EAST ICRF天线真空馈口热-结构分析

EAST 超导托卡马克内真空室组件焊接数值模拟高大明、吴杰峰、肖唯物摘要：焊接过程的数值模拟是焊接技术从“技艺”走向“工程科学”的重要标志之一。

焊接的非平衡加热、冷却过程导致产生焊接应力与变形，严重影响焊接过程及结构的服役行为，是焊接结构研制过程中必须解决的关键技术问题之一。

本文利用焊接传热理论和Goldak 双椭球热源模型，采用SYSWELD 分析软件对EAST 超导托卡马克内真空室组件焊接温度场及应力、应变分布情况进行了初步数值模拟，并与焊接工艺试验结果和实际情况进行了验证和分析。

关键词： 热源模型 焊接温度场 焊接应力与变形 数值模拟0 序言作为先进制造技术中的一个重要的组成部分，未来焊接技术的发展将从“技艺”走向“工程科学”，而焊接过程数值模拟技术的发展是其重要的标志[1]。

目前在焊接领域的模拟对象主要包括温度、位移、应变、应力等。

而焊接非平衡加热和冷却过程中产生的焊接应力和变形，不仅影响焊接结构的制造精度，而且对结构的服役性能产生重大影响，所以焊接应力和变形才是模拟的最终对象，也一直是焊接领域广泛关注和研究的重要课题之一。

但是，焊接热过程的准确计算是焊接应力应变分析的基础，焊接热过程取决于外加热源的分布形式、被焊材料的热物理性能以及被焊件与周围的换热等因素。

经典的Rykalin 公式以点、线、面分布热源来模拟各种焊接热源，它存在一定的局限性。

焊接过程研究早期一直停留在二维水平上[2][3][4]。

近年来，随着计算机技术和有限元技术的发展以及有关焊接数值模拟软件的开发，焊接过程的三维数值模拟的研究成为该领域的研究前沿。

但由于焊接过程的复杂性，焊接过程的三维数值模拟仍停留在以典型接头作为研究对象，应用到实际焊接构件还存在一定的困难。

鉴于此，我们采用了焊接专用分析软件SYSWELD 对EAST 超导托卡马克内真空室两个1/16扇形段焊接过程进行实际数值模拟，并将模拟结果与试验件和真实情况对比分析，提出类似焊接结构件数值模拟应关注的几个问题。

