EAST離子回旋加熱(ICRF)天線真空饋口電分析
真空饋口作為EAST 新型離子回旋加熱（ICRF）天線最關(guān)鍵部件之一，起到隔絕真空與熱氮?dú)獾淖饔�。在ICRF 天線運(yùn)行過(guò)程中，饋口所連接的內(nèi)外導(dǎo)體之間電壓可高達(dá)45KV，因此，提高饋口的擊穿電壓以及降低其介質(zhì)損耗是饋口設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文針對(duì)真空饋口的電磁特性進(jìn)行設(shè)計(jì)及分析計(jì)算，驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)的可行性。
離子回旋加熱（ICRF）作為主要的輔助加熱方式之一已經(jīng)被證實(shí)并且廣泛的應(yīng)用于世界上各個(gè)聚變裝置。而真空饋口是離子回旋(ICRF)天線中最為關(guān)鍵的部分。在實(shí)驗(yàn)運(yùn)行過(guò)程中，真空饋口起到隔絕高真空與外界高壓熱氮?dú)獾淖饔�，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其性能直接影響ICRF 天線運(yùn)行狀況甚至是EAST 裝置的穩(wěn)定性，而其電物理特性是最為重要的性能之一。提高饋口的耐壓能力，可以降低打火事件的發(fā)生從而有效地提高ICRF天線乃至整體裝置的安全性。
一、真空饋口結(jié)構(gòu)
EAST 新型ICRF 天線的設(shè)計(jì)目標(biāo)是為等離子體提供1000s 長(zhǎng)脈沖可連續(xù)波加熱，頻率范圍為30~100MHz，傳輸線阻抗為50Ω，加熱功率為1.5~3MW。在ICRF 天線裝置中，真空饋口位于真空傳輸線和高壓氣體傳輸線之間，起到隔絕真空的作用。真空饋口是ICRF 天線中最為脆弱也是最容易發(fā)生“打火”現(xiàn)象的部件。一旦發(fā)生打火現(xiàn)象，將有可能破壞饋口的密封性能，同時(shí)也有可能因?yàn)閷⒔^緣陶瓷擊穿而發(fā)生短路現(xiàn)象，從而造成ICRF 天線的故障甚至于導(dǎo)致整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的故障。因此當(dāng)傳輸能量達(dá)到MW 量級(jí)時(shí)，真空饋口必須可以承受高達(dá)幾十KV 的電壓。真空饋口作為關(guān)鍵部件，其穩(wěn)定性直接關(guān)系到ICRF 系統(tǒng)甚至是整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置。正因?yàn)槿绱耍澜绺鲊?guó)的裝置也都在不斷地探索不同形式的饋口以滿足實(shí)驗(yàn)要求。雖然各國(guó)的真空饋口結(jié)構(gòu)形式各不相同，但是按照陶瓷的結(jié)構(gòu)形狀劃分，真空饋口的結(jié)構(gòu)可以劃分為四種類型：分別是曲柄形狀真空饋口，圓盤形狀真空饋口，圓錐形狀真空饋口和圓柱體形狀的真空饋口（圖1）。在LHD 裝置中對(duì)這四種饋口的耐壓性能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如圖2 所示，其中以圓柱及圓錐形饋口的耐壓性能最好。
EAST 新型ICRF 天線真空饋口設(shè)計(jì)采用的是圓錐形饋口結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是可以提高耐壓能力；又可以盡量減少因?yàn)閷?dǎo)體變徑所帶來(lái)的特征阻抗的變化，降低駐波比；還可以增加電長(zhǎng)度減少爬電現(xiàn)象的發(fā)生。其基本結(jié)構(gòu)如圖3 所示，
