HL-2M 装置宽谱段光谱诊断系统研制

HL-2M 装置宽谱段光谱诊断系统由采集光学、石英光纤和集成式光栅光谱仪构成,工作波段为 300~1100nm,可实现对工作气体(氢及其同位素)和内在杂质(碳、铁、氧等)线辐射的同步监测。通过将 5 台紧凑 型光谱仪并联形成集成式光栅光谱仪,可在保证宽谱段覆盖的同时实现较好的光谱分辨(0.04~0.19nm⋅pixel⁻¹)。目 前系统具有一个空间通道,最优时间分辨为 1.05ms,常规采样时间为 20ms。在 HL-2M 装置初始等离子体放电 实验期间,利用该套系统识别出氢等离子体的主要杂质为碳和氧,并对不同粒子的辐射特性进行了初步分析。     

HL-2M 等离子体辐射量热计系统的研制

HL-2M 装置辐射量热计系统采用 16 通道光电二极管阵列作为探测器,11 个探测器阵列,共有 176 个探测通道,被设计在同一个小截面内,交叉覆盖上下偏滤器、等离子体边缘和等离子体芯部区域。数值模拟结 果显示,根据这种视线布局能够精确地估算出等离子体的总辐射功率;运用相关层析反演方法能够重建出等离子 体辐射功率密度的分布特征。在 HL-2M 初始等离子体放电中,根据中平面的探测器阵列对等离子体辐射特征进 行了初步的实验分析。     

HL-2M 装置磁测量系统设计及初始放电实验结果

介绍了 HL-2M 装置上满足等离子体放电的磁测量系统的物理设计,主要包括磁探针、磁通环以及 电流测量系统的设计。通过 HL-2M 装置典型的放电位形参数对磁探针的极向布局、有效面积,磁通环的极向布 局以及测量等离子体电流的罗氏圈互感值进行了初步设计。目前,HL-2M 装置已经完成初始等离子体放电。各个 子系统均能达到其测量目标。      

HL-2M 真空紫外光谱初始诊断系统研制

基于 Seya-Namioka 结构 200mm 焦距可换光栅,研制了 HL-2M 真空紫外(VUV)光谱诊断光谱仪。该 系统在 300~3000Å 的真空紫外光谱范围具有较高的探测效率,时间分辨优于 1µs。经过结构设计、光谱标定和安 装调试,单通道 VUV 光谱仪已成功安装在 HL-2M 装置中平面窗口。在 HL-2M 装置初始放电实验中,利用该系 统测量到 C、O、N 等杂质的多条特征谱线,展现出优秀的信噪比和高灵敏度。      

HL-2M 装置 CO2 色散干涉仪研制

研制了一套新型 CO₂ 激光色散干涉仪用于 HL-2M 装置初始放电期间的电子密度测量。该系统采用 基于激光倍频的色散测量原理,能够消除机械振动产生的相位误差。该系统使用全新的调相式信号调制,研发了 相应的数据采集/处理/上传系统。根据实验测量结果表明,CO₂ 激光色散干涉仪和微波干涉仪测量曲线基本一致, 色散干涉仪系统的测量精度约为 2×10¹⁷m⁻³,密度测量上限能达到 10²¹m⁻³。     

HL-1装置辐射和粒子损失功率测量

一、前言在等离子体中,由于杂质的存在,产生很强的线辐射、轫致辐射和复合辐射,电荷交换产生的中性粒子由于不受磁场约束而逃逸出等离子体。本文叙述用高增益、快响应的钽酸锂热电探测器对HL-1装置等离子体辐射和电荷交换粒子损失功率的测量。二、测量方法实验中采用了KT-3130钽酸锂(LiTaO_3)热电探测器和KTH-103前置放大器。LiTaO_3     

磁场电源在 HL-2M 装置初始等离子体放电中的应用

磁场电源是 HL-2M 装置初始等离子体放电的重要组成部分,它关系到 HL-2M 装置零场的建立,等 离子体的击穿和维持及位形控制。为实现初始等离子体放电所需的供电电压和电流,对磁场电源从主回路、控制、 测量和保护分别作了相应的调整。在此基础上进行了大量的工程调试,确保了磁场电源的控制和保护等性能达到 初始等离子体放电的需求。在磁场电源运行中,电源控制性能和输出参数的一致性、纹波质量等都有显著提高。 介绍了磁场电源在调试及 HL-2M 装置初始放电中的应用。     

HL-2A装置中性束发射光谱 诊断系统的研制与测试

在HL-2A装置上完成了一套32通道束发射诊断系统(BES),可对径向r=12~44cm, 极向-7.5~+7.5cm二维空间范围内的长波长()电子密度扰动信息进行测量,其时间分辨率达到0.5ms,空间分辨率1~2cm。系统由内置于真空室的非对称镜头组、传输光纤、高性能探测器模块以及辅助的冷却和真空设备构成。系统的噪声在低频时(f<100kHz)主要由散粒噪声贡献,在较高频率时由散粒噪声和e噪声共同决定。在典型的HL-2A装置放电模式中,对于200kHz以下的扰动,该系统的信噪比(SNR)均大于3。     

HL-2M 装置初始等离子体放电阶段的直流辉光放电清洗系统研制

基于 HL-2M 托卡马克初始等离子体放电的工程需求,设计并研制了直流辉光放电清洗系统,包括电 极、馈线、电源、控制以及监测等关键部件和辅助子系统。研制完成后开展了系统装配和工程调试,并投入到首 次等离子体放电。实验结果表明,该直流辉光放电系统运行稳定、可靠,且此辉光放电清洗显著降低了真空室本 底杂质浓度,能满足 HL-2M 装置初始等离子体放电的壁条件需求。     

