CFETR ECRH系统发射天线的初步结构设计与分析

电子回旋共振加热(ECRH)是中国聚变工程实验堆(CFETR)实现科学目标必不可少的辅助加热和电流驱动方式。发射天线是电子回旋共振加热系统的核心部件之一。为获得等离子体最佳的电流驱动效率,从发射天线的总体方案、波束的传输、波束的汇聚与发射、中子屏蔽、维护方案等方面对ECRH系统顶部发射天线的初步结构进行了设计。ECCD发射天线通过多波束汇聚方式,在CFETR装置紧凑的顶部颈管内,实现了2组9波束微波功率注入至等离子体共振层。发射天线采用颈管插塞式结构设计,有利于中子屏蔽设计和遥操作维护。通过流-热-固耦合仿真分析,为天线发射镜设计了有效的主动冷却方案。本文的分析和设计,为ECRH发射天线进一步的详细工程设计奠定了基础。

HL-3装置ECRH天线系统研制

电子回旋共振加热(Electron Cyclotron Resonance Heating,ECRH)系统是中国环流三号(HL-3)实验装置的一种重要加热和等离子体电流控制方法,微波通过天线发射器注入等离子体,是ECRH系统的重要组成部分。根据ECRH系统需求,对其天线系统进行了概念设计和光路设计以及具体的天线制作,并进行了测试与安装。HL-3装置ECRH天线系统由三个天线组成,包含一个中平面天线和两个上斜天线,三个天线位于装置弱场侧的同一扇段,可协同完成加热、新经典撕裂模(Neoclassical Tearing Mode,NTM)控制等功能。目前已经完成其中两个天线的设计、制造和测试,另外一个天线完成了发射光路的设计。测试结果表明:中平面天线和上斜一号天线控制精确、快速,达到了装置实验使用的要求。

HL-1M装置ECRH系统的研制与实验

在HL 1M装置上研制了一套75GHz、500kW/50ms的大型电子回旋共振加热系统,设计了准光学传输系统和顶部、水平两套天线,对系统进行了调试,获得了最佳的系统参数和运行条件,并开展了各种O模和X模实验。在单管250kW的基波O模的实验中,获得电子温度提高40%,电流位形负剪切分布以及鱼骨模不稳定性研究等重要的物理实验结果。

ECRH负高压脉冲电源控制系统的研究与设计

负高压脉冲电源是ECRH系统最重要的组成部分之一,文中分析了ECRH负高压脉冲电源的组成及工作原理。根据控制要求设计出系统各环节的工作电路,设计出带有前馈的PI调节器,利用MATLAB仿真确定出调节器参数,并根据MATLAB仿真结果进行实验,实验表明,系统具有良好的控制特性。

HL-2A装置ECRH高压电源分析计算与仿真

在ECRH高压电源中采用了高压脉冲调制器,大大缩小了电源脉冲上升和下降时间并能提供快速保护。介绍了电子回旋高压电源的主回路结构。计算了电源的前级等效电阻,对电源的动态响应进行了计算分析。运用MATLAB建立模型对电源进行仿真,给出了实验对比结果。

ECRH负高压电源的反馈控制

介绍一种利用大功率四极调整管的调整特性进行串联反馈调节 ,在反馈环节中采用新型带预置值的积分器的高精度的负高压电源。解决了ECRH系统所要求的电压 - 80kV、脉宽10～ 10 0ms、电压稳定度为 99 7%的负高压电源的关键技术问题 ,并通过PSPICE软件仿真 。

HL-2A装置ECRH系统的微波功率测量

新研制的微波功率测量系统主要由温度传感器、功率标定电源、电子学处理单元、数据采集和数据处理单元等几部分组成,通过测量EC系统MOU部件冷却水回路进水口和出水口的温度变化,得到MOU吸收的杂模功率。根据回旋管输出功率中的杂模含量比,计算得到回旋管的输出功率。在回旋管调试和ECRH实验期间,量了4路回旋管的输出功率。从测量结果可知,HL-2A装置ECRH系统可提供大于1.6MW的总输出功率。

ECRH负高压脉冲电源系统控制特性研究

负高压脉冲电源是ECRH系统最重要的组成部分之一。电源系统工作的可靠性与稳定性直接影响整个ECRH系统的运行。给出了电源系统各环节的动态数学模型,设计出带有前馈的PI调节器。利用MATLAB仿真确定了调节器参数。实验结果显示,该电源系统具有较好的控制特性。