收稿日期:2019-12-25基金项目:国家自然科学基金(项目号:11375233)作者简介:李家豪(1994 ),男,安徽合肥人,硕士,现主要从事I C R F 天线分析和设计方面研究通讯作者:杨庆喜,E -m a i l :y a n g q x @i p p.a c .c n 第41卷 第2期核科学与工程V o l .41 N o .22021年4月N u c l e a r S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n gA pr .2021E A S T 装置I C R F 天线电特性分析与优化研究李家豪1,2,杨庆喜1,*,宋云涛1,2,赵燕平1,张新军1(1.中国科学院等离子体物理研究所,安徽合肥230031;2.中国科学技术大学物理学院,安徽合肥230026)摘要:射频波加热是磁约束核聚变装置的重要加热方式㊂本论文基于E A S T 装置离子回旋共振(I C R F )加热天线结构和运行参数,运用高频分析方法对I C R F 天线开展电特性分析模拟,获得I C R F 天线射频电势和电场分布特性,初步评估了天线电特性㊂基于天线电场分布特性和分析结果,从天线结构和运行相位两方面对I C R F 天线电特性进行了优化,优化后通过分析结果表明:I C R F 天线射频鞘电势和电场均有很大的改善和降低㊂分析方法和结果为E A S T 装置I C R F 天线和其他同类装置设计㊁分析提供了有益的参考和借鉴㊂关键词:E A S T 装置;I C R F 天线;电场;射频鞘电势中图分类号:T L 63文章标志码:A文章编号:0258-0918(2021)02-0241-06A n a l y s i s a n d O p t i m i z a t i o n o f E l e c t r i c a l C h a r a c t e r i s t i c s o f I C R F A n t e n n a i n E A S TL I J i a h a o 1,2,Y A N G Q i n g x i 1,*,S O N G Y u n t a o 1,2,Z H A O Y a n p i n g 1,Z H A N G X i n ju n 1(1.I n s t i t u t e o f P l a s m a P h y s i c s ,C h i n e s e A c a d e m y of S c i e n c e s ,H e f e i o f A n h u i P r o v .230031,C h i n a ;2.S c h o o l o f P h y s i c a l S c i e n c e s ,U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l og y of C h i n a ,H e f e i o f A n h u i P r o v .230026,C h i n a)A b s t r a c t :R a d i o f r e q u e n c y w a v e h e a t i n g i s a n i m p o r t a n t h e a t i n g m e t h o d f o r m a gn e t i c -c o n f i n e d n u c l e a r f u s i o n d e v i c e s .B a s e d o n t h e s t r u c t u r e o f t h e I C R F a n t e n n a i n E A S Ta n d o p e r a t i n g p a r a m e t e r s ,t h i s p a p e r u s e s t h e h i g h -f r e q u e n c y a n a l ys i s m e t h o d t o s i m u -l a t e a n d a n a l yz e t h e R F p o t e n t i a l a n d e l e c t r i c f i e l d d i s t r i b u t i o n t o e v a l u a t e t h e e l e c t r i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e I C R F a n t e n n a p r e l i m i n a r i l y.T h e e l e c t r i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f I C R F a n t e n n a a r e o p t i m i z e d f r o m t h e a s p e c t s o f a n t e n n a s t r u c t u r e a n d o p e r a t i n g p h a s e o n a c -c o u n t o f t h e a n a l y s i s .T h e a n a l ys i s r e s u l t s s h o w e d t h a t b o t h t h e R F s h e a t h p o t e n t i a l a n d t h e e l e c t r i c f i e l d o f t h e I C R F a n t e n n a w e r e g r e a t l y i m p r o v e d a n d r e d u c e d a f t e r o p t i m i z a -t i o n .T h e a n a l y s i s m e t h o d s a n d r e s u l t s p r o v i d e u s e f u l r e f e r e n c e f o r t h e d e s i g n a n d a n a l y-142s i s o f E A S T I C R F a n t e n n a a n d o t h e r s i m i l a r d e v i c e s.K e y w o r d s:E A S T I C R F a n t e n n a;E l e c t r i c f i e l d;R F s h e a t h p o t e n t i a l为了满足氘氚热核聚变所需的劳逊判据的要求[1],同时保证托克马克中等离子体运行状态的稳定,辅助加热方式必不可少,目前托克马克中的辅助加热方式有中性束和射频波加热㊂离子回旋加热(I C R F)因其所在频段的大功率源设备技术发展相对成熟,且加热成本较低,而成为射频波加热的重要手段[2,3]㊂I