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。

用于磁约束核聚变电子回旋共振加热系统的兆瓦级回旋管

磁约束核聚变能是目前人类认识到可以根本解决人类能源问题的重要途径之一。电子回旋共振加热(ECRH)和电流驱动(ECCD)是核聚变装置等离子体温度达到约1亿度稳定聚变条件的主要加热方式。而回旋管是ECRH系统高功率微波源的核心器件。本文针对磁约束核聚变能ECRH系统所需的高功率微波源介绍了国内外兆瓦级回旋管的技术发展、研究现状和发展趋势,并探讨了回旋管的未来研究方向。

具有超辐射特性的回旋器件模拟研究

在详细分析快波结构中的束波互作用基础上,采用2.5维PIC粒子模拟软件设计了一种回旋器件。该器件采用摇摆器形成回旋电子束,并采用强耦合方式和优化的互作用段长度,在束压250 kV、束流200A、脉宽1 ns的电子束驱动下,模拟获得了峰值功率7 MW、频率38.5 GHz的微波短脉冲输出,峰值功率转换效率达到14%。其峰值输出功率与束脉宽之间的平方关系符合超辐射效应的特征。

多用途高功率质子回旋加速器装置概念设计进展

在中微子CP破缺实验国际合作项目DAEδALUS中,中国原子能科学研究院参与了加速器系统的前期研发工作,提出了基于回旋加速器组合的高平均功率质子束装置方案,并开展了一台能量为800 MeV的质子回旋加速器组合装置的概念设计。本文给出了该回旋加速器的物理设计方案和束流动力学设计进展,重点阐述了制约高功率加速器流强的空间电荷效应及其引起的束流损失问题。

电子回旋共振加热系统中阳极高压电源研制及其控制技术

电子回旋共振加热系统在磁约束核聚变实验研究中有着很重要的作用。回旋管阳极供电需具备幅值快速可调、高稳定度以及波形前沿可变等条件。使用场效应管与快恢复二极管为主要器件研制出开关模块;在电路结构上将59个SM模块与同电压等级的1个BUCK电路依次串联起来。通过分别使用脉冲步进调制与高频脉冲宽度调制控制技术,实现输出幅值连续可调;并且研究了2种调制的控制方法,让输出波形的前沿时间既可在3 ms之内缓慢步进上升,也可以在60μs内快速输出。所有模块由数字信号处理器(DSP)控制的高频逆变电路实现恒压供电。样机实验结果证明:研制的电路与控制方法可行,整个电源输出的电压最大达到36 k V,电流200 m A,且全量程范围内连续可调,稳定度<1%。最大调制频率可以达到1 k Hz,可以在20μs完成各种关断保护,完全满足回旋管装置要求。

Penning阱离子谱中奇异峰分析

本文报道Penning离子阱中离子谱出现的奇异峰,提出鉴别它的方法,分析其产生的原因和消除它的可能性,还利用该机制设计出具有高分辨率的探测存储离子的新方法。

星点调压型高压电源的仿真分析与实验

星点控制高压电源是专门为HL-2A装置的电子回旋加热系统研制的高压电源,其电源性能比传统的交流调压型高压电源更为优越,它将传统意义上的滤波电感放在整流变压器的低压侧,使电感大为降低,同时降低电源造价。通过调节变压器激磁电流的大小即可调节电源输出电压的大小,且可在滤波电感回路串联用于预充电的整流电源,以改善输出电压的波形质量,其应用前景相当广阔。在此主要介绍了星点控制高压电源的主回路结构,针对该电源采用向量分析的方法进行理论分析和计算,求出高压电源输出电压与控制角的关系,并利用Matlab软件对计算进行仿真验证,最后通过实验证明了理论计算的正确性。

基于脉冲步进调制技术的ECRH全固态阳极高压电源控制系统设计

电子回旋共振管是产生高功率毫米微波的真空电子器件,在可控热核聚变研究、雷达等领域中有重要的应用。针对可控热核聚变研究中1 MW/105GHz回旋管加热系统阳极电源幅度可调且调制的要求,使用高频开关电源技术和脉冲步进调制技术(PSM)研制了全固态阳极高压电源。重点阐述了阳极高压电源实现稳压、调制、前沿时间可调功能的软件控制算法,并通过实验对设计进行了验证。该阳极高压电源具有单脉冲、多脉冲调制和六电平预置波形等3种模式输出功能;输出参数达到35kV/200mA,波形前沿3ms内可调,最大调制频率为1kHz,调节精度在100V以内。设计的控制方法也可应用于其他大功率微波源。

2.85GHz回旋波整流器高频系统的设计及优化

对2.85 GHz回旋波整流器的高频互作用区进行了研究与设计;运用CST分析了高频结构中耦合环结构的变化对高频系统S参数的影响,在此基础上对腔体结构做了优化;并用CST PIC对其进行了粒子模拟,优化解决了电子注的加入对谐振腔特性的影响。最后设计出了工作在2.85 GHz,具有较高能量转化效率的回旋波整流器高频互作用区。

回旋波整流器能量转换区的数值模拟

分析了电子在能量转换区的运动,列出了电子的运动方程,对电子运动方程进行了数值计算。通过对能量转换区的数值模拟,计算了电子注半径、初始能量比、能量转换区长度、磁场分布等不同的参数对能量转换的影响。结果表明:在电子束半径和回旋半径比为0.25、横向和纵向能量比为2.83、归一化长度为3、非对称系数为-0.1时,转换效率可以达到90%以上。

电子回旋共振加热系统中全固态阳极高压电源硬件电路设计

介绍了电子回旋共振加热(ECRH)系统中全固态阳极高压电源的硬件设计方法。阳极电源采用高频PWM和PSM控制技术相结合的方法。前级使用SG3525来控制IGBT完成高频逆变,后级由59个模块串接输出而成,通过反馈第一级模块输出电压,实现每个模块输出电压的基本稳定;后级输出电压通过DSP控制PSM模块的通断个数以及第59个模块BUCK电路的占空比,实现输出电压的叠加输出,让输出电压能在35k V内全范围调节,输出电流最大为200m A,调制频率达1k Hz以上。输出波形有3种工作模式,波形前沿时间能在3ms内调节。经过在假负载及ECRH实验平台上的测试,电源性能稳定,证明该硬件设计方法可行。

动态负载下PSM电源的谐波研究

动态负载造成的谐波会影响电网电能质量,危害系统安全运行。利用MATLAB/Simulink建立离子回旋共振加热(ICRH)的PSM高压电源模型,分析了静态与动态下不同负载特性的谐波含量以及纯阻性下各种负载动态产生的特征次谐波含量,对比各次数谐波含量后,判断负载大致变化趋势。仿真结果表明,感性和容性负载对总谐波畸变率影响很小,而动态阻性负载产生较大的总谐波畸变率,多集中在24脉波整流产生的24k±1次以及2~8次的低次谐波;阻值动态范围越大,低次谐波越严重。