CN113301702A - 一种行波天线等离子体源 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种行波天线等离子体源，由六个环形天线构成，放在真空室外；前端的第一个天线接射频源作为电源馈入端，中间四个天线短路作为耦合端，末端天线接50Ω假负载作为吸收端。本发明可以获得高耦合效率且反射低的射频等离子体源，耦合效率可以达到100％，反射功率可以降到零。
Description
技术领域
本发明涉及一种等离子源，特别是一种行波天线等离子体源。
背景技术
等离子体是整体呈电中性，由正负离子和中性气体组成的多粒子体系。其中，高温等离子体研究的主要目的是实现受控核聚变，解决人类未来的能源问题。因此，实验室条件下有效产生等离子体源的方法显得尤为重要。
目前实验室条件下的等离子体主要通过电离中性气体来产生的。通常情况下中性气体是不导电的绝缘介质，如果将两个电极片置于气体中，加上适当的电压，气体会被击穿产生巨大的电流，这种气体加上电压而形成巨大电流的现象叫做气体放电。根据电源的不同可以分为直流放电、交流放电。交流主要是射频放电，直流还可以分为匀强电场放电和非匀强电场放电。
纵观现在射频放电产生等离子体的方法，几乎都有一个通病——射频源能量不能很好的耦合到等离子体中或输入功率随等离子体阻抗变化而显著变化，降低耦合效率。尤其当等离子体阻抗发生改变时，匹配网络必须发生变化，否则反射功率会很大，对设备造成损害并且等离子体参数发生强烈改变。
现有的一种主动控制负载阻抗的方法被提出并实施。在托克马克装置JET上，WadeT J(Wade T J,Jacquinot J,Bosia G,et al.Fusion Engineering and Design,1994,24(1-2):23-46.)等人在垂直场系统中控制等离子体的径向位置，以保持恒定的天线负载。这种方法缺点是不断调整等离子体径向位置对诊断系统来说是个很大的挑战，并且调整过大可能会引起等离子体与装置壁产生强烈反应。
另一种方法为当负载发生变化时，可以通过射频源瞬时带宽内的频率或相位变化来补偿。位于日本的JT-60曾用这种方式在负载阻抗变为原来一半的情况下，通过频率反馈使反射功率维持在5％以下(参见Fujii T et al 1991Fusion Technology 1990(Amsterdam:Elsevier)p 1171)。这种方法的缺点在于大多数射频源在高功率运行下瞬时带宽相当有限，并且频率的改变会带来传输线高驻波比的情况，增大欧姆损耗。
第三种方式是快速阻抗匹配网络。Durodie F等人(参见Durodie F and VervierM 1993Fusion Technology 1992(Amsterdam:Elsevier)p 477)曾通过自动控制两个真空电容大小的方式找到合适的匹配点，使反射功率将为零。但采用这种方式耗时长(约40ms)，且工艺复杂，不便操作。
总之，上述文献表明之前对于射频匹配的一些方法，各个方法都存在不同的缺陷。
发明内容
本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种行波天线(TWA)等离子体源，以获得高耦合效率且反射低的射频等离子体源，耦合效率可以达到100％，反射功率可以降到零。
本发明技术解决方案：一种行波天线等离子体源，由六个环形天线构成，放在真空室外；前端的第一个天线接射频源作为电源馈入端，中间四个天线短路作为耦合端，末端天线接50Ω假负载)作为吸收端。
因为除第一个馈源天线外，其余天线电流靠上一个天线互感而来，天线数量越多，耦合到等离子体中能量越大，由终端50Ω电阻吸收的能量越小。本发明选择采用6个天线能够将射频源功率几乎完全耦合到等离子体中，数量再多效果趋于饱和。
