不同冷却剂对感性耦合等离子体性能的影响

感性耦合等离子体(ICP)源作为聚变中性束注入(NBI)加热系统的关键部件,其工作过程中会产生大量的热量,不仅会影响装置真空,还会导致等离子体阻抗发生变化,进而对射频功率馈入产生一定的影响,因此有必要对放电腔体进行冷却。设计了双层玻璃筒放电腔体以实现对放电腔体的主动冷却,并定量研究了不同冷却剂(去离子水、纯净水、氟化液等)情况下对ICP放电的影响。实验结果表明,在双层玻璃筒中间层主动通入冷却剂能够有效避免等离子体热负荷对放电腔体真空度的影响。采用氟化液作为冷却剂时,等离子体阻抗值最低,对等离子体电子密度提升最大,较采用去离子水和纯净水最大高出约15.3%和18%。通过比较冷却剂的体积电阻率和相对介电常数发现,冷却剂的相对介电常数与等离子体电子密度和等效阻抗的变化呈现出负相关性,即在放电腔体温度不变情况下,相对介电常数越低等效阻抗也越低,等离子体密度也越高。实验结果对于感性耦合等离子体放电腔体的设计及冷却剂的选择具有指导意义。

中性束注入联锁保护系统设计

中性束注入(Neutral Beam Injection,NBI)是全超导托卡马克核聚变实验装置(Experimental Advanced Superconducting Tokamak,EAST)辅助加热的重要手段.为避免装置在运行过程中出现事故,采用STM32作为主控芯片,设计了EAST中性束注入联锁保护系统,该系统的主要作用是在束引出过程中,实时监控各子系统的状态,避免打火等故障对系统造成损坏.为实现长距离传输信号和电位隔离,联锁保护系统采用光纤传输信号的方式.当联锁系统检测到光纤故障信号时可快速关掉电源系统输出,同时锁存故障信号,进行中性束注入器的联锁保护.通过现场实际测试,联锁保护响应时间在微秒级别,可达到安全设计要求.

基于全永磁微波离子源钛自成靶的D-D中子源设计研究

介绍了一种基于全永磁微波离子源钛自成靶技术的紧凑型氘氘(D-D)中子源,其设计中子产额为1×10^(9)s^(-1)。该D-D中子源已经进行了800 h以上的测试,系统可重复稳定运行。早期测试结果显示,系统打火频率高、中子产额低,长时间放电后反向电子会烧蚀Al2O3陶瓷窗,导致微波耦合困难,氘等离子体无法点亮。通过在等离子体腔室中添加氮化硼(BN)保护片以及在钛靶与高压电极之间增加电子抑制电阻,有效抑制了Al2O3陶瓷窗的损伤。通过对等离子体电极孔径的优化和降低腔室压力,降低了打火频率,提高了中子的产额。系统优化后,氘离子能量为70 keV、束流强度为5 mA时,中子产额达到了2.0×10^(8)s^(-1)。在氘离子能量为97 keV、束流强度为6.6 mA时,系统中子产额达到5.2×10^(8)s^(-1)。

基于TDLAS的气体检测技术对比与分析

根据可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术测量气体浓度的基本原理,对三种主要测量方法,即直接吸收光谱技术(DAS)、波长调制技术(WMS)、频率调制光谱技术(FMS)进行详细分析,并根据TDLAS技术的应用情况,分别将系统组成、技术要点、检测极限、系统成本和适用环境进行对比分析。

大面积单激励器射频离子源等离子体均匀性分析

为了提高等离子体分布均匀度,基于有限元分析法与实验相结合的方法,从射频离子源驱动器尺寸和引出区尺寸2个方面对单驱动射频离子源放电室进行设计。模拟研究结果表明,电子均匀度的增长幅度随驱动器尺寸的大小变化比较缓慢。根据不同驱动器尺寸电子密度分布研究结果,在引出区尺寸为320 mm时,电子均匀度能够满足90%的要求。根据实验研究结果表明,在引出区尺寸为320 mm时电子分布均匀且均匀度>90%,并与模拟结果相吻合。因此,为使得等离子体分布均匀度能够达到要求,离子源放电室底部引出面附近引出区尺寸应该设计为320 mm。

