​对于核聚变测试设施中的兆瓦级离子回旋频段加热放大器周围的大范围电磁场监测的新系统

原标题：A New Wide-Area Monitoring System of Electromagnetic Fields Around Megawatt-Class Amplifiers for Ion Cyclotron Range of Frequency Heating at a Fusion Test Facility

发表于 IEEE Transactions on Plasma Science；2021

摘要

核聚变研究需要产生高温等离子体。等离子体加热方法之一是使用射频 (RF) 波。RF 波加热系统使用大功率放大器，这引发了对电磁场泄漏的担忧。因此，已经开发了一种使用个人 RF 监测器的新型大范围多点电磁监测系统。开发的监测系统被应用于“离子回旋频率范围”(ICRF) 加热系统中的兆瓦级放大器，该系统的工作频率范围为离子回旋共振的 30 至 40MHz 。结果表明，在等离子体实验中，泄漏磁场低于测量灵敏度，而泄漏电场则以足够的灵敏度被检测到。随着 RF 前向功率的增加，泄漏电场变大，因此电场会通过 ICRF 放大器中四极管阳极连接的短路和/或高压电源线辐射。ICRF 放大器周围的电场没有超过国际非电离辐射防护委员会 (ICNIRP) 的参考水平。开发的宽范围多点监测系统对于监测未来聚变装置中 ICRF 加热系统周围的泄漏 RF 电磁场将非常有用。

关键词：电磁场，聚变测试装置，大功率放大器，离子回旋频率范围 (ICRF) 加热系统，非电离辐射监测，安全管理

1 引言

核聚变反应堆作为新型能源之一，将在不久的将来直接关联到人类的生活。为了在地球上实现核聚变反应堆，需要高温（10−30keV）等离子体以使核聚变反应得以发生。同时，等离子体需要在足够长的时间内被约束，并保持足够的压力。这两个条件必须同时满足。为了理解等离子体物理，必须在高磁场的真空容器中生成高温、高密度和高约束时间的高性能等离子体。为了产生高温等离子体，磁约束聚变测试装置配备了一些辅助加热系统，例如中性束注入（NBI）、电子回旋共振加热（ECRH）和离子回旋频率范围（ICRF）加热。在这些加热系统中，ECRH和ICRF加热使用频率在几十兆赫兹到几百吉赫兹范围内的电磁波。在均匀磁场存在的情况下，已知带电粒子会以特征性的回旋频率进行回旋运动。回旋运动等动态效应导致等离子体中波共振的可能性[1]，[2]。因此，电子和离子共振加热系统被用于磁约束聚变测试装置中。

2 LHD中的ICRF系统与电磁场监测系统

A. LHD 与 ICRF 系统

日本核聚变科学国家研究所的LHD（大型螺旋型聚变测试设备）装备有超导线圈系统，是最大的螺旋形聚变实验装置。LHD的一个主要特征是稳态等离子体运行能力。该设备配备有真空泵系统、各种加热设备和等离子诊断系统。自1998年首次投入运行以来，LHD已经产生了高性能的等离子体，并且其研究成果推动了螺旋形系统的建立 [10]、[11]。

LHD的规格概述在表I中。在LHD中有几个十兆瓦级的加热系统如图所示。这些加热系统中，ICRF加热系统单个单元的最大功率为3 MW（两组放大器链路）。最大磁场B是3 T，在主半径R=3.9 m处，氢等离子体的回旋共振频率范围在几十兆赫兹之间，尤其是30-40 MHz。图1显示了LHD中ICRF加热系统的原理图。它包括环形天线、高压探头、用于实现实时阻抗匹配的长脉冲反馈控制系统、同轴传输线、定向耦合器、三阶段宽带放大器（WBA）、驱动功率放大器（DPA）和最终功率放大器（FPA）、RF门控系统、信号发生器以及互锁系统。定向耦合器和高压探头安装在传输线上，环形天线则位于等离子体前方，并用于向等离子体注入射频波。用于ICRF加热的高功率射频波通过长同轴线进行传输。这些天线通过使用分支调谐器有效地进行了阻抗匹配。否则，等离子体与天线之间的阻抗匹配可能效率较低，反射的射频波可能会返回到射频放大系统中。射频放大设备可以是一个相当复杂的系统，它包括高功率四极管、可移动的调谐分支和真空可变电容器。

