2.45GHz ECR强流等离子体源核心部件设计与实验研究

电子回旋共振(Electron Cyclotron Resonance,ECR)等离子体源能产生高电荷态离子、高流强的单电荷态离子,提供稳定的束流和良好的重复性.核心部件的设计对ECR等离子体源是至关重要的,磁场对等离子体的生成和分布有直接影响,良好的磁场可以提高等离子体的性能和效率.采用有限元分析方法对ECR等离子体源磁场进行分析与设计,得到了满足设计需求与目标的磁场位形,通过高斯计对设计的永磁环轴向磁场精确测量,发现磁场仿真结果与实验结果吻合比较好,只是轴向磁场最大值及对应位置上有点偏差.通过集成实验,研究核心部件对离子源引出束流强度的影响,引出束流稳定且强度达到7 mA.

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。

2.45GHz ECR等离子体源引出系统初步设计

电子回旋共振(Electron Cyclotron Resonance,ECR)等离子体源是用来产生单电荷态离子束的等离子体装置,它可以产生束流较强或者较高的电荷态离子,同时还能提供束流的稳定性、重复性和工作寿命。引出系统的设计对ECR等离子体源是至关重要的,引出系统对等离子体的引出束流有直接影响,良好的引出系统设计可以提高引出束流强度。采用有限元分析方法对ECR等离子体源引出系统进行分析与设计,得到了满足设计需求与目标的引出束流。

感应耦合等离子体喷涂工作参数对涂层性能影响的实验研究

感应耦合等离子体(ICP)由于无电极烧蚀污染、等离子体环境纯净,在制备高纯度陶瓷材料涂层上具有明显的技术优势。该文利用自主研制的感应耦合等离子体喷涂设备,开展碳化硼涂层制备的实验研究。并利用发射光谱仪和高速相机,对放电气体中加入氢气后的等离子体特性进行诊断。通过在等离子体放电气体中加入不同比例的氢气,研究等离子体工作参数对涂层性能的影响。采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和X射线荧光(XRF)分析了涂层的微观结构、物相和成分情况。结果表明,在放电气体中加入氢气会导致等离子体的宏观气体温度升高,从而提高喷涂粉末的表面熔融率;在放电气体中加入0.7L/min氢气时,制备的涂层结合强度最大,而且等离子体制备过程不会改变碳化硼的晶体结构。通过对比研究,得到最优化的制备参数,为该自主技术的工艺参数摸索提供重要的实验依据。

氦等离子体前处理对多晶硅薄膜性能的影响

采用微波电子回旋共振等离子体增强磁控溅射(microwave electron cyclotron resonance plasma-enhanced magnetron sputtering,ECR-PEMS)和电子回旋共振等离子体辅助化学气相沉积(microwave electroncyclotron resonance chemical vapor deposition,ECR-CVD)技术,分别在单晶硅片(100)基底上低温制备了多晶硅薄膜.采用拉曼光谱仪、X射线衍射仪以及原子力显微镜对薄膜微观结构及表面形貌进行表征,研究纯氦等离子体基底前期处理对所沉积薄膜性能的影响.结果表明,氦等离子体前处理技术能大幅提高多晶硅薄膜结晶度和颗粒尺寸,明显改善ECR-CVD法所得多晶硅薄膜的微观结构特性和表面形貌.

EAST辐射偏滤器运行模式下等离子体杂质浓度评估方法

通过在偏滤器区域充入适量氖气(Ne)或氩气(Ar),东方超环(Experimental Advanced Super-conducting Tokamak,EAST)托卡马克装置实现了辐射偏滤器运行模式。在辐射偏滤器运行模式下,靶板热负荷显著降低,有效缓解了高能粒子流对偏滤器靶板的损伤。但是在偏滤器区域充入过量杂质气体时,杂质粒子会沿着磁力线进入主等离子体,影响主等离子体的约束性能,甚至导致等离子体破裂。因此,有必要研究偏滤器区域等离子体杂质浓度的估算方法,分析充入杂质气体时该区域杂质的定量变化,以此来评估充入的杂质气体对芯部等离子体约束性能的影响。本文针对不同的杂质种类,建立了不同的杂质浓度估算方法。对于钨杂质,通过极紫外光谱(Extreme Ultraviolet Spectroscopy,EUV)诊断系统测量偏滤器区域钨杂质的辐射强度,再根据碰撞-辐射模型对该区域的钨杂质浓度进行了估算。对于Ne杂质,则通过等离子体有效电荷数(Z_(eff))的变化进行了Ne杂质浓度估算。基于估算结果,对辐射偏滤器条件下的芯部杂质行为进行了讨论。上述杂质浓度评估方法对开展辐射偏滤器条件下等离子体约束性能研究,优化辐射偏滤器运行参数有重要意义。