饋口由外導(dǎo)體，內(nèi)導(dǎo)體及絕緣陶瓷焊接件三個(gè)主要部分組成。內(nèi)外導(dǎo)體之間通過(guò)絕緣陶瓷焊接件進(jìn)行真空隔絕，絕緣陶瓷兩個(gè)端面焊接金屬法蘭，通過(guò)金屬法蘭與內(nèi)外導(dǎo)體焊接從而實(shí)現(xiàn)密封的目的。絕緣陶瓷的材料為95 陶瓷，因?yàn)槠涞统鰵饴�，良好的絕緣性能以及成熟的制備技術(shù)成為真空饋口絕緣材料的首選。在圖3 中，絕緣陶瓷左面充滿了3atm 的熱氮?dú)猓蕴岣邆鬏斁�的耐壓能力；右面是與EAST 真空室相同的真空環(huán)境。ICRF 天線運(yùn)行時(shí)，內(nèi)外導(dǎo)體之間電勢(shì)差可達(dá)幾十KV，所以對(duì)于真空饋口來(lái)說(shuō)，如何在保證其密封性能的基礎(chǔ)上，盡量提高其耐壓能力，是關(guān)鍵之一。陶瓷錐度的選擇應(yīng)該盡量使得電勢(shì)等勢(shì)線平行于陶瓷表面，這樣可以使得電場(chǎng)近乎垂直于陶瓷表面，從而降低了打火的可能性。
但減小陶瓷錐度的同時(shí)，陶瓷長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)可能會(huì)使得絕緣陶瓷更加脆弱，也增加了制備成本。所以在EAST 新型ICRF 天線真空饋口中，絕緣陶瓷的錐度選擇為11°，長(zhǎng)度為275mm。
二、饋口分析
由于真空饋口是ICRF 天線中最容易產(chǎn)生打火現(xiàn)象的部件，在很多裝置中，真空饋口已成為制約ICRF 波加熱性能的瓶頸。因此，在設(shè)計(jì)中必須將饋口耐壓能力作為首要考慮的因素。對(duì)饋口的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析計(jì)算是非常必要的。在天線運(yùn)行狀態(tài)下，同軸傳輸線的許用電壓(即傳輸線的擊穿電壓)可以用公式(1)得出：
V=2.42*106*Blog10(A/B) (1)
其中A,B 分別為傳輸線外導(dǎo)體內(nèi)徑及內(nèi)導(dǎo)體外徑，V 為傳輸線的許用電壓。EAST 離子回旋加熱天線的傳輸線外導(dǎo)體內(nèi)徑及內(nèi)導(dǎo)體外徑分別為230mm 及100mm，根據(jù)公式(1)可以算出同軸傳輸線的許用電壓約為87KV。而對(duì)于真空饋口段，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜而且電壓駐波比在此發(fā)生波動(dòng)。
因此考慮到實(shí)際工況，為了提高安全系數(shù)，將許用電壓設(shè)為45KV。將此電壓值視為ICRF 運(yùn)行時(shí)的工作電壓，對(duì)于饋口結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算。有限元計(jì)算模型如圖4 所示。
以內(nèi)導(dǎo)體電壓為45KV，外導(dǎo)體接地作為邊界條件施加到模型上。分析結(jié)果如圖5所示：
從圖5中可以看出，饋口段電勢(shì)線大致處于平行狀態(tài)，絕緣陶瓷上的電勢(shì)分布隨著位置的不同而不同。距離絕緣陶瓷中心越近，電勢(shì)線與陶瓷表面的夾角越小，最小夾角大約為45°，而距離中心越遠(yuǎn)的地方，電勢(shì)越為平緩，陶瓷端面連接處電勢(shì)線與陶瓷表面夾角約為30°。
此饋口結(jié)構(gòu)中，最容易產(chǎn)生打火的地方應(yīng)該在陶瓷與內(nèi)外導(dǎo)體連接的地方，此處如上所述為夾角最小處，因此降低了打火現(xiàn)象發(fā)生的可能性。所以此種結(jié)構(gòu)饋口在ICRF 天線運(yùn)行時(shí)，可以滿足實(shí)驗(yàn)要求。
三、結(jié)論：
作為ICRF 天線系統(tǒng)中最脆弱的部件之一，真空饋口既要保證隔絕高真空與高壓熱氮?dú)�，同時(shí)還要有一定程度的耐壓性能，從而保證天線在輸出MW 級(jí)功率時(shí)不產(chǎn)生打火現(xiàn)象。本文通過(guò)對(duì)真空饋口設(shè)計(jì)的闡述以及對(duì)其進(jìn)行的電勢(shì)分析，驗(yàn)證了此種真空饋口結(jié)構(gòu)的可行性，為工程實(shí)踐提供了理論依據(jù)。