所述每个天线之间的互感系数为20％，这个数值是通过comsol模拟出来的数值，在给定的天线尺寸、大小、材料、间距下就是这个值，由于中间4个短路天线的存在，能够耦合馈源天线的射频波能量，在石英管中电离中性气体，产生等离子体。
通过改变天线间距产生不同平行波数功率谱,对等离子体密度、温度参数调节；每个天线间距为2-5cm，距离太近两天线容易打火，距离太远耦合效率低。
所述末端天线接一可匹配原电路的假负载，能够吸收行波阵列天线天线剩余射频能量，反射功率降低到零，使匹配网络不敏感等离子体变化，整个系统具有负载弹性。
本发明的一种行波天线等离子体源产生方法，实现如下：
(1)采用稳恒注气的方式将实验装置中注入氩气，磁场电源触发，产生匀强磁场，通过信号发生器向射频源发出触发指令，射频源触发；
(2)行波天线的第一个天线馈入电流，通过电感耦合方式将电流耦合到第二个的天线，直到将能量耦合到最后一个天线，剩余能量被假负载吸收，在向下一级天线的耦合过程中同时将能量耦合到氩气使其电离；
(3)天线电流谱的形式为：
其中，n为天线个数，Δφ为两天线相位差，对于行波天线使射频频率和天线间距的函数，Ip为第n+1的天线电流值，kz为螺旋波平行波数，dA两天线间距，rA为天线半径，wA为天线宽度；
天线是以发射m＝0的螺旋波的方式在等离子体中传播，其色散关系为：
其中，
表示k垂直于磁场的分量，ω为射频源频率，μ0为真空磁导率，e为电子电荷量，Ne为等离子体密度，B0为背景磁场大小；
等离子体参数通过背景磁场以及天线发射的kz来调节，kz通过天线宽度、间距、半径、射频频率来调节。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明采用行波天性结构作为等离子体源的应用，利用天线之间互耦实现与等离子体耦合，不敏感等离子体参数变化和射频源馈入功率，即输入阻抗与等离子体状态无关，因此不必像之前那样麻烦的调匹配，简单易行。
(2)本发明结构简单、可靠，便于使用，仅由数个环形天线和一个假负载组成，结构简单、可靠，便于使用。
(3)本发明由于天线阵列末端接有假负载，可将反射功率转移到假负载上，进行被动匹配，反射功率变化的时间响应是迅速的，因此响应快。
(4)本发明相较于单环天线而言，阵列天线击穿等离子体的入射功率阈值更低，可以承载更大的射频功率。
(5)能够兼容更多射频源频率，通过调节频率或相邻天线间隔调节平行波数功率谱，实现对等离子体参数(如密度、温度)的调节。
附图说明
图1为本发明的行波天线正面图；
图2为本发明的行波天线侧面图；
图3为本发明中简化集总原件电路示意图；
图4为四幅图横坐标为天线半径，纵坐标为两相邻天线之间间隔；
图5为单个天线总阻抗值S与等离子体电阻Rp关系图；
图6为单个天线阻抗变化率与等离子体电阻关系图；
图7为行波天线系统阻抗与单个天线总阻抗关系图；
图8为调节射频源匹配箱使反射功率为0；
图9为行波天线系统天线电流相位图；
图10为等离子体电子温度Te随磁场变化图；
图11为某次放电中等离子体Isat与Te变化图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
图1、图2为本发明自主设计的行波天线结构，共有六个环形天线构成，放在真空室外。其中，1为馈源天线，2-5为四个短路天线，6为接假负载天线，7为50Ω假负载，8为石英管。右边第一个天线接射频源作为电源馈入端，中间四个天线短路作为耦合端，左边第一个天线接50Ω假负载作为吸收端。如图1，标号1代表第一个天线，为馈源天线；标号2-5为中间4个短路天线，作为耦合射频功率天线；6接假负载天线，作为吸收端。这六个天线几何参数相同，只是功能不同。
