长脉冲高功率负离子源实验平台量热靶研制

[目的]高能、强流、长脉冲中性束负离子源技术是磁约束聚变堆等离子体达到燃烧条件的核心技术之一。为满足长脉冲高功率负离子源实验平台200 kV/20 A参数下的束诊断需求,研制了用于截获负离子束或中性束、诊断两种束功率密度分布和束发散角以及负离子的中性化效率等性能参数的量热靶。[方法]根据现有的实验平台真空室结构和引出电极尺寸,利用matlab程序获得了该参数下,束发散角为1°时的负离子束在量热靶前端处的功率密度分布和束斑尺寸,进而设计了V字形靶板的量热靶物理结构;在此基础上采用Workbench软件对无氧铜V字形靶板结构进行满功率运行状态下的热负荷模拟计算,获得了水流量为80 m~3/h条件下的量热靶长脉冲运行时的温度分布,最高温度为610℃。[结果]根据模拟计算结果,结合实验平台工程结构和诊断需求,完成了量热靶的工程设计。[结论]量热靶采用磁流体真空密封,实现V字形靶板开合,靶板背面布置了热电偶阵列实时监测靶板温度。量热靶工程结构紧凑,安装尺寸能够兼容离子束流诊断真空室和中性束流诊断真空室,满足诊断需求,能够长脉冲安全运行。

射频负离子源中性束关键参数监控报警系统研制

为有效解决射频负离子源实验运行中关键参数监控不集中、报警不及时等问题,设计并开发了基于实验物理与工业控制系统(EPICS)架构的射频负离子源中性束关键参数监控报警系统。通过Phoebus集成开发平台实现监控报警界面的开发,基于Channel Access(CA)协议和s7nodave设备驱动模块实现EPICS与LabVIEW、PLC的跨平台集成。系统目前已在射频负离子源测试实验中正常运行,实现对中性束注入关键参数的可视化实时监控、故障报警和故障追踪,为射频负离子源中性束实验的正常运行提供了可靠的保障。

大功率射频负离子源等离子体发光监测系统的研制

基于射频波驱动的负离子源已成为未来中性束注入系统的首选方案。为监测大功率射频负离子源的各个激励器的等离子体放电状态,设计并搭建了基于光电二极管的等离子体发光监测系统。等离子体发光强度与特定碰撞发生次数、碰撞粒子密度、碰撞粒子能量等密切相关。因此,等离子体发光强度能够定性反映出等离子体参数;基于合理的碰撞辐射模型,同时通过分析等离子体特征谱线强度,能够定量地得到等离子体参数。据此,该系统通过实时采集不同位置的等离子体发光强度信息,并以电压信号形式展现并保存下来,用于上位机实时监测和后数据处理。实验结果表明:本系统能够准确、在线地测量射频激励器内的等离子体的激发、维持和熄灭过程,且等离子体发光强度与射频爬坡放电功率具有较好的线性度,并测试了等离子体电流产生的过滤磁场对等离子体发光信号的影响。

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。

对CFETR射频负离子源缓冲器能量消耗的研究

在射频负离子源中性束放电实验过程中,由于电极表面和离子源腔体内部的状态变化,负载端不可避免的会出现打火的现象。由于供电系统与传输线路间分布杂散电容储能的存在,打火瞬间离子源电极会承受高幅值的瞬时电流与巨大的焦耳能量冲击,从而造成极板永久性的损坏。为了保护中性束注入核心部件长久可靠的运行,国内外针对抑制上述打火的情况普遍采用在离子源前段添加磁性缓冲器(core snubber)的手段。本文利用有限元模拟软件Ansoft Maxwell对CFETR射频负离子源所采用的缓冲器进行了磁体能量损耗过程分析,同时分析其二次辅助电路在打火状态下的电压电流情况。