C R F天线是I C R F系统的重要组成部分,其功能是将功率源发出的射频波能量传输㊁辐射至等离子体㊂为了将I C R F天线系统的能量高效地耦合进等离子体,必须控制杂质的引入保证天线的性能㊂杂质主要由高电场引起的打火和天线前部环向电场激发的射频鞘电势引入的㊂因此对天线前端法拉第屏蔽和电流带等重要部件电特性的模拟和研究必不可少㊂本文主要结合F E M利用高频分析方法,从控制杂质引入的角度对E A S T装置I C R F天线进行电特性分析,并基于分析结果从天线结构和运行相位两方面进行优化研究,从而实现对天线电特性的优化研究㊂1E A S T I C R F天线结构和分析模型E A S T超导托克马克中,B窗口安装的I C R F天线为2ˑ2排布的电流带,采用中间接地两端馈入的方式,最大功率为4ˑ1.5 MW,工作频段为20~70MH z,天线的材料均使用不锈钢316㊂天线结构如图1(上)所示,主要由中心导体电流带㊁背板㊁法拉第屏蔽(F S)㊁真空传输线㊁馈口以及限制器等构件组成㊂高频馈电由真空馈口接入,经特性阻抗为50Ω的同轴传输线到达电流带,中心导体电流带是用辐射功率的核心部件,也是高电场和杂质研究的重点;天线前端距离等离子体最近,由许多水平安装的不锈钢短导体构成的部件是法拉第屏蔽,对于减少杂质保护电流带具有重要作用,它能用来避免天线受到高能粒子的轰击,屏蔽不必要的场分量,改善天线周边的电磁场特性[4]㊂如图1(下)所示为天线在三维电磁仿真软件H F S S中的分析模型,为了更加贴近真实的天线与等离子体运行状况,将等离子体模型设定为弧形台状的结构㊂图1 E A S T装置I C R F结构模型和天线分析模型(a㊁b㊁c分别为侧视图㊁俯视图㊁主视图)F i g.1 A n a l y s i s m o d e l o f I C R F a n t e n n a i n E A S T (a,b,c a r e s i d e,t o p,a n d f r o n t v i e w,r e s p e c t i v e l y)a n d s t r u c t u r a l m o d e l2天线电特性分析2.1天线射频鞘电势分析根据分析和实验,目前核聚变装置使用的I C R F天线运行时,在天线两侧存在射频鞘,从而会在天线附近产生杂质,污染等离子体㊂射频鞘电势的形成是由于天线发出的射频波在金属导体之间产生交变磁通,进而形成电场,沿着路径对电场计算积分即得到电势差[5,6]㊂射频鞘的存在加速了刮削层(S O L)电子扩242散,损失在天线前端部件(主要是法拉第屏蔽两侧限制器)或者第一壁上,短时间内会形成相对稳定的环向射频电势差,然而其在径向上的电场却是快速变化的,当变化速度和强度达到一定程度时,还会形成EˑB 的剪切流,从而影响等离子体状态,使其轰击天线前部,增加杂质的产生㊂因此,减小射频鞘电势对于天线性能的提升大有益处㊂法拉第屏蔽对于屏蔽天线前端环向电场分量㊁控制杂质拥有独特的优势,并且经过验证,其对于耦合阻抗略有提升,有助于功率传输㊂目前F S 都已设计成开放式结构,且与总磁场方向一致,以减小射频电势及杂质的产生[7,8]㊂如图2.1.1为带有法拉第屏蔽,同相位馈入时的情况,对天线前部20mm 处射频鞘电势V R F 开展分析模拟,电势为对电场E 在沿着总磁场方向的线段上的路径积分,此处取未将F S 优化时的较恶劣情形,实际情况下的鞘电势应低于计算值㊂由图3所示,R F 电势极向分布基本对称,峰值均出现在电流带距离等离子体较近的高场区,达到约1600V ,中间区域电势较低且分布相对均匀㊂图2 带有F S ,同相馈电时,天线前20mm处环向电场分布及V R F 积分路径示意图F i g.2 T h e p a r a l l e l e l e c t r i c f i e l d d i s t r i b u t i o n a n d V R F i n t e gr a t i o n p a t h a t t h e f r o n t 20mm o f t h e a n t e n n a w h e n i n -p h a s e f e e d i n g wi t h F S 2.2 天线电场分析许多托卡马克实验中,都发现I C R F 天线在高功率运行时会出现热斑和击穿打火现象,图3 带有F S ,同相馈电时,天线前20mm侧边缘处R F 电势极向分F i g .3 T h e R F p o t e n t i a l p o l o i d a l d i s t r i b u t i o n a t t h e e d ge of t h e f r o n t 20m m s i d e o f t h e a n t e n n a w h e n w i t h F S产生的杂质会增大辐射损失从而大大影响天线性能,这与天线部件结构及其产生的高电场有关[9]㊂要保证天线安全平稳地输出大功率,必须减小天线表面的最大电压,国外的实验[8]给出了击穿电场的限值为:平行于环向磁场方向的电场分量E //约1.5MV /m ,垂直磁场分量E ʅ约3.5MV /m ㊂因此有必要计算天线金属部件表面的电场分布,并对高场区进行解析并优化,设置条件为四个端口同相馈电,电场值均为幅度值,不考虑相位周期变化带来的影响㊂由图4所示的(0,0,0,0)相位下,天线表面总电场分布和环向电场分布可知,总电场强度的最大值为2.21MV /m ,高电场区域主要集中在电流带极向端部以及同轴线馈入点附近;环向场最大值为1.36MV /m ,电场相对较高的区域主要集中在同轴线和电流带上与环向相垂直的端面㊂2.3 天线电特性优化(1)结构对天线电场的优化天线总电场的高场区主要分布在两个位置,如图5所示,第一个位置是电流带天顶方向最靠近等离子体的部分,这是电流带辐射电磁波最主要的位置,电流带该部分与法拉第屏蔽形成很大的感应电场;第二个高场位置分布在电流条带背面同轴线馈入点周边区域,这是同轴线所传输的横电磁波中与电流带表面平行的电场所致㊂针对上述两个高场区进行了结构342图4(0,0,0,0)相位下天线表面总电场分布(左)与环向电场分布(右)F i g.4 D i s t r i b u t i o n o f t h e t o t a l e l e c t r i c f i e l d(l e f t)a n d t h e t o r o i d a l e l e c t r i c f i e l d d i s t r i b u t i o n(r i g h t)a tp h a s e(0,0,0,0)o n t h e a n t e n n a s u r f a c e 优化,如图6所示,将电场强度最高的靠近端部的位置上对应的法拉第屏蔽条由上到下依次前移5mm㊁10mm㊁5mm;同时,考虑如图7所示的电流带与同轴线连接处需要承受大强度功率,于是将原来的金属矩形板修改为面积更大的圆形金属板㊂对结构优化后的天线进行电场分布和R