磁镜场中离子回旋波加热

文章基于冷等离子体中的色散关系，给出了磁镜场中ICRF的共振与截止的理论表达式，探讨共振区与截止区随磁场强度、射频频率、离子成分等参数变化时的分布特性。实验表明，射频频率，磁场强度会引起共振区的扩张和收缩，离子成分对截止区宽度影响显著。

关键词：离子回旋波；色散关系；共振加热；截止区

引言

ICRF加热作为重要的射频波加热手段，在托卡马克装置中得到广泛应用[1]。许多装置将它作为主要的加热手段之一，技术也日臻成熟[2]-[4]。在国际热核聚变实验堆（ITER）上，ICRF的加热功率为20MW[5]，而在国内的先进实验超导托卡马克装置（EAST）上加热功率也达到6MW[6]。ICRF共振加热利用波在等离子体中传播和吸收的性质，通过离子回旋共振加热等离子体。因此，研究共振截取区的位置变化对于提高加热效率至关重要。文章从等离子体色散关系入手，计算出ICRF波满足共振条件和截止条件的理论表达式，结合具体磁镜场位型，分析磁场强度、射频频率、粒子成分等参数对共振截止区的影响。

1 公式推导

如图1所示，在其他参数不变的情况下，共振区对于射频频率的变化较为敏感，当射频频率在 时，共振区处于离子中心区，加热效果较好，随着射频频率增加，该区域向离子边缘区移动，并与部分截止区发生重叠；截止区变化不明显。

如图2所示，磁场强度B0=0.45T时，共振区域均处于离子中心区，加热效果良好；当磁场强度过大或过小时都无法达到良好的共振效果。此外磁场强度对截止区影响不明显。

如图3所示，若只存在一种离子成分，共振区和截止区都处于离子低密度区域，无法实现离子加热。当N2+离子的成分比例高于90%时，共振加热效果较好，随着N2+离子的占比增加，共振区向离子高密度区域移动，同时截止区也明显变宽。

3 结束语

文章通过冷等离子体色散方程，计算ICRF共振截止面理论表达式，结合磁镜场的具体情况，探讨共振区与截止区随离子成分、磁场强度、射频频率等参数变化时的分布特性。

结果表明单粒子成分无法实现ICRF共振，须采用成分比例相差较大的双粒子成分且当多数粒子成分比例高于90%时，共振加热效果良好；离子成分影响共振与截止区的宽度；磁场强度和射频频率会引起共振区的扩张和收缩。在进行ICRF加热研究时，需要考虑上述参数对实验结果的影响。

文章讨论的共振截止区为二维剖面，计算过程中简化了磁场位型，未考虑到轴向磁场对共振截止区的影响，为了提高精确度，可进一步研究三维共振截止区。

参考文献

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