磁约束等离子体电子回旋加热技术发展现状

[目的]磁约束聚变研究中,电子回旋加热(ECH)和电流驱动手段应用广泛,包括但不限于等离子体的启动、加热、无感电流驱动和磁流体不稳定性控制等。近年来,针对未来聚变堆发展需求,电子回旋加热相关技术得到了长足发展,ECH已成为磁约束聚变装置中主要的辅助加热手段之一。[方法]首先对ECH系统进行简介,阐述了其组成部分、特点和应用现状;然后重点从4个方面论述了目前ECH系统相关技术的发展现状与趋势。[结果]结合ECH相关技术的研究现状及应用需求,得出各相关技术发展的重难点。[结论]文章立足于ECH相关技术的发展现状与趋势,从高频以及多频回旋管(微波源)、ECH系统智能控制技术、高效电流驱动技术以及基于回旋管的相干汤姆逊散射技术等多个方面,对ECH系统相关技术的未来研究方向及应用进行了展望。

HL-3装置电子回旋用大功率脉冲高压电源

阴极高压电源采用单相桥式整流电源模块串联的结构,通过优化的控制算法控制不可调电源模块的开通个数,实现高压输出的初步建立,再利用算法使其可调电源模块动态输出,实现快速跟踪设定值以达到高稳定度的电压波形输出。目前该80 kV/50 A/3s电源控制系统已完成输出电压、电流、电压纹波、过流保护时间等多次统计测试。测试结果表明,其在输出电压53 kV时,平顶电压纹波系数为0.57%,可满足电子回旋共振加热系统相关指标要求。

宽进气道电子回旋共振离子源电磁场和中性粒子计算研究

传统10cm电子回旋共振离子推力器(ECRIT)离子源的进气道进气面积小、压强损失大,无法直接应用于吸气式电推进系统(ABEP)。针对该问题,本文提出了抗流槽和栅格两种宽面积进气道方案,基于多物理场仿真软件COMSOL、直接蒙特卡洛模拟(DSMC)方法,研究了不同进气道离子源内的微波电磁场分布、中性粒子分布,并通过实验验证了方案的可行性。研究结果表明:抗流槽和栅格进气道的最优结构分别为抗流槽中段长度4mm、栅格厚度2mm,最优结构下,两者离子源放电室微波能量均不低于传统离子源;传统离子源和栅格进气道离子源的推进剂供给压强均随流量线性增加,传统离子源所需供给压强约为栅格进气道离子源的3.86倍;当推进剂流量为2cm^(3)/min时,栅格进气道离子源可正常工作,所需的推进剂供给压强为0.14Pa;对比相近工况下传统氮工质10cm ECR离子源,栅格进气道离子源工作性能未见明显衰减。

应用于电推进的碘工质电子回旋共振等离子体源

电子回旋共振(electron cyclotron resonance,ECR)源具有无需内电极、低气压电离、等离子体密度较高和结构紧凑等优点,适用于小功率电推进.因此,研究小功率碘工质ECR等离子体源具有重要意义.本文首先设计了一套耐腐蚀且可以均衡稳定输出碘蒸汽的储供系统;然后完成了耐碘腐蚀ECR推力器设计,利用耐腐蚀的同轴谐振腔结构将微波馈送到推力器,并将通道磁场变为会切型磁场以产生更多ECR层;最终联合点火实验成功,成为国际上首个可以用于电推进的ECR电离碘工质等离子体源.分析实验和静磁场、微波电场分布发现,小功率、低流量下的不稳定等离子体羽流闪烁由寻常波电子等离子体共振加热和非寻常波ECR加热模式之间的转化引起.高流量下电离率下降是由电子损失、壁面损失和碘工质电负性导致.并依据此原理提出了改进方案.放电后等离子体源没有明显损伤,说明具备长寿命潜力.此项工作初步证实了小功率碘工质ECR电推进方案可行.