气相色谱-电子捕获负离子源-质谱法测定短链氯化石蜡的研究进展

本文介绍了气相色谱-电子捕获负离子源-质谱法测定短链氯化石蜡的特征,对近年来此方法在仪器参数的选择、定量分析方法的设计等方面的进展进行了综述(引用文献43篇)。

AMS用多靶位强流溅射负离子源的研制

一台用于超灵敏质谱(AMS)的带有多靶机构的强流溅射负离子源已经研制完成。为了满足AMS的特殊要求,源的设计着重解决提高流强、降低记忆效应及改善发射度等方面的问题,并且十分注意确保其性能的可靠性与稳定性。样机在试验台架上进行了一年多的调试并进一步作了改进。迄今已引出了10μA BeO^-、5μA Al^-、4.5μA Fe^-、350μA C^-以及其他十余个离子品种。100μA以下测得的归一化发射度约为2-4π mm·mrad·MeV^(1/2)。对记忆效应与电离效率也进行了初步测定。

用于溅射负离子源的透射表面电离器的研制

介绍了１种应用于表面电离型溅射负离子源的球面形透射表面电离器，并阐述了原理。这种电离器可使铯蒸气直接通过，避免了铯蒸气绕射造成电离表面铯原子通量低的缺点，增大了铯离子的产额，也使离子源的流强较采用非透射型电离器时提高了５０％—８７％。

铯溅射型负离子源中Cs~+离子产额的实验研究

通过电离表面的痕量分析和Ｃｓ＾＋离子产额的测量，研究了功函数、表面温度及铯通量等因素对铯溅型负离子源表面电离效率的影响。结合Ｌａｎｇｍｕｉｒ－Ｓａｈａ表面电离理论，提示Ｃｓ＾＋离子产额饱和的原因。提出一项改进措施－－透射型表面电离源，就其性能进行了讨论。

延长高频负离子源寿命的尝试

由美国国家静电公司引进的高频负离子源存在寿命短的问题。为提高该源寿命进行了一系列尝试,并通过在铷交换室和源之间加一冷却法兰,使其寿命明显提高。

中性束注入RF负离子源的发展及其特性研究

相对于灯丝源,RF源由于不需要维护现在已经成为灯丝源的一个令人感兴趣的替代品I,PP伽兴研究所对RF负离子源的大量的研究工作直接导致了ITER选择RF负离子源作为ITER堆中性束注入系统的离子源.这项工作使用三个实验装置:BATMAN、MANITU及RADI,这三个实验装置沿三条线平行的进行不同的研究.实验结果表明IPP的RF负离子源已经达到甚至超过了ITER的要求.

超灵敏小型回旋加速器质谱计的Cs溅射负离子源的研制和性能

一台用于超灵敏质谱（AMS）的带有多靶机构的强流溅射负离子源己经研制完成,为了满足AMS的特殊要求,源的设计着重解决提高流强、降低记忆效应及改善发射度等方面的问题,并且十分注意性能的可靠性与稳定性。样机在试验台架上进行了一年多的调试并进一步作了改进,迄今已引出了10μA Be0、5μA Al、4.5μA Fe、350μA C-以及其他十余个离子品种,100μA以下测得的归一化发射度为（2-4）πmm.mrad.MeV1/2,对记忆效应与电离效率也进行了初步测定。

基于射频功率调节的负离子源束流反馈控制研究

基于射频负离子源的中性束注入系统是高功率长脉冲(稳态)运行中性束注入系统的最佳选择。负离子源是中性束注入系统的核心部件,需要实现稳定的负离子束引出和加速。在负离子源的运行过程中引出负离子电流会发生变化,尤其在长脉冲、高能量运行条件下会更加明显,因此无法满足稳定运行的要求。为了实现引出束流的稳定引出,开展了束流反馈控制研究,研发了一套基于射频功率调节的束流反馈控制系统,并将束流反馈控制系统应用在射频负离子源测试平台,开展了束流反馈控制测试。测试结果表明束流反馈控制系统能够实现对束流的实时反馈调节以获得束流的稳定引出,验证了基于射频功率调节的束流反馈控制的可行性,为高功率射频负离子源的研制提供支持。