F电势的计算,其结果如图8和图9所示㊂天线的总电场和环向场高场分布位置没有太大改变,这是天线构成和辐射规律决定的,但最大值都得到了较大的改善,总场最大值降低到1.79M V/m,环向场最大值则降低到1.05M V/m㊂由R F电图5(0,0,0,0)相位下天线表面总电场高场区域F i g.5 H i g h f i e l d a r e a o f t h e t o t a l e l e c t r i c f i e l d a tp h a s e(0,0,0,0)o n t h e a n t e n n a s u r f a ce图6修改前后端部法拉第屏蔽条位置F i g.6 T h e p o s i t i o n o f t h e F S p i p e a t t h e e n d b e f o r ea n d a f t e r m o d i f i c a t i o n s t r a p f e e d i ng图7修改前后电流带馈入金属板结构变化F i g.7 S t r u c t u r a l c h a n g e s o f t h e c u r r e n t m e t a lp l a t e b e f o r e a n d a f t e r t h e m o d i f i c a t i o n势的分布对比可见,分布趋势没有变化,但V R F整体得到了显著的降低,峰值约降低为结构优化前的50%㊂可见,在特定位置,F S与电流带的间距对电场高场和R F电势值影响很大㊂(2)相位对天线电场的影响对于多电流带天线,不同的电流相位会带来不同的极向和环向功率谱,对波加热产生影响㊂从杂质的角度来看,不同的电流相位组合带来的电场分布也差别很大,此处给出了改进后的天线在不同相位下电场总场和环向场的最大值㊂如表1所示,在1㊁2㊁3㊁4四个端口442图8 结构修改后(0,0,0,0)相位下天线总电场分与环向电场分布F i g.8 T h e t o t a l e l e c t r i c f i e l d d i s t r i b u t i o n a n d t h e t o r o i d a l e l e c t r i c f i e l d d i s t r i b u t i o n o f t h e a n t e n n a a tp h a s e (0,0,0,0)a f t e r s t r u c t u r a l o pt i m i z a t i o n 以(0,π,π,0)馈电时,总场和环向场最低;(0,π,0,π)时的最大总场值很高㊂表1 不同相位下天线电场总场与环向场的最大值T a b l e 1 M a x i m u m v a l u e s o f t h e t o t a l a n t e n n a e l e c t r i cf i e l d a n d t h e t o r o i d a l f i e l d u n d e r d i f f e r e n t p h a s e s条带相位E m a x/(MV /m )E ///(MV /m )(0,0,0,0)1.791.05(0,0,π,π)1.030.94(0,π,π,0)0.780.84(0,π,0,π)4.450.93图9 结构修改对射频电势的影响F i g .9 T h e e f f e c t o f s t r u c t u r a l o pt i m i z a t i o n o n V R F 对比两种相位下电流带的电流密度矢量分布,如图10所示,可知电流密度主要在电流带边缘及接地处较大;相位为(0,π,π,0)时电流密度较大,极向相邻电流带电流同向,环向相邻电流带电流反向,因此在面向天顶方向的四根电流带上的电场一定程度上相互抵消,磁场加强;相应的在(0,π,0,π)时电流带电流全部同方向,因此电场加强,电流密度较小㊂所以,仅从抑制高场和杂质的角度来看,对于E A S T B 窗口的这款天线,不适合采用(0,π,0,π)的加热相位㊂图10 (0,π,π,0)和(0,π,0,π)相位下电流带电流密度矢量分布F i g .10 T h e c u r r e n t d e n s i t y ve c t o r d i s t r i b u t i o n of t h e c u r r e n t s t r a p at (0,π,π,0),(0,π,0,π)542图10 (0,π,π,0)和(0,π,0,π)相位下电流带电流密度矢量分布(续)F i g .10 T h e c u r r e n t d e n s i t y ve c t o r d i s t r i b u t i o n of t h e c u r r e n t s t r a p at (0,π,π,0),(0,π,0,π)此处计算了典型相位(0,0,π,π)和同相位时的R F 电势极向分布,如图11,可见转换为(0,0,π,π)相位时,R F 电势整体的降低,最高值则低于同相时最高值的40%㊂图11 相位对射频电势的影响F i g.11 T h e e f f e c t o f t h e p h a s e o n t h e R F p o t e n t i a l 3 总结本文通过对E A S T 装置I C R F 天线进行电特性相关计算,得到天线侧边缘处射频鞘电势的极向分布以及天线表面的电场分布㊂基于分析结果,从天线结构和运行相位两方面对该天线进行电特性优化,分析结果表明,天线结构的改进使得同相时总电场最大值由2.21M V /m降低到1.79M V /m ,环向场最大值则由1.36MV /m 降低到1.05MV /m ,射频鞘电势分布整体上也得到了显著的改善,V R F 峰值约降低了50%;相位对电场分布影响很大,(0,π,π,0)时的总场和环向场最低,而(0,π,0,π)的最大总场很高,不适合作为加热相位,(0,0,π,π)相位下的射频鞘电势分布比同相时得到显著改善,V R F 最大值降低了约60%㊂上述分析方法和计算结果为E A S T 装置I C RF 天线和其他同类装置的设计㊁分析提供了有益的参考和借鉴㊂参考文献[1] 袁保山,姜韶风,陆志鸿.托卡马克装置工程基础[M ].北京:原子能出版社,2011.[2] 石秉仁.磁约束聚变原理与实践[M ].北京:原子能出版社,1999.[3] 邱励俭.聚变能及其应用[M ].北京:科学出版社,2008.[4] 杨庆喜,宋云涛,武松涛,等.E A S T I C R F 天线法拉第屏蔽的电磁分析[J 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有源相控阵天线机电热耦合建模、误差分析与优化设计有源相控阵天线是一种具有高效、灵活和可靠性的无线通信技术，广泛应用于雷达、通信和无线电导航系统等领域。

