EAST离子回旋加热(ICRF)天线真空馈口电分析

2022年06月30日

真空馈口作为EAST 新型离子回旋加热(ICRF)天线最关键部件之一,起到隔绝真空与热氮气的作用。在ICRF 天线运行过程中,馈口所连接的内外导体之间电压可高达45KV,因此,提高馈口的击穿电压以及降低其介质损耗是馈口设计中的关键技术之一。本文针对真空馈口的电磁特性进行设计及分析计算,验证其结构的可行性。

  离子回旋加热(ICRF)作为主要的辅助加热方式之一已经被证实并且广泛的应用于世界上各个聚变装置。而真空馈口是离子回旋(ICRF)天线中最为关键的部分。在实验运行过程中,真空馈口起到隔绝高真空与外界高压热氮气的作用,其结构设计及其性能直接影响ICRF 天线运行状况甚至是EAST 装置的稳定性,而其电物理特性是最为重要的性能之一。提高馈口的耐压能力,可以降低打火事件的发生从而有效地提高ICRF天线乃至整体装置的安全性。

一、真空馈口结构

  EAST 新型ICRF 天线的设计目标是为等离子体提供1000s 长脉冲可连续波加热,频率范围为30~100MHz,传输线阻抗为50Ω,加热功率为1.5~3MW。在ICRF 天线装置中,真空馈口位于真空传输线和高压气体传输线之间,起到隔绝真空的作用。真空馈口是ICRF 天线中最为脆弱也是最容易发生“打火”现象的部件。一旦发生打火现象,将有可能破坏馈口的密封性能,同时也有可能因为将绝缘陶瓷击穿而发生短路现象,从而造成ICRF 天线的故障甚至于导致整个实验装置的故障。因此当传输能量达到MW 量级时,真空馈口必须可以承受高达几十KV 的电压。真空馈口作为关键部件,其稳定性直接关系到ICRF 系统甚至是整个实验装置。正因为如此,世界各国的装置也都在不断地探索不同形式的馈口以满足实验要求。虽然各国的真空馈口结构形式各不相同,但是按照陶瓷的结构形状划分,真空馈口的结构可以划分为四种类型:分别是曲柄形状真空馈口,圆盘形状真空馈口,圆锥形状真空馈口和圆柱体形状的真空馈口(图1)。在LHD 装置中对这四种馈口的耐压性能进行了测试,结果如图2 所示,其中以圆柱及圆锥形馈口的耐压性能最好。

EAST离子回旋加热(ICRF)天线真空馈口电分析

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