磁鏡場中離子回旋波加熱

摘 要：離子回旋波（ICRF）加熱作為一種射頻波加熱手段在許多核聚變實驗中扮演重要角色，文章基于冷等離子體中的色散關系，給出了磁鏡場中ICRF的共振與截止的理論表達式，探討共振區與截止區隨磁場強度、射頻頻率、離子成分等參數變化時的分布特性。實驗表明，射頻頻率，磁場強度會引起共振區的擴張和收縮，離子成分對截止區寬度影響顯著。

關鍵詞：離子回旋波；色散關系；共振加熱；截止區

引言

ICRF加熱作為重要的射頻波加熱手段，在托卡馬克裝置中得到廣泛應用[1]。許多裝置將它作為主要的加熱手段之一，技術也日臻成熟[2]-[4]。在國際熱核聚變實驗堆（ITER）上，ICRF的加熱功率為20MW[5]，而在國內的先進實驗超導托卡馬克裝置（EAST）上加熱功率也達到6MW[6]。ICRF共振加熱利用波在等離子體中傳播和吸收的性質，通過離子回旋共振加熱等離子體。因此，研究共振截取區的位置變化對于提高加熱效率至關重要。文章從等離子體色散關系入手，計算出ICRF波滿足共振條件和截止條件的理論表達式，結合具體磁鏡場位型，分析磁場強度、射頻頻率、粒子成分等參數對共振截止區的影響。

1 公式推導

如圖1所示，在其他參數不變的情況下，共振區對于射頻頻率的變化較為敏感，當射頻頻率在 時，共振區處于離子中心區，加熱效果較好，隨著射頻頻率增加，該區域向離子邊緣區移動，并與部分截止區發生重疊；截止區變化不明顯。

如圖2所示，磁場強度B0=0.45T時，共振區域均處于離子中心區，加熱效果良好；當磁場強度過大或過小時都無法達到良好的共振效果。此外磁場強度對截止區影響不明顯。

如圖3所示，若只存在一種離子成分，共振區和截止區都處于離子低密度區域，無法實現離子加熱。當N2+離子的成分比例高于90%時，共振加熱效果較好，隨著N2+離子的占比增加，共振區向離子高密度區域移動，同時截止區也明顯變寬。

3 結束語

文章通過冷等離子體色散方程，計算ICRF共振截止面理論表達式，結合磁鏡場的具體情況，探討共振區與截止區隨離子成分、磁場強度、射頻頻率等參數變化時的分布特性。

結果表明單粒子成分無法實現ICRF共振，須采用成分比例相差較大的雙粒子成分且當多數粒子成分比例高于90%時，共振加熱效果良好；離子成分影響共振與截止區的寬度；磁場強度和射頻頻率會引起共振區的擴張和收縮。在進行ICRF加熱研究時，需要考慮上述參數對實驗結果的影響。

文章討論的共振截止區為二維剖面，計算過程中簡化了磁場位型，未考慮到軸向磁場對共振截止區的影響，為了提高精確度，可進一步研究三維共振截止區。

參考文獻

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