EAST裝置ICRF 天線電特性分析與優化研究

李家豪,楊慶喜,宋云濤,趙燕平,張新軍

(1.中國科學院等離子體物理研究所,安徽 合肥230031;2.中國科學技術大學 物理學院,安徽 合肥230026)

為了滿足氘氚熱核聚變所需的勞遜判據的要求[1],同時保證托克馬克中等離子體運行狀態的穩定,輔助加熱方式必不可少,目前托克馬克中的輔助加熱方式有中性束和射頻波加熱。離子回旋加熱(ICRF)因其所在頻段的大功率源設備技術發展相對成熟,且加熱成本較低,而成為射頻波加熱的重要手段[2,3]。

ICRF天線是ICRF系統的重要組成部分,其功能是將功率源發出的射頻波能量傳輸、輻射至等離子體。為了將ICRF天線系統的能量高效地耦合進等離子體,必須控制雜質的引入保證天線的性能。雜質主要由高電場引起的打火和天線前部環向電場激發的射頻鞘電勢引入的。因此對天線前端法拉第屏蔽和電流帶等重要部件電特性的模擬和研究必不可少。本文主要結合FEM利用高頻分析方法,從控制雜質引入的角度對EAST裝置ICRF天線進行電特性分析,并基于分析結果從天線結構和運行相位兩方面進行優化研究,從而實現對天線電特性的優化研究。

1 EAST ICRF天線結構和分析模型

EAST超導托克馬克中,B窗口安裝的ICRF天線為2×2排布的電流帶,采用中間接地兩端饋入的方式,最大功率為4×1.5 MW,工作頻段為20～70 MHz,天線的材料均使用不銹鋼316。天線結構如圖1(上)所示,主要由中心導體電流帶、背板、法拉第屏蔽(FS)、真空傳輸線、饋口以及限制器等構件組成。高頻饋電由真空饋口接入,經特性阻抗為50Ω的同軸傳輸線到達電流帶,中心導體電流帶是用輻射功率的核心部件,也是高電場和雜質研究的重點;天線前端距離等離子體最近,由許多水平安裝的不銹鋼短導體構成的部件是法拉第屏蔽,對于減少雜質保護電流帶具有重要作用,它能用來避免天線受到高能粒子的轟擊,屏蔽不必要的場分量,改善天線周邊的電磁場特性[4]。如圖1(下)所示為天線在三維電磁仿真軟件HFSS中的分析模型,為了更加貼近真實的天線與等離子體運行狀況,將等離子體模型設定為弧形臺狀的結構。

圖1 EAST裝置ICRF結構模型和天線分析模型(a、b、c分別為側視圖、俯視圖、主視圖)Fig.1 Analysis model of ICRF antenna in EAST(a,b,c are side,top,and front view,respectively)and structural model

2 天線電特性分析

2.1 天線射頻鞘電勢分析

根據分析和實驗,目前核聚變裝置使用的ICRF天線運行時,在天線兩側存在射頻鞘,從而會在天線附近產生雜質,污染等離子體。射頻鞘電勢的形成是由于天線發出的射頻波在金屬導體之間產生交變磁通,進而形成電場,沿著路徑對電場計算積分即得到電勢差[5,6]。射頻鞘的存在加速了刮削層(SOL)電子擴散,損失在天線前端部件(主要是法拉第屏蔽兩側限制器)或者第一壁上,短時間內會形成相對穩定的環向射頻電勢差,然而其在徑向上的電場卻是快速變化的,當變化速度和強度達到一定程度時,還會形成E×B的剪切流,從而影響等離子體狀態,使其轟擊天線前部,增加雜質的產生。因此,減小射頻鞘電勢對于天線性能的提升大有益處。

法拉第屏蔽對于屏蔽天線前端環向電場分量、控制雜質擁有獨特的優勢,并且經過驗證,其對于耦合阻抗略有提升,有助于功率傳輸。目前FS都已設計成開放式結構,且與總磁場方向一致,以減小射頻電勢及雜質的產生[7,8]。如圖2.1.1為帶有法拉第屏蔽,同相位饋入時的情況,對天線前部20 mm處射頻鞘電勢VRF開展分析模擬,電勢為對電場E在沿著總磁場方向的線段上的路徑積分,此處取未將FS優化時的較惡劣情形,實際情況下的鞘電勢應低于計算值。由圖3所示,RF電勢極向分布基本對稱,峰值均出現在電流帶距離等離子體較近的高場區,達到約1 600 V,中間區域電勢較低且分布相對均勻。

圖2 帶有FS,同相饋電時,天線前20 mm處環向電場分布及V RF 積分路徑示意圖Fig.2 The parallel electric field distribution and V RF integration path at the front 20 mm of the antenna when in-phase feeding with FS

2.2 天線電場分析

圖3 帶有FS,同相饋電時,天線前20 mm側邊緣處RF電勢極向分Fig.3 The RF potential poloidal distribution at the edge of the front 20 mm side of the antenna when with FS

許多托卡馬克實驗中,都發現ICRF天線在高功率運行時會出現熱斑和擊穿打火現象,產生的雜質會增大輻射損失從而大大影響天線性能,這與天線部件結構及其產生的高電場有關[9]。要保證天線安全平穩地輸出大功率,必須減小天線表面的最大電壓,國外的實驗[8]給出了擊穿電場的限值為:平行于環向磁場方向的電場分量E//約1.5 MV/m,垂直磁場分量E⊥約3.5 MV/m。因此有必要計算天線金屬部件表面的電場分布,并對高場區進行解析并優化,設置條件為四個端口同相饋電,電場值均為幅度值,不考慮相位周期變化帶來的影響。由圖4所示的(0,0,0,0)相位下,天線表面總電場分布和環向電場分布可知,總電場強度的最大值為2.21 MV/m,高電場區域主要集中在電流帶極向端部以及同軸線饋入點附近;環向場最大值為1.36 MV/m,電場相對較高的區域主要集中在同軸線和電流帶上與環向相垂直的端面。