ECRH负高压脉冲电源系统的电磁兼容性研究

负高压脉冲电源是ECRH系统最重要的组成部分之一 ,其工作的安全与可靠性直接影响整个系统运行。分析了空间电磁干扰的基本理论 ,针对空间电磁干扰与其他干扰源 ,从系统的安全防护、信号传输、制作工艺等方面 ,提出了几种抗干扰措施。仿真与实验表明 ,提出的几种抗干扰措施具有较明显的抑制干扰的作用。

ECRH高压电源反馈控制系统的设计与实现

根据ECRH系统的要求,设计了以工控机为核心的ECRH高压电源反馈控制系统,其硬件采用研华的DI/DO,A/D,D/A,中断记数卡PCL-836等,软件运行环境选用MICROsoftDOS,利用C++V3·0编写软件,给出了控制流程和控制算法,采用两级前馈与PD反馈控制相结合的控制方法,使ECRH高压电源输出电压稳定度达到±0·5%;实验证明,该反馈控制系统不仅具有良好控制性能,并且具有可靠的保护功能。

HL-2A装置ECRH系统的新天线设计

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。

ECRH负高压脉冲电源系统保护特性研究

研究了ECRH负高压脉冲电源系统各环节的保护特性,设计出相应的保护电路。实验表明,设计出的保护电路对系统的安全运行提供了可靠的保障。

EAST装置ECRH系统天线参数的优化计算

利用TORAY程序对电子回旋波的传播轨迹、功率沉积和电流驱动等参数与波束发射位置、发射角度的相互关系进行了数值模拟计算,给出了天线的最佳发射位置和天线平面反射镜在极向和环向转动角度的调节范围,分析了不同入射角对微波功率沉积及驱动电流的影响。

HL-2A装置ECRH系统传输效率的测量研究

介绍了HL-2A装置ECRH系统传输效率的测量方法。通过对MOU、回旋管输出窗口及真空密封窗口吸收功率的测量,得到HL-2A电子回旋系统的传输效率为90%左右。提出了除由MOU处测量微波功率外,可以由传输线的其他部位确定功率的方法。

ECRH负高压电源系统信号隔离传输设计

负高压电源系统是ECRH系统的重要组成部分,其信号的传输是整个系统运行的关键。文章介绍了一种利用V/F(Voltage/Frequency)和F/V(Frequency/Voltage)转换器实现ECRH(ElectronCyclotronResonanceHeating)负高压电源系统信号隔离传输的方法,设计了基于DMC5501和DMC5502转换器的硬件电路。实验结果表明,该方法有较好的稳定性和可靠性,能满足高压隔离和抗干扰要求,达到了预期目标。

HL-2A装置ECRH超导磁体磁场分布测量

测量了HL-2A装置ECRH超导磁体的磁场分布。测量结果析表明,其归一化纵向磁场在磁场中心20mm区域内大于0.992,径向分布在磁场中心平面上浮动小于1.48%,杂散场在贴近超导磁体表面时的最大分量小于50mT,满足实验要求。

HL-2A装置ECRH的微波强度分布测量与分析

利用红外热像仪测量微波传播路径上的三个不同距离截平面上的微波强度分布,计算出辐射图的一阶及二阶矩并重建相位信息,可以确定微波波束的强度分布和准直度。使用该方法对两套ECRH系统传输线进行了定量的分析,获得了微波强度分布均为高斯分布、7m 3#传输线的微波束线准直度为0.05°、6m 4#传输线微波束线准直度为0.14°的结果。

HL-2A装置ECRH天线系统的结构设计

HL-2A装置电子回旋共振加热的天线系统主要由天线外壳、椭球镜、平面镜、转动机构和推动机构组成.转动机构可以推动平面镜环向、极向转动,进行不同区域的等离子体的加热和电流驱动.平面镜环向转动的角度范围为0°～37°,极向转动的角度范围为0°～15°.给出了驱动杆与平面镜转动角度之间的关系和对应曲线.介绍了椭球镜的安装和推动机构的结构,给出了椭球镜的椭球面方程.整个天线系统结构紧凑,安装和拆卸容易,调节方便.

基于CMAC神经网络的ECRH负高压脉冲电源自适应控制策略研究

为解决因四极管造成系统非线性和敏感性而导致ECRH系统中负高压脉冲电源控制效果不够理想的问题,利用CMAC神经网络设计了直接逆模型控制系统,并对CMAC跟踪动态给定的情况进行了仿真实验。结果表明,该学习控制策略改善了ECRH负高压脉冲电源的控制效果,具有较强的自学习和自适应能力且易于实现。

ECRH系统总控的研究

本文介绍了ECRH系统总控的设计方案。着重分析了方案特点和具体措施,针对ECRH系统的特殊性,主要介绍了参与控制的信号的处理方法,并简要介绍了总控系统的通讯及PPI通讯协议。调试结果显示,总控系统设计实现了稳定安全与可靠性。