熱核聚變要解決的兩個(gè)主要問題是；第一，如何將等離子體加熱到足夠高的反應(yīng)溫度；第二，如何將有充分高密度的高溫等離子體約束足夠長的時(shí)間。低雜波是目前用來進(jìn)行非感應(yīng)電流驅(qū)動和加熱的有效手段。

　　為了實(shí)現(xiàn)受控?zé)岷司圩儯枰獙⒌入x子體加熱到足夠高的反應(yīng)溫度。傳統(tǒng)的加熱方式是歐姆加熱，但是在歐姆加熱過程中，隨著等離子體溫度的升高，等離子體的電阻率越來越小，這樣加熱效率也就越來越小，僅僅采用歐姆加熱并不能達(dá)到反應(yīng)堆的溫度，必須采用其他加熱方式，這些方法稱之為輔助加熱。輔助加熱包括中性束注入加熱（NBI），離子回旋加熱（ICRF），電子回旋加熱（ECRH）以及低雜波電流驅(qū)動（LHCD）。在這些輔助加熱方法中，低雜波電流驅(qū)動最為成功，驅(qū)動效率最高，是目前國際上實(shí)現(xiàn)托卡馬克穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的主要手段。

　　低雜波系統(tǒng)就是向托卡馬克等離子體中以低雜波模式耦合波能量的系統(tǒng)，目的是為了在EAST全超導(dǎo)托卡馬克上維持長脈沖、穩(wěn)態(tài)的等離子體放電。我所低雜波系統(tǒng)從90年底初期開始建設(shè)，歷經(jīng)幾代人的努力，現(xiàn)在已經(jīng)擁有2.45G 4MW和4.6G 6MW兩套微波加熱系統(tǒng)，如此大功率的微波加熱系統(tǒng)，在國際上處于領(lǐng)先水平。該系統(tǒng)主要由微波源、傳輸線、多結(jié)波導(dǎo)陣天線、高壓源系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、低雜波數(shù)據(jù)采集以及控制系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)組成。低雜波電流驅(qū)動系統(tǒng)的建設(shè)圍繞上述七個(gè)部分開展的, 每一部分在完成后都經(jīng)過獨(dú)立調(diào)試, 再在假負(fù)載上進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試, 最后低雜波系統(tǒng)整體裝配至EAST 裝置上, 開展相關(guān)物理實(shí)驗(yàn)。

　　  

　　圖1 低雜波系統(tǒng)概況

　　1.微波源

　　微波源的核心器件是速調(diào)管，一個(gè)系統(tǒng)中有多路速調(diào)管，速調(diào)管由同一個(gè)微波振蕩器激勵, 微波振蕩器產(chǎn)生微波信號經(jīng)過一個(gè)PIN控制開關(guān)輸送到兩個(gè)1分10路的功率分配器, 由功率分配器分配的20路小信號分別經(jīng)過數(shù)控移相器、前級放大器和微波隔離器, 饋入至速調(diào)管放大器的輸入腔,用以激勵速調(diào)管放大器;通過天饋線系統(tǒng)耦合給托卡馬克等離子體。每5只速調(diào)管由一臺負(fù)高壓電源供電, 速調(diào)管管體、收集極和天饋線系統(tǒng)都采用水冷卻, 整個(gè)低雜波系統(tǒng)設(shè)有完備的測量、采集、控制和保護(hù)系統(tǒng)。

　　2.傳輸線系統(tǒng)

　　微波傳輸系統(tǒng)的作用是把速調(diào)管放大器輸出的微波能量饋送到耦合天線的輸入端口。傳輸線系統(tǒng)由20 路30~40米長的波導(dǎo)傳輸線組成, 每路傳輸線傳輸100kW的微波能量。從單波型主模(TE10) 工作、極限傳輸功率以及傳輸損耗三個(gè)方面考慮, 低雜波傳輸線系統(tǒng)采用WR430標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。為了提高系統(tǒng)的通波能力, 要求整個(gè)傳輸系統(tǒng)氣密性良好, 均可以充有1.5~2個(gè)大氣壓的干燥空氣或者氮?dú)狻ａ槍φ麄€(gè)低雜波系統(tǒng)的要求, 每路傳輸線包括1只高功率微波鐵氧體環(huán)行器、2只雙定向耦合器、1只3dB 功分器和1只大功率水負(fù)載、3只打火探測器、30~40米長的WR430 矩形波導(dǎo)、30~40 米長的WR430 矩形波導(dǎo)和2 只隔直器。