EAST离子回旋加热高频检波器设计与校准

高频检波器在EAST离子回旋加热系统(ICRH)功率测量中是必不可少的。为了解决高频检波器在ICRH系统中的应用问题,设计了适用于该系统的高频检波器,并测试了高频检波器的性能。首先,使用NI Multisim 14.0软件对其电路结构进行了仿真分析。然后,利用LABVIEW编写了自动标定程序,以测试高频检波器在实际工作环境下的响应时间、幅值区域线性度和可靠稳定性。试验结果表明,高频检波器可在0~10 V工作环境内运行,并且其线性区域符合系统的宽频要求,确保了数据测量的可靠性与准确性。此外,高频检波器也表现出良好的稳定性,能够满足在高频噪声与强电磁干扰环境下长期使用的需求。试验结果证明高频检波器可成功用于EAST离子回旋加热系统中的数据测量。

CFETR 胀板式杜瓦冷屏的初步设计与热分析

为进一步减少托卡马克装置中超导磁体的热负荷,将胀板结构应用于杜瓦冷屏(CTS)中,代替传统管板式冷屏结构。胀板结构是一种在屏蔽板间形成冷却介质流动的夹层空间结构。选择304LN不锈钢作为CTS材料,选择模压-焊接作为CTS成型方式,选择氦气作为冷却剂。确定了最佳焊点参数及屏蔽板参数。首先根据辐射热原理计算杜瓦冷屏表面热流密度,然后应用流体仿真软件CFX对杜瓦冷屏进行热分析,得到了杜瓦冷屏面板温度及进出口压差。分析表明,胀板式杜瓦冷屏面板的温度分布均匀,相比管板式杜瓦冷屏有显著降低,理论上证明了胀板式杜瓦冷屏结构的优越性。

CRAFT-ICRF低电平控制系统的设计和实现

在聚变堆主机关键系统综合研究设施(CRAFT)的实验中,为了稳定控制射频功率和满足复杂的物理实验需求,设计了基于现场可编程门阵列(FPGA)芯片的低电平控制系统。通过上位机输入射频信号功率参数,采用对数检波器AD8307、直接数字频率合成器(DDS)、高精度的模数转换器(ADC)以及模拟衰减器等芯片,完成了射频功率测量与稳定输出、射频功率的反馈控制以及多阶功率调制等功能设计与实现。搭建了一套能够高效开展低电平控制系统的测试平台,通过实验验证该系统的功率反馈控制与多阶调制的有效性的同时,实现±0.3%的幅度稳定度和±0.3°的相位稳定度,且达到长时间稳定运行的要求。

含CdS/偶氮分子的PMMA/SiO2纳米复合二阶非线性光学材料的制备与性能

以γ-缩水甘油醚基丙基三甲氧基硅烷(KH-560)为偶联剂,用溶胶-凝胶法合成了含4-(4′-对硝基偶氮苯)-3-氨基-苯胺(DAB)生色团的键合型有机/无机复合非线性光学材料。以掺杂的方式引入表面用AOT修饰的纳米CdS微粒。在160℃、6000V条件下经电晕电场极化后,只含DABASD的聚合物膜极化后序参数Ф值为0·278,二阶非线性光学系数(d33)值为7·784×10-9esu,含CdS/DABASD的聚合物膜极化后序参数Ф值为0·375,d33值为7·556×10-7esu。在150℃、7000V条件下经电晕电场极化1h后d33可达8·638×10-7esu。这种有机生色团与无机玻璃键合形成的交联网络结构中,无机玻璃的刚性三维结构能有效抑制NLO生色团的极化松弛。去极化实验结果表明,复合材料的非线性光学性能的常温稳定性好,在100℃放置400h序参数仍保持初值的95%以上。

EAST托卡马克装置外冷屏的热负荷分析

外真空杜瓦冷屏 (简称外冷屏 )是 EAST超导托卡马克核聚变装置的重要部件之一 ,它在处于室温下的外真空杜瓦与运行在 4 .5 K温度下的超导线圈之间形成了一道隔热的屏障 ,以保证装置能够稳定高效的运行。文中运用有限元分析软件 ANSYS对外冷屏封头、中筒、底座的传热情况做了计算与分析 ,以得到在氦气入口处压强为 5 .2 bar,温度为 80 K的情况下 。

CFETR杜瓦冷屏初步设计与热分析

选择304LN不锈钢作为冷屏的制作材料,将杜瓦冷屏分为16个扇区,每个扇区由20个子部分组成,在每一个子部分上布置相应的冷却管。选择液氦作为冷却剂。为检验杜瓦冷屏结构是否符合设计要求,分析了杜瓦冷屏的传热方式以及冷却原理,利用FLUENT软件对设计的冷屏结构进行了热分析,得到了杜瓦冷屏面板的温度分布情况以及冷却管道进出口压力差。结果表明,杜瓦冷屏面板温度和冷却管道进出口压力差在合理范围内,验证了冷却管道布局的合理性,为后续杜瓦冷屏的设计提供了重要参考。

HT-7装置MHD的实时检测与控制

在HT-7装置实验研究中,利用主动反馈调制低杂波(LHW)实时有效地抑制了MHD不稳定性。介绍了用DAQ2010高速采集卡为硬件的系统对HT-7装置实验中MHD的实时检测和控制。

