HL-2M装置中性束离子源束光学红外成像实验研究

为了研究HL-2M装置中性束注入(NBI)加热用的80kV/45A/5s热阴极离子源束光学特性，采用红外电荷耦合元件(CCD)成像技术，测量离子源引出粒子束轰击量热靶板产生的温度分布，得到束功率密度空间分布区间特征参数1/e半宽度。在NBI热阴极离子源调试平台上，扫描离子源的放电和引出参数，利用CCD红外热像仪获得了对应参数下量热靶上的束功率密度分布。实验结果表明，HL-2M装置NBI加热系统80kV/45A离子源可用的导流系数范围为0.7~1.5μP。同样导流系数下，梯度电极与等离子体电极的分压比较高时，引出束流的半宽度较小。     

HL-2A装置NBI加热束线束光学特性

中性束离子源束光学特性直接影响中性束注入功率。通过理论计算和实验扫描的方式对引出束半宽度随导流系数的变化进行了研究。理论上, 采用IGUN程序对HL-2A装置的三电极引出加速器进行了束元轨迹模拟, 采用束几何光学计算程序对高斯束元进行叠加, 得到了在束线量热靶处引出束的1/e半宽度。实验上, 在放电气体为氘气, 弧放电电流分别为200, 300, 400 A时, 对引出高压进行扫描, 利用量热靶上的热偶测量了不同位置处的温升, 用高斯函数拟合得到引出束的分布和1/e半宽度。理论计算和实验结果都表明, 束半宽随着导流系数的增加先减少后逐渐增加。理论计算结果表明不同离子束流下的最佳导流系数值基本不变, 而实验上, 弧流为200, 300, 400 A时, 对应的最佳导流系数分别为1.6, 1.7, 1.85 P。     

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。      

射频离子源束流特性分析

介绍了为HL-2A装置设计的引出束功率为1MW的射频离子源研制情况。目前,在测试平台上,该离子源已经成功引出了束能量和束电流分别为35ke V和12.4A、束质子比为79%、脉宽为100ms的氢离子束,达到了其设计束功率的44%。用红外热成像的方法测量了离子束能量密度分布。结果表明,在距离引出系统地电极1.3m处,束密度分布遵循高斯分布。引出束的最佳导流系数为1.689×10–6A?V-3/2左右,随射频功率改变有较小的变化。根据这些实验结果,采取了相关改进措施来改善离子源的引出束性能。     

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。     

射频离子源束流特性分析

介绍了为HL-2A 装置设计的引出束功率为1MW 的射频离子源研制情况。目前,在测试平台上,该离子源已经成功引出了束能量和束电流分别为35keV 和12.4A、束质子比为79%、脉宽为100ms 的氢离子束,达到了其设计束功率的44%。用红外热成像的方法测量了离子束能量密度分布。结果表明,在距离引出系统地电极 1.3m 处,束密度分布遵循高斯分布。引出束的最佳导流系数为1.689×10^–6A•V^-3/2 左右,随射频功率改变有较小的变化。根据这些实验结果,采取了相关改进措施来改善离子源的引出束性能。     

HL-2M装置周边磁场分布及NBI束线磁屏蔽分析

采用电磁场模拟软件CST Studio中的电磁工作室计算了HL-2M装置纵向和极向场线圈在装置周边的磁场时空分布。计算结果表明,在中性束注入器中性化室及离子源引出区域的磁场超过2-10^-3T,需要在注入器的中性化和离子源区域采用磁屏蔽结构。利用CST软件模拟计算了基于纯铁材料的NBI 注入器离子源及中性化区域的磁屏蔽罩内的磁场分布。     

