EAST离子回旋天线测量及天线与边界等离子体相互作用的研究

摘要

离子回旋（ICRF）波加热是目前磁约束核聚变装置中重要的辅助加热手段之一，其对等离子体加热的有效性已经在EAST和其它装置上得到了验证。ICRF天线作为离子回旋系统的重要部件，直接面向等离子体，天线的耦合性能与加热效果受边界等离子体参数的影响，同时，离子回旋天线也对边界等离子体参数分布产生重要的影响。本文旨在研究ICRF天线与边界耦合以及天线与等离子体的相互作用，课题研究工作分为两部分:离子回旋天线阻抗测量系统的搭建与耦合阻抗的测量，以及天线与边界等离子体相互作用的实验及模拟研究。
　　首先，在EAST装置上搭建了一套基于电压探针和电流探针的天线阻抗测量系统，论文对该测量方法原理、测量系统组成部件进行论述。对该测量方法的可能的误差来源做了分析，并模拟了测量误差对测量结果的影响，结果表明:该测量方法对相位精确性要求较高，微小的相位误差（小于2°）导致的阻抗计算结果偏差较大;而对于输入阻抗虚部较小的负载，相位误差引起的阻抗计算偏差较小。在低功率条件下对阻抗测量系统进行了测试，结果表明:对于反射系数模值越大的负载，相对耦合阻抗测量误差越大，对于反射系数大于0.9的负载，相对耦合阻抗误差可能超过100％;相比幅值测量误差，相位测量误差是导致阻抗偏差大的原因，这与误差模拟结果是吻合的。
　　其次，基于功率和传输线电压、电流与相位的固有关系，本文提出了一种利用功率和电压、电流计算相位值，并进一步计算天线阻抗的方法。模拟误差分析表明，改进后的阻抗计算方法对所需物理量的测量精度要求较低:10％的功率测量误差导致的阻抗计算结果偏差小于10％，改进后的阻抗计算算法能够给出较为可靠的阻抗结果。
　　最后，论文以阻抗测量系统为诊断工具，在EAST上开展了ICRF耦合研究，分析了不同物理参数（芯部电子密度、gap、充气、离子回旋功率等）对天线耦合阻抗的影响，所得到的分析结果与理论值相吻合。通过数值模拟研究了离子回旋功率对边界密度的影响，结果表明，电子在ICRF功率引入的射频鞘及磁场的共同作用下发生漂移，导致密度分布在天线前端呈现极向非对称性;而且当ICRF功率增加时，这种非对称性进一步加剧，使得天线前端平均电子密度降低，由此定性地解释了耦合阻抗与功率的关系。在ICRF功率注入期间天线限制器温度分布显示出在极向的非对称性，并且其随着磁场方向变化而改变，验证了ICRF功率对边界密度影响的物理机制。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 能源问题

1．2 核聚变原理

1．3 离子回旋射频波加热原理

1．4 主要托卡马克装置上离子回旋系统概括

1．4．1 KSTAR

1．4．2 ASDEX

1．4．3 JET

1．5 EAST离子回旋系统介绍

1．5．1 射频发射机

1．5．2 匹配系统

1．5．3 传输线

1．5．4 解耦网络

1．5．5 假负载及同轴转换开关

1．5．6 天线

1．5．7 诊断与保护系统

1．6 离子回旋波与等离子体边界相互作用课题前沿

1．7 论文意义及研究内容

第二章 离子回旋天线耦合理论及天线与边界相互作用简介

2．1 冷等离子体中的波

2．2 离子回旋波传播与吸收

2．3 离子回旋天线阻抗、耦合阻抗及功率谱密度

2．3．1 天线输入阻抗

2．3．2 天线耦合阻抗

2．3．3 天线功率谱密度

2．4 耦合阻抗与天线参数的关系

2．4．1 法拉第屏蔽角

2．4．2 电流带宽度及相邻电流带间距

2．4．3 电流带与法拉第屏蔽的间距

2．4．4 辐射电流带与馈电电流带的间距

2．4．5 天线馈电频率

2．5 耦合阻抗与等离子体参数的关系

2．5．1 边界等离子体密度

2．5．2 充气对耦合阻抗的影响

2．6 离子回旋功率对边界等离子体的影响

2．6．1 离子回旋射频鞘理论

2．6．2 离子回旋射频鞘引起的E×B漂移

2．6．3 射频鞘的实验测量

2．6．4 射频鞘引起的热流问题

2．7 本章小结

第三章 离子回旋天线阻抗测量系统

3．1 阻抗测量原理

3．2 电压探针和电流探针的结构

3．3 探针耦合度的确定

3．3．1 探针耦合度与探针几何结构、插入深度的关系

3．3．2 EAST实验参数下探针耦合度的确定

3．3．3 探针的安装位置

3．4 探针的校准

3．4．1 探针的校准原理

3．4．2 探针的校准结果

3．5 阻抗测量系统其它部件介绍

3．5．1 功分器

3．5．2 检波器

3．5．3 鉴相器

3．5．4 滤波器

3．6 阻抗测量误差的理论分析

3．6．1 阻抗模值测量误差对阻抗计算结果的影响

3．6．2 阻抗相位测量误差对阻抗计算结果的影响

3．7 利用功率计算输入阻抗的可行性

3．7．1 功率和输入阻抗的关系

3．7．2 传输线功率损耗计算

3．7．3 功率用于计算天线阻抗的误差分析

3．8 EAST其它阻抗测量系统简介

3．8．1 基于驻波电压拟合的阻抗测量系统

3．8．2 基于反射系数法的阻抗测量系统

3．9 本章小结

第四章 阻抗测量系统测试

4．1 阻抗测量系统的台面实验

4．1．1 台面实验系统

4．1．2 台面实验的过程

4．1．3 台面实验的结果及误差分析

4．2 两种鉴相器鉴相信号的比较

4．3 EAST实验结果

4．4 本章小结

第五章 离子回旋天线与边界相互作用的实验和模拟研究

5．1 耦合阻抗与等离子体参数之间的关系

5．1．1 天线与等离子体最外闭合磁面间距

5．1．2 等离子体芯部密度

5．1．3 L模与H模放电时耦合阻抗的比较

5．1．4 低杂波对离子回旋耦合的影响

5．1．5 耦合阻抗与离子回旋功率的关系

5．2 离子回旋功率对边界密度的影响

5．2．1 刮削层中电子密度方程

5．2．2 离子回旋射频鞘电势的分布形式

5．2．3 电子密度求解结果及讨论

5．3 离子回旋天线限制器温度模拟及实验结果

5．3．1 模拟过程

5．3．2 模拟结果与讨论

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 论文的总结

6．2 论文的创新点

6．3 工作展望

参考文献

附录

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其它研究成果