一种分立式可调波模组分离子回旋共振加热天线

本发明涉及应用于高束流直线等离子体源等领域的离子回旋共振加热设计，不同于托卡马克中的离子回旋共振加热，直线装置中天线置于石英管外不与等离子体接触。主要涉及一种分立式可调波模组分离子回旋共振加热天线。

背景技术：

1、作为占宇宙中物质90％以上的物质第四态，等离子体越来越得到世界各国科研院校和企业界的关注。等离子体主要通过直流、射频、微波等电离气体得到。在等离子体激发和加热过程中，能量需要用不同的天线进行馈入，天线结构影响等离子体电子温度、密度等参数以及耦合效率。特殊情况下不合理的天线会造成能量反射过大导致设备损坏甚至威胁操作人员的安全。目前，等离子体加热领域主要有两种天线：平面式天线，即天线单面面向等离子体且承受等离子体的轰击；贯穿式天线，即等离子体在环状天线中间激发。

2、就直线等离子体源装置中的离子回旋共振加热(icrh，ioncyclotronresonanceheating)来说，慢波(slowwave)电场极化与离子回旋方向一致，在两者频率接近时电磁波的能量能够有效地传递给离子，这种等离子体加热方式比通过加热电子进而碰撞加热离子效率要高，是一种广泛用于核聚变、直线等离子体源和等离子推进等领域的提高等离子体能量的方式。然而，磁化等离子体中的低频电磁波通常不只有慢波组分，还存在快波模式。快波极化方向与离子回旋方向相反，并不会加热离子。目前，大多数icrh实验装置采用螺旋双带四分之一扭转天线配置，这种天线能够激发慢波，然而并不能改变波模组分，无法使慢波在电磁波中占比最大化。如何使得icrh加热天线激发以慢波为主的电磁波成为一个重要课题。此外，不同占比的快、慢波也有利于研究离子回旋频率范围内波与带电粒子之间更深层次的物理。

技术实现思路

1、为了解决现有技术所存在的不足，本发明提供了一种分立式可调波模组分离子回旋共振加热天线，两段天线间距20-200mm可调，天线电流之间相位差-π/2～π/2，该天线设计可有效提高波与等离子体耦合效率，该天线与等离子体之间有绝缘材料隔离，等离子体不与天线直接接触，有利于提高天线服役寿命。

2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种分立式可调波模组分离子回旋共振加热天线，包括第一射频源，第二射频源，第一加热天线，第二加热天线，绝缘管；第一加热天线和第二加热天线一同套在绝缘管上，第一加热天线和第二加热天线的一端均接地，另一端分别接入完全相同的第一射频源，第二射频源；第一加热天线和第二加热天线为两段分立式结构，两段分立式结构在绝缘管上交错安装。

4、进一步地，第一射频源，第二射频源的频率均为500khz,放电气体采用氩气。

5、进一步地，第一加热天线和第二加热天线采用两路射频输入，通过第一射频源，第二射频源来改变电流相位。

6、进一步地，第一加热天线和第二加热天线的半径根据等离子体有效尺寸确定，不局限于某一固定尺寸。

7、进一步地，第一加热天线和第二加热天线间隔20-200mm可调。根据射频工作效率或放电气体的特征频率进行调整，具有良好的通用性。

8、进一步地，第一加热天线和第二加热天线采用两路射频输入，且输入两路激励有相位差。

9、进一步地，第一加热天线和第二加热天线交错安装，便于功率馈入且可确保天线之间的电场有效加速离子。

10、进一步地，对不同尺寸的等离子体均能有效加热。

11、本发明中天线采用无氧铜或紫铜材质的细长管制作，也可以使用其他导热性和延展性较好的材料代替。两段细长管尺寸保持一致，直径范围5-10mm，壁厚范围1-2mm。天线的半径可根据设计的等离子体直径确定，单个天线引出两个接线端。两段天线同轴且接线端交错安装，避免靠得太近引起打火现象。两接线端分别接两路射频馈入和接地。

12、本发明的优点主要在于：

13、相较于传统的贯穿式离子回旋共振加热天线，本发明中的天线能够根据电流相位差来调整所激发电磁波的波模组分，相较于传统离子回旋共振加热天线(如螺旋双带四分之一扭转天线)激发的电磁波，本发明能够激发出不对等的(80％的m＝-1波模和20％的m＝1波模)波模组分，从而对离子进行更好的加热。本发明没有螺旋结构，便于制作。等离子体不与天线直接接触，具有较高的服役寿命。同时分立天线间距以及半径均不是固定尺寸，具有良好的通用性。

技术特征：

1.一种分立式可调波模组分离子回旋共振加热天线，其特征在于：包括第一射频源(1)，第二射频源(2)，第一加热天线(3)，第二加热天线(4)，绝缘管(5)；第一加热天线(3)和第二加热天线(4)一同套在绝缘管(5)上，第一加热天线(3)和第二加热天线(4)的一端均接地，另一端分别接入完全相同的第一射频源(1)，第二射频源(2)；第一加热天线(3)和第二加热天线(4)为两段分立式结构，两段分立式结构在绝缘管(5)上交错安装。

2.根据权利要求1所述的一种分立式可调波模组分离子回旋共振加热天线，其特征在于：第一射频源(1)，第二射频源(2)的频率均为500khz，放电气体采用氩气。

3.根据权利要求1所述的一种分立式可调波模组分离子回旋共振加热天线，其特征在于：第一加热天线(3)和第二加热天线(4)采用两路射频输入，通过第一射频源(1)，第二射频源(2)来改变电流相位。

4.根据权利要求1所述的一种分立式可调波模组分离子回旋共振加热天线，其特征在于：第一加热天线(3)和第二加热天线(4)的半径根据等离子体有效尺寸确定，不局限于某一固定尺寸。

5.根据权利要求1所述的一种分立式可调波模组分离子回旋共振加热天线，其特征在于：第一加热天线(3)和第二加热天线(4)间隔20-200mm可调。

技术总结
本发明公开了一种分立式可调波模组分离子回旋共振加热天线，包括射频源、加热天线和绝缘管。本发明中等离子体进入天线位置时，被天线激发的电磁场有效加热。通过射频(RF)源来调整两天线电流的相位，电流相位相差±90°分别对应等离子体中m＝±1波模占主导，两种波分别对应电子、离子的加热。等离子体不与电极直接接触，具有较高的服役寿命。同时两天线的半径以及间距可以随工作频率或放电工作气体的特征频率进行更改，具有良好的通用性。

技术研发人员：杨鑫,景东,周海山,罗广南,牛国鉴,徐倩
受保护的技术使用者：中国科学院合肥物质科学研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13