CFETR水冷陶瓷包层中子学试验模块初步设计与分析

针对中国聚变工程实验堆(CFETR)水冷陶瓷增殖剂包层(WCCB)基本方案,进行了中子学试验模块初步设计与分析。试验模块由3个氚增殖区、2个中子倍增区、3个冷却板以及第一壁、钨保护层、背板组成,并在试验模块中放置碳酸锂探测器进行氚测量。通过MCNP输运程序和IAEA发布的聚变评价核数据库FENDEL-2.1对试验模块中子学性能进行评估,获得了试验模块各区域的中子能谱以及氚产生率(TPR)值;各个区域中子径向通量以及由中子能谱所得到的边缘效应,表明内部区域能谱最能代表原包层的中子能谱;加反射层能提高试验模块的TPR值,综合考虑能谱,TPR以及经济等因素,加钢反射层是较好的选择。

超导腔束管与法兰接头处Nb/Nb55Ti焊接工艺试验

超导腔是粒子加速器的核心部件,目前国内外针对超导腔的焊接研究主要集中于半单元间的纯Nb对接接头.对于超导腔束管与法兰间的焊接研究较少,为了探索该接头处异种材料的焊接工艺,采用Nb板与Nb55Ti板垂直搭成的L形接头来模拟超导腔电子束焊接时束管与法兰的接头,在8,12,20 mA束流下进行试验,焊后对不同束流参数下接头的宏观形貌、微观组织、化学成分和显微硬度进行了对比分析.结果表明,焊接电流为12 mA时焊缝成形较好,焊接电流较大时Nb侧热影响区晶粒长大较为明显;3组试样焊缝熔化边界处出现了晶粒外延生长的现象,随着焊接电流的提高,熔合线附近出现了粗大的柱状晶;在热输入较大时熔池内液态金属混合充分,焊缝宏观偏析得到改善;焊后Nb侧热影响区显微硬度值出现了明显的下降.

面向聚变堆的托卡马克稳态先进运行模式的发展

人类文明和经济的持续快速发展有赖于新能源的发现和广泛应用。清洁、高效、几乎无尽的核聚变能源可以成为当前化石能源的有效替代,能够成为人类的终极能源。名为托卡马克(Tokamak)的磁约束装置是当前人类用于研究核聚变产生能源的主要方式之一。为了提高其运行的安全性和经济性,科学家们设计了多种能够使聚变等离子体长时间稳态运行的先进运行模式。这类运行模式的长足发展依赖于高温等离子体物理和核聚变相关技术等领域的研究进展,尤其是对于自举电流和外部驱动电流的研究。托卡马克稳态先进运行模式将成为未来国际热核聚变实验堆(International Thermonuclear Experimental Reactor,ITER)和中国聚变工程实验堆(China Fusion Engineering Test Reactor,CFETR)主要的运行模式。

霍普金森杆电磁加载系统设计及实验

设计一种电磁加载系统应用于分离式霍普金森杆实验装置,能够克服传统气压驱动的缺点,达到精确控制入射应力波的目的。通过对电磁加载技术的调研,了解不同加载方式的电压等级,确定低压加载方式;构建系统等效RLC回路,推导回路参数与入射应力波的函数关系。结合理论计算,利用有限元软件进行耦合场仿真,仿真发现放电线圈匝数对入射应力波的幅频特性影响较大,同时为了保证电磁能量的利用效率,需要保证感应线圈的厚度大于磁渗透深度,最后根据实验要求确定电磁加载系统各参数。按照加载系统参数搭建实验平台,进行霍普金森杆冲击实验,通过对入射应力波的测量,验证了理论计算及软件仿真的正确性。

CFETR纵场磁体线圈内馈线结构设计与分析

介绍了中国核聚变工程试验堆(CFETR)纵场磁体线圈馈线系统内馈线的结构,它由外盒体、万向节、超导母线与冷却管路以及内部支撑架等子部件组成。在纵场磁体线圈内馈线工况下,对其进行了结构设计,并通过有限元分析,获得了内馈线工作状态下的应力和位移分布云图。结果表明,最大应力与最大位移变形均满足设计使用要求。

双通道放气率测量装置器壁放气动态特性分析与碳化硼放气率测试

双通道法是一种高精度、低检测下限的材料放气率测量方法,适用于碳化硼等低放气率材料。该方法需要先测定测量系统的本底放气量,即在系统压力稳定后,选取某一时刻的压力值计算后作为本底放气量。针对装置本底放气量测量,文章基于吸附扩散理论,建立了双通道测量系统的吸附−扩散−解离模型,并进行了数值计算分析,研究了系统本底压力随温度的变化规律,计算结果与实验结果吻合良好。同时,文章对含B4C样品的系统进行了放气量测试,并减去装置本底放气量,得到碳化硼在室温与150℃下的放气率数值,计算得到碳化硼放气率测量的不确定度为11.78%。这为后续的测试研究提供了理论支持。