行波天线(TWA)是双端口天线，具有输入端和输出端。天线包括一系列环向无源辐射元件，该元件是由在最末端的一个驱动元件驱动。一个辐射元件和其附件的元件之间的互耦以及和等离子体较小程度上的耦合产生了一个行波，该行波具有较窄的n∥谱。功率馈入到输入端在第一个共振电流带产生一个射频电流，做为TWA的一般结构，功率的一部分被辐射，剩下的部分互耦到相邻电流带。这样的辐射和耦合继续进行直到和假负载连接的最后一个电流带，假负载具有电阻R0＝50欧姆，该电阻等于系统的特征阻抗Z0。
如图3所示，本发明的简化集总元件电路，该电路具有等离子体电阻Rp，天线电阻Ra，自感L，电容C以及互感M，电路可以进行简化分析。
在此模型中，除了第一个和最后一个，其余四个天线假定为完全一样的且只有相邻的天线之间具有电感耦合，电流Ii在每一个天线上的大小由下面方程组来决定：
-SI1+iwMI2＝Vin (1)
iwMIi-1-SIi+iwMIi+1＝0，i＝2，3，4，5 (2)
iwMI5-(S+R0)I6＝0 (3)
其中，S为四个短路天线的阻抗值(包括等离子体阻抗)，由以下式子确定：
Rp为石英管内等离子体电阻，Ra为天线电阻，L为天线电感，C为天线电容。
联立(1)(2)(3)组成的六个方程组，解得，
因此，可以由Zin＝Vin/I1计算出整个行波天线的阻抗，
I1为馈入第一个天线的电流值，Vin为第一个天线馈入电压值，Zin为天线与等离子体的总阻抗，ω为射频源圆频率，M为两天线之间互感值，S为短路天线阻抗值，R0为假负载电阻值。
为了得到两相邻天线之间的互感值，采用comsol仿真模拟得到以下结果，如图4所示，四幅图横坐标为天线半径，纵坐标为两相邻天线之间间隔。从左到右、从上到下分别代表单个天线自感系数，12代表第1个天线和第2个天线之间的互感系数，以此类推。(a)为天线1的自感系数模拟值，随着天线半径增大而增大，随着天线间距增大而减小。(b)(c)(d)分别为天线1与天线2、天线1与天线3、天线1与天线4之间的互感值，其随着天线半径增大而增大，随着天线间距增大而减小。
采用的天线半径为5cm，天线之间间隔为4cm，因此，从图4中的(a)知道单个天线自感L约为0.4μH。图4中的(b)可知12两天线之间互感约为20％，图4中的(c)可知13天线之间互感约为5％，图4中的(d)可知14天线之间互感约为2％。这也验证了本发明之前只考虑相邻两天线之间互感的假定。
将相邻两天线互感为20％这一条件带入(2)式中，可得，
ωM＝-0.19iS (7)
将(7)式及R0＝50Ω代入(6)式可得，
经网络分析仪测试，在13.56MHz频率下，该天线电阻、串联电感、串联电容分别为630mΩ，187nH,9.3nF。因此可计算出该天线感抗为15.93Ω，容抗为1.26Ω，根据(4)式，|S|与Rp之间关系由下式给出，
等离子体电阻Rp认为大约为几毫欧姆到几百欧姆之间，图5为整体阻抗S与等离子体电阻Rp之间关系图。
从图5可看出，随着等离子体阻抗变化，S变化甚微，从14.68Ω增加至14.76Ω，从图6也可看出，当等离子体电阻从0增加至1Ω时，天线总阻抗仅仅增加了约0.5％。因此，等离子体参数的改变对单个天线总阻抗影响不大。代入(6)可看出行波天线系统阻抗变化。等离子体的状态改变对负载阻抗的影响仅有5％,匹配网络状态不变，几乎没有反射功率损害射频源，让原本处于状态稳定的射频源依旧稳定输出。
对于行波天线系统而言，在等离子体阻抗Rp在0到1Ω之间发生变化时，其整体阻抗大约只改变了8毫欧，变化率为0.06％，这对于整个匹配网络来说是可以忽略不计的。因此，这也印证了之前提到的行波天线系统不敏感等离子体变化。
为了进一步验证行波天线系统的性能，本发明开展了等离子体放电实验，并通过探针测得了等离子体基本参数。
本发明采用的是输出频率为13.56MHz，最大输出功率为1kW的射频源。在调节好匹配系统后，射频源反射功率可至0，即使等离子体参数有所改变，反射功率也基本不变。图8展示了当射频源入射功率为900W时，通过调节匹配箱使反射功率为0。射频源在初始匹配网络调节到最佳后，即使等离子体状态发生改变，由于假负载的存在，在不改变原本匹配电路情况下，反射功率依旧为零，说明行波天线有很强的抗干扰性。
