热核聚变面临的两大关键问题是：首先，如何将等离子体加热到足够的高温以开始聚变反应；其次，如何维持具有高密度的高温等离子体在一定时间内的稳定性。低杂波电流驱动加热技术是实现非感应电流驱动和加热的有效方法。
LHCD简介
低杂波电流驱动（Lower Hybrid Current Drive，简称LHCD）是一种在托卡马克或恒星器等聚变装置中用于加热等离子体和驱动等离子体电流的技术。它属于无线电频率（RF）加热的一种形式，通过利用低杂波频率（通常在射频范围的100 MHz到250 MHz）的电磁波来加热等离子体。这些电磁波通过特殊的天线（如多结波导阵天线）耦合到等离子体中。当电磁波与等离子体中的电子共振时，能量可以有效地传递给电子，从而加热等离子体。
相比于欧姆加热，LHCD可以在更高的等离子体温度下工作，因为其加热效率不受等离子体电阻率影响。LHCD可以提供高功率的加热，有助于实现聚变所需的高温等离子体条件。该技术可以用于驱动等离子体电流，维持等离子体的稳定性。
LHCD的应用
LHCD被广泛用于国际热核聚变实验堆（ITER）和中国的EAST（全超导托卡马克）等实验装置中。
在EAST项目低杂波系统通过向托卡马克等离子体中耦合低杂波模式的波能量，以维持EAST全超导托卡马克上的长脉冲、稳态等离子体放电。自90年代初开始建设，经过几代人的努力，中国已经拥有了2.45G 4MW和4.6G 6MW两套微波加热系统，这些系统在国际上处于领先水平。
LHCD系统组成部分
-微波源：微波源作为低杂波系统的核心，包含多路速调管，它们由同一个微波振荡器激励。振荡器产生的微波信号通过PIN控制开关后，被送入1分10路的功率分配器，再分配至20路小信号。这些信号经过数控移相器、前级放大器和微波隔离器处理，然后馈入速调管放大器的输入腔，激励放大器工作。最终，放大后的信号通过天馈线系统耦合至托卡马克等离子体。每5只速调管由一台负高压电源供电，且整个系统，包括速调管管体、收集极和天馈线，都采用水冷却。同时，低杂波系统还具备完备的测量、采集、控制和保护系统，确保运行的稳定性和安全性。
-传输线系统：微波传输系统的核心任务是将速调管放大器产生的微波能量有效地传输至耦合天线的输入端口。这一系统由20条30至40米长的波导传输线构成，每条传输线负责传输高达100kW的微波能量。考虑到单波型主模(TE10)的工作模式、极限传输功率和传输损耗，低杂波传输线系统选择了WR430标准波导结构。为了增强系统的波传输能力，整个传输系统需保持良好的气密性，并可充入1.5至2个大气压的干燥空气或氮气。为满足低杂波系统的整体需求，每条传输线装备了包括1只高功率微波铁氧体环行器、2只双定向耦合器、1只3dB功分器、1只大功率水负载、3只打火探测器、30~40米长的WR430 矩形波导、30~40 米长的WR430 矩形波导以及2只隔直器在内的组件，确保了传输线的高效和稳定运行。
-多结波导阵天线：作为与托卡马克相连接的重要部件，采用相控多结波导阵形式，由20个主波导单元和相应的子波导组成，每个主波导单元通过功分器分成8个有源子波导，在天线端口设有保护限制器。限制器采用石墨材料, 石墨表面溅射碳化硅涂层, 石墨限制器通过柔性石墨纸, 以螺钉紧固于铜制热沉上。
-高压源系统：在低杂波系统中，微波源的供电需要多种不同参数的电源，包括速调管灯丝电源、磁场电源、钛泵电源、速调管阴极负高压电源，以及为微波源驱动级各器件供电的前级电源。这些电源各自承担着不同的功能，灯丝电源提供0~13V连续可调交流供电, 以加热灯丝的阴极, 使阴极溢出发射电子; 磁场电源为磁场线包提供20~25A的恒流供电, 产生1700~2000高斯的磁场约束、聚焦速调管内高能电子束, 磁场线包电流波纹度小于1%; 钛泵电源提供4500V的直流供电给钛泵, 维持速调管内高真空。20只速调管由四套高压源供电, 每台高压电源可以输出- 35kV/40A, 脉冲长度可以在0~1000秒的范围内调节, 而电压的波纹度和稳定度都可以控制在1%以内。实验中实时监测每个速调管的收集极、管体对地电流, 一旦速调管内部发生打火时, 保证在150 微秒内关断高压。
-水冷系统：在高功率稳态运行状态下，低杂波系统由于欧姆损耗会积累大量热量。若这些热量未能及时散发，不仅可能引发系统不稳定，还可能产生严重后果，例如，积聚在陶瓷窗口的高温可能导致窗口破裂，进而破坏托卡马克的真空状态。因此，系统配备了循环水冷却系统，用以迅速移除产生的热量，保障系统的稳定运行和托卡马克的真空环境不受损害。
-数据采集系统：在低杂波系统中，面对大量的输入输出功率信号、控制模块信号、总控信号、触发信号以及电流信号等，处理任务十分繁重。为了应对这一挑战，系统配备了专门的工业控制计算机和网络系统，以确保能够有效地管理和处理这些复杂的信号。
-保护系统：低杂波系统的保护机制由发射保护和光纤打火检测保护两部分组成。发射保护系统具备迅速切断高压源和速调管射频输入的能力。当检测到速调管阴极电流超过7.5A、管体电流超过250mA或冷却水流量不足等异常情况时，系统会立即切断高压源与速调管的连接，以防止速调管损坏。此外，射频保护系统能够监测到如速调管输出窗口打火、高功率铁氧体环行器打火或系统驻波比超标等高反射信号，一旦检测到这些异常，系统也会立即切断速调管的射频激励。整个保护系统的响应速度极快，达到纳秒级别，确保了系统的安全与可靠性。EAST全超导托卡马克实验中，低杂波系统成功实现了多项实验目标，并随着系统的不断升级改造，预计将在未来的核聚变研究中发挥更加重要的作用。
参考链接：
- https://www.iterchina.cn/jbzs/info/2013/12991.html