霍尔漂移对阳极层霍尔等离子体加速器电离效率的影响

以洛伦兹变换方法为基础,分析了阳极层霍尔等离子体加速器中电子的霍尔漂移,结果表明在交叉场中,霍尔漂移并不总是存在的,E/B的比值大于光速时,霍尔漂移将不存在.进一步的分析表明,霍尔漂移也并不总是回旋形式的,不同的电磁场配置以及不同的电子初始能量将带来不同形式的漂移,包括回旋形式,波浪线形式,甚至直线形式.电磁场的配置也决定着霍尔漂移的速度,在很大程度上影响着电子的能量,这就决定了放电时的电离效率.对不同电磁场配置进行数值模拟发现,合理的电磁场比值能够得到更好的电离效率(对于氩,这个数值大约为4×10⁶).不同的气体,根据其电离碰撞截面与电子能量的关系,都有不同的合理比值.     

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通过使用数值模拟和实验相结合的方法研究圆柱形霍尔等离子体推进器。应用蒙特卡洛方法和Particle In Cell(PIC)方法对放电通道内等离子体碰撞和行为进行模拟。建立圆柱形霍尔推进器的物理和数值模型;通过对放电和加速区等离子体的产生和输运进行模拟,掌握了等离子体放电和加速机理以及内磁极的刻蚀情况。结果表明:随着电压的升高,内磁极刻蚀较为严重;推进器内部离子能量值约为放电电压值的50%左右。同时通过实验方法测定不同放电电压情况下推进器的放电性能。     

圆柱形霍尔推进器的三维刻蚀模拟与实验研究

通过使用数值模拟和实验相结合的方法研究圆柱形霍尔等离子体推进器。应用蒙特卡洛方法和Particle In Cell (PIC)方法对放电通道内等离子体碰撞和行为进行模拟。建立圆柱形霍尔推进器的物理和数值模型;通过对放电和加速区等离子体的产生和输运进行模拟,掌握了等离子体放电和加速机理以及内磁极的刻蚀
情况。结果表明：随着电压的升高,内磁极刻蚀较为严重;推进器内部离子能量值约为放电电压值的50%左右。同时通过实验方法测定不同放电电压情况下推进器的放电性能。     

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介绍了一种低功率圆柱形阳极层离子源的工作特性和束流分布特性。离子源正常工作参数范围为工作电压200～1200V,放电电流0.1～1.4A,工作气压1.9×10-2～1.7×10-1Pa,气体流量5～20sccm。离子源有两个工作状态：发散状态和准直性状态。     

圆柱形阳极层霍尔等离子体加速器的质点网格方法模拟

对圆柱形阳极层霍尔加速器内的放电等离子体运用二维质点网格方法（particle in cell）进行数值模拟,用蒙特卡罗碰撞方法处理带电粒子与中性粒子之间的碰撞. 得到了放电通道内离子与电子的分布以及离子流的运动,并且对出口外侧的能量分布进行了统计. 结果发现圆柱形阳极层等离子体加速器的磁场对电子有明显的约束作用,电子集中于阳极附近很小的区域内. 由于电磁场的特殊分布,离子流呈现出双峰式的分布. 离子能量范围从放电电压的20%到接近放电电压,平均能量在放电电压的40%—50%之间. 关键词： 质点网格方法 蒙特卡罗碰撞 数值模拟 阳极层霍尔等离子体加速器     

HL-2M装置5 MW中性束加热束线离子源放电室研制

为了给HL-2M装置建设一条5 MW中性束加热束线,开展了中性束加热用热阴极弧放电离子源放电室的研制。这条中性束束线包含4套80 kV/45 A/5 s离子源,放电室的设计指标为850 A/5 s。首先采用CST软件中的电磁工作室对特定几何结构的放电室会切磁场进行了模拟计算,得到了会切磁场分布,验证了会切磁场布局的合理性。针对放电室加工工艺和实验过程中局部拉弧等问题,对放电室结构进行了不断改进。放电室侧壁由40列会切磁体改为7圈环形磁体,阴极灯丝结构从灯丝板结构最终改为陶瓷可伐结构,并且在放电室和加速器之间增加了陶瓷屏蔽。在阴极板结构放电室和阴极陶瓷可伐结构放电室内都获得了正常的弧放电。最终定型的放电室采用周边7圈环形会切磁体和陶瓷可伐结构。在定型的放电室内达到了5 MW中性束束线离子源弧放电的指标。弧放电时间接近5 s,最大弧放电电流达到1 000 A。     