无氧铜表面玻璃绝缘层烧制工艺研究

为解决天线内置型射频等离子体中无氧铜线圈的匝间绝缘问题,本文研究了一种能够在无氧铜表面烧制玻璃绝缘层的工艺,并详细研究该工艺中不同表面处理方式、粘结剂、烧制温度等因素对玻璃绝缘层性能的影响。结果表明:对无氧铜表面进行酸洗预处理相对于碱洗能够显著提高低温釉料在铜表面的润湿性,减少绝缘层表面“孔隙”的产生;同时添加适量的Na_(2)SiO_(3)·5H_(2)O粘结剂能够改善玻璃绝缘层与铜表面的界面结合效果,并提高玻璃绝缘层表面的硬度;此外,绝缘层表面硬度随着烧制温度的升高逐步提高,且绝缘层表面的“孔隙”数量逐步减少;最终根据该工艺制备了表面烧制玻璃绝缘层的无氧铜线圈天线,实现了长时间的放电维持,有效解决了放电过程中匝间的绝缘问题。

CRAFT负离子源中性束注入系统400 keV加速器束流光学特性分析

负离子源中性束注入(NNBI)系统是聚变堆主机关键系统综合研究设施(CRAFT)的组成部分,其目标是开展NNBI相关的科学与工程问题研究,为未来聚变堆NNBI系统的研制与运行积累经验。加速器的束流光学特性决定着最终形成束流的发散性,进而影响着束流在加速器和束线中的传输效率,这对NNBI系统的高功率、高能量、长脉冲运行至关重要。为此,采用IBSimu离子束流模拟程序对目前CRAFT NNBI的400 keV加速器电极系统的物理设计进行束流光学特性分析与评估。目前该套电极结构的设计与ITER负离子源类似,束发散的计算结果满足设计要求。在负离子束流密度较高时(100~300 A/m^(2)范围内),具有更小束发散角;引出距离(5~7 mm范围内)和加速距离(88~110 mm范围内)的适当增加,也呈现出束发散角下降趋势。

CFETR N-NBI验证样机恒温供水系统的设计

通过分析中国聚变工程实验堆(CFETR)的基于负离子源的中性束注入系统(N-NBI)验证样机中等离子体电极的工况,确定了其恒温供水的技术参数,设计出了CFETR N-NBI验证样机恒温供水系统。

辐射场所钥匙管理系统设计

针对辐射场所中钥匙管理系统智能化程度较低,钥匙管理混乱难以实现高效利用,且钥匙丢失难以追溯的问题,提出了一种专门应用于辐射场所门禁中的新型智能钥匙管理系统。该系统主要由机械系统、驱动控制系统和人机交互系统组成。控制系统对检测或输入的信号进行处理并发出指令后,机械系统可以实现钥匙的精准传送,液晶显示屏可以显示取用钥匙的人员信息及钥匙取还的状态。上位机可以实现数据的接收、处理、存储和指令发送。经测试,该系统安全可靠、方便实用,能达到科学管理钥匙的目的。

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。

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4.41k V偏转电压作用下,该电偏转系统可提供80ke V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。

关于超光速的一种准确表述

从两个相对运动坐标系的速度变换关系,说明了一切实物粒子与场超光速的不可实现性,揭示了爱因斯坦狭义相对论的一个隐含内容。然后从色散介质中相速度与群速度的关系,讨论了相速度和群速度超光速的可能性。从而给出了关于超光速问题的一个较为准确的表述。

EAST中性束注入器稳态偏转磁铁的参数设计与估算研究

中性束注入器偏转磁铁是剥离束流中剩余离子的关键设备,它与剩余离子吞食器等内部部件构成了中性束注入器的束偏转系统。束偏转系统的性能对中性束注入器束流的品质及其束传输效率发挥着重要作用。本文根据EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak,EAST)中性束注入器对束偏转系统的要求,对其偏转磁铁各性能参数进行了估算。为中性束注入器设计了一台用以剩余离子180°偏转的偏转磁铁。该偏转磁铁采用H型二极电磁铁结构;其磁极端面设计为138cm×47cm的圆角矩形结构;其线圈设计为每侧2饼,每饼2层,每层8根的串联结构,导线选用外方内圆空心铜导体,以满足偏转磁铁稳态运行的需要。该设计的偏转磁铁在370 A励磁电流条件下,可提供80keV氘离子束偏转所需的磁场。实验测试结果显示:500 A励磁电流稳态运行条件下,偏转磁铁线圈冷却水温升约21.5℃,该设计结构的偏转磁铁满足EAST中性束注入器满参数稳态运行和未来运行参数逐步提高的需要。

