EAST装置ICRF 天线电特性分析与优化研究

李家豪,杨庆喜,宋云涛,赵燕平,张新军

(1.中国科学院等离子体物理研究所,安徽 合肥230031;2.中国科学技术大学 物理学院,安徽 合肥230026)

为了满足氘氚热核聚变所需的劳逊判据的要求[1],同时保证托克马克中等离子体运行状态的稳定,辅助加热方式必不可少,目前托克马克中的辅助加热方式有中性束和射频波加热。离子回旋加热(ICRF)因其所在频段的大功率源设备技术发展相对成熟,且加热成本较低,而成为射频波加热的重要手段[2,3]。

ICRF天线是ICRF系统的重要组成部分,其功能是将功率源发出的射频波能量传输、辐射至等离子体。为了将ICRF天线系统的能量高效地耦合进等离子体,必须控制杂质的引入保证天线的性能。杂质主要由高电场引起的打火和天线前部环向电场激发的射频鞘电势引入的。因此对天线前端法拉第屏蔽和电流带等重要部件电特性的模拟和研究必不可少。本文主要结合FEM利用高频分析方法,从控制杂质引入的角度对EAST装置ICRF天线进行电特性分析,并基于分析结果从天线结构和运行相位两方面进行优化研究,从而实现对天线电特性的优化研究。

1 EAST ICRF天线结构和分析模型

EAST超导托克马克中,B窗口安装的ICRF天线为2×2排布的电流带,采用中间接地两端馈入的方式,最大功率为4×1.5 MW,工作频段为20～70 MHz,天线的材料均使用不锈钢316。天线结构如图1(上)所示,主要由中心导体电流带、背板、法拉第屏蔽(FS)、真空传输线、馈口以及限制器等构件组成。高频馈电由真空馈口接入,经特性阻抗为50Ω的同轴传输线到达电流带,中心导体电流带是用辐射功率的核心部件,也是高电场和杂质研究的重点;天线前端距离等离子体最近,由许多水平安装的不锈钢短导体构成的部件是法拉第屏蔽,对于减少杂质保护电流带具有重要作用,它能用来避免天线受到高能粒子的轰击,屏蔽不必要的场分量,改善天线周边的电磁场特性[4]。如图1(下)所示为天线在三维电磁仿真软件HFSS中的分析模型,为了更加贴近真实的天线与等离子体运行状况,将等离子体模型设定为弧形台状的结构。

图1 EAST装置ICRF结构模型和天线分析模型(a、b、c分别为侧视图、俯视图、主视图)Fig.1 Analysis model of ICRF antenna in EAST(a,b,c are side,top,and front view,respectively)and structural model

2 天线电特性分析

2.1 天线射频鞘电势分析

根据分析和实验,目前核聚变装置使用的ICRF天线运行时,在天线两侧存在射频鞘,从而会在天线附近产生杂质,污染等离子体。射频鞘电势的形成是由于天线发出的射频波在金属导体之间产生交变磁通,进而形成电场,沿着路径对电场计算积分即得到电势差[5,6]。射频鞘的存在加速了刮削层(SOL)电子扩散,损失在天线前端部件(主要是法拉第屏蔽两侧限制器)或者第一壁上,短时间内会形成相对稳定的环向射频电势差,然而其在径向上的电场却是快速变化的,当变化速度和强度达到一定程度时,还会形成E×B的剪切流,从而影响等离子体状态,使其轰击天线前部,增加杂质的产生。因此,减小射频鞘电势对于天线性能的提升大有益处。

法拉第屏蔽对于屏蔽天线前端环向电场分量、控制杂质拥有独特的优势,并且经过验证,其对于耦合阻抗略有提升,有助于功率传输。目前FS都已设计成开放式结构,且与总磁场方向一致,以减小射频电势及杂质的产生[7,8]。如图2.1.1为带有法拉第屏蔽,同相位馈入时的情况,对天线前部20 mm处射频鞘电势VRF开展分析模拟,电势为对电场E在沿着总磁场方向的线段上的路径积分,此处取未将FS优化时的较恶劣情形,实际情况下的鞘电势应低于计算值。由图3所示,RF电势极向分布基本对称,峰值均出现在电流带距离等离子体较近的高场区,达到约1 600 V,中间区域电势较低且分布相对均匀。

图2 带有FS,同相馈电时,天线前20 mm处环向电场分布及V RF 积分路径示意图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 天线电场分析

图3 带有FS,同相馈电时,天线前20 mm侧边缘处RF电势极向分Fig.3 The RF potential poloidal distribution at the edge of the front 20 mm side of the antenna when with FS

许多托卡马克实验中,都发现ICRF天线在高功率运行时会出现热斑和击穿打火现象,产生的杂质会增大辐射损失从而大大影响天线性能,这与天线部件结构及其产生的高电场有关[9]。要保证天线安全平稳地输出大功率,必须减小天线表面的最大电压,国外的实验[8]给出了击穿电场的限值为:平行于环向磁场方向的电场分量E//约1.5 MV/m,垂直磁场分量E⊥约3.5 MV/m。因此有必要计算天线金属部件表面的电场分布,并对高场区进行解析并优化,设置条件为四个端口同相馈电,电场值均为幅度值,不考虑相位周期变化带来的影响。由图4所示的(0,0,0,0)相位下,天线表面总电场分布和环向电场分布可知,总电场强度的最大值为2.21 MV/m,高电场区域主要集中在电流带极向端部以及同轴线馈入点附近;环向场最大值为1.36 MV/m,电场相对较高的区域主要集中在同轴线和电流带上与环向相垂直的端面。

