Development of the fast arcing protection for ECRH system on the HL-2A tokamak

1 Introduction A series of engineering tests and physical experiments,including ECRH[1],was carried out on the HL-2A tokamak in 2005.A fast arcing protection system[2] was developed to ensure operating of ECRH facilities[3],especially the gyrotron,against arcing in the transmission line.     

用于回旋管测试台的高压电源及控制系统设计北大核心CSCD

从一套用于回旋管测试台的基于脉冲阶梯调制(PSM)技术的-60kV DC/50A高压电源入手,提出了一套基于单片机和现场可编程门阵列(FPGA)的控制系统设计,不仅满足了电源系统各种运行尤其是1kHz调制的要求以及各种监控的要求,还满足了回旋管测试台的各种逻辑控制与快速联锁保护的要求。最终测试结果表明:该套电源及控制系统逻辑结构清晰,操作简洁,运行可靠,能够满足测试台系统对高压电源各项逻辑控制、精确定时控制、快速保护等控制要求。     

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HL-2A装置电子回旋共振加热系统的主要指标是2MW/1s/68GHz,系统由4个单元组成,每个单元包括一只回旋管,微波传输系统,控制保护测量和冷却等子系统。通过对ECRH系统和回旋管的调试,每只管子微波输出功率500kW,脉冲宽度1s,四管并联运行时总输出功率达到1.63MW,系统使用效率高于80%。     

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68GHz ECRH系统由6套0.5MW/1s(1.5s)子系统构成,140GHz ECRH系统由2套1MW/3s子系统构成。每套子系统由独立的传输线与天线相连,再通过天线注入等离子体。68GHz ECRH子系统为非真空传输线,以内径为80mm的过模波纹圆波导为主要传输部件,包括隔直器、弹性波导、换向波导和一个槽纹深度为l/2的极化器;140GHz ECRH子系统为真空传输线,以内径为63.5mm的过模波纹圆波导为主要传输部件,包括隔直器、弹性波导、换向波导、转换开关、抽气波导和槽纹深度分别为l/4与l/8的极化器。经过不断地完善,68GHz ECRH系统传输线已成功运用于ECRH运行中,整条传输线的输送效率可以达到90%左右。对于140GHz ECRH系统,已完成了传输部件的整体设计,目前正在进行相关部件加工测试。     

HL-2A装置ECRH主高压电源的研制

介绍了HL-2A装置电子回旋系统主高压电源的研制。用星点控制技术实现了高压直流平台输出电压的调节;用TM-703FB大功率调制管为核心的高压调制技术实现了高压电源输出电压的快速升降及电源的快速保护。用前馈补偿和反馈控制技术实现了输出电压波纹小于1%。电源输出总体指标为-60kV/(25A×4)/1s,满足了ECRH系统的要求。     

ECRH负高压脉冲电源系统保护特性研究

研究了ECRH负高压脉冲电源系统各环节的保护特性，设计出相应的保护电路。实验表明，设计出的保护电路对系统的安全运行提供了可靠的保障。     

HL-2A装置电子回旋打火保护系统设计

电子回旋打火保护系统由打火弧光探测器、A/D转换单元和逻辑处理单元组成。弧光探测器响应时间小于2μs,A/D转换单元和逻辑处理单元响应时间小于1μs。打火保护系统输出保护信号关断各供电电源的响应时间小于20μs。     

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介绍了以Siemens S7-300PLC为控制核心的HL-2A装置电子回旋共振加热控制与保护系统的设计与实现。系统采用了基于工业以太网的分布式结构,使用VFC/FVC电路和光纤隔离技术传输高电压/大电流的测量与控制信号,确保了控制系统运行的电气安全性,增强了信号传输过程中的抗干扰能力;加热系统的保护采用基于CPLD/FPGA实现的快速保护技术。实验证明该控制与保护系统具有兼容装置现场强电磁干扰的能力,运行稳定可靠、功能完善并具有良好的扩充性能。     

基于PLC的HL-2A装置电子回旋共振加热系统控制与保护

介绍了以Siemens S7-300PLC为控制核心的HL-2A装置电子回旋共振加热控制与保护系统的设计与实现。系统采用了基于工业以太网的分布式结构,使用VFC/FVC电路和光纤隔离技术传输高电压/大电流的测量与控制信号,确保了控制系统运行的电气安全性,增强了信号传输过程中的抗干扰能力;加热系统的保护采用基于CPLD/FPGA实现的快速保护技术。实验证明该控制与保护系统具有兼容装置现场强电磁干扰的能力,运行稳定可靠、功能完善并具有良好的扩充性能。     

