SUNIST上的微波预电离与电极辅助启动等离子体

SUNIST 上的微波预电离与电极辅助启动等上的微波预电离与电极辅助启动等 离子体离子体 谭熠 何也熙 解丽风 张国平 SUNIST 组 清华大学工程物理系等离子体与聚变实验室 100084 摘要 本文介绍了在 SUNIST 托卡马克装置上进行的微波预电离与电极辅助等离子体电 流启动实验 对实验中存在的一些疑问进行了说明 关键词 SUNIST 托卡马克 微波 预电离 电极辅助 引言引言 受控热核聚变也许是人类的终极能源解决方案 磁约束聚变是目前得到最充分理解的 一种可能实现受控聚变的方式 而托卡马克 tokamak 又是目前磁约束装置中研究得最深入 最广泛的一类 坐落于清华大学工物馆 158 房间的 中国联合球形托卡马克 1 SUNIST Sino UNIted Spherical Tokamak 是一个非传统的球形托卡马克装置 2 聚变要求极高的温度 在达到这个温度之前 物质早已完全电离成等离子体 因此 研究等离子体的启动 产生 加热以及维持对于实现聚变有着重要的意义 利用微波实现非感应启动等离子体电流是一种令人追求的托卡马克运行方式 与普通 的环形托卡马克装置相比 以中心螺线管作为原边线圈 通过变压器式感应启动等离子体 电流的方式 更加不方便在 SUNIST 这类球形装置上实施 除了固有的缺点以外 在紧 凑的空间中 通以大电流的原边线圈需要承受极大的安培力冲击 从长远来看 若在球形 装置上实现聚变 中心螺线管由于空间限制无法加以完备的防护措施 将不得不承受极高 通量的中子辐射 这可能严重影响其表面覆盖的高压绝缘层的寿命和能力 因此 中心螺 线管式感应启动是装置长期稳定运行的严重隐患 从其它同类形装置的实际运行情况来看 中心螺线管也是球形托卡马克最容易出现故障的部位 所以 通过微波 或者其他方式 实现非感应启动是非常必须的 如图 1 t I E E I 0 I F F F F 线圈的受力 E I 中心螺线管 B 图 1 变压器式感应启动示意 必须通过原边线圈变化的电流在空间产生一个环向电场 驱动等离子体电流 原边各匝 线圈之间的安培力在布局紧凑的情况下更加值得关注 从 CT 6B 托卡马克装置上微波启动等离子体电流实验的结果来看 3 在装置上下安装 一对辅助电极 在微波电离产生等离子体后 通过这对电极之间的放电来辅助提高等离子 体电流 可以有效地促进微波等离子体电流驱动的效率 值得我们借鉴 本文介绍的就是在 SUNIST 装置上进行的微波预电离和电极辅助启动等离子体的工作 实验系统构成与原理实验系统构成与原理 SUNIST 的大致结构示意如图 2 装置主体为一个不锈钢材质的球形真空室 外有产 生环向磁场的矩形线圈 本实验通以 4 5kA 电流 磁感应强度约为 700G 和产生垂直方 向磁场的环形线圈 本实验通以 400 600A 电流 磁感应强度约为 20G 另外 还装有欧 姆加热场线圈 包括中心螺线管 与本实验内容关系不大 此处略 球形真空室 环向场线圈 垂直场线圈 图 2 SUNIST 装置基本结构示意 环向场线圈和垂直场线圈分别产生环向和垂直方向的磁场 叠加磁场的磁感线将是一 个具有一定螺距的螺旋线 螺距的大小 由环向和垂直方向磁感应强度的比值决定 如图 3 图 3 SUNIST 装置的环向和垂直方向磁场 在微波 1kW 2450MHz 的强电场作用下 真空室内工作气体 约 1E 2Pa 的 He 或 者 H2 中游离的极少量电子 离子被加速 并和其他原子碰撞而引发更多的电离 最终导 致击穿 4 微波电离产生的电子离子将被束缚在磁感线上沿磁感线作螺旋运动 由于螺距 较小 电子在达到另一个极板之前 将沿磁感线在环向作多次回旋 从环截面看来 相当 于有一个电流倍增的效果 若在装置的顶部和底部添加一对电极 加以合适的电压 可能 能够进一步促进电流的形成 如图 4 图 4 微波预电离产生等离子体 电极辅助启动等离子体电流 最后 装置与外围设备的连接如图 5 4kV 0 2kV 磁控管 微波源 高压电容 磁控 管高压电源 波导和天线 电容 电 极电源 电极极板 采样电阻 图 5 实验系统与其他部分的连接 为清晰起见将磁场线圈略去 实验结果及分析实验结果及分析 实验中 我们观察到了长时间 102ms 相对感应式电流启动时的 100ms 非常亮的等 离子体发光 探测到了电子温度的变化 表明微波实现了很好的预电离效果 另外 我们还测量到了辅助电极回路有规律的电流波形 表明这一对辅助电极之间发 生了放电 对预电离起到了促进作用 微波预电离与 SUNIST 一般运行方式 感应启动 时的灯丝热预电离相比 有着更强 的适应性 表现在 一般运行方式下 使用灯丝进行热预电离时 垂直磁场的加入时机 对于能否启动电流影响很大 而使用微波预电离后 垂直磁场的投入可以在非常宽的时间 范围内进行调整且保证 100 等离子体电流启动成功率 典型的实验结果波形集如图 6 可能是由于我们微波功率不够导致这种条件下产生的等离子体电流太小 或者是因为 等离子体电流测量罗科夫斯基线圈灵敏度不够 我们无法观察到等离子体电流信号 另外 有趣的是 电极回路的电流信号总是呈现为两个部分 且与环向磁感应强度关 联 可能与电子回旋共振有关 图 6 NO 040909a 13 放电得到的各信号波形 图中 Ch11 为小线圈探测到的杂散电磁场信号 Ch10 为纵场电流信号 Ch15 为垂直场电 流信号 Ch14 为电极电流信号 Ch13 为等离子体环电流信号 Ch12 为磁控管高压信号 总结总结 本次实验达到了我们预期的目标 实现了微波预电离与电极辅助启动等离子体 作为 SUNIST 装置上微波的首次实践 为以后大功率微波设备的投入及其运行模式 流程积累 了宝贵的经验 实验从 2003 年下半年开始计划至今 加速器实验室的童德春老师 低温等离子体室的 蒲以康老师 给与了我们许多非常有用的帮助 在此表示衷心的感谢 1 He Ye xi Plasma Science Technology Vol 4 No 4 2002 p1355 2