[科普中国]-离子回旋共振加热

自然科学/数理科学收藏本文章本文在直住几何位形下用线性化动力论得到了离子能量吸收及吸收特征长度的解析表示式，离子能量吸收的主要物理机制是回旋阻尼，波与离子的共振吸收条件是ω－lωci=kⅡνⅡ，其中ω和ωci分别是波的频率和离子回旋频率，kⅡ和vⅡ是平行于主磁场方向的波矢和离子速度的分量，l为整数。在等离子体参量慢变化的假定下，也得到了能量吸收半宽度的表示式。结合托卡马克的各种具体情况分别讨论了各种离子回旋共振加热模式的。

天线阻抗测量系统设计DesignofIonCyclotronResonantHeatingAntennaImpedanceMeasurementSystem

为了监测HT-7托卡马克离子回旋共振加热(ICRH)实验过程中天线阻抗的变化情况，采用传输线探针方法，设计了一套基于虚拟仪器技术的天线阻抗自动测量系统；阐述了该系统的工作原理、设计方案和硬件、软件实现方法；详细介绍了高频信号处理电路部分和系统软件的设计与开发；测试结果表明，整个系统稳定可靠，界面友好，满足实验要求。

H--T6M托卡马克二次谐波离子回旋共振加热ICRF 加热已成为托卡马克等离子体辅助加热的主要手段之一。已被普遍接受的共有三种运行方式 ， 即少数粒子基频加热， 离子 一 离子混杂共振加热和单一 种类离子的二 次谐波加热。由于最后一 种运行方式不需要在等离子体中加少数非燃料粒子，使得这种运行方式最有可能被用于聚变反应堆。HT一 6M 托卡马克装置上进行的 ICRF 加热实验其目标是对天线特性、射频系统以及在等离子体高功率密度条件下的物理过程进行研究。1

HT一6M装置ICRF加热系统及加热功率密度HT一 6M 托卡马克的大半径为0.65M，小半径为 0.20 M，中心磁场 BT=15kG 。1/4 周环形天线放在高场 区 ，天线宽度为0.8cm。Faraday 屏蔽为双层片状结构。从中心导体到内层 Faraday屏蔽的距离为Icm。根据天线藕合理论的计算程序BRACC所得结果表明，天线的k‖。 辐射功率谱的最大值为k‖≈8μ。当输入功率为300kW 时，天线的功率密度可达1kw/cm2。传输线上的一组电探针是测量系统驻波以确定天线的藕合阻抗 zA，其测量信号经隔直电路送至计算机作实时处理。当已知天线的藕合阻抗 zA ，负口可由调配控制系统调节双T调。1

配器的长度，使系统匹配，将射频源的最大功率馈入天线。定同藕合器将给出人射波和反射波幅值。射频源采用 多级放大形式，末级最大功率输出可达IMW，脉宽因考虑反射保护能力，设为30ms。HT一6M装置上CIRF 加热实验的功率密度为0.8w· Cm -3。这个值高于大部分大装置上所达到的水平，并接近了用于点火装置的实验条件。实验中采用对氢离子二倍频回旋共振加热的方式。射频源的工作频率为28MHz 时，BT为9.2kG 。

天线的输人电压VA的测量天线的输人电压VA 是天线处最高电压，它是确定天线藕合功率能力的重要参数。天线击穿主要是因为天线输人电压过高并限制了高功率馈人等离子体 。1

天线藕合电阻的测量天线藕合电阻 R6，定义为 R6，=pinP /I2A，其中IA为天线电流。由一组驻波探针测量得到天线藕合阻抗 zA， 随天线输入功率pinP增加而呈下降趋势。当pinP≈ 20kw，R6≈1.5Ω。藕合电阻随输人功率增加而下降的原因不清。 一种可能的解释是，当天线的发射功率增加，受有质动力的影响，使天线附近处的等离子体密度和温度减小，这样藕合电阻也随之减小。

加热效率根据HT一6M装置的运行参数，考虑离子温度400eV，nco=1.5 x1013cm -3， a=0.20M，并假定及k2ζ= 3X103，以及∣E + / E7∣为5%，则计算结果与实验值较为接近。当ICRP加热时，由中性拉子能谱仪在水平道测出的离子温度Ti 随时间变化曲线。经多次测量并作数值平均得加热效率为1.5 X1013eV 、cm- 3/kw。而pLT装置类似的实验结果为4.0 x1013ev 、cm-3/kw。加热效率较低的原因是等离子体本底温度较低以及波加热时壁循环加剧引起较强的杂 质辐射所致 。1

