(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210790289.6 (22)申请日 2022.07.06 (71)申请人 南华大学 地址 421001 湖南省衡阳市学院路1号 申请人 新奥科技发展 有限公司 (72)发明人 杜丹　宋绍栋　周华　赵鑫　 潘光祖　李鹏敏　乔冠瑾　杨开建　 胡少雄　姚卫博　 (74)专利代理 机构 湖南环创光达知识产权代理 有限公司 43264 专利代理师 阳江军 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) H01Q 1/36(2006.01) (54)发明名称 一种应用于玄龙-50装置的双鞍型天线的设 计方法 (57)摘要 本发明公开了一种应用于玄龙 ‑50装置双鞍 型天线的设计方法， 该设计方法包括如下步骤： 确定基本参数； 建立物理模型； 采用电磁波理论 推导柱坐标下推导双鞍型 天线与玄龙 ‑50装置等 离子体相互作用时满足的Max well方程组和边界 条件； 采用有限元法求解Maxwell方程组获得真 空和等离子体区域的电磁场分布， 以及双鞍型天 线发射波在等离子体中的功率沉积； 模拟双鞍型 天线结构和位置对放电时耦合功率的影 响。 本发 明的有益效果如下： 实现了聚变装置低射频源功 率(30‑80KW)条件下的螺旋波放电等离子体， 有 效降低了聚变装置采用射频波放电等离子体的 运行成本； 天线设计简单、 螺旋波加热离子体的 密度高且均匀性 好。 权利要求书3页 说明书8页 附图6页 CN 115238541 A 2022.10.25 CN 115238541 A 1.一种应用于玄龙 ‑50装置的双鞍型天线的设计方法， 其特征在于， 该设计方法包括如 下步骤： 步骤一、 确定基本参数， 所述基本参数包括玄龙 ‑50装置的尺寸参数、 双鞍型天线 的电 流强度和波频率、 等离 子体种类、 密度、 温度以及磁场； 步骤二、 基于确定的基本参数建立物理模型和Maxwell方程组描述双鞍型天线与等离 子体的相互作用， 再采用有限元法求解Maxwell方程组获得真空和等离子体区域的电磁场 分布， 以及 双鞍型天线发射波在等离 子体中的功率 沉积； 步骤三、 根据Maxwell方程组以及获得电磁场分布和功率沉积， 模拟双鞍型天线结构和 位置对放电时耦合功 率的影响， 调节双鞍型天线内边界到玄龙 ‑50装置轴中心的距离、 双鞍 型天线圆弧相对玄龙 ‑50装置中心所张的圆心角、 馈线端对等离子体中心所张的弧度、 双鞍 型天线宽度、 双鞍型天线厚度以及 双鞍型天线间距， 获得双鞍型天线的最佳设计参数； 步骤四， 根据获得的最佳设计参数， 结合玄龙 ‑50装置天线实际安装空间， 设计双鞍型 天线。 2.如权利要求1所述的一种应用于玄龙 ‑50装置双鞍型天线的设计方法， 其特征在于， 在步骤一中， 所述玄龙 ‑50装置呈圆柱体形， 高度H为281cn， 其外壁到圆柱体中心的距离b为 155.5cm； 磁场均匀分布且大小B0＝0.077T， 方向沿玄 龙‑50装置的轴向方向。 3.如权利要求2所述的一种应用于玄龙 ‑50装置双鞍型天线的设计方法， 其特征在于， 所述双鞍型天线沿所述玄龙 ‑50装置的圆周方向延伸， 且包括 沿所述玄龙 ‑50装置的圆周方 向延伸的第一弧形边AB、 沿所述玄龙 ‑50装置的圆周方向延伸并与所述第一弧形边AB平行 间隔设置的第二弧形边FC、 设置于所述第二弧形边FC上的馈线端E和输出端D以及连接所述 第一弧形边AB和所述第二弧形边FC且平行所述玄龙 ‑50装置的轴向方向的第一短边AF和第 二短边BC 。 4.如权利要求3所述的一种应用于玄龙 ‑50装置的双鞍型天线的设计方法， 其特征在 于， 所述双鞍型天线的电流强度I0＝24.5A， 频率f＝13.5 6MHz。 5.如权利要求4所述的一种应用于玄龙 ‑50装置双鞍型天线的设计方法， 其特征在于， 假设等离子体均匀分布， 充满整个玄龙 ‑50装置， 柱状等离子体的半径为r0＝155.5cm,中性 氢原子密度Nn＝1.00×1013cm‑3， 电子密度为Ne＝1.00×1012cm‑3， 电子的温度Te＝20.0eV， 离 子温度Ti＝3.0eV。 6.如权利要求1所述的一种应用于玄龙 ‑50装置双鞍型天线的设计方法， 其特征在于， 在步骤二中， 所述物理模型包括冷等离子体模型和三维天线模型， 等离子体假设为线性介 质， 电磁场的扰动以expi(mθ +kzz‑ωt)形式变化， 其中， ω＝2 π f是双鞍型天线的圆频率。 7.如权利要求6所述的一种应用于玄龙 ‑50装置双鞍型天线的设计方法， 其特征在于， 步骤二具体包括： 根据Maxwell方程组， 柱坐标等离子体 中的电磁场和双鞍型天线的电流密度j和电荷密 度ρ 满足的关系为： 权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115238541 A 2式中B表示等离子体中的磁场， E为等离子体中的电场， i是虚数单位， k0＝ωc为真空波 数， c为光速， ε是等离 子体的介电张量满足： 式中ε1、 ε2、 ε3是等离子体介电张量分量， kz为螺旋波z方向 的波矢， 是粒子的热速度， Tα和mα分别为粒子的温度和质量， Z为等离子体色 散函数； ωpα、 ωcα和 υα分别为等离子体频率、 粒子回旋频率和粒子碰撞频率； υen为电子中性 粒子碰撞频率， υei为电子离子碰撞频率， υie为离子电子碰撞频率， 分别满足： 其中Te、 ne分别为等离子体电子温度和密度， mi为离子质量， σen为电子中性粒子碰撞截 面； 根据电磁场矢量位和标量位的定义， 磁场和电场分别用矢量磁位A和标量电位φ表示 如下： 矢量磁位满足Coul omb规范： 在装置外壁处矢量磁位θ和z方向的分量Aθ、 Az和标量电位φ满足如下边界条件： Aθ＝0    (15) Az＝0    (16) φ＝0    (17) 利用边界条件(15)—(17)， 采用有限元数值求解Maxwell方程组(1)—(14)获得各节点权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115238541 A 3