然而，在实际应用中，由于机电热耦合效应以及系统误差的存在，会对天线的工作性能造成影响。

因此，必须对有源相控阵天线的机电热耦合进行建模、误差分析与优化设计，以确保天线性能的稳定和可靠。

有源相控阵天线的机电热耦合效应主要是指在天线工作时，由于电流通过导线和电阻产生的热量，会导致天线材料的热膨胀和变形，从而影响天线的辐射性能。

为了理解和分析这种效应，我们需要建立机电热耦合的数学模型。

首先，在建模过程中，我们需要考虑天线结构的几何形状、材料特性以及电磁场分布等因素。

通过分析电磁场的传输过程和能量吸收与释放，可以得到导致机电热耦合效应的主要因素。

其次，我们需要考虑机械结构的热膨胀和变形对天线性能的影响。

在热膨胀方面，主要包括材料的热膨胀系数、温度变化和材料之间的约束等因素。

在变形方面，需要考虑材料的弹性模量、材料的长度和形状变化等因素。

通过考虑这些因素，可以建立准确的机电热耦合模型。

然后，我们需要对机电热耦合误差进行分析。

误差来源主要包括金属材料的线性热膨胀误差、机械结构的非线性变形误差以及热突变误差等。

通过分析这些误差来源，可以定量评估机电热耦合误差的大小和影响程度。

最后，我们需要进行优化设计，以减小机电热耦合误差对天线性能的影响。

在设计过程中，可以采用一些方法来优化天线的结构和材料选择。

例如，通过选择热膨胀系数较小的材料，可以减小因材料热膨胀而引起的变形误差。

另外，可以通过改变天线结构的形状和尺寸，来减小机械结构的变形误差。

同时，还可以通过优化热管理系统，控制天线的工作温度范围，从而减小热突变误差。

综上所述，有源相控阵天线的机电热耦合建模、误差分析与优化设计是确保天线性能稳定和可靠的重要工作。

通过建立准确的机电热耦合模型，分析误差来源，并进行优化设计，可以减小机电热耦合误差的影响，提高有源相控阵天线的性能。

EAST ECRH天线镜面转动机构设计与研究的开题报告一、课题背景EAST（Experimental Advanced Superconducting Tokamak）是我国目前最大的超导托卡马克装置，其自主知识产权的ECRH（Electron Cyclotron Resonance Heating）系统是对于实现等离子体加热、控制和诊断而言非常重要的一部分。

