘為少數離子D^-的二次諧波加熱。這兩種離子迴旋共振加熱的共同特點是兩種離子在等離子體中都有共振層，且共振層在同一位置，即少數離子和多數離子在共振層處同時直接從波吸收能量。

在第二種情況下，氫為多數離子，氘為少數離子，即為少數離子的二次諧波加熱。在這種情況下，有關能量吸收，吸收特徵長度及吸收半寬度的表示式與第一種情況相同。不同之處在於多數離子與少數離子互相對換，少數離子和多數離子在同一共振層處分別以不同的諧波發生共振吸收。 ^[2] 

氘氚是聚變堆的生要燃料，因此研究氘氚等離子體加熱是有意義的，分為兩種情況。

a、氘氚分別作為少數離子的加熱，假若託卡馬克裝置的徑環比。a/R₀>0.25，R₀和a分別是等離子體環的大小半徑，則在主要等離子體內部，可以同時出現氘氚離子的基波共振層，在環內側可以存在氘的基波共振加熱區I，而在環外側可以存在的氚基波共振加熱區II，而在中間的區域III，發生離子混雜共振，其位置由混雜共振條件決定：在混雜共振層，快波發生模轉換變成離子伯恩斯坦波而被介質強烈吸收。 ^[2] 

在基波共振及二次諧波共振之間，根據等效粒子的冷等離子體理論，出現混雜共振，共振層位置由混雜共振條件決定：至於在混雜共振層處是否會發生模轉換而產生離子伯恩斯坦波尚不清楚。

從線性化動力理論出發研究了圓柱等離子體中離子迴旋共振加熱的離子加熱，給出了離子能量吸收，吸收特徵長度及吸收半寬度的解析表示式。着重研究了當今託卡馬克裝置上可以應用的雙組分離子等離子體中少數離子的基波加熱及二次諧波加熱。 ^[2]