B. 电磁场监控系统

环形天线和分支调谐器安装在LHD辐射控制区域，而ICRF电源和放大系统则安装在非辐射控制区域。在辐射控制区域内，等离子体实验期间限制工作人员进入。考虑到工作人员的安全，我们专注于测量ICRF电源系统周围的泄漏电磁场。选择该设备作为目标，是因为在运行期间，工作人员可以接近ICRF功率放大系统。在先前的研究[8]、[9]中，在距离ICRF放大器几米远的一点安装了两个EMC-300（Narda Safety Test Solutions）, 配备电场或磁场探头，以及配备磁场探头的SRM-3000（Narda Safety Test Solutions）。它可以监控来自ICRF设备的泄漏电磁场。另一方面，已经广泛安装了八个FPAs，局部泄漏电磁场是一个关注点。因此，从保护工作人员的角度来看，需要构建一个多点电磁场监控系统。EMC-300常用于电磁场测量，但由于其价格昂贵，不适合多点监控。因此，我们提议使用便携式个人射频监测器作为区域监控仪器[16]。个人射频监测器具有许多优点，包括成本效益、体积小、重量轻、各向同性响应和符合标准。此外，个人射频监测器可以同时测量电场和磁场。个人射频监测器的规格，连同SRM-3000的规格，总结在表II中。在本研究中，使用了两种个人射频监测器，Radman ESM-20和ESM-30（Narda Safety Test Solutions或Wandel Golterman），作为电磁场监测器。根据日本职业标准RCR STD-38，在30至300MHz的频率范围内，Radman的动态范围分别为8.5至77.7V/𝑚和0.03至0.206A/𝑚，如表II所示。该仪器由电池供电，但已修改为使用直流电源，以实现长时间连续测量。

图1. ICRF加热系统示意图，包括等离子体、环形天线、高压探针、阻抗匹配器、同轴传输线、定向耦合器、三级放大器、RF门控、信号发生器和联锁系统[14]

当电磁场源与工作人员之间的距离超过0.2 m时，应采用日本RCR STD-38中的电磁场强度标准作为射频暴露防护指南。在30 - 300 MHz频率范围内，职业暴露的参考水平为61.4 V/m和0.163 A/m，这是6 min平均值的均方根值。

在国际非电离辐射防护委员会（ICNIRP）指南[18]中，与日本RCR STD-38基本一致，相同频率范围内职业暴露的参考水平为61 V/m和0.16 A/m，而它们是30分钟内平均的均方根值。Radman的测量值是与参考值一致的相对值因此，电场强度𝐼𝑅𝐸由以下等式表示：

这里，𝐸 是测量得到的电场强度 [𝑉/𝑚]，而 𝐸0 是日本 RCR STD-38 标准的参考水平。对于磁场，𝐼𝑅𝐻[%] 表示为 𝐻2/𝐻02×100 。所有监测仪器都通过光纤或 USB 电缆连接到个人电脑，以获取如图 2 所示的测量数据。我们开发了一款原创的多点测量软件用于监控。数据采集的时间间隔为 0.2s，这是由仪器规定的。

图 2. 多点监测仪器数据采集的系统配置

LHD实验楼内的布置和加热设备间ICRF放大器周围的监测装置如图3所示。初步观察结果显示，FPA下部没有大的泄漏电磁场，因此我们在FPA顶部几乎相同的5-6 m高度处设置了一个测量装置，对电磁场进行了观测。

MP1与FPA-5A中心的距离约为5m。自2011年起，ESM-20作为MP2安装在距离FPA-2中心约0.6m的位置。SRM-3000曾临时设置在MP2的位置。在MP3，自2011年起，ESM-20安装在距离FPA-4和FPA-3中心各约2.5m的位置。在MP4，自2012年起，ESM-20安装在距离FPA-6A中心约1m的位置。当ICRF的频率为38.5MHz时，波长𝜆为7.8m，𝜆/2𝜋为1.2m。因此，MP2和MP4位于近场区域，而MP1和MP3则位于远场区域。

图 3. LHD 实验楼的布局和加热设备室中 ICRF 放大器周围的监控设备。LHD 实验楼中的灰色区域是辐射控制区域。其他区域为非辐射控制区域。此外，在 (4) 至 (6) 的测量区域中，FPA 附近观察到了最大的漏电场，因此可以推断，电磁场的泄漏源可能是 FPA，它在这些放大器中拥有最大的射频功率