HL-2M 装置 NBI 加热系统规划及束线研究进展

为满足 HL-2M 装置高约束模式及高参数实验需求,HL-2M 装置规划 3 条中性束注入(NBI)加热束线, NBI 加热功率为 15MW。第 1 和第 2 条束线是基于正离子源的 NBI 加热束线,根据中后期高参数实验状态确定第 3 条束线采用正离子源或者负离子源。本文简要介绍了 HL-2M 装置的加热束线布局和系统设计概念,综述了基于 4 套 80kV/45A/5s 离子源的 5MW-NBI 中性束加热束线的设计参数及研制进展。在物理和工程可行性简要分析基 础上,给出了采用 2 套 200kV/12.5A/10s 热阴极负离子源的 2.5MW-NBI 束线的概念设计、工程设计及技术研究进 展。      

MW级中性束注入弧电源系统优化

中性束注入弧电源的性能严重影响弧放电的稳定性和中性束加热的效率。HL-2A装置弧电源采用基于晶闸管相控调压和12脉波不控整流的线性电源技术;HL-2M测试束线弧电源采用基于超级电容和IGBT全控整流的开关电源技术。为了优化电源系统性能、改进弧放电稳定性,研究了采样频率对弧放电稳定性的影响。通过对两套电源控制系统进行建模,利用MATLAB仿真了不同采样频率下HL-2M弧流电源控制系统的阶跃响应性能和HL-2A的控制系统性能,分析了采样频率对系统性能的影响。利用离子源测试平台进行不同采样频率下的弧放电实验对仿真结果进行验证,实验结果与仿真结果一致。实验结果验证:采样频率对弧放电稳定性有很大影响,在频率可调范围内,增大采样频率,可以提高控制系统性能,优化弧放电稳定性;HL-2A弧放电不稳定的原因是晶闸管导通特性和滤波电路引起的。     

HL-2M中性束负离子试验源磁场位形及引出结构模拟分析

采用CST电磁工作室和粒子工作室软件对负离子试验源的会切磁场、过滤磁场、电子偏转磁场的位形及引出束流的光学进行了模拟计算。通过扫描会切磁体、过滤磁体、电子偏转磁体的表面磁场参数,确定了最佳的磁体结构和运行参数：周边6圈会切磁体,会切磁体表面磁场4kG,过滤磁体表面磁场5.5kG,电子偏转磁体表面磁场2.5kG,引出电压5~20kV,加速电压50~160kV,引出负离子束的光学性能满足NBI注入要求。     

HL-2M装置中性束注入加热系统研制进展

为开展磁约束堆芯燃烧等离子体物理实验,正在建造的HL-2M装置拟建造3条5 MW的中性束注入加热束线。简要概述了HL-2M装置NBI加热系统的总体规划,第1条5MW-NBI加热束线的设计,离子源调试实验,注入器核心部件的安装和测试结果。通过调试,目前单个离子源引出束流达到36 A,加速电压75 kV,离子束功率达到2.4 MW,脉冲宽度3 s。通过测试发现:注入器的4条离子束汇聚角误差小于±0.1°,残留离子偏转磁体的磁场测试值与模拟计算值偏差小于±5%,注入器静态真空值达到1.0×10-3 Pa。注入器采用大型非标低温泵,低温泵的抽速达到2.40×106 L/s。第1条5MW-NBI加热束线的试装和测试结果表明,该束线能够满足HL-2M装置NBI加热的技术要求。