电子回旋共振离子推力器研究与应用综述

电子回旋共振离子推力器(ECRIT)以电子的无碰撞加热机制产生等离子体,具有推力范围宽、下限低、可精确控制的特点。本文从原理和工作过程出发,分析了ECRIT对当今空间飞行任务的适用性。围绕这些适用范围,综述了当前原理可行的10cm低推力、2cm微推力ECRIT在不同工质驱动下的研究和应用现状,总结了这些推力器性能的重要特征,分析了制约推力器进一步发展的关键问题。结果表明,ECRIT因为独特的原理和物理过程以及成功的飞行实例,被证明适用于当今深空与近地小行星及引力波探测、微小卫星控制以及地球极低轨道飞行器的阻力补偿。

放电室长度对电子回旋共振离子推力器性能的影响机理

在电子回旋共振离子推力器的结构优化中,放电室长度调节的是栅极与主等离子体区的相对位置,以此影响栅极上游等离子体密度,进而改变推力器离子束流大小及聚焦状态,达到性能优化目的.然而,在一体化仿真研究中发现,施加栅极电压后,Child-Langmuir鞘层前存在高能电子分布,这与传统的放电室仿真存在明显差异.本文认为施加栅极电压后,Child-Langmuir鞘层会排斥电子,使流向栅极的电子返回磁镜区参与加热,最终在磁镜和Child-Langmuir鞘层之间形成了高能电子分布区域.这意味着放电室长度对推力器性能的影响不再局限于相对位置的调节,还能通过调控Child-Langmuir鞘层前的高能电子分布影响等离子体生成.因此,本文采用一体化仿真方法,系统研究了放电室长度对推力器放电和引出性能的影响机理,并讨论了Child-Langmuir鞘层前高能电子分布对电离体系的影响.本文研究将为电子回旋共振离子推力器的结构优化设计提供新思路.

分段式电子回旋波驱动电流对早期新经典撕裂模的抑制

新经典撕裂模的产生会严重影响托卡马克装置的约束性能,而且在高参数运行状态下的所有装置中该不稳定性不可避免。新经典撕裂模的抑制工作对于聚变装置至关重要,电子回旋波驱动电流(ECCD)是目前抑制新经典撕裂模的主要手段之一。用数值模拟的方法研究了在新经典撕裂模发展的早期加入ECCD后,对新经典撕裂模发展的影响。通过数值模拟发现较小份额的连续ECCD可以减小新经典撕裂模早期的增长速度,同时可以提高再次加入电子回旋波驱动电流抑制处于增长期的新经典撕裂模的效率。

托卡马克混合运行模式下电子回旋波杂散辐射数值模拟

电子回旋波(EC波)在等离子体加热与电流驱动过程中未被等离子体完全吸收时将会产生杂散辐射。在HL-2M托卡马克三种混合运行模式参数条件下,利用TORAY-GA程序扫描105GHz EC波中平面发射时的环向和极向发射角,以EC波功率吸收份额η>η_(c)(η_(c)=95%)作为判断能有效避免杂散辐射的标准,开展EC波功率吸收数值模拟。研究发现发射角是影响EC波不完全吸收造成杂散辐射的关键因素之一。在n_(e1)=4.6×10^(19)m^(−3)、T_(e1)=7.41keV、I_(p1)=1MA和n_(e2)=5×10^(19)m^(−3)、T_(e2)=6.95keV、I_(p2)=1MA的参数条件下,能够有效避免杂散辐射的EC波发射角超过设计范围,在设计发射角范围内调节EC波发射角进行加热和电流驱动时可以忽略杂散辐射的影响。当参数为n_(e3)=6.5×10^(19)m^(−3)、T_(e3)=6.62keV、I_(p3)=0.95MA,设计发射角度范围中有一大部分会使得EC波有非常低的波功率吸收份额,需要特别注意杂散辐射。除发射角度外,电子密度是影响杂散辐射的另一个关键因素,电子温度影响非常小,可以忽略不计。