三、监测结果和讨论

A 磁场与频谱

我们使用SRM-3000观察了电磁场的频率、强度和时间变化。在此次测量中，我们利用三轴磁感应探头测量了FPA-2的漏磁场。图4展示了某一时刻下漏磁场的频谱。ICRF波的频率为38.47 MHz。观测到的漏磁场的最大频率也是38.47 MHz。最大频率与ICRF波的振荡频率相同，因此观测到的电磁场可能从ICRF放大器泄漏出来。图5展示了在等离子体实验中ICRF运行时从FPA-2泄露磁场的时间变化情况。SRM-3000的监测峰值频率固定为38.5 MHz。在这次监控结果中，漏磁场强度小于0.01 A/m。因为到目前为止还没有检测到由EMC-300 [8]或Radman检测到的电磁场，所以ICRF放大器周围的漏磁场不大。

图 4. 某时刻由 SRM- 3000 与磁探头测量的漏磁场的频谱

图 5. 在等离子体实验中 ICRF 运行期间 FPA-2 的漏磁场变化

B 电场

在本节中，我们讨论了泄漏电磁场与射频前向功率𝑃fwd和反射功率𝑃ref 之间的相关性，重点关注使用Radman测量的结果。如图1所示，射频前向功率和反射功率是通过安装在FPA输出端的方向耦合器测量的。

图6展示了在6秒放电期间，MP2处泄漏电场、FPA-2的射频前向功率和反射功率的时变情况。图6中Radman测量的电场数据被提取出来。射频功率和传输线上驻波电压的数据采集时间间隔为1ms。尽管在MP2处，Radman难以检测到几Hz的尖峰波动，但即使在0.2s的时间分辨率下，泄漏电场的缓慢波动也能被充分观测到。泄漏电场的波动很可能与通过FPA-2的射频前向功率相关。尽管射频反射功率远低于射频前向功率，但它也可能影响泄漏电场。

图 6. (a) MP2 处的泄漏电场和 (b) 射频前向功率与反射功率的时间变化

图7展示了在超过300s的长脉冲放电操作期间，ICRF运行和FPA周围泄漏电场的结果。射频功率的数据采集时间间隔为3ms。ICRF运行数据来自FPA-2和FPA-3。在操作期间，可以在MP2和MP3的监测点检测到泄漏电场。平均泄漏电场分别约为17.6%(25.8V/𝑚)和2.0%(8.7V/𝑚)。在MP2处，观测到的泄漏电场行为与射频前向功率的行为相似。另一方面，MP3处的泄漏电场低于MP2。其中一个原因是MP2距离电磁辐射源几米远，另一个原因是FPA-2的射频前向功率比FPA-3高一个数量级。然而，MP3处的Radman捕捉到了来自FPA的电场。MP3处泄漏电场的行为与FPA-3的射频反射功率变化相似。这表明，即使射频反射功率远低于射频前向功率，Radman也可能通过FPA-3的射频反射功率检测到泄漏电场。

图7. 320秒放电过程中泄漏电场（上）、射频前向功率和反射功率（下）的变化。(a)和(b)是来自FPA-2和监测点MP2的数据。(c)和(d)分别是来自FPA-3和监测点MP3的数据

C ICRF加热系统中泄漏电磁场的来源

关于漏电场的原因，射频前向功率通过同轴传输线被传送到等离子体，而由等离子负载波动产生的射频反射功率则导致了漏电场的存在。在ICRF系统的同轴传输线如图1所示，以下位置可能成为电磁场泄漏的来源：1）ICRF天线与传输线之间的连接点；2）传输线中电场测量探头的安装位置；3）可移动的同轴液态短节调谐器；4）同轴传输线与定向耦合器之间的连接点；5）同轴传输线与FPA（频率波导放大器）之间的连接点；以及6）FPA、DPA和WBA的放大器。然而，从监测区域来看，1到3的位置位于受辐射控制区，并且与监测区域相距超过100米。