HT-7诊断中性束评价系统温升特性分析

本文介绍了HT-7诊断中性束装置束评价系统的基本结构和工作原理;分析靶板采样孔的遮挡效应、束腰位置和前、后靶上采样铜柱的温升比值的关系,解释了相同参数下后靶板温升较高的实验现象;根据前、后靶板的平均温升比值,计算了装置运行中的束流焦距,结果显示其误差不大于5%。

强流离子源光腔衰荡光谱应用研究

强流离子源是托卡马克中性束注入器的核心部件,为了满足未来对高能量离子束中性化效率的要求,负离子源成为中性束注入系统的首选。光腔衰荡光谱(cavity ring-down spectroscopy,CRDS)是一种超高灵敏探测吸收光谱技术。在强流负离子源中,利用氢负离子的光致剥离过程,CRDS可以用来测量氢负离子的绝对积分密度。与激光光致剥离法与光学发射光谱法相比,CRDS具有不受电磁干扰、不依赖等离子体参数、测量精度高等优点。强流离子源负离子密度测量所用CRDS系统由激光器、光学谐振腔、光电探测器和数据采集系统四部分组成。本文根据CRDS测量氢负离子密度的原理,详细推导了氢负离子密度的计算方法,给出了氢负离子密度测算表达式;然后,结合强流离子源实验室应用的具体情况,分析了各部分装置的选择原则与注意事项;最后,介绍了CRDS技术在德国马克斯-普朗克等离子体物理研究所、日本国立聚变科学研究所、意大利Consorzio RFX研究所强流负离子源研究中的应用情况。实验结果表明,源腔气压、源功率等源参数会影响氢负离子密度;铯的注入可以将氢负离子密度从1016 m-3量级提高到1017 m-3量级;同时,日本NIFS的实验结果证明氢负离子密度与引出电流呈线性关系。

NBI综合测试台低温真空系统设计

低温真空系统是NBI综合测试台(NBITF)的一个重要子系统,它为与束的生成和传输过程相关的各类实验提供真空环境支持。在介绍NBITF基本组成的基础上,重点阐述了其低温真空系统的冷凝屏结构与布局设计、气源特性和热负荷特性,并最终讨论确定了低温真空系统的冷量供给形式。实验结果表明,该低温真空系统的设计能满足NBITF的设计使用要求,并验证了EAST-NBI低温真空系统设计的正确性。

一种基于多普勒频移光谱的中性束注入器气体靶厚度诊断的新方法（英文）

中性束注入是等离子体加热和电流驱动的最有效方法之一。中性束注入的三个基本过程为:离子束的产生,离子束的中性化和中性束的传输,其中,离子束的中性化是关键环节之一。对于EAST-NBI气体中性化室而言,中性化室内气体靶厚度会直接影响离子束的中性化效率,而且还会进一步影响到中性束的传输效率。基于多普勒频移效应,提出了一种新的诊断气体靶厚度的方法,并且已经被应用于EASTNBI测试平台上。该方法主要是基于中性束的束成分随气体靶厚度的演化过程,利用中性束发射Dα光谱线强度完成计算。因此,它被应用于中国科学院等离子体物理研究所EASTNBI装置上。在中性化室出口处的观测窗口上进行测量,在束能量为40～65keV时,气体靶厚度值为(0.16～0.22)×10^(16) cm^(-2),随着引出束流的变化,气体靶厚度随之改变。根据质量守恒定律,对中性化室内的气体靶厚度进行一个粗略的估算,估算的结果与测量的结果基本保持一致,从而证明了该诊断方法的合理性。综上,实验结果表明,该种基于多普勒频移效应的光谱诊断法可以被用于测量中性化室内的气体靶厚度。

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。

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CFETRNBI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。

强流RF离子源研制及初步实验

介绍了RF离子源驱动源的结构设计及RF线圈的热流固耦合分析。RF离子源采用外置天线的感应耦合方式,采用双射频驱动源设计,每个射频驱动源功率约60k W,总体功率为120k W,可产生均匀高密度的等离子体,以满足稳定的长脉冲运行的要求。在完成上述工作的基础上完成了RF离子源样机组装和初步实验测试。