如图8所示，某次产生等离子体过程中射频源面板，左边为入社功率，右边为反射功率，本发明的TWA结构的优势在于当天线匹配调节好之后,等离子体参数变化以及射频源馈入功率大小不敏感,因此可以产生稳定的等离子体。
如图9所示，明显可以看出有波形传输的过程。从波形传输图来看，馈入到第一个天线的射频波，可以依次向下一个天线耦合，并在石英管中形成螺旋波向前传递，证明可以通过天线之间互感产生电流，通过测量电流的相位可以激发出不同的功率波谱。
图10中的(a)、(b)分别为在气压为0.4Pa和1Pa的条件下，等离子体电子温度随磁场大小变化图像，不同颜色的折线对应不同入射功率。可以看出，随着磁感应强度的增加，等离子体电子温度也在升高，这为通过行波天线系统调节等离子体电子温度提供了一个新思路。在两个特定气压下，行波天线产生的等离子体对磁场大小以及射频功率的扫描结果。在100W到500W射频功率下，等离子体电子温度基本不变；但电子温度会随着磁场的增加而增大，因此，等离子体电子温度可以通过调节磁场大小来调节。
图11展示了在入射功率为300W时，等离子体参数随时间的变化图像。Isat为离子饱和流，表征等离子体的密度(1mA对应2×1017/m3)。可见，等离子体Isat最大可达5mA，即等离子体密度为1×1018/cm3，电子温度可达到1.8eV。图11中(a)为等离子体离子饱和流随时间变化图像(离子饱和流表征等离子体密度，1mA对应于2×1017m-3)，(b)为电子温度随时间变化图。图11和图10都是用行波天线产生的等离子体源，是本发明的实验测试结果，表明行波天线等离子体源可以产生稳定的等离子体。
提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。
Claims (4)
1.一种行波天线等离子体源，其特征在于：由六个环形天线构成，放在真空室外；前端的第一个天线接射频源作为电源馈入端，中间四个天线短路作为耦合端，末端天线接50Ω假负载作为吸收端。
2.根据权利要求1所述的行波天线等离子体源，其特征在于：所述每个天线之间的互感系数为20％。
3.根据权利要求1所述的行波天线等离子体源，其特征在于：通过改变天线间距产生不同平行波数功率谱，对等离子体密度、温度参数调节；每个天线间距为2-5cm。
4.一种行波天线等离子体源产生方法，其特征在于，实现如下：
(1)采用稳恒注气的方式将实验装置中注入氩气，磁场电源触发，产生匀强磁场，通过信号发生器向射频源发出触发指令，射频源触发；
(2)行波天线的第一个天线馈入电流，通过电感耦合方式将电流耦合到第二的天线，直到将能量耦合到最后一个天线，剩余能量被假负载吸收，在向下一级天线的耦合过程中同时将能量耦合到氩气使其电离；
(3)天线电流谱的形式为：
其中，n为天线个数，Δφ为两天线相位差，对于行波天线是射频频率和天线间距的函数，Ip为第n+1的天线电流值，kz为螺旋波平行波数，dA两天线间距，rA为天线半径，wA为天线宽度；
天线是以发射m＝0的螺旋波的方式在等离子体中传播，色散关系为：
其中，
表示k垂直于磁场的分量，ω为射频源频率，μ0为真空磁导率，e为电子电荷量，Ne为等离子体密度，B0为背景磁场大小；
等离子体参数通过背景磁场以及天线发射的kz调节，kz通过天线宽度、间距、半径、射频频率调节。
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| CN113301702B (zh) | 2022-07-15 |
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Legal Events
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