射频鞘对离子回旋天线影响的实验研究

当离子回旋(ICRF)天线通波时，在天线表面与等离子体边界之间会形成射频鞘（RF sheath）。据理论和实验证实，RF鞘是杂质产生、边界功率损失，天线打火和'亮斑'形成的主要原因。RF鞘层对天线的影响是制约EAST装置上ICRF长脉冲、稳态高功率运行的颈瓶，也是ITER装置上高功率离子回旋面临的关键问题。本项目拟在射频鞘模型建立与数值求解的基础上，在EAST装置上开展RF鞘对天线影响的物理实验研究，包括对天线表面RF鞘电势及电场分布的研究；杂质产生情况及边界等离子体参数对天线耦合影响的研究；结合实验结果分析，调整修正数值求解进行天线优化设计研究。本课题旨在探索可以减小和控制RF鞘的有效途径，减少杂质的产生，优化天线设计提高天线的耦合与功率容量，为EAST高功率离子回旋稳定运行提供必要的保障；同时也对ITER装置离子回旋天线的设计与长脉冲、高功率稳定运行都具有相当重要的实践参考和指导意义。

在EAST装置上建立了三套离子敏感探针和朗缪静电探针，在EAST上开展了RF鞘对天线影响的实验研究，包括改变波的功率，天线阵之间的相位及相关的等离子体参数等对RF鞘电位的影响的研究，获得了一些可以控制和减小RF鞘电势的有效途径：天线的偶极相位运行和控制低的氢氘比可有效降低射频鞘等。分析了EAST上离子回旋天线加波期间对邻近低杂波天线系统耦合严重影响的可能原因：低杂波端口的Langmuir探针测量表明了ICRF天线引起的射频鞘矫正可以较大地改变刮削层的等离子体边界密度分布，引起天线端口的密度对流，从而影响低杂波天线的耦合系数。根据编写的包含磁面信息的场线追踪程序的数值计算结果，获得远离ICRF天线系统和低q放电或局部充气都是降低射频鞘的有效手段。天线结构本身也是影响RF鞘的关键因素之一。因而在射频鞘程序数值模拟的基础上，优化了天线法拉第屏蔽的结构和涂层材料，有效地降低了金属杂质的产生。为了进一步减小天线的平行电场和提高电流驱动效率，新设计了一套4电流带的天线阵，目前已经应用于EAST装置,相关数据还在进一步整理中。以上的实验结果为下一步EAST高功率、长脉冲实验打下了坚实的基础。