EAST-NBI离子源稳态运行关键实验参数测量技术研究

发布时间：2020-05-10 08:03

【摘要】：中性束注入(Neutral Beam Injection,简称NBI)作为加热机理最清晰,加热效果最高的辅助加热手段之一,被广泛应用于核聚变实验装置的等离子体加热和电流驱动。随着磁约束核聚变研究的不断深入,中性束注入系统向着高能量、高功率、稳态运行不断发展。离子源作为中性束注入装置的核心部件,其运行状态直接决定了装置的性能。离子源实验参数测量是掌握离子源运行状态,实现稳态运行最直观、有效的手段。因此,开展离子源实验参数测量技术的研究对EAST NBI离子源的稳态运行具有重要的工程应用价值。本文的主要研究内容如下:首先,根据离子源的实验参数特性,开展了离子源实验参数测量系统的总体设计。通过对热阴极离子源的实验参数特性分析,结合物理分析的具体需求,将热阴极离子源实验参数分为低速实验参数、高速实验参数、弱信号实验参数,明确了三类实验参数测量系统的设计方案。随着射频(Radio Frequency,简称RF)离子源技术的发展,采用带阻滤波器(Band Reject Filter,简称BRF)技术解决了射频干扰对实验参数的影响,成功的将热阴极离子源实验参数测量技术应用到射频离子源上。在完成实验参数精确测量的基础上,依据实验需要,提出了射频功率反馈控制系统和铯馈入恒温控制系统的研制需求。其次,以热阴极离子源为依托,开展了实验参数测量系统的技术研究与系统研制。低速实验参数测量系统采用伏频(Voltage-to-Frequency,简称VF)、频伏(Frequency-to-Voltage,简称FV)转换技术,完成了对实验参数的采集与隔离传输。高速实验参数测量系统采用高速数据编码,以及高速光电转换技术,完成了高速模拟量的实时采集与隔离传输。弱信号实验参数测量系统采用轮询方式完成了反向电子吸收板16路热电偶信号的采集,将串口通讯协议与光电传感器结合,实现了弱信号实验参数的隔离传输。再次,根据射频离子源发展的需要,针对低速实验参数、高速实验参数、弱信号实验参数的测量开展了抑制射频干扰的研究,开发了射频离子源功率反馈控制和铯馈入恒温控制系统。射频放电环境下会对实验参数造成射频干扰。射频离子源实验参数测量系统以热阴极离子源实验参数测量系统为基础,加入了 BRF解决方案,有效减小了 1MHz射频功率源的干扰。在解决射频干扰的基础上,依据实验需求开展了射频离子源功率反馈控制系统和射频离子源铯馈入恒温控制系统的设计研究。射频离子源功率反馈控制系统实现了匹配网络的实时控制,保证了射频入射功率的最大化;射频离子源铯馈入恒温控制系统实现了铯注入环境的恒温控制,为提高离子源放电过程中的负离子产额奠定了技术基础。最后,依托NBI综合测试平台,对系统的测量精度、频率响应、保护响应时间、控制精度开展了实验测试。测试结果表明:低速实验参数测量系统实现了0～10V,3kHz的正弦测试;高速实验参数测量系统实现了-10～10V,1MHz的正弦测试;弱信号实验参数测量系统实现了 16路热电偶,25点/秒的采样。现场实验证明:离子源实验参数测量系统为NBI的高功率、长脉宽稳态运行提供了有力的技术支持。
【图文】：

系统布局,中性束,系统布局,兆瓦级

ＤＩＩＩ－Ｄ、ＪＴ－６０Ｕ、ＫＳＴＡＲ等聚变装置均具备兆瓦级注入能力的中性束逡逑注入系统。中国于２０１４年开始建造两条兆瓦级的中性束注入系统（ＥＡＳＴ邋ＮＢＩ）。逡逑图１－１给出了两条束线的具体布局。装置具备脉宽１０￣１００ｓ、功率４￣８ＭＷ，束逡逑能量５０￣８０ｋｅＶ的运行能力【６＂８］。逡逑晨逡逑图１－１邋ＥＡＳＴ中性束系统布局逡逑１逡逑

离子源,总体设计图,实验参数,测量系统

逦第１章绪论逦逡逑量系统的基础上，加入了邋ＢＲＦ电路，给出了射频离子源实验参数测量系统的系逡逑统总体设计方案。系统解决了射频环境下的射频千扰难题，实现了射频离子源实逡逑验参数测量的精确测量。逡逑最后，依据实验需求，，在射频离子源实验参数测量系统的基础上，给出了射逡逑频离子源功率反馈控制系统和射频离子源铯馈入恒温控制系统的设计方案。射频逡逑离子源功率反馈控制系统实现了射频离子源放电过程中入射功率的最大化；射频逡逑离子源铯馈入恒温控制系统提高了射频离子源的负离子产额；两款现场控制系统逡逑为射频离子源的长脉宽、高功率运行提供了有力的技术支撑。逡逑
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TL631.24

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