HL-2A装置ECRH传输系统的概念设计

HL-2A装置将建造一个75GHz／1 MW／1s的ECRH系统。本文介绍了由传输线和水平天线构成的传输系统的概念设计(见图1)。详细介绍了系统的主要部件：波导，椭球镜，CVD窗(见图2)和可调节的平面镜。对天线的新设计能使波束极向可调，使得能量能沉积在不同区域。     

HL-2A装置ECRH／ECCD天线系统的设计

电子回旋加热和电子回旋驱动（ECRH／ECCD）近年来取得了巨大的进展，如Tore Supra，JT-60U，Heliotron J。与其它的加热和驱动相比，ECRH／ECCD有很多优点。首先，天线可以远离等离子体；其次，ECRH／ECCD的能量可以以功率很集中的高斯束分布注入到等离子体，得到高度集中的定域的能量沉积，使得E-CRH／ECCD成为一种理想的定域的MHD控制手段。     

HL-2A装置ECRH系统的新天线设计

Using the principle of quasi-optic, the new antenna of the electron cyclotron resonant heating(ECRH) system on the tokamak HL-2A has been designed. After being focused by the elliptical mirror and reflected by the plane mirror, 4 68GHz/500kW/1s electron cyclotron wave beams would be injected into the tokamak from one Æ350mm port to accomplish heating to the plasma. Based on the propagating theory of the fundamental Gaussian beam, it is gotten that at the centre of the cross section of the tokamak, the power density of each beam is 158MW•m^-2, and the power density radius, which means that the power density is reduced by a factor 1/e² compared to the power density at the centre of the beam, is 31.7mm. On the mirror, due to the focusing and reflecting, the ohmic loss and diffraction loss of the microwave beams are 0.27% and 0.64%, respectively. By the finite element analysis software ANSYS, some thermal analysis of the mirror have been done. The result shows that the highest temperature increase would be only 0.47℃ under 1s pulse load, so there is no need of any cooling.     

HL-2A装置ECRH系统指标介绍

在HL-2A装置上正在开展电子回旋共振加热（ECRH）项目的工程研制，系统具有1MW，68GHz，1s的微波规模。采用弱场侧O模式注入，ECRH的定域加热特性可以用于等离子体加热、电流驱动和分布控制以及改善约束等实验的物理研究。到目前为止，电子回旋共振加热的各项子系统正在设计和研制中，系统的总体物理和工程参数已经初步确定，在此对其作一介绍。     

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应用准光学原理设计了HL-2A装置电子回旋共振加热(ECRH)系统新的集束天线,该天线能使4束68GHz/500kW/1s电子回旋波通过椭球镜聚焦和平面镜的反射,从一个直径350mm装置窗口同时注入托卡马克,对等离子体实现加热。根据基模高斯束的传播原理得出,在装置环向横截面中心处单条波束的功率密度为158MW•m-2,功率密度降为中心密度的1/e2的半径为31.7mm,微波束经过镜面聚焦和反射产生的欧姆损失和衍射损失分别为0.27%和0.64%。利用有限元分析软件Ansys对镜面进行热分析得到,在1s脉冲载荷下最大镜面温升仅为0.47℃,镜面可以自然冷却。     

HL-2A装置ECRH系统传输效率的测量研究

介绍了HL-2A装置ECRH系统传输效率的测量方法。通过对MOU、回旋管输出窗口及真空密封窗口吸收功率的测量,得到HL-2A电子回旋系统的传输效率为90％左右。提出了除由MOU处测量微波功率外,可以由传输线的其他部位确定功率的方法。     

HL-2A装置ECRH系统的微波功率测量

新研制的微波功率测量系统主要由温度传感器、功率标定电源、电子学处理单元、数据采集和数据处理单元等几部分组成,通过测量EC系统MOU部件冷却水回路进水口和出水口的温度变化,得到MOU吸收的杂模功率。根据回旋管输出功率中的杂模含量比,计算得到回旋管的输出功率。在回旋管调试和ECRH实验期间,測量了4路回旋管的输出功率。从测量结果可知,HL-2A装置ECRH系统可提供大于1.6MW的总输出功率。     

