核聚变用兆瓦级回旋管动态不稳定性及其抑制方法研究

High power gyrotrons are one kind of Vacuum Electron Devices (VEDs) capable of generating megawatt continuous microwave output in the frequency range of ~100GHz. They are widely used in electron cyclotron resonance heating, current-driven, stability control and diagnosis in the magnetic confinement nuclear fusion reactor. At present, the efficiency of most of the fusion gyrotrons is below 50%, and some of them encounter instabilities such as low-frequency oscillation and electron ablation. These instabilities further influence the gyrotron efficiency and long-term stable operation. Nowadays, the research on high power fusion gyrotrons has been carried out in China, however, the research on the dynamic instability problem has not been studied yet. This program will study the generating principles and suppression methods of dynamic instabilities in fusion gyrotrons, create theoretical models for these non-ideal factors and simulation methods for these instabilities. We focus on these physical conditions which could generate trapped electrons and the generating and suppressing mechanisms of dynamic instabilities. This program will provide theoretical support for the long-life and stable design of MW class fusion gyrotrons.

大功率回旋管是一种能够在百GHz频率范围内产生兆瓦级连续微波输出的真空电子器件，被广泛应用于磁约束核聚变反应堆中等离子体的电子回旋共振加热、电流驱动、稳定性控制和诊断，是反应堆的关键部件之一。目前，大部分核聚变用回旋管的能量效率都低于50%，并且部分回旋管在工作中遇到了低频振荡和烧蚀等不稳定性问题，进一步限制了回旋管高效率运行。目前，国内对用于核聚变的兆瓦级回旋管的研究已经初步展开，然而对其动态不稳定性的研究还处于空白阶段。本项目将针对回旋管中动态不稳定性的产生机理及其抑制方法展开研究，建立非理想因素模型和不稳定性仿真平台，重点探索回旋管中受陷电子产生的物理条件和不稳定现象产生与抑制机理，为核聚变用兆瓦级连续波回旋管长寿命和高稳定性设计提供理论基础和关键技术支持。

基于电子回旋脉塞原理的回旋管是高功率微波器件一个重要分支，具有能够产生高频高功率微波的显著优势。在前苏联应用物理研究所研制成功后，由于其在军事和民用领域的应用前景，众多国家的研究人员开展了回旋管的研究工作，并取得了显著的成果。目前，回旋管是唯一能够在百GHz频率上，产生兆瓦级连续波的微波源，最为典型的应用是在核聚变装置中作为电子回旋共振加热的功率源把等离子体加热到1-2亿摄氏度，使两个原子核具有足够的动能来克服其库伦势垒而融合到一起，实现核聚变，如W7-X、EAST、ITER和DEMO中的兆瓦级回旋振荡管。.效率与稳定性是大功率回旋管的两个关键指标，大部分用于核聚变等离子体加热的回旋管效率都低于50%，并且部分在实验过程中遇到了不稳定性问题，例如百MHz低频振荡和不明原因部件烧蚀。回旋管中的非理想因素被认为是回旋管中动态不稳定现象产生的重要原因。在实际运行中，将会导致产生受陷电子，这些电子将会降低回旋管电子束质量甚至引起不稳定性。.本工作首先分析了回旋管非理想因素对电子光学系统初始速度分布的影响和有害受陷电子产生与累积机理，包括热发射、发射极表面粗糙度、电子电流发射不均匀性、电子枪磁镜效应以及电子束-微波相互作用导致的电子在电子枪与互作用腔中受陷现象。采用理论分析与仿真优化的方法设计了两种回旋管电子枪作为不稳定性研究的对象，包含传统电子枪和同轴电子枪。利用高性能服务器和三维全电磁计算软件建立了电子枪与束-波互作用腔联合PIC模拟平台和仿真模型。分析并仿真验证了两种回旋管中动态不稳定性产生机理包括90MHz电子群聚低频振荡和175MHz同轴回旋管本征TEM模式振荡。最后根据理论分析和仿真对比计算给出了大功率回旋管电子枪高稳定性设计原则。