中性束离子源实验平台80k V/50A/20ms高压电源设计分析与优化

高压电源是中性束加热用离子源束流引出的关键设备，其运行参数和性能直接决定引出束粒子能量和离子源引出效率。为了进一步提高中性束离子源实验平台高压运行参数和性能，重新优化设计并研制了80k V/50A高压电源的所有模块。首先介绍了80k V/50A高压模块电源的主电路拓扑结构和电源模块，运用仿真软件对高压电源主回路进行了充放电、打火保护仿真，仿真结果符合设计要求。最后，通过调试实验发现了电源模块存在空间绝缘不足、整流桥击穿、触发控制不响应等问题，进行了分析优化改进，完成了80k V/50A高压模块电源的升级研制。     

HL-2A装置中性束离子源引出系统束流分析

在中性束离子源引出过程中,详细分析了引出束流的产生,这有利于得到更准确的引出功率和引出电极表面的热功率沉积情况。根据HL-2A装置中性束离子源引出电极的电连接方式和束流引出的物理过程,对离子源束流引出过程进行了分析,给出抑制极电流产生的主要来源。通过分析放电气压扫描实验中的结果发现:随着放电气压的增加,不同弧放电电流情况下抑制极电流均逐渐增加,且抑制极电流与引出电流的比值近似线性增加。针对引出离子束流经过引出电极的过程建立了物理模型。计算了抑制极电流与引出电流的比值与放电气压的依赖关系,计算结果与实验结果一致,验证了引出束流分析结果的合理性。     

HL-2Aװ��NBI����Դ���Ƽ���Դ��ʵ�����

为提高NBI系统的稳定运行参数和可靠性,研制了一台基于高频开关电源技术的全固态调制输出负高压测试电源,并将HL-2A装置NBI系统原4套抑制极电源的电子管调制器改为基于IGBT串联技术的全固态调制器.对比原抑制极电源系统,给出了基于高频开关技术和IGBT串联技术的抑制极电源结构.结合NBI系统调试实验,通过调节抑制极电源电压,瞬态电流输出能力,分析了抑制极电源输出性能对离子源束流引出特性,离子源引出电极击穿特性的影响,获得了引出稳定离子束流的最低抑制电压.     

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-lM装置在NBI期间注入H弹丸和AI杂质的辐射损失特性

使用十六道探测器阵列在HL-1M装置上对中性束加热等离子体中注入氢丸和铝杂质的辐射损失功率进行了测量。通过对测量数据的分析,获得了以下主要实验结果,(1)中性束加热等离子体辐射损失功串密度分布在等离子体小半径(3/5)a范围内较平坦,辐射功率密度为0.1W·cm     

核聚变装置辐射功率密度时空分布测量

本文对HL-1M托卡马克装置注入氢分子束，然后注入氢弹丸，最后注入电子回旋波加热等离子体的辐射功率密度时空分布特性做了分析。主要实验结果有氢分子束和氢弹丸等离子体辐射功率密度时空分布是不对称的，分子束和氢弹丸注入将增加等离子体中心区域辐射功率密度，电子回旋波的注入等离子体辐射功率密度时空分子基本对称。     

HL-2A中性束大功率离子源的研制

2007年3月,为HL-2A中性束注入器研制的大功率离子源在核工业西南物理研究院成功通过了测试.该离子源为圆柱结构的桶式离子源型;加速器采用三电极的加减速系统.实验运行参数如下:灯丝加热电流1100A,电压12V,弧放电电压120V,弧放电电流1050A,等离子体密度达2.5×1012/cm3,离子流密度0.44A/cm2;在距等离子体电极5mm的平面上,等离子体的均匀性好于5%,工作脉宽2s.离子源物理设计、工程考虑、实验研究结果等将在本文介绍.     