用于长脉冲大功率微波系统的高压调制电源

为ＨＬ－１Ｍ装置上的ＬＨＣＤ和ＥＣＲＨ长脉冲大功率微波系统研制的主调制电源,已达到了－７０ＫＶ、３５Ａ的输出指标。应用该电源首次实现了ＴＭ－７０３Ｆ型大功率调整管在１ｓ长脉冲下的运行和双大功率高压调制器的并联运行,在没有ＣＲＯＷＢＡＳＲ保护系统的情况下采用有效的快速保护措施实现了长期的稳定可靠运行。     

EAST装置电子回旋共振加热系统中央控制器设计

介绍了基于可编程逻辑门阵列(FPGA)芯片的电子回旋共振加热(ECRH)系统中央控制器的设计,阐 述了中央控制器对输入的总控触发信号、等离子体电流信号、ECRH 系统状态信号、高压输出状态信号、波输出 状态信号、各类停止信号以及各输出控制信号等的处理与控制逻辑。对 FPGA 程序做了时序仿真,仿真结果表明,该控制器能够实时响应总控触发信号、精确控制阴极与阳极高压电源的开关、处理各种异常情况,满足 ECRH 系统的控制需求,且具有极高的可靠性。     

HL-2Aװ��SDD��X����PHA����ʵ����

用软X射线脉冲高度分析(PHA)阵列系统获得了等离子体的电子温度剖面和电子速率分布的时间演化。测量结果表明,电子温度剖面在OH阶段较平缓,接近抛物线1.0×[1-(r/a)2]2分布;而在ECRH(功率0.8MW)阶段,等离子体中心(z＝0)电子温度上升了0.6keV,边缘(z＝30cm)处只上升了0.1keV,反映出ECRH功率沉积在等离子体中心区域;在ECRH期间有大量的高能电子产生,因而电子速率分布在ECRH期间显著改变;等离子体中心的高能电子的数量和能量都比等离子体边缘的增加更大,ECRH(～0.8MW)期间等离子体中心(z＝0)产生的高能电子的能量可达17keV。分析表明：在ECRH(纵场Bt=1.3T)放电期间,ECRH加热效果显著,ECRH的功率主要沉积在等离子体中心附近;电子温度剖面在ECRH阶段较OH阶段峰化;ECRH期间有大量的高能电子产生,电子速率分布被改变成为非麦克斯韦分布。     

HL-2A装置ECRH系统的微波功率测量

新研制的微波功率测量系统主要由温度传感器、功率标定电源、电子学处理单元、数据采集和数据处理单元等几部分组成,通过测量EC系统MOU部件冷却水回路进水口和出水口的温度变化,得到MOU吸收的杂模功率。根据回旋管输出功率中的杂模含量比,计算得到回旋管的输出功率。在回旋管调试和ECRH实验期间,測量了4路回旋管的输出功率。从测量结果可知,HL-2A装置ECRH系统可提供大于1.6MW的总输出功率。     

HL-2A装置SDD软X射线PHA阵列实验结果

用软X射线脉冲高度分析(PHA)阵列系统获得了等离子体的电子温度剖面和电子速率分布的时间演化。测量结果表明,电子温度剖面在OH阶段较平缓,接近抛物线1.0×[1-(r/a)²]²分布;而在ECRH(功率0.8MW)阶段,等离子体中心(z＝0)电子温度上升了0.6keV,边缘(z＝30cm)处只上升了0.1keV,反映出ECRH功率沉积在等离子体中心区域;在ECRH期间有大量的高能电子产生,因而电子速率分布在ECRH期间显著改变;等离子体中心的高能电子的数量和能量都比等离子体边缘的增加更大,ECRH(～0.8MW)期间等离子体中心(z＝0)产生的高能电子的能量可达17keV。分析表明：在ECRH(纵场B_t=1.3T)放电期间,ECRH加热效果显著,ECRH的功率主要沉积在等离子体中心附近;电子温度剖面在ECRH阶段较OH阶段峰化;ECRH期间有大量的高能电子产生,电子速率分布被改变成为非麦克斯韦分布。     

