一种降低加热天线射频鞘的电流补偿装置
阅读说明：本技术 一种降低加热天线射频鞘的电流补偿装置 (Current compensation device for reducing heating antenna radio frequency sheath ) 是由 宋云涛 李家豪 杨庆喜 陈肇玺 徐皓 陈仕琳 于 2021-05-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种降低加热天线射频鞘的电流补偿装置,包括支撑箱体,支撑箱体包括接地背板和窗口,窗口包括端部底板和侧挡板,接地背板的上下两端分别设置有端部底板,接地背板的左右两端分别设置有侧挡板,两个侧挡板的中间位置设置有极向隔板,极向隔板与端部底板互为垂直设置,窗口设计成倾角为θ的平行四边形,倾角θ和托克马克总磁场与环向间夹角θ相同,本发明在高天线功率馈入时,一方面通过将支撑箱体底板绝缘来消除其表面高强度的环向射频电流密度,另一方面对极向隔板部分绝缘来阻断流经法拉第屏蔽的环向电流,能够有效削弱形成射频鞘电势的平行电流虚部,使天线运行时的射频鞘电势峰值大大降低。(The invention discloses a current compensation device for reducing a heating antenna radio frequency sheath, which comprises a supporting box body, wherein the supporting box body comprises a grounding back plate and a window, the window comprises an end bottom plate and side baffles, the upper end and the lower end of the grounding back plate are respectively provided with the end bottom plate, the left end and the right end of the grounding back plate are respectively provided with the side baffles, a polar direction clapboard is arranged at the middle position of the two side baffles, the polar direction clapboard and the end bottom plate are mutually and vertically arranged, the window is designed into a parallelogram with an inclination angle theta, and the inclination angle theta and a Tokamak total magnetic field have the same included angle theta with the annular direction. The peak value of the radio frequency sheath potential when the antenna operates is greatly reduced.)
技术领域
本发明涉及磁约束核聚变托卡马克辅助加热设备
技术领域
，尤其涉及一种降低加热天线射频鞘的电流补偿装置。背景技术
托卡马克装置是目前磁约束核聚变研究和未来开发聚变能源的重要装置，离子回旋共振加热(ICRH)和电流驱动(CD)是托卡马克装置获得稳态、高参数等离子体重要手段。国内外各大型磁约束核聚变装置均配备有离子回旋加热系统，在未来聚变堆上，离子回旋加热天线加热功率将高达几十兆瓦(≥20MW)。然而，离子回旋波驱动下形成的射频鞘会导致等离子体与边界材料强烈的相互作用，引起杂质溅射、边界功率损失、热斑等一系列负面效应和问题，不仅改变边界等离子体参数，影响等离子体性能，而且会对材料造成损伤，缩短材料寿命。
