EAST离子回旋加热(ICRF)天线真空馈口电分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中科院等离子体物理研究所 作者:王成昊

  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 新型ICRF 天线真空馈口设计采用的是圆锥形馈口结构,其优点是可以提高耐压能力;又可以尽量减少因为导体变径所带来的特征阻抗的变化,降低驻波比;还可以增加电长度减少爬电现象的发生。其基本结构如图3 所示,

  馈口由外导体,内导体及绝缘陶瓷焊接件三个主要部分组成。内外导体之间通过绝缘陶瓷焊接件进行真空隔绝,绝缘陶瓷两个端面焊接金属法兰,通过金属法兰与内外导体焊接从而实现密封的目的。绝缘陶瓷的材料为95 陶瓷,因为其低出气率,良好的绝缘性能以及成熟的制备技术成为真空馈口绝缘材料的首选。在图3 中,绝缘陶瓷左面充满了3atm 的热氮气,以提高传输线的耐压能力;右面是与EAST 真空室相同的真空环境。ICRF 天线运行时,内外导体之间电势差可达几十KV,所以对于真空馈口来说,如何在保证其密封性能的基础上,尽量提高其耐压能力,是关键之一。陶瓷锥度的选择应该尽量使得电势等势线平行于陶瓷表面,这样可以使得电场近乎垂直于陶瓷表面,从而降低了打火的可能性。

  但减小陶瓷锥度的同时,陶瓷长度过长可能会使得绝缘陶瓷更加脆弱,也增加了制备成本。所以在EAST 新型ICRF 天线真空馈口中,绝缘陶瓷的锥度选择为11°,长度为275mm。

二、馈口分析

  由于真空馈口是ICRF 天线中最容易产生打火现象的部件,在很多装置中,真空馈口已成为制约ICRF 波加热性能的瓶颈。因此,在设计中必须将馈口耐压能力作为首要考虑的因素。对馈口的设计进行分析计算是非常必要的。在天线运行状态下,同轴传输线的许用电压(即传输线的击穿电压)可以用公式(1)得出:

  V=2.42*106*Blog10(A/B) (1)

  其中A,B 分别为传输线外导体内径及内导体外径,V 为传输线的许用电压。EAST 离子回旋加热天线的传输线外导体内径及内导体外径分别为230mm 及100mm,根据公式(1)可以算出同轴传输线的许用电压约为87KV。而对于真空馈口段,因为其结构复杂而且电压驻波比在此发生波动。

  因此考虑到实际工况,为了提高安全系数,将许用电压设为45KV。将此电压值视为ICRF 运行时的工作电压,对于馈口结构进行分析计算。有限元计算模型如图4 所示。

  以内导体电压为45KV,外导体接地作为边界条件施加到模型上。分析结果如图5所示:

  从图5中可以看出,馈口段电势线大致处于平行状态,绝缘陶瓷上的电势分布随着位置的不同而不同。距离绝缘陶瓷中心越近,电势线与陶瓷表面的夹角越小,最小夹角大约为45°,而距离中心越远的地方,电势越为平缓,陶瓷端面连接处电势线与陶瓷表面夹角约为30°。

  此馈口结构中,最容易产生打火的地方应该在陶瓷与内外导体连接的地方,此处如上所述为夹角最小处,因此降低了打火现象发生的可能性。所以此种结构馈口在ICRF 天线运行时,可以满足实验要求。

三、结论:

  作为ICRF 天线系统中最脆弱的部件之一,真空馈口既要保证隔绝高真空与高压热氮气,同时还要有一定程度的耐压性能,从而保证天线在输出MW 级功率时不产生打火现象。本文通过对真空馈口设计的阐述以及对其进行的电势分析,验证了此种真空馈口结构的可行性,为工程实践提供了理论依据。

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