大功率负离子源束流截面检测技术研究

发布时间：2020-07-05 07:12

【摘要】：中性束注入是聚变等离子体辅助加热的重要手段,而离子源是其核心部件。射频负离子源由于结构简单、工作可靠、长期免维护运行,被公认为ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor)的参考离子源。为了探究射频等离子体激发和负离子生成引出的关键技术,华中科技大学(HUST)于2011年开始开展了射频负离子源实验平台的设计和搭建。本文重点研究了HUST负氢离子源的束流截面检测技术,该技术能够诊断离子束流的总功率、束流截面分布、发散度和均匀度等参数,对离子源引出系统结构设计和运行参数的优化具有重要意义。研究主要分为三个部分:(1)基于HUST负源大面积多网孔三电极束流引出系统,通过简化的小束几何光学模型,研究了接地栅极(Ground Grid,GG)下游不同距离处束流截面分布规律。发现束流在远离GG过程中,小束之间的重叠不断加强,截面分布从多高斯峰逐渐过渡为平顶峰,最后变为单高斯峰,为截面检测装置的位置选定和方案设计提供了依据。基于束流截面分布规律,设计了两种拦截式束流截面诊断工具。(2)设计了量热计型束流截面诊断系统,测量束流总功率和GG下游远距离束流截面分布。该装置通过准绝热结构铜靶拦截束流,由热电偶阵列测量铜靶各处温升,从而获得截面功率密度分布,并配置有水冷量热系统测量束流总功率。基于ANSYS CFX流-热-固三相耦合热分析,修正了准绝热结构量热计的束流功率密度计算模型,验证了单路水冷结构的可行性,评估了量热计测量束流功率密度截面分布的精度,设计并搭建了17路热电偶温度信号同步采集装置。(3)设计了多钨丝阵列束流截面诊断系统,用于测量距离GG极较近位置的束流截面分布,旨在获得小束的位置、轮廓和强度信息。基本原理是钨丝受热发光,由CCD相机进行拍照测量。基于COMSOL Multiphysics对钨丝进行了热分析,研究了钨丝发光速度、空间分辨率与束流轰击功率密度、钨丝半径之间的关系,发现钨丝的热平衡速度比发光速度慢,在短时间尺度(~1 s)内对小束具有良好的空间分辨率。设计了多钨丝诊断装置的结构和布局,并基于MATLAB编写了CCD图像处理程序。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TL631
【图文】：

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Experiment)的引出系统。图 1-1 ELISE 离子源多网孔引出系统示意图由图 1-1 可知，ELISE 的引出系统是由 640 个引出孔组成大面积多网孔阵列，因此总离子束流由 640 个子束叠加组成[11]，整个束流的光学特性跟每个子束的束元光学特性密不可分，优化子束的光学特性即可实现对整个束流品质的改善。测量子束的光学特性成为了目前国内外束流检测的重点研究目标。束流截面检测技术可以测量子束的束元光学特性。子束的发散角和束流密度对引出面下游总束流的截面分布有着直接的影响，通过测量截面上的束流分布即可获得子束发散角和束流密度。根据测量所得结果，优化离子源引出系统的运行参数，可以实现对子束光学特性的改良，进而改善整体束流均匀度。束流截面检测技术为离子源的结构设计和运行状态提供检验的标准和优化的方向

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图 1-3 MeV 加速器结构示意图CFC靶板获得的良好检测结果，德国IPPR 全尺寸大功率负离子源射频测试台 SP可进行移动和伸缩的小束诊断工具 SCalorimeter Experiment)[22]。SPIDER 的束

【参考文献】