射频离子源离子束成分光谱测量

为HL-2A装置中性束注入器研制了引出束功率为1MW的射频离子源。在测试平台上,实验离子源已经成功引出了束能量和束电流分别为35ke V和12.4A、束质子比为79%、脉宽为100ms的氢离子束,达到了设计束功率要求的44%。在射频离子源实验平台上,利用多普勒频移光谱方法测量了离子源引出束流成分比例,对比了束流成分和射频离子源引出束流之间的关系。实验数据分析表明,在10A引出束流的情况下,离子流成分H+1、H+2和H+3分别为75%、18%和7%。并且当引出束流从3.3A升至10.4A时,H+1从37%升至78%,而H+3则从19%降至9%。     

射频离子源离子束成分光谱测量

为HL-2A 装置中性束注入器研制了引出束功率为1MW 的射频离子源。在测试平台上,实验离子源已经成功引出了束能量和束电流分别为35keV 和12.4A、束质子比为79%、脉宽为100ms 的氢离子束,达到了设计束功率要求的44%。在射频离子源实验平台上,利用多普勒频移光谱方法测量了离子源引出束流成分比例,对比了束流成分和射频离子源引出束流之间的关系。实验数据分析表明,在10A 引出束流的情况下,离子流成分 H⁺ ₁、H⁺ ₂ 和H⁺ ₃ 分别为75%、18%和7%。并且当引出束流从3.3A 升至10.4A 时,H⁺ ₁ 从37%升至78%,而H⁺ ₃ 则从19%降至9%。     

HT—6M装置中性束注入加热初步实验

一、引 言 在受控核聚变领域中,中性束注入是加热高温等离子体最有效方法之一。目前,几乎所有托卡马克实验中所获得高的温度,都是在有中性束注入情况下实现的。而用中性束注入加热托卡马克等离子体在国内尚属首次。 中性束注入系统的关键是离子源引出高能离子束,经过中性化室将高能离子束转变成高能中性束,并注入到装置中去加热等离子体,以提高等离子体的离子温度。 该系统涉及技术领域广,工程量大,经过多年艰苦努力,HT-6M装置中性束注入系统,终于进入实验阶段。本文介绍当50kW中性束注入HT-6M装置后,等离子体温度净增约80eV。     

HL-2Aװ��ECRHϵͳ�����������

应用准光学原理设计了HL-2A装置电子回旋共振加热(ECRH)系统新的集束天线,该天线能使4束68GHz/500kW/1s电子回旋波通过椭球镜聚焦和平面镜的反射,从一个直径350mm装置窗口同时注入托卡马克,对等离子体实现加热。根据基模高斯束的传播原理得出,在装置环向横截面中心处单条波束的功率密度为158MW•m-2,功率密度降为中心密度的1/e2的半径为31.7mm,微波束经过镜面聚焦和反射产生的欧姆损失和衍射损失分别为0.27%和0.64%。利用有限元分析软件Ansys对镜面进行热分析得到,在1s脉冲载荷下最大镜面温升仅为0.47℃,镜面可以自然冷却。     

HL-2M装置雪花减偏滤器热疲劳分析

利用SOLPS软件,采用有限元数值计算方法,模拟计算了HL-2M装置雪花减偏滤器靶板上热负载分布,分析了偏滤器温度及热应力分布,并使用ITER内部器件设计评判标准对HL-2M偏滤器结构进行热疲劳寿命的评估。结果表明,在低周循环下靶板大部分区域不会经历严重的塑性疲劳,但距离外侧抽气口4mm位置拱顶区域循环寿命约为1963次。模拟结果对HL-2M装置偏滤器设计具有一定参考意义。     

HL-2A中性束大功率离子源的研制

2007年3月, 为HL-2A中性束注入器研制的大功率离子源在核工业西南物理研究院成功通过了测试. 该离子源为圆柱结构的桶式离子源型; 加速器采用三电极的加减速系统. 实验运行参数如下: 灯丝加热电流1100A, 电压12V, 弧放电电压120V, 弧放电电流1050A, 等离子体密度达2.5×10¹²/cm³, 离子流密度0.44A/cm²; 在距等离子体电极5mm的平面上, 等离子体的均匀性好于5%, 工作脉宽2s. 离子源物理设计、工程考虑、实验研究结果等将在本文介绍.