其中，ECRH天线是实现等离子体内部加热的关键设备，其镜面转动机构作为调节天线发射功率方向的重要组成部分，具有重要的意义。

因此，对该机构的设计与研究具有一定的现实意义。

二、研究目标本项目旨在设计一种满足EAST ECRH系统要求，具有良好稳定性和可靠性的天线镜面转动机构，并对其结构特点、力学性能、材料选用和制造工艺等进行研究。

三、研究内容1. 天线镜面转动机构结构设计根据EAST ECRH系统要求，分析机构负载特点和动力学方程，设计出符合力学要求、稳定性好的天线镜面转动机构结构，并进行相应的力学分析。

2. 材料选用与制造工艺研究研究机构所需材料的特性与应用范围，选择合适的材料，并根据材料属性制定相应的加工工艺和工艺参数。

3. 机构动态性能测试对设计好的天线镜面转动机构进行动态测试，检验其动态响应性能、稳定性、精度等性能指标，确保机构符合功能要求。

四、研究意义研究天线镜面转动机构在EAST ECRH系统中的应用，旨在为加快我国核聚变技术的进步，推动科技创新，提高我国的核聚变技术水平，提供有力的技术支持和保障。

五、预期成果本项目的预期成果包括一种符合EAST ECRH系统要求的天线镜面转动机构设计方案，以及相应的制造工艺和动态测试报告，为相关领域研究提供一定的参考价值和理论基础。

EAST离子回旋天线的理论设计与研究的开题报告一、选题背景随着卫星通信、无线电导航、地球物理勘探等领域的不断发展，天线技术得到了广泛的应用和研究。

其中，离子回旋天线（Ionospheric Plasma Wave Antenna，简称IPWA）以其独特的性能在宇航领域发挥着重要的作用。

IPWA是一种利用地球离子层裂变释放的等离子体波进行无源接收或被动发射的天线，其结构特点是在空间中留有一定的电荷密度，较传统的金属天线具有更好的磁感应线的敏感度和方位特征。

许多国家已经开始了IPWA的研究工作，但在设计与研究方面的深度和广度还需进一步加强。

二、研究目的和意义本文将探究IPWA的设计与优化方法，为实现其在卫星通信和地球物理勘探等领域的更广泛应用提供理论基础和技术支持。

具体目标是：1. 建立IPWA的理论模型，分析其特性和接收效率。

2. 通过MATLAB等数值仿真工具，进行IPWA的数值优化设计，使其性能达到最优。

3. 利用实验验证方法，检验仿真结果的正确性，并寻找进一步优化的策略，为IPWA的实际应用提供技术支持。

三、研究内容和方法1. 离子回旋天线的相关理论研究，包括物理模型的建立、等离子体波传播机理的分析等。

2. 利用有限元方法建立IPWA的数值模型，运用MATLAB和COMSOL Multiphysics等仿真软件进行模拟分析，探讨不同参数下的天线性能。

3. 完成IPWA的实验验证工作，包括有源接收实验、被动发射实验等，根据实验数据进行分析，验证所得到的数值仿真结果的准确性。

四、研究进度安排本研究计划在三年内完成。

详细进度安排如下：第一年：1. 完成IPWA的物理模型构建，分析等离子体波的传播机理。

2. 完成IPWA的理论推导，并基于MATLAB进行初步仿真验证。

第二年：1. 基于COMSOL Multiphysics软件进行IPWA的数值优化设计。

2. 开展IPWA的实验验证工作，并提出进一步优化策略。

EAST离子回旋天线测量及天线与边界等离子体相互作用的研究离子回旋(ICRF)波加热是目前磁约束核聚变装置中重要的辅助加热手段之一,其对等离子体加热的有效性已经在EAST和其它装置上得到了验证。

ICRF天线作为离子回旋系统的重要部件,直接面向等离子体,天线的耦合性能与加热效果受边界等离子体参数的影响,同时,离子回旋天线也对边界等离子体参数分布产生重要的影响。

本文旨在研究ICRF天线与边界耦合以及天线与等离子体的相互作用,课题研究工作分为两部分:离子回旋天线阻抗测量系统的搭建与耦合阻抗的测量,以及天线与边界等离子体相互作用的实验及模拟研究。

