射频负离子源关键参数测量系统研制

强流离子源是大功率中性束注入系统的关键部件之一,为了实现中性束注入系统的稳态运行,需要开展射频负离子源的实验研究。射频负离子源的负离子引出电流、引出总电流和引出电子流等关键参数的测量是射频离子源实验理论分析的基础,本系统通过信号调理隔离传输实现射频负离子源关键参数的测量。实验结果表明,系统测量采集数据精准可靠,运行稳定。     

HL-2中性束注入器离子束系统的设计计算

在受控核聚变研究中,中性束注入已经成为加热等离子体的有效手段。中性束注入器的关键部分是离子束系统,它的性能决定了中性束注入的效率和效果。文章就大功率中性束注入器离子源及离子引出、加速系统主要工作参数的设计计算方法进行了论述,并给出了HL-2装置中性束注入器离子束系统的计算结果。在强流离子束引出、加速系统束光学特     

HL-2中性束注入器离子束系统的设计计算

在受控核聚变研究中,中性束注入已经成为加热等离子体的有效手段。中性束注入器的关键部分是离子束系统,它的性能决定了中性束注入的效率和效果。文章就大功率中性束注入器离子源及离子引出、加速系统主要工作参数的设计计算方法进行了论述,并给出了HL-2装置中性束注入器离子束系统的计算结果。在强流离子束引出、加速系统束光学特性的数值计算程序中,考虑了离子源等离子体参数、等离子体弥散电子及离子束内部空间电荷效应对束光学性能的影响。计算表明,对于设定的55kev,80A的离子束系统,氢和氘离子束的匹配流密度分别为0.22A·cm~(-2)和0.155A·cm~(-2)。     

基于CSS的NBI射频离子源控制程序设计

离子源是中性束注入器(Neutral Beam Injector,NBI)的关键子系统之一,根据射频离子源的实验和运行需求,本文设计了一套基于物理实验与工业控制系统(Experimental Physics and Industrial Control System,EPICS)架构的控制程序,实现对射频离子源实验和调试过程的远程监控功能。NBI射频离子源控制程序通过集成开发平台(Control System Studio,CSS)的交互界面开发模块(Best OPI Yet,BOY)实现友好的人机交互界面,使用Jython实现界面逻辑,支持服务器/客户端和EPICS两种通信架构。程序已经上线近半年,实验表明,射频离子源控制程序具备了放电模式设置、时序幅值设置、设备状态实时监控、采集数据实时波形显示等功能,满足了射频离子源实验的远程控制和数据可视化的需求。     

基于多元线性回归模型的中性束质子比分析

中性束质子比的高低对其注入等离子体后的加热效果具有重要的影响。实验中,强流离子源的灯丝电压、弧压、进气量等宏观运行参数决定了中性束质子比的大小。以东方超环中性束注入测试台束引出实验为基础,利用多元线性回归模型对引出中性束质子比进行分析,建立了影响中性束质子比的预测方程,并对该模型的正确性进行了检验。结果表明,中性束质子比可利用以灯丝电压和弧压为自变量的多元线性回归模型进行分析,灯丝电压是影响质子比的关键参数,弧压次之。     

EAST-NBI离子源电极打火分析及处理

强流离子源是EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak)中性束注入器(Neutral Beam Injector,NBI)最关键的核心部件,其能达到的性能在很大程度上决定了EAST中性束注入器所能达到的指标。离子源在束引出时电极打火现象偶有发生,这对于离子源的正常运行有非常严重的影响,甚至危害离子源的寿命。本文结合离子源运行过程中的束引出实验波形和水流量热计(Water Flow Calorimetry,WFC)系统的测量数据得出等离子体发射面的束流光学系统一直处于非最佳聚焦状态是导致打火的原因,试通过优化高压投入时刻等离子体与高压的匹配,实现高压的稳定投入有效抑制打火现象的发生,并且给离子源加入硬件保护机制,为离子源安全稳定运行奠定基础。     

EAST NBI强流离子源反向电子流沉积计算

中性束注入是大型托卡马克聚变装置成功和有效的辅助加热方法。中性束核心部件长脉冲弧放电离子源发展的关键在于引出系统和弧室背板(反向电子吸收板)的冷却。将反向电子吸收板永久磁体磁场简化成喇叭形磁场,即可将反向电子向反向电子吸收板的运动简化为带电粒子在喇叭形磁场的会聚螺旋运动。通过简化模型对轰击反向电子吸收板的电子流在反向电子吸收板上的沉积进行相关模拟计算,为长脉冲束引出系统做出优化借鉴。     

