中性束注入器电偏转系统的参数设计与估算研究

为EAST 装置中性束注入器设计了一套用于将剩余离子在线电偏转的结构,并对系统各设备的核心参数进行了估算。在4.41kV 偏转电压作用下,该电偏转系统可提供80keV 氘离子束偏转所需的偏转电场。在偏转电场调制情况下,该电偏转系统可有效降低极板表面的热负荷,进而满足EAST 中性束注入器稳态运行的需要。     

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EAST NBI束线综合测试台已研制完成并具备一台兆瓦级离子源测试运行的全套电源设备,包括离子源灯丝电源、弧电源、加速器电源、抑制极电源、偏转磁体电源及缓冲器电源等。介绍了EAST兆瓦级离子源进行起弧放电调试运行的方式,叙述了各套离子源电源系统的设计结构、技术特点及运行控制方式,分析了离子源电源系统稳定可靠运行需要解决的各个难点,给出了EAST束线样机进行高功率及长脉冲束引出测试运行的实验结果。     

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中性束注入是等离子体加热和电流驱动的重要方式之一,对EAST中性束注入的精确模拟对未来物理实验至关重要.采用ONETWO和NUBEAM程序模拟4MW、80keV中性束同向注入,不同的等离子体密度剖面导致不同的电子和离子加热、穿透功率损失、束驱动电流以及中子发射等.等离子体密度在以上的物理参数的演化中起着重要的作用.对EAST两种密度方案下中性束注入的效果进行了分析和讨论,并对未来中性束实验提供了一些预言性的建议和方案.     

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HT-7中性束诊断电源系统的计算机控制系统由PLC、工控机、逻辑控制和定时单元等组成。对起弧、束流引出等实验进行了研究。在多种参数下,通过调节弧压、进气量等观察了其对弧流的影响。初步实验结果表明,在高压35kV、弧流80A的情况下,束电流可以达到3.6A,引出的中性束流功率可以稳定地达到50kW以上。     

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对EAST中性束反向注入过程中等离子体加热和电流驱动进行了实验研究,并采用了美国普林斯顿大学等离子体物理实验室开发的TRANSP程序对高功率中性束注入过程中能量热输运进行了分析.结果表明,中性束注入可有效提高本底等离子体温度,产生束驱动非感应电流,提高等离子体旋转以及有效改善等离子体约束.     

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采用1.5维的放电模拟程序TSC结合蒙特卡罗程序NUBEAM对使用中性束加热的EAST放电全过程进行数值模拟研究。分析了典型实验参数条件下的中性束的加热及电流驱动效果。讨论了不同背景等离子体密度对中性束加热及电流驱动效果的影响。模拟结果表明,中性束的注入使得背景等离子体温度有了较大幅度的提升,并能驱动出一定份额的非感应电流;适当降低背景等离子体密度有助于提高中性束的加热及电流驱动效率。     

2MW中性束注入器抽气过程分析

一、引言 中性束注入器是要把离子源引出的高能离子转化成高能中性粒子,并输送到聚变装置中,既要提供足够的气体靶厚,以获得高效率的中性化,又要求主真空箱内的气压不超过一定的压强值,以减少再电离损失和对装置的气体负载。对于2MW这样特大的注入器,在设计过程中,不仅力图获得最大传输效率,而且要考虑到工程上的可行性和经济效益。因此,通过对抽气过程的分析计算来优化选择注入器进气方式、真空及抽气系统的各参数是必要的。     

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用密度调制的方法研究了等离子体中粒子输运问题。采用了注入脉冲式补充送气和超声分子束两种不同的密度调制方法。在HL-2A装置常规欧姆放电的情况下,运用有限差分法和Nagashima矩阵技术,求解了粒子平衡方程。计算出了粒子的输运系数(对流速度v和扩散系数D)。研究了粒子输运系数与等离子体线平均密度之间的关系。实验结果表明,在欧姆放电的情况下,等离子体芯部的粒子对流速度方向始终是向内的,并且密度低时,粒子输运系数(粒子扩散系数D和对流速度v)较大;密度高时,粒子输运系数较小。     

800keV,8电极负离子束系统的数值计算

高能量、大功率中性束注入是对大型受控核聚变装置进行等离子体加热、无感电流驱动并控制电流分布和点火燃烧温度的主要方法。由于负离子在高能量下仍具有很高的中性转换效率,基于负离子中性转换的方法已成为研制高能中性束注入器的主要手段。为此,我们对800keV、5电极强流负离子束系统进行了数值模拟研究。     

CFETR中性束注入系统负离子束源概念设计

根据 CFETR 对 NBI 系统参数的需求,开展了 CFETR NBI 束源的概念设计,给出了束源的设计参数指标和总体设计方案。完成了大面积等离子体发生器和负离子加速器两部分的设计工作。     

中性束束流品质对偏转系统窗口设计的影响

介绍了EAST第一条中性束注入束线内部偏转系统的结构。以参数为80 keV,70 A的氘束作为参考束,分析了经过中性化气体靶后,束流中高能粒子的能量成分;通过计算不同能量离子的偏转半径,说明了束截面在纵向的扩展情况;阐述了束散角的产生原理,分析了束散角对偏转系统窗口设计的影响。结果表明,偏转系统入射窗口和出射窗口尺寸一般和入射束的尺寸一致;偏转系统入射窗口和回转窗口的尺寸和相对位置满足一定条件,可使装置的热负荷相对较小,且各部分热负荷相对均匀。     

