真空馈口在新型离子回旋加热（ICRF）天线中扮演着至关重要的角色，其主要功能是隔离高真空环境与外部的高压热氮气。在ICRF天线的运作中，馈口连接的内外导体之间可能承受高达45千伏的电压，因此，增强馈口的击穿电压耐受性和降低介质损耗是设计阶段的核心技术挑战。
ICRF作为聚变装置中一种有效的辅助加热手段，已经被证实并广泛应用于全球多个聚变实验平台。在这些系统中，真空馈口不仅是ICRF天线的关键组成部分，其设计和性能表现还直接关联到ICRF天线乃至整个EAST装置的运行效率和稳定性。电物理特性是评估馈口性能的关键指标，提升其耐压性能有助于减少放电事故，从而显著提高ICRF天线及其所服务的整体设备的安全性。
真空馈口结构
EAST项目中的新型离子回旋加热（ICRF）天线旨在实现对等离子体的长脉冲连续波加热，其设计目标包括一个宽广的频率范围（30至100MHz）、标准的传输线阻抗（50Ω），以及较高的加热功率（1.5至3兆瓦）。在ICRF天线系统中，真空馈口扮演着至关重要的角色，它位于真空传输线与高压气体传输线之间，确保了真空环境的隔离。不幸的是，真空馈口也是系统中最为敏感且最易发生"打火"现象的部分。一旦发生打火，不仅可能损害馈口的密封性，还可能因为击穿绝缘陶瓷而引发短路，这将导致ICRF天线乃至整个实验装置的故障。因此，在传输能量达到兆瓦级别时，真空馈口必须能够承受数十千伏的高电压。
鉴于真空馈口的稳定性对ICRF系统乃至整个实验装置的重要性，全球的研究人员都在积极探索各种形式的馈口设计以满足实验需求。尽管不同国家的真空馈口结构各异，但根据陶瓷的形状，它们可以被归类为四种基本类型：曲柄形状、圆盘形状、圆锥形状和圆柱体形状的真空馈口。在LHD装置上对这些馈口的耐压性能进行了测试，测试结果表明，圆柱形和圆锥形馈口展现出了最佳的耐压性能。
EAST项目中的新型离子回旋加热（ICRF）天线在设计上选择了圆锥形的真空馈口结构，这一选择基于其多项优势：首先，圆锥形结构有助于提升馈口的耐压性能；其次，它能够最小化因导体直径变化而引起的特性阻抗波动，从而降低驻波比；最后，圆锥形设计还有助于增加电长度，减少沿表面爬电的风险。这种馈口的基本构造已在下图中展示。
真空馈口的设计由三个核心组件构成：外导体、内导体以及绝缘陶瓷焊接件。这些组件通过绝缘陶瓷焊接件在真空条件下实现隔离，绝缘陶瓷的两端与金属法兰焊接，进而与内外导体相连，确保了密封性。所选用的95%纯度陶瓷因其极低的出气率、优异的绝缘特性以及成熟的制造工艺，成为真空馈口绝缘材料的理想选择。
如图3所示，绝缘陶瓷的一侧被3大气压的热氮气所充满，这一措施旨在增强传输线的耐压性能；而另一侧则与EAST的真空室保持一致，处于高真空状态。在ICRF天线的运行过程中，内外导体之间的电势差可能高达数十千伏，因此，确保真空馈口在维持密封性的同时，提升其耐压能力，是设计中的关键考量点。
为了降低打火风险，陶瓷锥度的选择至关重要，应使得电势等势线尽可能与陶瓷表面平行，从而使电场垂直于陶瓷表面。然而，锥度的减小虽然有助于降低打火概率，但若陶瓷长度过长，可能会使绝缘陶瓷变得更加脆弱，同时增加生产成本。因此，在EAST新型ICRF天线的真空馈口设计中，绝缘陶瓷的锥度被精心选择为11度，长度设定为275毫米，以平衡耐压性能和结构强度。
馈口分析
真空馈口作为ICRF天线中最容易引发打火现象的部件，常常成为限制ICRF波加热性能提升的关键因素。在设计过程中，提高馈口的耐压能力是一个至关重要的考虑点。对馈口进行细致的设计分析和计算是必不可少的步骤。
在ICRF天线的运行条件下，可以使用公式(1)来计算同轴传输线的安全电压值，即传输线的击穿电压：
其中，𝐴和 𝐵 分别代表传输线外导体和内导体的内径，𝑉表示传输线的允许电压。对于EAST的离子回旋加热天线，传输线的外导体内径和内导体外径分别为230毫米和100毫米。根据上述公式，可以计算出同轴传输线的安全电压大约为87千伏。
然而，考虑到真空馈口部分由于其结构的复杂性以及电压驻波比的波动，实际工况下为了增加安全余量，将安全电压设定为45千伏。以此为ICRF天线运行的工作电压，对馈口结构进行详细分析和计算。有限元计算模型的展示如下图4。
在模型中，以内导体电压为45千伏，外导体接地作为边界条件。分析结果显示在图5中：馈口区域的电势线大体上保持平行，电势在绝缘陶瓷上的分布随着位置的不同而变化。绝缘陶瓷中心附近的电势线与表面的夹角较小，最小角度约为45度；而远离中心的位置，电势线更加平缓，陶瓷端面连接处的电势线与表面的夹角约为30度。
在这种馈口结构中，最可能发生打火现象的位置是在陶瓷与导体连接的区域，这正是电势线与表面夹角最小的区域。通过这种设计，降低了打火现象发生的概率。因此，这种结构的馈口在ICRF天线的运行中能够满足实验的需求。
结论
在ICRF天线系统中，真空馈口是一个至关重要且相对脆弱的组件，它必须同时确保在高真空和高压热氮气之间形成有效的隔离，并具备足够的耐压能力。这样，即使在天线需要输出兆瓦级功率时，也能防止打火现象的发生。本文通过详细描述真空馈口的设计，并对其电势分布进行深入分析，证实了所采用的真空馈口结构的合理性和有效性，为实际工程应用提供了坚实的理论支持。
参考链接：
- http://www.chvacuum.com/systemdesign/032006.html