EAST中性束注入器研制进展

EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak)作为世界上第一个全超导非圆截面托克马克,其目标是研究1 000 s的长脉冲稳态运行的前沿性物理问题,要达成这一目标,必须有高功率电流驱动和辅助加热系统以实现EAST装置的高参数稳态运行。中性束注入(Neutral Beam Injection,NBI)加热是等离子体辅助加热和维持最有效的手段之一,为此一套注入功率4–8 MW、脉冲宽度10–100 s的中性束注入系统于2010年开工建设,并于2014年实现了对等离子体的加热和驱动。本文主要展示了EAST中性束注入器的最新进展,从长脉冲束引出和高功率束引出两个方面介绍了EAST中性束注入器综合测试台的最新实验结果,结果表明在束功率和脉冲宽度方面已经达到或超过设计指标。     

EAST在不同加热模式下的辐射响应研究

利用EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak)上的在线辐射剂量监测系统,对氘氘等离子体实验期间各种加热模式下装置主机厅内中子、γ剂量进行测量。对比分析了欧姆加热、低杂波加热、中性束注入加热,以及中性束与射频波协同加热实验时的中子、γ辐射强度随时间演化的规律。结果显示:在纯欧姆加热模式,辐射剂量主要来源于逃逸电子轫致辐射产生的高能γ(X)射线和光中子;低杂波辅助加热时,通常会出现环电压下降的现象,离子温度和聚变反应率提高有限,而逃逸电子产生的韧致辐射却被有效抑制,使得总体辐射剂量水平反而低于纯欧姆加热模式;中性束注入加热时,束靶反应使得中子产额提高2～3个数量级,聚变中子以及中子与周围物质核反应产生的γ射线成为辐射剂量的主要来源。通过统计归纳得到在中性束注入加热时,中子周围剂量当量与γ周围剂量当量存在近似的线性关系。该线性关系对于中性束与各种射频波协同加热实验时,中子、γ射线来源于多种途径的情形并不完全适用。     

全超导非圆截面托卡马克中性束注入窗口材料活化研究

中性束注入加热为全超导非圆截面托卡马克(EAST)主要辅助加热方式之一.伴随着中性束注入加热,等离子体中子出射强度可达到1014 n/s.由于中性束注入窗口具有较大的开口尺寸,窗口泄露的大量中子可能影响系统的安全稳定运行.本文基于EAST中性束二维模型和蒙特卡洛程序MCNP与材料活化程序FISPACT,研究EAST两条...     

大功率离子源负载端数据采集系统研制

大功率离子源是整个中性束注入装置的核心部件。离子源灯丝、弧等关键部件的运行状态对系统实验参数设定、故障判断至关重要。为了实时监控灯丝、弧的运行状态,设计了一款大功率离子源负载端数据采集系统。系统采用伏频(V/F)转换技术实现了采样信号的远程隔离传输。PXI系统和Lab VIEW将采样信号进行实时显示。实验结果表明,在直流和调制注入模式下,系统实现了离子源灯丝和弧电压的远程实时监控。     

基于静电探针诊断下离子源调制放电

介绍了在静电探针测量下,离子源调制放电闭环控制系统设计要求,讨论了该系统的硬件设计、软件设计及其工作原理,给出了部分实验结果.系统成功地应用于实验并获得初步实验结果,为以后中性束注入开展相关物理实验提供可靠保障.     

HL-1M装置离子回旋波注入实验的边缘参数测量

为了提高等离子体温度和密度,在高参数下从事托卡马克等离子体物理研究,在HL-1M装置上进行低杂波加热和电子回旋波加热的基础上,我们最近开展了离子回旋波注入和中性束注入加热实验,以及弹丸注入加料和分子束注入(MBI)加料实验,特别是在后者的实验中获得了很高的粒子和能量约束时间。     