理论研究表明,射频鞘由射频波驱动，并主要形成于与天线结构的支撑和保护部分，包括天线的箱体和法拉第屏蔽等面向等离子体的材料表面。由于波场的作用，加热和电流驱动下射频鞘的鞘层电势通常要比悬浮鞘的电势大得多，这是由于电子对于射频波场的响应远大于离子，因此增大了电子的损失，使得鞘层直流电位被抬升，即“RF鞘层整流效应”。离子在射频鞘高电势差的作用下加速，将获得很高的能量并轰击材料表面或与主磁场共同作用下使离子产生E*B漂移输运，导致很强的杂质溅射。另外，离子在射频电场作用下加速，与材料撞击，导致能量由射频场转移至材料表面，造成寄生功率损失(鞘功率损耗)，是导致射频波在边界功率损失的主要因素之一。在边界损失的射频波功率，会引起天线或第一壁等其他材料的局部出现高密度区域并形成的很强射频鞘层，导致材料局部热流沉积出现“热斑”。
基于对EAST托克马克B端口2*2电流带的天线结构射频鞘的研究可知，频鞘电势峰值位置和金属杂质的释放是位于天线支撑箱体两侧极向限制器的顶部和底部。但射频鞘电势形成的本质却是由于天线支撑和保护的金属结构上产生的平行电流的存在。因此,需要采取一种新的方法，从根本上减小平行电流从而达到降低射频鞘积分电势和杂质通量的目的。
发明内容
针对在离子回旋加热和电流驱动时，立足于改善天线面向等离子体表面射频鞘电势引入的杂质溅射、边界功率损失、热斑等一系列负面效应和问题，本发明设计了一种新的降低射频鞘的电流补偿装置，利用局部电流的阻断和补偿，降低整体的平行电流密度且形成小回路，从而达到降低射频鞘积分电势和杂质通量的目的。
本发明提出一种降低加热天线射频鞘的电流补偿装置，包括支撑箱体，所述支撑箱体包括接地背板和窗口，所述窗口包括端部底板和侧挡板，所述接地背板的上下两端分别设置有所述端部底板，所述接地背板的左右两端分别设置有所述侧挡板，两个所述侧挡板的中间位置设置有极向隔板，所述极向隔板与所述端部底板互为垂直设置，所述窗口设计成倾角为θ的平行四边形，所述倾角θ和托克马克总磁场与环向间夹角θ相同，且所述倾角指所述窗口与水平地面之间的角度。
具体地，所述天线支撑箱体的上下端部底板和左右侧挡板围成的天线窗口呈平行四边形，窗口和法拉第屏蔽倾斜角度和托克马克总磁场与环向间夹角θ一致，放弃传统的矩形窗口箱体而设计成为倾斜的平行四边形窗口是为了最大程度减小长磁场线与箱体结构的相交部分以提高射频鞘电势的积分对称性，降低射频鞘电势。
进一步改进在于，还包括法拉第屏蔽，所述法拉第屏蔽的一端与所述侧挡板连接，所述法拉第屏蔽的另一端与所述极向隔板连接，且所述法拉第屏蔽和所述极向隔板的连接处涂覆有陶瓷绝缘层，所述端部底板上同样涂覆有所述绝缘陶瓷层。
具体地，对所述的支撑箱体端部底板表面涂覆耐高温低导电率的陶瓷以消除汇集于此的高强度平行方向感应射频电流(托克马克总磁场方向)；对所述极向隔板与法拉第屏蔽固定连接的位置进行绝缘陶瓷涂覆以阻断交变磁通驱动下流经法拉第屏蔽且贯穿支撑箱体的平行电流；所述的消除平行方向感应射频电流的方式是为了从根本上降低射频鞘积分电势亥姆霍兹方程中的电流源项。
进一步改进在于，所述法拉第屏蔽的倾斜角度和所述窗口的倾斜角度相同。
进一步改进在于，所述绝缘陶瓷层采用的是大于趋肤深度的耐高温低导电率陶瓷材料制成。
进一步改进在于，还包括4根电流条带，所述4根电流条带呈2*2的极向分布固定连接在所述支撑箱体的内部。所述极向分布是指与水平地面垂直的poloidal方向。
进一步改进在于，还包括横隔板，所述横隔板与所述端部底板互为平行设置，与所述极向隔板互为垂直设置，并固定安装在所述极向隔板的中间位置。
进一步改进在于，所述侧挡板在沿着法拉第屏蔽延伸的方向上进行环向加宽延伸，具体宽度取决于天线所在窗口的尺寸；所述侧挡板的内侧面开设有凹槽，即一定程度地对侧挡板进行内侧掏空。对所述天线支撑箱体的侧挡板环向加宽延伸，以增大箱体表面极向的射频电流以形成极向的疏通补偿，具体宽度根据安装天线的窗口尺寸限制来确定；所述天线支撑箱体加宽侧挡板的内壁面开凹槽，以增大箱体内空间来降低天线电抗，获得更好的功率传输。
进一步改进在于，所述侧挡板的外侧固定设置有侧限制器。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明在高天线功率馈入时，一方面通过将支撑箱体底板绝缘来消除其表面高强度的环向射频电流密度，另一方面对极向隔板部分绝缘来阻断流经法拉第屏蔽的环向电流，能够有效削弱形成射频鞘电势的平行电流虚部，使天线运行时的射频鞘电势峰值大大降低。