　　3.多結(jié)波導(dǎo)陣天線

　　天線是低雜波系統(tǒng)最終與托卡馬克相連接的重要部件。為了使天線發(fā)射的微波能量能夠沉積到托卡馬克等離子體所要求的位置, 從而非常有效地驅(qū)動電流, 天線必須采用特殊的結(jié)構(gòu)。低雜波天線采用相控多結(jié)波導(dǎo)陣形式。多結(jié)波導(dǎo)陣天線由20個(gè)主波導(dǎo)單元組成, 每個(gè)主波導(dǎo)又被一個(gè)一分八的功分器分成8個(gè)有源子波導(dǎo), 相鄰的兩個(gè)主波導(dǎo)單元間插入一個(gè)無源子波導(dǎo), 為了保護(hù)天線端口免受等離子體電流灼燒和高能粒子轟擊, 在天線端口處要設(shè)置保護(hù)限制器。限制器采用石墨材料, 石墨表面濺射碳化硅涂層, 石墨限制器通過柔性石墨紙, 以螺釘緊固于銅制熱沉上。

　　  

　　圖2 低雜波系統(tǒng)布局圖

　　4.高壓源系統(tǒng)

　　在低雜波系統(tǒng)中, 需要參數(shù)不同的電源為微波源供電, 主要有速調(diào)管燈絲電源、磁場電源、鈦泵電源、速調(diào)管陰極負(fù)高壓電源及給微波源驅(qū)動級各器件供電的前級電源。燈絲電源提供0~13V連續(xù)可調(diào)交流供電, 以加熱燈絲的陰極, 使陰極溢出發(fā)射電子; 磁場電源為磁場線包提供20~25A的恒流供電, 產(chǎn)生1700~2000高斯的磁場約束、聚焦速調(diào)管內(nèi)高能電子束, 磁場線包電流波紋度小于1%; 鈦泵電源提供4500V的直流供電給鈦泵, 維持速調(diào)管內(nèi)高真空。20只速調(diào)管由四套高壓源供電, 每臺高壓電源可以輸出- 35kV/40A, 脈沖長度可以在0~1000秒的范圍內(nèi)調(diào)節(jié), 而電壓的波紋度和穩(wěn)定度都可以控制在1%以內(nèi)。實(shí)驗(yàn)中實(shí)時(shí)監(jiān)測每個(gè)速調(diào)管的收集極、管體對地電流, 一旦速調(diào)管內(nèi)部發(fā)生打火時(shí), 保證在150 微秒內(nèi)關(guān)斷高壓。

　　5.水冷系統(tǒng)

　　低雜波系統(tǒng)在高功率穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí), 系統(tǒng)會因?yàn)闅W姆損耗產(chǎn)生大量的熱量, 如果這些熱量不及時(shí)散出去, 會使系統(tǒng)不穩(wěn)定, 有時(shí)還會造成致命性的影響, 如積聚在陶瓷窗口的熱量會造成陶瓷窗的擊穿, 從而破壞托卡馬克的真空環(huán)境。因此系統(tǒng)配有可循環(huán)水冷卻裝置來及時(shí)帶走產(chǎn)生的熱量。

　　6. 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

　　在低雜波系統(tǒng)中，需要處理需輸入輸出功率信號、各個(gè)控制模塊信號，總控信號，觸發(fā)信號、電流信號等，如此龐大的處理量，需要專門的工控機(jī)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來支持這樣的應(yīng)用。

　　7. 保護(hù)系統(tǒng)

　　低雜波保護(hù)系統(tǒng)分為發(fā)射保護(hù)系統(tǒng)和光纖打火檢測保護(hù)系統(tǒng)。發(fā)射保護(hù)系統(tǒng)能迅速關(guān)斷高壓源和速調(diào)管射頻輸入驅(qū)動。如果發(fā)射保護(hù)系統(tǒng)檢測到速調(diào)管陰極電流超過7.5A、管體電流超過250mA、冷卻水流量過小等任何一種異常情況, 發(fā)射保護(hù)系統(tǒng)迅速關(guān)斷高壓源和速調(diào)管之間的聯(lián)系,保護(hù)速調(diào)管不被破壞; 一旦射頻保護(hù)系統(tǒng)檢測到高反射信號, 如速調(diào)管輸出窗口打火、高功率鐵氧體環(huán)行器打火、系統(tǒng)駐波比超過預(yù)設(shè)值等任何一種異常情況出現(xiàn), 發(fā)射保護(hù)系統(tǒng)迅速關(guān)斷速調(diào)管射頻激勵。響應(yīng)時(shí)間在ns級別。

　　EAST全超導(dǎo)托卡馬克實(shí)驗(yàn)中, 低雜波系統(tǒng)發(fā)揮了預(yù)期的作用, 實(shí)現(xiàn)了幾項(xiàng)大的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。伴隨著低雜波系統(tǒng)的不斷升級改造，相信低雜波系統(tǒng)在未來的核聚變應(yīng)用中將發(fā)揮越來越重要的作用。