HL-2A装置ECRH超导磁体磁场分布测量

测量了HL-2A装置ECRH超导磁体的磁场分布。测量结果析表明,其归一化纵向磁场在磁场中心20mm区域内大于0.992,径向分布在磁场中心平面上浮动小于1.48%,杂散场在贴近超导磁体表面时的最大分量小于50mT,满足实验要求。     

HL-2A 装置ECRH系统阳极回路的计算与分析

频率为68GHz，总功率为1．7MW（4只管子）的电子回旋共振加热系统（ECRH）已经在HL-2A装置上建成。在2004年的工程调试中频繁出现的一个问题是，阳极电压回路在电源接通瞬间出现电流尖峰。这个峰值可以比电路中正常电流大得多，有时甚至为其几倍。频繁的触发严重影响了调制器保护电路的正常工作和电子回旋管的调试进度。本文给出了ECRH供电回路的一组解析方程，用来分析阳极回路出现的问题。基于这组公式编辑的程序进行的数值模拟计算结果和示波器记录的波形是精确地吻合的。计算结果和分析表明，当回路中电源电压一定时，电流峰值与回路中电缆的特征电容C、阳极电压上升沿的斜率和电感有关。减小电缆的特征电容C，减缓电压的上升沿可有效地消除电流尖峰的影响。     

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在ECRH高压电源中采用了高压脉冲调制器，大大缩小了电源脉冲上升和下降时间并能提供快速保护。介绍了电子回旋高压电源的主回路结构。计算了电源的前级等效电阻，对电源的动态响应进行了计算分析。运用MATLAB建立模型对电源进行仿真，给出了实验对比结果。     

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介绍了HL-2A装置ECRH系统传输效率的测量方法。通过对MOU、回旋管输出窗口及真空密封窗口吸收功率的测量,得到HL-2A电子回旋系统的传输效率为90％左右。提出了除由MOU处测量微波功率外,可以由传输线的其他部位确定功率的方法。     

HL-2A装置ECRH水冷却系统的研制

研制了压强达0.6MPa总流量达94m3•h-1的HL-2A装置电子回旋共振加热水冷却系统,介绍了该系统的设计、水压控制和参数 测量。计算了水压降和高电压环境中水电阻,测得的回旋管阳极水回路中的漏电流小于1mA。     

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HL-2A装置1MW/68GHz/1s电子回旋共振加热传输系统有两条传输线，每条传输线包括波纹波导、换向波导和直流隔离器。HE11模式微波在波导中传输，微波损失小且模式纯度高。用激光校准及用热敏纸测量短脉冲微波模式分布的手段确保传输线的准直性。传输线的倾斜角度小于0.0054rad。     

HL-2M 装置电子回旋共振加热及电流驱动系统设计与研制进展

根据 HL-2M 装置物理实验加热的需求,完成了总功率为 8MW 的电子回旋共振加热及电流驱动 (ECRH/ECCD)系统设计,开展了波源、传输及天线等关键部件研制。8MW ECRH/ECCD 系统,由 8 套 105GHz/  1MW/3s 波源系统、8 条内径为 63.5mm 的真空传输线及三套极向实时可控的发射天线构成。目前,已完成 ECRH/ECCD 系统关键部件研制及其相关的桌面与高功率性能测试。测试结果表明,微波源回旋管输出微波功率 达到1MW/3s,在真空度为 10^‒2Pa 的过模波纹圆波导传输线中能低耗稳定传输,发射天线极向全量程角度转动响 应时间在 50ms 以内。      

The ECRH Transmission System for HL-2A Tokamak

Electron cyclotron resonance heating and electron cyclotron current drive （ ECRH/ECCD ） have been developed significantly in recent years in many devices such as Tore Supra, JT-60U, Heliotron J. It has many advantages over other means of heating and current drive. The EC power can be injected as narrow gaussian beams, giving rise to so highly localized power deposition as to make ECRH an ideal candidate for local MHD control.     

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介绍了HL-2A装置电子回旋共振加热系统打火保护装置的改进。在改进设计过程中,实测了2类光电转换模块、4种型号的运算放大器芯片,定量测量了防自激电容的性能。选择了GGOE-2型光电转换器件,OPA128LM型运算放大器,确定了防自激电容为30pF。制作了30个原型机,满足了2009年HL-2A装置的要求。实验测得响应时间平均值为1.2μs,较改进前方案的小。此弧光探测器能够在不同强度的本底光和复杂电磁环境下稳定工作。