TOKMAK低混杂波天线辐射端面几何形状优化方法

摘要

本发明公开了一种TOKMAK低混杂波天线辐射端面几何形状优化方法，通过实验运行记录，获得物理实验期间低混杂波天线沿TOKMAK装置半径方向的位移范围，确定天线辐射端面中心到装置中心的平衡距离r0，代入计算公式，得到考虑装置大环曲率半径和纵场波纹度影响的天线辐射端面环向切口几何形状，对于天线辐射端面极向切口几何形状，参照以往方法，设计完成新的低混杂波天线辐射端面几何形状。本发明能够在保证并改善波与等离子体耦合的前提下，减轻和避免高温等离子体对天线的烧蚀，更好的发挥低混杂波对TOKMAK物理实验的积极作用，同时也在很大程度上节约了因为修复、更换受损天线而耗费的大量科研资源。

说明书

技术领域

本发明涉及磁约束聚变技术领域，尤其涉及一种TOKMAK低混杂波天线辐射端面几何形状优化方法。

背景技术

低混杂波驱动电流已经被实验证明为TOKMAK型受控磁约束聚变装置上最为有效的非感应驱动电流的手段，天线是低混杂波系统中重要的分系统，其作用是将由微波源经传输线输送来的微波能量以特定的辐射功率谱耦合到TOKMAK等离子体中，用于加热等离子体和驱动等离子体电流。

国内外低混杂波天线发展到现阶段，有三种馈能结构，分别为：常规波导阵，多结波导阵，有源无源交互式波导阵，无论哪种形式的低混杂波天线，均是由数路主传输波导将微波能量馈入对应的天线单元，经过天线单元内置的功率分配及移相系统，最终到达天线输出端的各路子波导，因而天线面向等离子体的辐射端面是由若干行、若干列、等截面尺寸的矩形截面子波导组成，如图1所示。

现有技术的问题：

良好的低混杂波与等离子体的耦合是保证低混杂波实验效果的必要条件，由于天线本身水平方向尺寸远小于TOKMAK装置大环方向尺寸，以往低混杂波天线的辐射端面被加工成一个标准圆柱面，如图2所示，即，仅考虑极向等离子体位形，忽略环向等离子体位形，这样的近似与简化，给前期天线加工带来了方便，但是这种形状的几何曲面会造成天线辐射端面中心区域距离等离子体最近，因而受到等离子体的反作用最大，随着实验时间的延长和一些特殊放电模式对天线的影响，天线辐射端面中心首当其冲，受到损坏的几率相比辐射端面其它区域更大，如图3所示。

此外，TOKMAK装置纵场线圈的数量是有限的，使得沿大环方向的磁力线在两个相邻的纵场线圈之间发生畸变，磁力线在两个相邻的纵场线圈之间发生沿半径方向的偏移，以往没有考虑这一因素对低混杂波天线辐射端面几何形状的影响。

发明内容

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种在保证并改善耦合的前提下，减轻和避免等离子体对天线的烧蚀的TOKMAK低混杂波天线辐射端面几何形状优化方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种TOKMAK低混杂波天线辐射端面几何形状优化方法，包括以下步骤：

（1）、多次做低混杂波天线运行实验并记下实验记录，获得实验期间低混杂波天线沿TOKMAK装置半径方向的位移范围，确定天线辐射端面中心到TOKMAK装置中心的平衡距离r0；

（2）、结合天线辐射端面中心到TOKMAK装置中心的平衡距离r0和低混杂波天线水平方向尺寸L计算得出天线辐射端面左、右两侧所占用环向角度Φ1、Φ2，通过公式

$>\mathrm{radius}\left(\phi \right)=r0+(r0·\cos (\frac{11.25-\phi }{360}·2·\pi )-r0·\cos (\frac{\phi 1}{360}·2·\pi ))$>

计算得出仅考虑大环曲率半径因素影响的天线辐射端面环向切口几何形状radius(Φ) ，其中，Φ为沿装置大环方向的角度；

（3）、纵向磁场磁体系统是一种闭合的环形磁约束系统，如图4所示，由若干个线圈沿TOKMAK大环方向均匀分布排列组成，能够在线圈内部的等离子体所在区域产生强磁场，EAST装置沿大环方向均匀分布有16个纵场线圈，两个相邻的纵场线圈中心面之间的环向角度为22.5⁰，其形状近似字母“D”，低混杂波天线位于相邻两只纵场线圈的正中位置，由于TOKMAK装置纵场线圈的数量是有限的，使得沿大环方向的磁力线在两个相邻的纵场线圈之间发生畸变，确定磁力线在两个相邻的纵场线圈之间发生沿半径方向的偏移量Dr0；

（4）、通过公式

$>\mathrm{ripple}\left(\phi \right)=r0-\frac{\mathrm{Dr}0}{2}·\cos (n·\frac{\phi }{360}·2·\pi )$>

计算得出仅考虑装置纵场波纹度因素影响的天线辐射端面环向切口几何形状ripple(Φ)，其中，n是EAST装置纵场线圈的数量；

（5）、通过公式

$>\mathrm{profile}\left(\phi \right)=r0-\frac{\mathrm{Dr}0}{2}·\cos (n·\frac{\phi }{360}·2·\pi )+(r0·\cos (\frac{11.25-\phi }{360}·2·\pi )-r0·\cos (\frac{\phi 1}{360}·2·\pi ))$>

计算得出综合考虑装置大环曲率半径和纵场波纹度共同影响下的天线辐射端面环向切口所需形状profile(Φ)；

（6）、确定天线极向切口形状。

所述的确定天线极向切口形状所使用的方法为：参照以往方法，研究天线在以往实验中的耦合情况，结合EAST各种放电位形的统计和拟合，以及对今后主流放电位形的研判，确定极向切口半径，天线上半部分和下半部分镜像对称。