HL-2M 装置电子回旋共振加热及电流驱动系统设计与研制进展

根据 HL-2M 装置物理实验加热的需求,完成了总功率为 8MW 的电子回旋共振加热及电流驱动 (ECRH/ECCD)系统设计,开展了波源、传输及天线等关键部件研制。8MW ECRH/ECCD 系统,由 8 套 105GHz/  1MW/3s 波源系统、8 条内径为 63.5mm 的真空传输线及三套极向实时可控的发射天线构成。目前,已完成 ECRH/ECCD 系统关键部件研制及其相关的桌面与高功率性能测试。测试结果表明,微波源回旋管输出微波功率 达到1MW/3s,在真空度为 10^‒2Pa 的过模波纹圆波导传输线中能低耗稳定传输,发射天线极向全量程角度转动响 应时间在 50ms 以内。      

Investigation of impurity transport using laser blow-off technique in the HL-2A Ohmic and ECRH plasmas

Impurity transports in two neighboring discharges with and without electron cyclotron resonance heating(ECRH)are studied in the HL-2A tokamak by laser blow-off(LBO) technique.The progression of aluminium ions as the trace impurity is monitored by soft x-ray(SXR) and bolometer detector arrays with good temporal and spatial resolutions.Obvious difference in the time trace of the signal between the Ohmic and ECRH L-mode discharges is observed.Based on the numerical simulation with one-dimensional(1D) impurity transport code STRAHL,the radial profiles of impurity diffusion coefficient D and convective velocity V are obtained for each shot.The result shows that the diffusion coefficient D significantly increases throughout the plasma minor radius for the ECRH case with respect to the Ohmic case,and that the convection velocity V changes from negative(inward) for the Ohmic case to partially positive(outward) for the ECRH case.The result on HL-2A confirms the pump out effect of ECRH on impurity profile as reported on various other devices.     

Hybrid Transmission Line for ECRH in the Helically Symmetric Experiment

The HSX oversized, mode-converting ECRH transmission line has been upgraded to a hybrid system to increase launched microwave power and reduce electrical arcing. Filtering of high-order, spurious modes ensures efficient coupling to a Gaussian beam for optimal electron heating. A Vlasov mode converter and two phase-correcting ellipsoidal mirrors convert the TE₀₂ gyrotron output mode to a symmetric, linearly polarized, microwave beam. A swappable twist reflector plate rotates beam polarization for 2nd-harmonic X-mode or fundamental O-mode ECRH. Long distances are traversed by coupling the beam to a dual-mode (TE₁₁ + TM₁₁), smooth, circular cross-section waveguide. This system has been successfully tested without arcing for 50 ms pulses and over 100 kW of launched power. Analysis of the microwave beam for 50 kW, 2 ms microwave pulses reveals agreement with predicted beam shapes at two beam locations. The new system has also demonstrated increased plasma stored energy for ECRH plasmas with equal launched power.     

Design and application of a new control system for tokamak ECRH power supply

The biggest challenge of designing and building tokamak electron cyclotron resonance heating (ECRH) pulse step modulation (PSM) power supply is satisfying its required output voltage rising time to be less than 100?µs while suppressing the voltage overshoot to be no more than 1%. To fulfill the two requirements, a new control strategy with startup time in microsecond range is proposed in this paper, and a new control system to realize the control strategy is introduced. The control system was built and tested on 60?kV/50?A ECRH power supply. The experimental results indicate that the control system can restrain the overshoot effectively, increase response speed, and obviously improve the dynamic characteristics of the PSM power supply system. Thus, the proposed control system helps the PSM power supply to meet the design specifications.     

磁镜中晃荡电子形成熟垒的实验研究

本文在实验上研究了ＦＣＲＨ产生晃荡电子形成串级磁镜热垒的可行性，并对等离子体电位进行了测量，研究结果表明，ＥＣＲＨ产生晃荡电子形成热垒是成功的。     

Observation of Fishbone-Like Instabilities Excited by Energetic Electrons on the HL-2A Tokamak

Strong burst of an internal kink mode is observed on the HL-2A tokamak. Features of the fishbone-like mode are presented. The fishbone-like instabihties can be driven during electron cyclotron resonance heating （ECRH） and can be excited on the high field side （HFS） by ECRH. It is found for the first time that the modes also present themselves on the low field side （LFS） during ECRH. Experiments show that the energetic electrons with energy of 35-70 keV play a dominant role in the excitation mechanism, and the experimental results are also consistent with our calculation ones.