SUNIST上的微波预电离与电极辅助启动等离子体.doc

SUNIST上的微波预电离与电极辅助启动等离子体 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 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”——SUNIST(Sino-UNIted Spherical Tokamak)是一个非传统的球形托卡马克装置。 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。 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，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 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。 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。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。 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