2.3 天线电特性优化

(1)结构对天线电场的优化

天线总电场的高场区主要分布在两个位置,如图5所示,第一个位置是电流带天顶方向最靠近等离子体的部分,这是电流带辐射电磁波最主要的位置,电流带该部分与法拉第屏蔽形成很大的感应电场;第二个高场位置分布在电流条带背面同轴线馈入点周边区域,这是同轴线所传输的横电磁波中与电流带表面平行的电场所致。针对上述两个高场区进行了结构优化,如图6所示,将电场强度最高的靠近端部的位置上对应的法拉第屏蔽条由上到下依次前移5 mm、10 mm、5 mm;同时,考虑如图7所示的电流带与同轴线连接处需要承受大强度功率,于是将原来的金属矩形板修改为面积更大的圆形金属板。

图4 (0,0,0,0)相位下天线表面总电场分布(左)与环向电场分布(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

对结构优化后的天线进行电场分布和RF电势的计算,其结果如图8和图9所示。天线的总电场和环向场高场分布位置没有太大改变,这是天线构成和辐射规律决定的,但最大值都得到了较大的改善,总场最大值降低到1.79 MV/m,环向场最大值则降低到1.05 MV/m。由RF电势的分布对比可见,分布趋势没有变化,但VRF整体得到了显著的降低,峰值约降低为结构优化前的50%。可见,在特定位置,FS与电流带的间距对电场高场和RF电势值影响很大。

图5 (0,0,0,0)相位下天线表面总电场高场区域Fig.5 High field area of the total electric field at phase (0,0,0,0)on the antenna surface

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

图7 修改前后电流带馈入金属板结构变化Fig.7 Structural changes of the current metal plate before and after the modification

(2)相位对天线电场的影响

对于多电流带天线,不同的电流相位会带来不同的极向和环向功率谱,对波加热产生影响。从杂质的角度来看,不同的电流相位组合带来的电场分布也差别很大,此处给出了改进后的天线在不同相位下电场总场和环向场的最大值。如表1所示,在1、2、3、4四个端口以(0,π,π,0)馈电时,总场和环向场最低;(0,π,0,π)时的最大总场值很高。

图8 结构修改后(0,0,0,0)相位下天线总电场分与环向电场分布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 不同相位下天线电场总场与环向场的最大值Table 1 Maximum values of the total antenna electric field and the toroidal field under different phases

图9 结构修改对射频电势的影响Fig.9 The effect of structural optimization on V RF

对比两种相位下电流带的电流密度矢量分布,如图10所示,可知电流密度主要在电流带边缘及接地处较大;相位为(0,π,π,0)时电流密度较大,极向相邻电流带电流同向,环向相邻电流带电流反向,因此在面向天顶方向的四根电流带上的电场一定程度上相互抵消,磁场加强;相应的在(0,π,0,π)时电流带电流全部同方向,因此电场加强,电流密度较小。所以,仅从抑制高场和杂质的角度来看,对于EAST B窗口的这款天线,不适合采用(0,π,0,π)的加热相位。

图10 (0,π,π,0)和(0,π,0,π)相位下电流带电流密度矢量分布Fig.10 The current density vector distribution of the current strap at (0,π,π,0),(0,π,0,π)

图10 (0,π,π,0)和(0,π,0,π)相位下电流带电流密度矢量分布(续)Fig.10 The current density vector distribution of the current strap at (0,π,π,0),(0,π,0,π)

此处计算了典型相位(0,0,π,π)和同相位时的RF电势极向分布,如图11,可见转换为(0,0,π,π)相位时,RF电势整体的降低,最高值则低于同相时最高值的40%。

图11 相位对射频电势的影响Fig.11 The effect of the phase on the RF potential

3 总结

本文通过对EAST装置ICRF天线进行电特性相关计算,得到天线侧边缘处射频鞘电势的极向分布以及天线表面的电场分布。基于分析结果,从天线结构和运行相位两方面对该天线进行电特性优化,分析结果表明,天线结构的改进使得同相时总电场最大值由2.21 MV/m降低到1.79 MV/m,环向场最大值则由1.36 MV/m降低到1.05 MV/m,射频鞘电势分布整体上也得到了显著的改善,VRF峰值约降低了50%;相位对电场分布影响很大,(0,π,π,0)时的总场和环向场最低,而(0,π,0,π)的最大总场很高,不适合作为加热相位,(0,0,π,π)相位下的射频鞘电势分布比同相时得到显著改善,VRF最大值降低了约60%。上述分析方法和计算结果为EAST装置ICRF天线和其他同类装置的设计、分析提供了有益的参考和借鉴。