本发明的优点是：本发明对现有EAST-2.45GHz低混杂波天线进行了改造，改造后的天线辐射端面与EAST装置磁场位形一致，能够在保证并改善波与等离子体耦合的前提下，减轻和避免高温等离子体对天线的烧蚀，更好的发挥低混杂波对TOKMAK物理实验的积极作用，同时也在很大程度上节约了因为修复、更换受损天线而耗费的大量科研资源。

附图说明

图1为天线面向等离子体辐射端面示意图。

图2为辐射端面为标准圆柱面的低混杂波天线示意图。

图3为环向未切口时，天线辐射端面中心受等离子体烧蚀示意图。

图4为EAST装置16只“D”形纵场线圈分布示意图。

图5为托卡马克纵场形态及低混杂波天线所占环向角度示意图。

图6为考虑不同因素影响时，EAST低混杂波天线辐射端面环向切口几何形状。

图7为优化后的低混杂波天线辐射端面几何形状。

具体实施方式

一种TOKMAK低混杂波天线辐射端面几何形状优化方法，包括以下步骤：

（1）、多次做低混杂波天线运行实验并记下实验记录，获得实验期间低混杂波天线沿TOKMAK装置半径方向的位移范围，确定最经常使用的位置作为平衡位置，进行分析计算，确定天线辐射端面中心到TOKMAK装置中心的平衡距离r0，对于EAST现有2.45GHz低混杂波天线，确定实验期间天线辐射端面中心到装置中心的平衡距离r0为2375mm；

（2）、结合天线辐射端面中心到TOKMAK装置中心的平衡距离r0和低混杂波天线水平方向尺寸L计算得出天线辐射端面左、右两侧所占用环向角度Φ1、Φ2，通过公式

$>\mathrm{radius}\left(\phi \right)=r0+(r0·\cos (\frac{11.25-\phi }{360}·2·\pi )-r0·\cos (\frac{\phi 1}{360}·2·\pi ))$>

计算得出仅考虑大环曲率半径因素影响的天线辐射端面环向切口几何形状radius(Φ) ，其中，Φ为沿装置大环方向的角度；

现有EAST-2.45GHz低混杂波天线水平方向尺寸L为472mm，经计算，天线辐射端面左右两侧所占用环向角度分别为Φ1=5.547⁰，Φ2=16.953⁰。

（3）、纵向磁场磁体系统是一种闭合的环形磁约束系统，如图4所示，由若干个线圈沿TOKMAK大环方向均匀分布排列组成，能够在线圈内部的等离子体所在区域产生强磁场，EAST装置沿大环方向均匀分布有16个纵场线圈，两个相邻的纵场线圈中心面之间的环向角度为22.5⁰，其形状近似字母“D”，低混杂波天线位于相邻两只纵场线圈的正中位置，由于TOKMAK装置纵场线圈的数量是有限的，使得沿大环方向的磁力线在两个相邻的纵场线圈之间发生畸变，确定磁力线在两个相邻的纵场线圈之间发生沿半径方向的偏移量Dr0；

（4）、通过公式

$>\mathrm{ripple}\left(\phi \right)=r0-\frac{\mathrm{Dr}0}{2}·\cos (n·\frac{\phi }{360}·2·\pi )$>

计算得出仅考虑装置纵场波纹度因素影响的天线辐射端面环向切口几何形状ripple(Φ)，其中，n是EAST装置纵场线圈的数量；

EAST装置沿大环方向均匀分布有16个纵场线圈，相邻两只纵场线圈中心面之间的环向角度为22.5⁰。

（5）、通过公式

$>\mathrm{profile}\left(\phi \right)=r0-\frac{\mathrm{Dr}0}{2}·\cos (n·\frac{\phi }{360}·2·\pi )+(r0·\cos (\frac{11.25-\phi }{360}·2·\pi )-r0·\cos (\frac{\phi 1}{360}·2·\pi ))$>

计算得出综合考虑装置大环曲率半径和纵场波纹度共同影响下的天线辐射端面环向切口所需形状profile(Φ)；

r0=2375mm，为天线辐射端面中心到装置中心的距离；在此位置处，对应Dr0=4.7mm（由装置磁体组提供）；n=16，是EAST装置纵场线圈的数量，Φ为沿装置大环方向的角度。

计算结果如图6所示，绿色虚线表示仅考虑大环曲率半径因素影响所要求的天线辐射端面环向切口形状，蓝色点线表示仅考虑纵场波纹度因素影响所要求的天线辐射端面环向切口形状，红色实线表示综合考虑上述两者共同作用所要求的天线辐射端面环向切口形状，可见，大环曲率半径的影响大于纵场波纹度，两种因素都考虑时，天线辐射端面中心应较两侧往里凹14.2mm，才能保证天线辐射端面几何形状与EAST装置环向磁场位形相一致。

（6）、确定天线极向切口形状。

所述的确定天线极向切口形状所使用的方法为：参照以往方法，研究天线在以往实验中的耦合情况，结合EAST各种放电位形的统计和拟合，以及对今后主流放电位形的研判，确定极向切口半径，基于上述方面的分析研究，最终确定极向切口半径为760.0mm，天线上半部分和下半部分镜像对称。

基于上述分析，我们对EAST-2.45GHz低混杂波天线进行了改造，改造后的天线辐射端面环向切口几何形状为Profile(Φ)，保证天线辐射端面几何形状与EAST装置磁场位形一致；天线上半部分、下半部分的极向切口半径均为760mm，如图7所示（单位：mm）。