EAST中性束注入器用高压缓冲器分析

中性束注入(NBI)加速器短路故障时,根据B-H曲线和高压缓冲器的结构尺寸,在Fink的Snubber分析方法基础上,分别导出高压缓冲器任意铁芯叠片层的感应电压、涡流电阻与铁芯叠片层饱和深度的关系;利用安培环路定律,推出不同铁芯叠片层中涡流大小、饱和深度表达式,从而导出整个高压缓冲器随铁芯饱和深度变化的等效涡流电阻的表达式。根据Snubber的等效涡流电阻及NBI系统的杂散电容,分析故障时的瞬态短路电流回路,得到了铁芯叠片饱和深度的指数时间常数与电弧电流的表达式;得出高压缓冲器铁芯叠片的最大宽度及最小厚度分别为28 mm和114 μm。经实验测试和理论计算对比分析可知,铁芯叠片饱和深度的指数时间常数的测试值与理论值基本吻合。     

CFETR中性束注入系统概念设计

为了满足中国核聚变工程实验堆(CFETR)对等离子体加热和电流驱动的要求,从总体布局、束传输 系统、束源系统三方面进行了中性束注入系统的概念设计。利用参数计算的方法,根据聚变等离子体的要求明确 了中性束注入系统的性能指标和基本布局;利用束传输空间分布程序评估了束传输性能,确定了各功能部件的空 间布局结构;在此基础上,确定了束源系统的性能指标和引出系统布局方式,结合当前研发进展,明确了束源的 基本技术方案。由此完成了中性束注入系统参数指标、束传输关键尺寸、束源性能指标等设计要求,为后续工程 设计奠定了基础。     

兆瓦级NBI加热系统弧流电源故障诊断方法探究

针对中国环流器2号A(HL-2A)装置弧流电源的特点,以及弧流电源故障诊断的条件与现状,提出了结合中性束注入(NBI)控制系统的相关功能模块与基于Matlab/Simulink仿真技术构建的故障字典,以实现弧流电源运行状态的在线监测及其故障模式的诊断。NBI控制系统在监测到弧流电源故障状态后,调用存储的弧流电源输出信号进行分析,提取信号的特征值,然后通过查找弧流电源故障字典以诊断出可能的故障模式。结合实验数据论证了该故障诊断法对弧流电源简单故障定位准确,对复杂故障能缩小定位范围,具有原理简单、可操作性强等优点。     

基于负离子的中性束注入器加速极逆变型高压电源控制策略

ITER中性束注入器加速极需要一套逆变型直流高压电源系统。该电源采用三相三电平(TPTL)直流变换器作为基本单元,通过占空比控制实现对输出电压的快速调节。针对三相三电平直流变换器在小占空比模式下输出电压纹波大的缺点,提出了一种全新的控制策略。该策略通过协调直流母线电压的大小和逆变器占空比的变化对输出电压进行调节。为了验证新的控制策略的性能,搭建了200 kV/60 A的MATLAB/Simulink仿真模型和400 V/6 A的原理样机。仿真结果和样机实验结果表明,新的控制策略可以实现逆变型高压电源在输出电压快速可调的情况下降低输出电压纹波。     

3.5 MeV注入器脉冲功率系统

用于直线感应加速器的3.5 MeV注入器脉冲功率系统采用了感应叠加原理。整个系统包含了脉冲形成系统、触发系统以及感应腔负载。脉冲形成系统主要由Marx发生器和Blumlein脉冲形成线组成,产生12个脉宽约90 ns,幅度约200 kV的高压脉冲,通过12个感应腔和变阻抗阴阳极杆,在阴阳极间隙处产生3.5 MV的二极管电压,由天鹅绒阴极发射强流电子束。触发系统主要由两级触发开关构成,严格控制12个高压脉冲的输出时间,时间分散性统计值小于1 ns(动作时间抖动)。采用该脉冲功率系统注入器能产生能量约3.5 MeV,电流2～3 kA的强流电子束。     

光束偏转法自动测试激光等离子体冲击波系统的研制

根据光束偏转原理，研制了激光等离子体冲击波自动测试系统的硬件和软件。该系统使用计算机与可编程序控制器作为上下位机，采取上下位机通讯的方式控制步进电机及二维移动架的移动，以改变探测光的相对位置，并利用单模光纤和光电倍增管将探测到的光偏转信号传入数字示波器进行存储，最后计算机将示波器中采集到的光偏转信号进行分析处理。使用该系统对激光等离子冲击波的衰减过程进行了实际测试，得到了较为理想的实验结果。     

方波调制时的光热光束偏转理论

本文叙述了加热光束光强以方波调制时的光热光束偏转理论,讨论了偏转信号值与加热光功率、光斑半径,两光点的相对位置及调制频率等的关系并与实验结果比较,其结果是定性一致的.