EAST-NBI反向电子吸收板换热计算与分析

中性束注入是托卡马克主要的辅助加热手段。目前先进实验超导托卡马克中性束注入(Experimental Advanced Superconducting Tokamak-Neutral Beam Injection,EAST-NBI)装置采用的是正离子源,运行过程中离子源的部分部件有很大的热沉积,其中反向电子吸收板最为严重。经实验研究,当束功率为3.5 MW时,沉积在反向电子吸收板上的平均功率密度高达4.4 MW·m~(-2),有着较大的换热负担。为探究反向电子吸收板的极限运行时间,采用数值模拟的方法,对反向电子吸收板在不同束功率、冷却水水压等多种工况进行了计算。结果表明,电子吸收板随着束功率的增大,换热负担加重、换热效果变差,通过增压泵提高冷却水入口压力一定程度上可以提高换热能力,使其极限运行时间延长。对该课题的研究可以指导EAST-NBI的运行,以保证离子源安全、稳定工作,此外还为反向电子吸收板的进一步结构优化奠定理论基础,对发展长脉冲、高功率的离子源具有重要意义。     

辅助加热高压电源微机反馈控制系统的研制与实验

辅助加热高压电源是国家863高技术项目,可分别为低混杂波驱动、中性束注入、离子回旋等辅助加热系统供电。它由两组电源组成,并联设计输出±40kV、72A,串联设计输出±70kV,36A。该电源于1994年基础安装调试完毕后,在年度物理实验中曾多次为中性束注入、低混杂波驱动供电。在1998年的HL-1M装置运行中,本电源连续进行4次、50kV、20A、1300ms的放电。在持续时间、重复性、稳定性方面都达到了历年来最高水平,这主要得益于最近投入使用的高压电源微机反馈调节控制系统。另外,配套完成的微机采集系统可在每次放电后数秒得到本次放电所需8个工作点的电压、电流波形。这对各主要设备的工作状态有了即时了解,提高了实验效率。     

HL-1M中性束注入器等离子体发生器电源

HL-1M中性束注入器和供电方框图如图1所示。注入器主要由离子源、束线和电源等部分组成,而离子源由等离子体发生器(放电室)和加减速结构(引出系统)两部分组成。在这种源型中,等离子体发生器电源包括灯丝、弧流和送气电源,也称做放电电源。     

HL-1M NBI束分布测量的改进

受控聚变研究领域取得的重要进展是与中性束技术的发展和大功率快粒子中性束注入密切相关的。中性束注入是等离子体辅助加热、非感应电流驱动、加料和控制等离子体电流分布的主要技术手段。     

基于Saber的5MW中性束注入弧电源仿真设计

强流离子源是HL-2M装置5 MW中性束注入加热系统的核心部件,离子源通过弧电源加速初级电子至高能态,碰撞气体分子,产生等离子体。所以,弧电源对于离子源维持稳定的弧放电非常重要。本文利用Saber软件建立了弧电源的主电路模型,设计并仿真了弧电流的恒流控制、打坑控制以及超级电容的恒流充电控制、恒功率放电控制等。这种方法不仅提高了弧电源电路的分析和设计效率,缩短了系统研制的周期,还可用于实际系统的故障分析和控制参数的整定,降低实验风险。实验结果表明,弧电源的真实输出与仿真输出结果相符。     

聚变堆中性束注入系统的电偏转器概念设计

中性束注入是磁约束核聚变研究重要的辅助加热和电流驱动手段.由于负离子源中性束注入系统束能量高、束斑大,电偏转已经成为剩余离子剥离的首选方案,其剩余离子剥离设备被称为电偏转器.电偏转器作为实现束流中性化的核心设备,其性能决定了中性束注入系统的工作效率.本文提出了聚变堆主机关键系统研究中负离子源中性束注入系统电偏转器的概念...     

HL-2AMW级中性束注入系统弧流电源设计

中性束注入是磁约束受控核聚变实验装置中加热等离子体最有效的方法之一。针对中国环流器2号中性束大功率离子源的特点,从系统功能、主电路拓扑结构、控制硬件及控制时序等方面对弧流电源进行设计。整个电源由低位移相交流调压、高压隔离降压变压器、整流滤波和电流快速转移电路4部分组成。IGBT与电阻串联组成电流快速转移阵列电路,与离子源并联,可实现电流单次或多次快速转移、参数远程设定,有效用于强流离子束的引出和保护。选用DSP和CPLD电路技术实现低位与高位控制器。实验数据显示,该电源最大输出为200kW/1000A,纹波小于2％,开关上升下降时间达μs级。目前,该电源已安全运行3年,可靠性高,完全满足装置离子源及系统要求,也可应用于其它等离子体技术应用场合。