2.3 天線電特性優化

(1)結構對天線電場的優化

天線總電場的高場區主要分布在兩個位置,如圖5所示,第一個位置是電流帶天頂方向最靠近等離子體的部分,這是電流帶輻射電磁波最主要的位置,電流帶該部分與法拉第屏蔽形成很大的感應電場;第二個高場位置分布在電流條帶背面同軸線饋入點周邊區域,這是同軸線所傳輸的橫電磁波中與電流帶表面平行的電場所致。針對上述兩個高場區進行了結構優化,如圖6所示,將電場強度最高的靠近端部的位置上對應的法拉第屏蔽條由上到下依次前移5 mm、10 mm、5 mm;同時,考慮如圖7所示的電流帶與同軸線連接處需要承受大強度功率,于是將原來的金屬矩形板修改為面積更大的圓形金屬板。

圖4 (0,0,0,0)相位下天線表面總電場分布(左)與環向電場分布(右)Fig.4 Distribution of the total electric field (left)and the toroidal electric field distribution (right)at phase (0,0,0,0)on the antenna surface

對結構優化后的天線進行電場分布和RF電勢的計算,其結果如圖8和圖9所示。天線的總電場和環向場高場分布位置沒有太大改變,這是天線構成和輻射規律決定的,但最大值都得到了較大的改善,總場最大值降低到1.79 MV/m,環向場最大值則降低到1.05 MV/m。由RF電勢的分布對比可見,分布趨勢沒有變化,但VRF整體得到了顯著的降低,峰值約降低為結構優化前的50%。可見,在特定位置,FS與電流帶的間距對電場高場和RF電勢值影響很大。

圖5 (0,0,0,0)相位下天線表面總電場高場區域Fig.5 High field area of the total electric field at phase (0,0,0,0)on the antenna surface

圖6 修改前后端部法拉第屏蔽條位置Fig.6 The position of the FS pipe at the end before and after modification strap feeding

圖7 修改前后電流帶饋入金屬板結構變化Fig.7 Structural changes of the current metal plate before and after the modification

(2)相位對天線電場的影響

對于多電流帶天線,不同的電流相位會帶來不同的極向和環向功率譜,對波加熱產生影響。從雜質的角度來看,不同的電流相位組合帶來的電場分布也差別很大,此處給出了改進后的天線在不同相位下電場總場和環向場的最大值。如表1所示,在1、2、3、4四個端口以(0,π,π,0)饋電時,總場和環向場最低;(0,π,0,π)時的最大總場值很高。

圖8 結構修改后(0,0,0,0)相位下天線總電場分與環向電場分布Fig.8 The total electric field distribution and the toroidal electric field distribution of the antenna at phase (0,0,0,0)after structural optimization

表1 不同相位下天線電場總場與環向場的最大值Table 1 Maximum values of the total antenna electric field and the toroidal field under different phases

圖9 結構修改對射頻電勢的影響Fig.9 The effect of structural optimization on V RF

對比兩種相位下電流帶的電流密度矢量分布,如圖10所示,可知電流密度主要在電流帶邊緣及接地處較大;相位為(0,π,π,0)時電流密度較大,極向相鄰電流帶電流同向,環向相鄰電流帶電流反向,因此在面向天頂方向的四根電流帶上的電場一定程度上相互抵消,磁場加強;相應的在(0,π,0,π)時電流帶電流全部同方向,因此電場加強,電流密度較小。所以,僅從抑制高場和雜質的角度來看,對于EAST B窗口的這款天線,不適合采用(0,π,0,π)的加熱相位。

圖10 (0,π,π,0)和(0,π,0,π)相位下電流帶電流密度矢量分布Fig.10 The current density vector distribution of the current strap at (0,π,π,0),(0,π,0,π)

圖10 (0,π,π,0)和(0,π,0,π)相位下電流帶電流密度矢量分布(續)Fig.10 The current density vector distribution of the current strap at (0,π,π,0),(0,π,0,π)

此處計算了典型相位(0,0,π,π)和同相位時的RF電勢極向分布,如圖11,可見轉換為(0,0,π,π)相位時,RF電勢整體的降低,最高值則低于同相時最高值的40%。

圖11 相位對射頻電勢的影響Fig.11 The effect of the phase on the RF potential

3 總結

本文通過對EAST裝置ICRF天線進行電特性相關計算,得到天線側邊緣處射頻鞘電勢的極向分布以及天線表面的電場分布?；诜治鼋Y果,從天線結構和運行相位兩方面對該天線進行電特性優化,分析結果表明,天線結構的改進使得同相時總電場最大值由2.21 MV/m降低到1.79 MV/m,環向場最大值則由1.36 MV/m降低到1.05 MV/m,射頻鞘電勢分布整體上也得到了顯著的改善,VRF峰值約降低了50%;相位對電場分布影響很大,(0,π,π,0)時的總場和環向場最低,而(0,π,0,π)的最大總場很高,不適合作為加熱相位,(0,0,π,π)相位下的射頻鞘電勢分布比同相時得到顯著改善,VRF最大值降低了約60%。上述分析方法和計算結果為EAST裝置ICRF天線和其他同類裝置的設計、分析提供了有益的參考和借鑒。