杂质问题CIRF加热引起杂质的增加一 直是 一个严重问题。 在HT一6M装置CIRF实验中，当射频功率大于350kw时， 也是因杂质增加使得等离子体破裂。杂质增加的原因尚不清楚。认为ICRF加热引起边界等离子体的密度和温度增加是一 种可能的原因。 对这种吸收较弱的等离子体，当提高射频功率时，在等离子体边界与壁之间就有较强的电磁波。这种强电磁波与壁相互作用引起杂质的增加从而使等离子体破裂。当等离子体密度较高时，增加了波与等离子体的藕合，减弱了边界电磁场，使得射频阈值功率提高。这一解释通过边界探针信号也初步得以证实 。1

离子回旋共振加热的离子加热离子回旋共振加热是加热等离子体的有效方法之一，它能有效地加热等离子体的各种离子。关于电子加热，已在进行了仔佃的研究。从不同的角度研究了离子加热。得到了相似的结果，但是得到的结果都是在平板模型下得到的，因为在托卡马克装置可用的离子回旋频率段的波，波长比装置的几何线度大，因此平板模型近似有其局限性。利用由直柱近似下曲线化动力方程得到的介电张量及色散关系，得到了离子能量吸收及吸收特征长度的解析表示式，在等离子体参量慢变化情况下，还可以求得吸收半宽度的表示式。对椭圆极化及圆极化情况下单双组分等离子体中离子的加热，得到了一些结果，例如在氘氚组成的等离子体中可以同时存在两个共振层，分别加热氘离子和氚离子。椭圆极化波加热效果比圆极化波好，左旋波的能量更容易被介质吸收。所得的结果在数量级上定性地与其他结果相似，但更接近托卡马克实际。2

椭圆极化及圆极化情况下的离子加热在实际装置上进行离子回旋共振加热的设备，大多数夭线发射的是平面极化波，因此在这里主要研究椭圆极化及圆极化波的吸收特性，因为圆极化波是椭圆极化波的特殊情况。因此在回旋阻尼情况下，吸收层是很窄的，这是回旋阻尼吸收的主要特性。下面分几种情况来讨论具体的离子吸收特征。·2

单成分离子等离子体的二次谐波加热回旋阻尼吸收的半宽度是很窄的，而且温度愈高，n1愈大，加热半宽度愈大，即加热区域愈大。因此可以选取适度的参量，对某些有特殊作用的区域进行有效的加热。2

双成分离子等离子体中少数离子的基波加热只要知道波谱特性及由波分支色散关系决定的折射率，就可由所给出的表示式计算定域能量吸收及能量吸收特征长度。2

氢氘双离子等离子体少数离子加热此时又可分为两种情况：①氘为多数离子，氢为少数离子H+的基波加热。②氢为多数离子，氘为少数离子D-的二次谐波加热。这两种离子回旋共振加热的共同特点是两种离子在等离子体中都有共振层，且共振层在同一位置，即少数离子和多数离子在共振层处同时直接从波吸收能量。

在第二种情况下，氢为多数离子，氘为少数离子，即为少数离子的二次谐波加热。在这种情况下，有关能量吸收，吸收特征长度及吸收半宽度的表示式与第一种情况相同。不同之处在于多数离子与少数离子互相对换，少数离子和多数离子在同一共振层处分别以不同的谐波发生共振吸收。2

氘氚双组分离子等离子体中的少数离子加热氘氚是聚变堆的生要燃料，因此研究氘氚等离子体加热是有意义的，分为两种情况。

a、氘氚分别作为少数离子的加热，假若托卡马克装置的径环比。a/R0>0.25，R0和a分别是等离子体环的大小半径，则在主要等离子体内部，可以同时出现氘氚离子的基波共振层，在环内侧可以存在氘的基波共振加热区I，而在环外侧可以存在的氚基波共振加热区II，而在中间的区域III，发生离子混杂共振，其位置由混杂共振条件决定：在混杂共振层，快波发生模转换变成离子伯恩斯坦波而被介质强烈吸收。2

在基波共振及二次谐波共振之间，根据等效粒子的冷等离子体理论，出现混杂共振，共振层位置由混杂共振条件决定：至于在混杂共振层处是否会发生模转换而产生离子伯恩斯坦波尚不清楚。

从线性化动力理论出发研究了圆柱等离子体中离子回旋共振加热的离子加热，给出了离子能量吸收，吸收特征长度及吸收半宽度的解析表示式。着重研究了当今托卡马克装置上可以应用的双组分离子等离子体中少数离子的基波加热及二次谐波加热。2

本词条内容贡献者为:

李勇 - 副教授 - 西南大学