離子迴旋共振加熱

自然科學/數理科學收藏本文章本文在直住幾何位形下用線性化動力論得到了離子能量吸收及吸收特徵長度的解析表示式，離子能量吸收的主要物理機制是迴旋阻尼，波與離子的共振吸收條件是ω－lωci=kⅡνⅡ，其中ω和ωci分別是波的頻率和離子迴旋頻率，kⅡ和vⅡ是平行於主磁場方向的波矢和離子速度的分量，l為整數。在電漿參量慢變化的假定下，也得到了能量吸收半寬度的表示式。結合托卡馬克的各種具體情況分別討論了各種離子迴旋共振加熱模式的。

基本介紹

• 中文名：離子迴旋共振加熱
• 外文名：ion cyclotron resonance heating
• 所屬類型：無機物

天線阻抗測量系統設計

DesignofIonCyclotronResonantHeatingAntennaImpedanceMeasurementSystem

為了監測HT-7托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、設計方案和硬體、軟體實現方法；詳細介紹了高頻信號處理電路部分和系統軟體的設計與開發；測試結果表明，整個系統穩定可靠，界面友好，滿足實驗要求。

H--T6M托卡馬克二次諧波離子迴旋共振加熱

ICRF 加熱已成為托卡馬克電漿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電漿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 托卡馬克裝置上進行的 ICRF 加熱實驗其目標是對天線特性、射頻系統以及在電漿高功率密度條件下的物理過程進行研究。

HT一6M裝置ICRF加熱系統及加熱功率密度

HT一 6M 托卡馬克的大半徑為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 禁止為雙層片狀結構。從中心導體到內層 Faraday禁止的距離為Icm。根據天線藕合理論的計算程式BRACC所得結果表明，天線的k_‖。 輻射功率譜的最大值為k_‖≈8。當輸入功率為300kW 時，天線的功率密度可達1kw/cm。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。

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。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VA的測量

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電漿 。

天線藕合電阻的測量

天線藕合電阻 R₆，定義為 R₆，=p_inP /I_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，使天線附近處的電漿密度和溫度減小，這樣藕合電阻也隨之減小。

加熱效率

根據HT一6M裝置的運行參數，考慮離子溫度400eV，n_co=1.5 x10cm ， a=0.20M，並假定及k_ζ= 3X10，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溫度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 X10eV 、cm/kw。而pLT裝置類似的實驗結果為4.0 x10ev 、cm/kw。加熱效率較低的原因是電漿本底溫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 。

雜質問題

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電漿破裂。雜質增加的原因尚不清楚。認為ICRF加熱引起邊界電漿的密度和溫度增加是一 種可能的原因。 對這種吸收較弱的電漿，當提高射頻功率時，在電漿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電漿破裂。當電漿密度較高時，增加了波與電漿的藕合，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 。

離子迴旋共振加熱的離子加熱

離子迴旋共振加熱是加熱電漿的有效方法之一，它能有效地加熱電漿的各種離子。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，因為在托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局限性。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，在電漿參量慢變化情況下，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電漿中離子的加熱，得到了一些結果，例如在氘氚組成的電漿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，但更接近托卡馬克實際。

橢圓極化及圓極化情況下的離子加熱

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，因此在這裡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。·

單成分離子電漿的二次諧波加熱

迴旋阻尼吸收的半寬度是很窄的，而且溫度愈高，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。

雙成分離子電漿中少數離子的基波加熱

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。

氫氘雙離子電漿少數離子加熱

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電漿中都有共振層，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。

氘氚雙組分離子電漿中的少數離子加熱

氘氚是聚變堆的生要燃料，因此研究氘氚電漿加熱是有意義的，分為兩種情況。

a、氘氚分別作為少數離子的加熱，假若托卡馬克裝置的徑環比。a/R₀>0.25，R₀和a分別是電漿環的大小半徑，則在主要電漿內部，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。

在基波共振及二次諧波共振之間，根據等效粒子的冷電漿理論，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電漿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。著重研究了當今托卡馬克裝置上可以套用的雙組分離子電漿中少數離子的基波加熱及二次諧波加熱。