2、本发明中倾斜的天线窗口和法拉第屏蔽设计，在天线典型的加热和驱动相位下，能最大程度减少托克马克总磁场线与结构的相交，满足射频鞘电势的积分对称性，从而降低射频鞘电势；环向略宽且内壁面开槽的侧挡板可以增大极向射频电流形成补偿并减小天线运行时的电抗。
附图说明
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
图1为本发明一实施方式的加热天线前端部件主视图；
图2为本发明一实施方式的支撑箱体轴侧示意图；
图3为本发明一实施方式的天线前端射频鞘的仿真计算对比图；
其中：1、接地背板；2、侧限制器；3、横隔板；4、侧挡板；5、端部底板；6、电流条带；7、法拉第屏蔽；8、极向隔板；9、绝缘陶瓷层。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接连接，可以说两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
本发明的降低射频鞘的电流补偿装置适用于运行在高功率状态下加热天线，尤其针对典型的偶极加热相位和电流驱动相位。
对于所述支撑箱体高平行电流密度的表面，其电流密度相较于用于辐射的电流条带而言很小，不会改变天线辐射功率谱分布及其耦合性能。
参见附图1，一种降低加热天线射频鞘的电流补偿装置，可以有效降低天线面向等离子体部件表面与托克马克总磁场方向平行的电场分量和虚部电流分量，具有低射频鞘电势的特点，其包括有天线的法拉第屏蔽7、侧限制器2、电流条带6、横隔板3和支撑箱体；所述的支撑箱体由后侧接地背板1、上下端部的底板5、左右的侧挡板4和极向隔板8连接组成；所述的四根电流条带固定连接在支撑箱体内部，呈2*2的极向排布；所述的侧限制器2位于支撑箱体侧挡板4的两侧；所述的法拉第屏蔽7一端与支撑箱体侧挡板连接，另一端固定在支撑箱体中部的极向隔板低电导率的绝缘陶瓷层9，以阻断流经法拉第屏蔽的环向电流。
在托克马克等离子体环境中，加热天线结构本身表面会形成悬浮鞘，天线在进行加热或电流驱动时，由于磁通量的交变(dΦ/dt)，会大大加剧射频鞘强度；当天线前端结构与总磁场方向的不一致时，带电粒子会轰击前端结构引起杂质溅射、边界功率损失、热斑等一系列负面效应和问题；所述降低加热天线射频鞘的电流补偿方法中，支撑箱体的窗口被设计成平行四边形，窗口和法拉第屏蔽倾斜角度和托克马克总磁场与环向间夹角θ一致，有效减小了总磁场线与箱体结构的相交部分，可以提高射频鞘电势的积分对称性降低射频鞘电势，同时减少沿着总磁场线运动的带电粒子的轰击。
所述加热天线支撑箱体的端部底板通常会由于射频感应，形成高强度平行方向的射频电流，进而导致此位置的高射频电势；本发明支撑箱体的上下端部底板上涂覆有大于趋肤深度的耐高温低导电率陶瓷材料以消除感应平行电流，采用降低射频鞘积分电势亥姆霍兹方程中电流源项的方式来从根本上降低射频鞘。
所述天线支撑箱体的侧挡板环向加宽延伸，目的是为了增大箱体表面极向的电流强度以形成电流补偿，宽度越大电阻越低，但具体宽度根据安装天线的窗口尺寸限制来确定；图2为本发明装置中提及的支撑箱体轴测图，在加宽侧挡板的内壁面开凹槽，以增大箱体内空间来降低天线电抗，获得更好的功率传输，开槽形状大致与电流带极向的弧形走向一致，开槽深度由侧挡板的加宽程度决定，比侧挡板厚度少10-15cm。
图2中，极向隔板边缘内部与法拉第屏蔽固定连接位置被涂覆上低电导率陶瓷层9，宽度略大于法拉第屏蔽的径向尺寸，用于断开感应电动势驱动下的环路，此多个环路的形成是由法拉第屏蔽和支撑箱体所围区域内交变磁通所致；所述极向隔板的最外层使用导电材料进行接地，形成电流的极向和径向疏通补偿。
图3为采用本发明的降低加热天线射频鞘的电流补偿装置前后，天线前端射频鞘的仿真计算对比图，当高功率加热天线运行在典型的加热相位和驱动相位时，环向电流的阻断消除以及极向电流的疏通补偿，形成局部小回路，从而降低射频鞘电势；同时，所述支撑箱体和法拉第屏蔽上的电流密度相较于用于辐射的电流条带而言很小，不会改变天线辐射功率谱分布及其耦合性能，计算表明当EAST装置B窗口加热天线采用所述的降低射频鞘的电流补偿装置时，天线的平行功率谱峰值几乎不变。
图中，描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
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