大功率负离子源铯注入对负离子产额影响的实验研究

铯注入可显著降低射频负离子源等离子体电极(Plasma Grid,PG)金属表面逸出功,促进H−离子的表面产生,是提高射频负离子源H−离子产额的有效手段。依托强流射频负离子源综合测试平台,以H−离子表面产生机制、铯注入作用机制为理论基础,以H−离子引出电流、电子引出电流及铯852 nm特征谱线相对强度等数据为依据;通过控制PG板温度和铯注入速率,本实验探究在铯注入条件下,PG板温度和铯注入速率对射频负离子源H−离子产额的影响作用。实验结果表明:铯注入可有效提高H−离子产额,且在当前实验条件下,PG温度在180~200℃范围时,H−离子转换速率最大;在铯注入温度为250℃/270℃时,约162 min后,H−离子转换速率达到动态平衡。

自制溅射负离子源电离器的材料、结构、制作及使用情况

介绍自制溅射型负离子源及其关键部件——电离器的材料、结构、制作及使用情况。得到碳束C^-总流强>780μA,硅束Si-250μA.此电离器先后在2×1.7MV串列加速器的进口溅射源及200kV离子注入机自制溅射源上使用,寿命3000h。

负离子源全固态大功率射频源功率控制策略分析

CRAFT NNBI负离子源中性束注入器需要大功率射频源为电感耦合方式的驱动线圈提供射频功率来产生等离子体.射频源的输出功率是影响射频离子源负离子束流参数的最直接因素,一种有效获得稳定负离子束流的方式就是调节射频源的输出功率.本研究依托于1 MHz/100 kW大功率全固态射频源,通过分析射频源的功率合成原理和功率控制策略,找到射频源功率控制分析思路和计算方法.推导出输出射频功率与投入功放模块的数量呈现二次关系,且随着输出功率增加功率调节精度呈下降趋势;在此基础上得到了射频源在不同输出功率下最小功率调节步长,并提出了输出功率线性化控制策略,最终验证了射频源的相关参数满足射频负离子源测试平台的使用需求.

射频负离子源分布式定时同步系统设计

为满足负离子源中性束注入系统对定时同步的功能需求,设计了射频负离子源分布式定时同步系统。通过精密时钟同步协议对中性束系统中的各子系统进行同步控制,建立统一的时钟基准。实现精准控制各子系统的投入时序以及运行时间,有效提高定时精准度,保证每炮实验完整有序进行。实验测试结果表明:目前同步控制精度控制在1μs以下,满足时序控制需求。

射频负离子源控制系统设计

为协调控制射频负离子源稳态实验运行、实现实验数据的采集与共享、并对电源、低温真空、循环冷却水、诊断等系统状态进行实时监控、故障报警和连锁保护,设计了射频负离子源控制系统。对控制系统的总体框架结构、远程控制单元、现场控制单元、采集单元、连锁和保护单元等关键组件的设计进行了详细介绍。通过实验测试,验证了所设计的控制系统能够满足射频负离子源测试平台稳态实验运行控制要求。

射频负离子源关键参数测量系统研制

强流离子源是大功率中性束注入系统的关键部件之一,为了实现中性束注入系统的稳态运行,需要开展射频负离子源的实验研究.射频负离子源的负离子引出电流、引出总电流和引出电子流等关键参数的测量是射频离子源实验理论分析的基础,本系统通过信号调理隔离传输实现射频负离子源关键参数的测量.实验结果表明,系统测量采集数据精准可靠,运行稳定.

溅射负离子源靶的制作与使用

研究制作了多种溅射负离子源靶,在2×1.7MV串列加速器上采用Middleton-Ⅶ型溅射负离子源引出了流强大、稳定的30多种元素的负离子束。探讨了靶的材料、形状和尺寸等因素对束流质量的影响,以及如何通过控制铯蒸汽、电离器电流、靶压和靶位等来改善束流的质量,提高靶及电离器的寿命,降低源体的污染等。