HL-2M装置强场侧低杂波非均匀波导缝隙天线研究

Efficient off-axis current drive scalable to reactor is a key technology for developing economical, steady state tokamak. Launching lower hybrid (LH) waves from the high field side (HFS) of a tokamak offers significant advantages over low field side (LFS) launch. The higher magnetic field opens the window between wave accessibility and the condition for strong electron Landau damping, allowing LH waves to penetrate into the core of a burning plasma with a higher current drive efficiency. Further, it potentially mitigates plasma material interaction (PMI) and coupling issues. For this work, we are planning to study the HFS LHCD on HL-2M tokamak based on the slotted waveguide antenna conception. The relationship between reflection coefficient and the parallel reflect index and the edge plasma parameters is expected to be envisaged. Further, such a study would push the investigation of HFS wave launching on actuators.

有效的非感应离轴电流驱动是未来聚变堆必须解决的关键技术问题。相对于弱场侧注入，强场侧低混杂波注入不仅具有更深的穿透深度和更高的电流驱动效率，而且能够减小等离子体与天线材料的相互作用。为解决强场侧低杂波注入带来的巨大工程问题，本项目拟依托HL-2M装置，结合强场侧注入波加热物理优势和波导缝隙天线的工程优势，首次将波导缝隙天线应用到强场侧。利用微波射线追踪方法，研究强场侧低杂波注入性能，得到优化的注入位置和平行折射率；基于波导缝隙天线(SWA)概念，设计3.7GHz强场测注入天线。使用创新的非均匀开槽形式，提升辐射均匀性和功率容量。该项研究不仅为低纵场托卡马克装置(HL-2A、HL-2M、DIII-D)，提升低杂波电流驱动效率有重要意义，而且可为未来聚变堆（CFETR、DEMO等）无感电流驱动系统设计提供重要参考。

有效的非感应离轴电流驱动是未来聚变堆必须解决的关键技术问题。相对于弱场侧注入，强场侧低混杂波注入不仅具有更深的穿透深度和更高的电流驱动效率，而且能够减小等离子体与天线材料的相互作用。为了解决强场侧低杂波天线的工程技术问题，项目开展了强场侧天线和极向裂隙波导天线相关技术研究，研究了HL-2M装置参数条件下的低杂波先进天线可行性，应用极向裂隙波导天线技术，设计了符合HL-2M装置参数的低杂波强场侧天线；微波功率通过隔离窗口进入装置，然后通过一个1分4功率分配器平均分成4路，之后分别过渡到偏滤器下方狭窄区域，通过偏滤器位置，向上传输并经过扭转，形成平行方向电场，最后通过阵列形式发射至装置中。天线进口主波导为BJ32标准波导尺寸，72.14mm×34.04mm；经过功分后的子波导宽边不变，窄边调整为7mm；天线经优化后的主要微波参数为：S11=-28.8dB；每路微波的传输参数S21在-8.31dB至-9.66dB之间,功分相对均匀,相邻子波导相差为90°。在发射窗口处沿极向上开两个缝隙孔作为两个有源子波导，两层缝隙之间距离4.89mm；天线发射结构为有-无源间隔波导阵列（PAM）形式，有源波导的高和宽分别为43.8mm和7mm，中间和两侧的无源波导的宽分别为16.8mm和 15mm，壁厚为2mm，使用ALOHA代码对天线波谱进行了分析和计算，得到的功率谱主瓣峰值位置为N\\=2.2，反射系数小于2%，方向性系数大于0.59。