首先,在EAST 装置上搭建了一套基于电压探针和电流探针的天线阻抗测量系统,论文对该测量方法原理、测量系统组成部件进行论述。

对该测量方法的可能的误差来源做了分析,并模拟了测量误差对测量结果的影响,结果表明:该测量方法对相位精确性要求较高,微小的相位误差(小于2°)导致的阻抗计算结果偏差较大;而对于输入阻抗虚部较小的负载,相位误差引起的阻抗计算偏差较小。

在低功率条件下对阻抗测量系统进行了测试,结果表明:对于反射系数模值越大的负载,相对耦合阻抗测量误差越大,对于反射系数大于0.9的负载,相对耦合阻抗误差可能超过100%;相比幅值测量误差,相位测量误差是导致阻抗偏差大的原因,这与误差模拟结果是吻合的。

其次,基于功率和传输线电压、电流与相位的固有关系,本文提出了一种利用功率和电压、电流计算相位值,并进一步计算天线阻抗的方法。

模拟误差分析表明,改进后的阻抗计算方法对所需物理量的测量精度要求较低:10%的功率测量误差导致的阻抗计算结果偏差小于10%,改进后的阻抗计算算法能够给出较为可靠的阻抗结果。

最后,论文以阻抗测量系统为诊断工具,在EAST上开展了 ICRF耦合研究,分析了不同物理参数(芯部电子密度、gap、充气、离子回旋功率等)对天线耦合阻抗的影响,所得到的分析结果与理论值相吻合。

EAST真空室本体研制报告编制：陈忠海审核：诸宝飞批准：孔德望上海加隆电子高能物理开发有限公司二00四年六月EAST真空室本体研制报告1、任务来源及研制过程本公司于2002年7月24日与中国科学院等离子体物理研究所签订了制造EAST（HT-7U）真空室本体的合同（合同号：（2002）合沪字1010400）。

随后，迅即组织了由从事军品设计、制造数十年并参予兰州重离子加速器制造、安装，北京对撞机，合肥科大同步辐射装置制造的部分高级工程师、高级技师、高级焊工组成的精干队伍。