HL-2A装置上电子回旋共振加热沉积位置影响鱼骨模主动控制效果的实验研究

近期,在中国环流器2号A(HL-2A)装置上利用电子回旋共振加热(electron cyclotron resonance heating,ECRH)开展了鱼骨模主动控制的实验研究.结果发现,鱼骨模的主动控制效果与射频波功率沉积位置密切相关.在相同的注入功率条件下,ECRH离轴加热的效果比在轴的效果更好,甚至可以实现对鱼骨模的完全抑制.分析表明,大功率离轴射频波通过提升电子温度进而使得等离子体压强梯度和等离子体电流密度变化,随后导致安全因子改变并使得最小安全因子q_(min)>1.M3D-K程序模拟表明,鱼骨模的增长率随着q_(min)增大而减小,这意味着ECRH通过提高安全因子导致q=1有理面的缺失并使得鱼骨模被完全抑制.

HL-3装置电子回旋电流驱动的优化计算

利用托卡马克集成模拟与实验分析平台(OMFIT)开展了HL-3装置ECCD驱动效率的研究,分析了ECCD系统发射天线在等离子体环向与极向所成的角度、等离子体密度、电子温度和磁场对驱动电流大小和位置的影响。研究发现,环向角和极向角范围分别为185°~200°、85°~105°时,ECCD电流驱动效率比较高,驱动电流可以覆盖到归一化半径0.4~0.6。研究还发现,电子温度显著影响ECCD电流驱动效率,温度越高驱动电流越大;在弱场侧磁场强度(1.9~2.2T)越小,驱动电流分布归一化半径越小和驱动电流越大。

电子回旋共振放电的理论计算机模拟进展

电子回旋共振(ECR)等离子体因具有低气压、高密度、高电离度等优点而被广泛地应用于微电子工业中。ECR放电及其生成等离子体的理论、计算机模拟的研究主要集中于3种模型:粒子模型、流体模型、混合模型。该文对上述3种模型进行了综述、总结和对比,并对今后的研究前景进行了展望．特别指出模拟ECR放电电离过程的研究意义以及粒子模型中的粒子模拟与蒙特卡罗相结合(PIC/MCC)方法在模拟ECR放电及ECR等离子体方面的技术优势．

跑道式医用电子回旋加速器的原理

带电粒子加速器是核物理实验研究的重要工具,在恶性肿瘤的放射治疗中占有重要的地位。着重介绍了电子回旋加速器原理,重点介绍了跑道式电子回旋加速器的工作原理,并对电子回旋加速器和电子直线加速器的特点进行了比较。

HL-2A装置2MW电子回旋共振加热系统研制

HL-2A装置电子回旋共振加热系统的主要指标是2MW/1s/68GHz,系统由4个单元组成,每个单元包括一只回旋管,微波传输系统,控制保护测量和冷却等子系统。通过对ECRH系统和回旋管的调试,每只管子微波输出功率500kW,脉冲宽度1s,四管并联运行时总输出功率达到1.63MW,系统使用效率高于80%。

微型电子回旋共振离子推力器离子源结构优化实验研究

微型电子回旋共振(ECR)离子推力器可满足微小航天器空间探测的推进需求.为此,本文开展直径20mm的微型ECR离子源结构优化实验研究.根据放电室内静磁场和ECR谐振区的分布特点,研究不同微波耦合输入位置对离子源性能的影响,结果表明环形天线处在高于ECR谐振强度的强磁场区域时,微波与等离子体实现无损耦合,电子共振加热效果显著,引出离子束流较大.根据放电室电磁截止特性,结合微波电场计算,研究放电容积对离子源性能的影响,实验表明过长或过短的腔体长度会导致引出离子束流下降甚至等离子体熄灭.经优化后离子源性能测试表明,在入射微波功率2.1 W、氩气流量14.9μg/s下,可引出离子束流5.4 mA,气体放电损耗和利用率分别为389 W/A和15%.

