High-Power Ion Beam Characteristics of a Magnetic Multi-Pole Line-Cusp Ion Source for the HL-2A Tokomak

A circular magnetic multi-pole line-cusp ion source with a nominal 45 keV 25 A hydrogen ion beam is developed for the neutraJ beam injector of the HL-2A tokomak. At present, this bucket ion source can produce a 40 keV 20 A hydrogen ion beam for less than lOOms on a test bed, and a 35 ke V 13A ion beam for 300ms on the injector of the HL-2A tokomak. The 1/e half-width of the ion beam power profile is about 6.0 ± 0.2 em at the positionof 3.26m downstream from ion source, and the corresponding divergence degree is nearly 1.1. The optimum perveance matched conditions were obtained experimentally, and were in good agreement with the values from experiential equation of Uhlemann et al. The maximum of optimum perveance reached 2.2 × 10^-6 A/V^1.5 for 38 keV beam energy. An ion beam with above 60% H^＋ species fraction can be achieved, which was measured by Ha light Doppler shift spectroscopy. According to research results, a neutral beam with a total power of more than 0.6 MW was successfully injected into the plasma of the HL-2A Tokomak in 2008.     

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-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1000 A。     

60kV-55A-2s����Դ�缫դ����Ӧ�����������

利用有限元单元法对60kV-55A-2s离子源地电极栅进行了热应力分析。在热载荷为1.0MW•m-2、冷却水流速为5m•s-1时，通过瞬态温度场计算得到了地电极栅达到热平衡时间为6s、2s时的最高温度低于100℃的结果。热应力场分析结果显示，电极的热变形属于二维翘曲；在载荷密度低于2.0MW•m-2时，电极栅可以保持在弹性变形范围内。     

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.     

Proton Ratio of HL-2A Bucket Ion Source

For heating the tokamak plasma effectively, the ion source must be capable of producing ions with high proton ratio. The proton ratio, which is found to be more than 65.6% at the ion current of 19.6A with the extraction voltage of 39.6 k V, is measured with an image spectrograph by Doppler shift effect of Balmer-α-radiation spectrum emitted from fast hydrogen particles. The tendency of proton ratio with the ion density in experiment is almost the same as the mode devised by Zhang et al. Okumura et al. only gave the affection of the plasma volume and ion loss area on the proton ratio, but the relationship between the ion density in chamber and the proton ratio was not presented. We give the relationship.     

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。