同年8月正式开展工作，传达了任务，制订了工作计划，确定了工作方针研究消化了设计图纸，落实了真空室段内外壳成形，焊缝射线检测等外协工作。

9月完成了产品焊装型架设计。

10月完成了焊接工艺评定准备工作，选定了焊接参数，确定了焊接坡口形式，摸清了焊接收缩量。

编写了产品制造工艺。

11月1日进行了工艺评审。

11月下旬完成了焊装型架制造。

真空室的内、外壳的大小弧段也陆续制造了出来。

12月初开始了首段真空室段的装配焊接。

2003年1月中旬完成了首个真空室段的制造，紧接着又进行了振动时效处理，端面机械加工，整体漏率检测。

到2003年3月27日完成了首段真空室的最后一道工序，内外表面的电化学抛光和机械抛光。

首个真空室段从开始装配到焊好下架共用了40多天的时间。

显然按这样的进度是不能满足要求的。

于是在2003年3月增添了操作人员和设备，并对前一段工作进行了总结，从而加快了制造真空室段的进度。

由于工人师傅不畏严寒酷暑，加班加点地工作，到2003年12月初就完成了全部16个真空室段的制造。

平均每13天就有一台新的真空室段被制造了出来。

在制造真空室段的同时，于2003年8月进行了真空室段预成环的工装设计和制造，成环工装于今年1月6日运回公司场地。

接着就开始了真空室段的预成环工作。

经过努力，克服各种困难，预成环工作于4月25日结束。

4月28日产品运至所里，“5.1”节假日以后对全部真空室段进行了清洗，烘干和检漏。

EAST ICRF天线法拉第屏蔽的热-结构分析杨庆喜;宋云涛;武松涛;王成浩;赵燕平【摘要】The Faraday shield is one of the important components in the ion cyclotron resonance frequency (ICRF) heating antenna of EAST. In the physical experiment process, the Faraday shield which is located in the vacuum chamber facing plasma, will endure high heat loads. In consideration of the structural safety of the Faraday shield of EAST ICRF antenna, the thermal analysis for the actively cooled tube of the Faraday shield was performed using the finite element method (FEM) under different cooling water velocities. The results of temperature distribution on the Faraday shield tube under different water velocities were presented and studied. Then the structural analysis for the Faraday shield cooled tube was done applying the thermal-structural coupling method. The results of stresses and displacements on the Faraday shied tube under different water velocities were obtained and studied. Results of the stresses and displacements on the Faraday shield cooled tube will provide theoretical guidance for physical experiments in the future. In addition, the structure of the Faraday shield cooled tube was optimized, and the same analyses were performed for the new Faraday shield tube using the identical methods under the same conditions. Results of the analysis demonstrate that the new Faraday shield tube is better than the original one, and will provide theoretical guidance for the optimization of Faraday shield cooled tube in the future. The methods of analysis will also give a useful referencefor the other similar devices.%在EAST ICRF天线中,法拉第屏蔽是ICRF天线中的一个非常重要的部件.实验时,它位于真空室内直接面对等离子体,将承受着很大的热负荷.基于EAST ICRF天线法拉第屏蔽结构的安全性,本文利用有限元的方法,首先对热负荷最大的法拉第屏蔽冷却管道在不同水流速下进行热分析,考察在不同水流速工况下法拉第屏蔽冷却管道上的温度分布情况,再通过热-结构耦合方法对法拉第屏蔽冷却管道进行结构分析,了解法拉第屏蔽在不同水流速下的应力大小和分布情况,分析结果为未来EASTICRF天线实验提供理论指导.另外,对法拉第屏蔽冷却管道结构进行了优化改进,并对优化改进后的法拉第屏蔽冷却管道在相同工况下进行了热和热-结构分析,分析结果确定了优化改进后的法拉第屏蔽冷却管道结构的优越性,分析数据为未来法拉第屏蔽冷却管道的优化改进提供理论指导,分析方法为其他同类装置提供有益的参考.【期刊名称】《原子能科学技术》【年(卷),期】2011(045)006【总页数】6页(P710-715)【关键词】ICRF天线;法拉第屏蔽;冷却管道;热分析;热-结构耦合分析【作者】杨庆喜;宋云涛;武松涛;王成浩;赵燕平【作者单位】中国科学院等离子体物理研究所,安徽合肥230031;中国科学院等离子体物理研究所,安徽合肥230031;中国科学院等离子体物理研究所,安徽合肥230031;中国科学院等离子体物理研究所,安徽合肥230031;中国科学院等离子体物理研究所,安徽合肥230031【正文语种】中文【中图分类】TL624若要实现EAST 1 000 s以上的稳态先进模式运行的最终物理目标,离子回旋共振(ICRF)加热是一种不可缺少且非常重要的加热手段。

EAST 降温过程中的保护压强设置2006年2月15日真空的作用主要是热绝缘从热绝缘的角度考虑，要求残余气体处于分子流态，根据文献1][W d TKS Q ∆=，所以Q(K)；()V C K ηγ5941-=，所以K(η)；⎪⎭⎫ ⎝⎛+=T C v /11499.0λρη，其中， MT v 601.4=，T Mp 110203.1-⨯=ρ，由于分子流态，平均自由程~d ，λρ不再是常数，因此Q(P)。

此时，知道冷热壁的间距，冷面的面积，假设残余气体全是He ，即可计算。

根据文献2和HT-7的实际运行经验，压强不超过10-3Pa 水平即可满足要求。

EAST 通电过程中的保护压强设置真空的作用除热绝缘外，另一重要作用是电绝缘。

此方面的耽心主要是：在EAST 的外真空室由于外漏或内漏造成压强突然上升时，可能在电极间会发生Townsend 放电，演化到弧光放电后如果对管路造成损坏，气压进一步上升，形成恶性循环，造成恶性后果。

1 Townsend 放电31.1 He 放电图 1 4He 的Paschen 曲线图1给出了氦的放电曲线。

1atm=2.7E25m-3，5mm 间距下，80Pa 对应1020m -2，击穿电压达1万伏，1m 间距下，0.4Pa 对应1020m -2，击穿电压达1万伏。

1.2 N2放电图 2 N2的Paschen曲线图2给出了氮的放电曲线。

1atm=2.7E25m-3，5mm间距下，8Pa对应1019m-2，击穿电压超10万伏，1m 间距下，4E-2Pa对应1019m-2，击穿电压超10万伏。

1.3其它因素的影响1.3.1非均匀电场；强烈非均匀电场下，不直接产生击穿，但常常产生电晕。

这发生在较高的气压下。

1.3.2磁场；强磁场会将击穿电压最低点明显左移。

[1] 磁场会约束电子回旋运动增长运动轨迹，降低击穿电压。

但以上原因一般在100kV以上电压绝缘，才会有明显影响。

图3给出磁场下绝缘性能，可见击穿电压主要决定于Townsend放电过程。