电子回旋共振推力器C/C复合材料栅极的力学性能

为了研究电子回旋共振推力器在搭载火箭升空过程中，过载和振动环境对栅极带来的影响，采用有限元分析软件建立了10cmC／C复合材料栅极的有限元分析模型，计算分析了不同C／C复合材料栅极的力学性能、频率响应和振动模态。结果表明：20g过载下，栅极的最大变形量为6．12×10^-4mm；在5—800Hz激振下，栅极频率响应的最大位移为2．3×10^-6mm；过载对栅极的影响要大于振动对它的影响，但是这两个值都在安全门限内；综合分析栅极频响和模态分析的计算结果，栅极仅在其第一阶模态处于外界激振发生共振。

用于质子直线加速器的强流电子回旋共振离子源

研制了一台用于加速器驱动次临界系统 (ADS)的强流电子回旋共振离子源。在 30keV能量下 ,引出的氢离子最大束流达到 1 0 0mA ,质子比好于 85 % ,引出束流密度最高可达 34 0mA/cm2 。初步测定的发射度约为 0 1 1πmm·mrad。已通过了 1 0 0h的连续运行考验。

小型化电子回旋谐振微波离子推进器研究

常规的电推进技术是针对大卫星应用而研制的,体积大、功耗高,不能满足小卫星飞速发展的实际需要。针对小卫星对电推进器的要求,提出了利用电子回旋谐振微波放电技术,采用微波同轴放电腔体的小型化离子推进器。由于同轴传输线不存在截止波长,放电腔体的直径选择非常灵活,可以适应小卫星的低供电能力和对体积重量的要求。实验样机的直径为50mm,在微波功率为30W,加速电压1.2kV,减速电压0.2kV的条件下,等离子体的电子密度达到了4.6×1016/m3,推进器的离子束流也达到6mA。实验样机的体积大大低于常规波导谐振腔微波离子推进器,实现了小型化,基本满足了小卫星对电推进器的体积重量要求。

电子回旋共振推力器中和器内磁场与微波电磁场计算分析

电子回旋共振推力器具有寿命长、比冲高、结构简单等特点,用于深空探测主推进具有很大的吸引力。中和器是电子回旋共振推力器的关键部件之一,其主要作用为产生电子,中和离子源发射的离子束流,它对保持电子回旋共振推力器的电位平衡有着重要作用。文中针对10 cm推力器的中和器,采用ANSYS有限元分析软件建立了磁路模型,计算了中和器内磁场分布,得出了方案中电子回旋共振面的位置。针对中和器的工作特点,设计了多种天线方案,利用ANSYS软件计算了其对应的电磁场分布。计算结果表明,设计磁场提供的电子回旋共振面位置合理,L型天线方案可实现放电击穿,产生等离子体。计算结果对电子回旋共振推力器的中和器设计与研制提供了帮助。

电子回旋共振等离子体辅助脉冲式沉积氧化铝薄膜的研究

采用自行设计和加工的微波电子回旋共振装置、进气系统和工艺程序,以三甲基铝为前躯体,氧气为氧化剂,HF处理过的单晶硅片为基片,在无任何外加热条件下进行原子层沉积氧化铝薄膜的实验研究。利用X射线衍射、X射线光电子能谱、扫描电子显微镜、原子力显微镜、高分辨率透射电子显微镜等分析手段对薄膜进行了化学成分和微观结构的表征。结果表明,制备的氧化铝薄膜为非晶态结构,薄膜的表面非常光滑平整。薄膜的截面微观结构图像显示,薄膜厚度大约为80nm,界面清晰、按照周期数和层数线形生长规律进行生长。

电子回旋共振离子推力器栅极光学系统的PIC/MCC模拟

为了寻求日益昂贵的电推力器工质氙气的替代品,探讨氩气作为电子回旋共振离子推力器工质的适用性,采用混合PIC方法模拟了氩等离子体在栅极光学系统中输运过程,分析了氩离子束流的聚焦效果、氩等离子体的空间分布和流动特性。结果表明:氩离子束流在已有栅极系统中具有良好的聚焦效果;束流中CEX离子仅占离子总数的万分之一,影响较小;氩气作为工质时,离子喷射速度为75km/s,加速栅极后回流速度为38km/s,与电动力学理论预估值一致。