此外，在 (4) 至 (6) 的测量区域中，FPA 附近观察到了最大的漏电场，因此可以推断，电磁场的泄漏源可能是 FPA，它在这些放大器中拥有最大的射频功率。

图 8 显示了参考文献 [12] 的 FPA 的示意图。Radman 在 MP2 设置于 FPA 顶部附近。DPA 输入的 RF 输入的输入阻抗匹配电路位于 FPA 的下部。射频功率通过外部输出同轴传输线提取。用于监控射频正向和反射功率的定向耦合器安装在 FPA 的出口处。FPA 上部采用双同轴输出腔作为 FPA 输出腔。可移动短路（称为“匹配短路”和“调谐短路”）安装在 FPA 的上部。使用虚拟负载在操作前调整可移动短路的位置，并在操作期间固定。双同轴腔由薄铜板制成。调谐器设计为在双同轴腔中使用调谐杆移动短路板。短路板中采用金属接触指。短路板与双同轴腔壁之间的间隙可能泄漏壁电流，并通过调谐杆作为天线辐射电场。

图8. FPA的示意图。FPA的部分结构从参考文献12中的图进行了修订和省略。下部是输入腔，上部是输出腔。在射频输出处安装了定向耦合器。在FPA的顶层设置了MP2处的Radman

四极管的阳极通过薄的特氟龙片连接到内导体。向阳极供电的高压电源线通过 FPA 顶部的端子板连接。射频功率从阳极（放大器输出）通过 FPA 中的短路调谐器和同轴传输线上的定向耦合器传输。因此，当射频正向功率的一部分因等离子体负载波动而被反射时，它返回到四极管的阳极，导致四极管输出的功率波动，这可能导致通过 FPA 顶部的短路和/或高压电源的阳极端子泄漏电场。漏电磁场源的详细识别是未来的问题。

D. FPAs 周围的长期监测结果

LHD等离子实验活动主要在秋季和冬季进行。一年中的其余时间，会用于LHD及其加热设备的维护检查及测试，因此全年监控是非常重要的。图9展示了从2011年到2015年，在MP2、MP3和MP4处测量的日最大漏电场值。实验期间ICRF的主要频率为38.47 MHz。这里所指的日最大值并非6分钟平均值，而是瞬时值。格纹指示了等离子体实验期。在等离子体实验中，所有监控设备都能检测到漏电场。这表明提出的系统适用于大面积的泄漏电磁场监测。

在2011年9月26日进行的一次等离子实验中，在MP2处观察到了最大的42.3 V/m(𝐼𝑅𝐸= 47.5%)漏电场值。日本RCR STD-38标准中规定的参考水平被定义为不会引起诸如核心体温上升、触电、RF烧伤等不希望出现的电磁现象的价值。因此，FPA周围的观察到的电场级别被认为对人体无影响。

E. 磁约束核聚变设施中电磁场管理的安全问题

根据日本RCC的STD-38和ICNIRP指南，分别使用6分钟和平均时间为30分钟来评估电磁环境。目前的聚变测试设备以几秒或数十秒的脉冲运行。因此，认为无需监控聚变测试设备周围的泄漏电磁场。然而，LHD配合超导磁线圈可以持续操作数分钟之久。此外，在法国建造中的国际热核实验反应堆将在各种等离子体场景下使用20兆瓦的ICRF功率（频率范围：40-55 MHz），以准连续波运行方式运行（脉冲长达3600秒）[19]。在下一代聚变设备中，将进行长时间的、高功率射频波放电操作。因此，从确保工作人员安全的角度出发，建立非电离辐射的安全管理方法以及监测电离辐射同样重要。

我们相信我们所提议的多点大面积监控系统适用于更大的聚变设施。

4. 结论

在磁约束聚变试验设施中，使用开发的多点监测系统和多个电磁场测量仪器，观察了兆瓦级ICRF放大器周围的泄漏电磁场。发现泄漏磁场低于个人RF监测器的测量灵敏度。另一方面，FPA附近可以清晰检测到泄漏电场。近场区域的泄漏电场随着RF前向功率的增加而增加，它可能通过FPA中的短路或连接到四极管阳极的高压供电线辐射。泄漏电场的最大值为ICNIRP参考值的47.5%（42.3V/𝑚）。观察到的电场水平被认为对工人没有影响。

在下一代聚变装置中，考虑到电磁兼容性和放大器周围工人的保护至关重要，因为用于ICRF系统的更高功率放大器将长时间使用。因此，提出的多点电磁场监测系统可以应用于大型聚变设施的广泛区域连续测量。（完）