HL-2M 装置时序控制与数据采集系统设计

基于 FPGA 和 IEEE1588PTPv2 协议设计了 HL-2M 装置时序控制系统,用于在精准时刻为测控系统 提供触发。数据采集系统采用客户端/服务端双模式管理。在 HL-2M 装置初始等离子体放电实验中测试结果表明, 时序控制和采集系统具有纳秒级精度触发,实时性强,数据传输速度快,稳定可靠,方便部署和管理的特点,满 足 HL-2M 等离子体放电实验的应用需求。     

HL-2M 装置初始放电安全联锁系统研制

为确保 HL-2M 装置能安全、稳定地进行初始等离子体放电实验,参考国际热核聚变实验堆(ITER) 的安全联锁设计,并结合 HL-2M 装置的实际现状,建立了一套基于可编程逻辑控制器(PLC)慢控制的中央安全联 锁系统。搭建了一套千兆光纤星形网用来满足各系统之间的通讯。中央安全联锁系统根据故障风险等级和预先设 定的故障处理机制,协调各子系统进行联锁保护动作。WINCC 监控画面显示各子系统的运行状态和故障信息。 采用 EPICS CA 协议和 S7nodave 驱动实现了软 IOC 读取 PLC 变量,并结合 C#编程实现了对主机大厅门禁访问系 统的控制,保障了人员和设备的安全。该套中央安全联锁系统已经投入使用,平均扫描周期 1~3ms,满足 HL-2M 装置初始等离子体放电的安全联锁保护需求。     

HL-2M 装置环向场线圈的工程研制与调试

介绍了 HL-2M 装置环向场(TF)线圈的工程设计、关键制造工艺及其调试结果。目前，TF 线圈最大通电电流达到 42kA，对应 TF 线圈产生的磁场为 0.66T，满足 HL-2M 装置初始放电需求。      

HL-2M 装置限制器系统设计及工艺研究

HL-2M 装置设计有 8 套固定极向限制器和 1 套活动极向限制器,其主要功能是进一步加强保护真空 室及其内部件,同时活动限制器还将提供不同孔栏位形用于等离子体物理实验。根据 HL-2M 装置总体运行需求, 活动限制器结构设计可移动有效距离为 120mm,活动限制器移动精度可控制在±0.1mm 以内。基于激光跟踪仪测 量方法对 HL-2M 装置限制器系统完成了高精度的安装,限制器的面向等离子体关键位置安装精度优于±0.5mm, 通过初始等离子体放电实验表明其运行状态均正常。      

HL-2M 装置真空系统调试运行

在装置初步建成阶段,有序地开展真空系统的调试内容梳理,制定合理的调试步骤和调试方案,有 利于装置各系统的功能确认和故障排除,高效地开展各系统协同运行,为 HL-2M 装置初始等离子体放电提供装 置辅助系统层面的放电条件准备。装置真空系统主要涉及超高真空抽气系统、器壁处理系统和送气加料系统等。 基于制定的联调目标,针对 HL-2M 装置真空相关系统开展了界面关系梳理、子系统调试方案制定、系统工程联 调步骤和方案的拟定等工作,通过联调完成了装置在真空获得、壁处理、加料等方面的条件准备,为初始放电提 供了基本保障。      

HL-2M 装置初始等离子体放电磁场电源实时控制系统设计

为满足 HL-2M 装置初始等离子体放电参数的需求,根据磁场电源的主回路拓扑结构设计了一套实 时控制系统。系统硬件架构基于 NI PXI 与 CompactRIO 控制器,采用基于共享内存网络的千兆光纤网络传输数据, 并在本地将中控传输的控制数据处理为对应的触发脉冲,具备很强的实时性与准确性。经过首次等离子体放电实 验的验证,磁场电源实时控制系统可完全满足首次等离子体放电的需求。     

HL-2M 初始放电位形及波形设计

利用 EFIT 设计了可用于 HL-2M 初始放电的圆截面限制器位形以及偏滤器位形;设计了满足放电击 穿条件要求(零场区域平均杂散磁场应不超过 20G)的零场位形。综合分析放电过程伏秒数消耗及真空室涡流的影 响,使用 PF8 线圈电流补偿真空室涡流产生的杂散磁场,设计了等离子体电流 200kA 的限制器位形及偏滤器位形 的自洽的放电波形。将该放电波形作为放电调试的参考波形,成功实现了限制器位形的初始放电实验。      

HL-2M 装置运行控制技术初步研究

重点介绍了 HL-2M 装置的运行技术和初步的等离子体控制实验结果,包括等离子体放电方案设计、 线圈电流控制、击穿阶段零场匹配和等离子体电流以及位移的控制。为了降低放电运行风险,HL-2M 装置初始放 电采用了简化的放电方案,通过整定 PID 参数实现了线圈电流控制,在击穿阶段获得了 10V 以上的环电压和较大 范围的零场区域,成功实现等离子体击穿。最后,投入了等离子体电流和水平位移反馈控制算法,成功将等离子 体放电脉宽提升至 200ms 以上,且维持 I_p≥100kA 的时间超过了 100ms,上述结果表明 HL-2M 装置运行控制技术 得到了初步的检验。