射频离子源等离子体激励特性研究
发布时间：2020-09-17 14:09
中性束注入是实现磁约束聚变装置托卡马克加热目标的主要辅助加热手段之一,同时也是四种辅助加热方式中,原理最清楚、加热效率最高的一种加热方式。强流离子源作为中性束注入系统最重要的部件,其性能是决定整个系统能否稳态高功率运行的关键因素之一。目前EAST中性束注入系统所使用的是传统的热阴极强流离子源,由于其头部电源工作在高电位上不便于控制和维护,且易受灯丝寿命的影响而限制其运行时间。而射频离子源相对于热阴极离子源具有结构简单、控制维护方便、没有灯丝不会造成电极污染,且没有灯丝寿命限制等优点,是一种最有可能实现长脉冲稳态运行的新型离子源。为了满足长脉冲运行和未来NBI高能量离子源的要求,EAST NBI团队调研了国内外射频离子源的发展现状并且结合已有的理论和实验基础开展了相关的设计和研究。由于是首次研制,因此有必要开展射频离子源等离子体激励特性的相关研究。本课题首先深入调研了国内外射频离子源的发展现状,在此基础上分析了射频放电的气体击穿判据以及放电室内的产生的两种电场的大小和作用,对影响等离子体放电的结构参数进行了初步分析。其次,根据选定的物理模型对射频离子源进行放电模拟,分析了电子密度、电子温度和等离子体电势的剖面分布以及电子密度与等离子体电势之间的关系,并分析了等离子体放电的趋肤效应。重点研究了线圈匝数、匝间距及驱动器直径等结构参数对等离子体放电的影响,根据模拟结果并结合实际需求确定了最终的EASTNBI射频离子源的结构参数。在此结,构基础上,进一步研究了射频功率和放电气压对等离子体参数的影响。最后,在现有的射频离子源测试平台上,对射频离子源进行了等离子体激励的实验研究,探索了进气气压、射频馈入功率对电子密度和电子温度的影响,并且利用水流量热计系统采集了法拉第屏蔽筒、线圈等部件的温升,分析了射频放电过程中各部件上的功率沉积分布情况。本课题的开展为EAST NBI射频离子源的发展奠定了一定的理论和实验基础,为射频离子源的结构优化提供了一定的参考。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TL631.24
【部分图文】：
才解决了等离子体不稳定这一关键问题。经过世界各国的多年努力探索研宄，在逡逑托卡马克上取得了一系列重大突破，因此托卡马克实验装置便从核聚变研究中脱逡逑颖而出，其结构位型如图１．１所示。逡逑＿＿逡逑磁力线＇逦ａｓ富逡逑ＨＫ子依尊Ｋ子体逡逑煤场钱圈逡逑图１．１磁约束聚变托卡马克装置结构位型图逡逑目前，世界上众多国家的托卡马克装置己经建成并成功开展了大量实验研究，逡逑包括美国的ＤＩＩＩ－Ｄ、日本的ＪＴ－６０Ｕ、欧洲的ＪＥＴ、韩国的ＫＳＴＡＲ等。研究中人逡逑们发现，常规的托卡马克装置并不能实现长时间运行，世界各地的科学家研究发逡逑现将超导技术应用于装置的磁体线圈上可以解决这一难题。由此，人类对磁约束逡逑核聚变的研究再次实现了重大突破。在２１世纪初期，世界上第一个非圆截面全逡逑超导托卡马克实验装置邋ＥＡＳＴ邋（Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ邋Ａｄｖａｎｃｅｄ邋ＳｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇＴｏｋａｍａｋ）逡逑２逡逑
逡逑在中国科学院等离子体物理研究所建成（如图１．２所示），由此开始开展先进的逡逑稳态运行研宄逡逑图１．２邋ＥＡＳＴ托卡马克装置逡逑虽然目前ＥＡＳＴ已全面、优质建成并投入实验运行，但其科学目标是为未来逡逑聚变商用堆的研制解决关键的技术问题，因此为满足要求需要为其配备电流驱动逡逑系统和相应的辅助加热手段以加热等离子体到上亿度高温而实现受控核聚变。常逡逑用的等离子体的辅助加热方法有欧姆加热、低杂波加热、离子回旋加热、电子回逡逑旋加热和中性束注入加热。其中中性束注入加热被各国科学家认为是加热等离子逡逑体的四种手段中原理最清楚、加热效率最高的一种方法，同时它还能达到驱动等逡逑离子电流的作用。逡逑１．２中性束注入系统逡逑中性束注入器（Ｎｅｕｔｒａｌ邋Ｂｅａｍ邋Ｉｎｊｅｃｔｏｒ，ＮＢＩ）是一套用于实现加热等离子体逡逑和驱动等离子体电流为目标的大型装置，该设备通过束传输系统将较高能量的中逡逑性化粒子注入到托卡马克装置中以实现对等离子体的加热［１Ｍ３］。ＥＡＳＴ装置为达逡逑成其科学实验目标，对中性束加热系统提出了较高的功率要求，因此中性束注入逡逑系统（Ｎｅｕｔｒａｌ邋Ｂｅａｍ邋Ｉｎｊｅｃｔｏｒ邋Ｓｙｓｔｅｍ，ＮＢＩＳ）通常由多条中性束束线构成。依托逡逑于ＥＡＳＴ实验装置建立的ＮＢＩ由两条束线构成
的作用偏离束传输轨道，打在离子吞食器上被其吸收。被转换的高能中性束经过逡逑漂移管道被注入到托卡马克内，实现对等离子体的加热和电流驱动，其工作原理逡逑如图１．３所示。逡逑＊逦ｓＪ邋ｓ，逦ｐ／邋／逡逑＾｜补充充ｎ逦ｎ休Ｉ叫逡逑￣￣邋－p宏蹋垮呜埃危垮危危卞危垮澹垮澹疲粒樱藻义希椋睿殄危В诲澹殄危弧义希欤埽赍义峡帐业诙五澹慑澹量帐业凇苟五义贤迹保冲澹牛粒樱藻澹危拢傻墓ぷ髟礤义希村义
本文编号：2820818
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TL631.24
【部分图文】：
才解决了等离子体不稳定这一关键问题。经过世界各国的多年努力探索研宄，在逡逑托卡马克上取得了一系列重大突破，因此托卡马克实验装置便从核聚变研究中脱逡逑颖而出，其结构位型如图１．１所示。逡逑＿＿逡逑磁力线＇逦ａｓ富逡逑ＨＫ子依尊Ｋ子体逡逑煤场钱圈逡逑图１．１磁约束聚变托卡马克装置结构位型图逡逑目前，世界上众多国家的托卡马克装置己经建成并成功开展了大量实验研究，逡逑包括美国的ＤＩＩＩ－Ｄ、日本的ＪＴ－６０Ｕ、欧洲的ＪＥＴ、韩国的ＫＳＴＡＲ等。研究中人逡逑们发现，常规的托卡马克装置并不能实现长时间运行，世界各地的科学家研究发逡逑现将超导技术应用于装置的磁体线圈上可以解决这一难题。由此，人类对磁约束逡逑核聚变的研究再次实现了重大突破。在２１世纪初期，世界上第一个非圆截面全逡逑超导托卡马克实验装置邋ＥＡＳＴ邋（Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ邋Ａｄｖａｎｃｅｄ邋ＳｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇＴｏｋａｍａｋ）逡逑２逡逑
逡逑在中国科学院等离子体物理研究所建成（如图１．２所示），由此开始开展先进的逡逑稳态运行研宄逡逑图１．２邋ＥＡＳＴ托卡马克装置逡逑虽然目前ＥＡＳＴ已全面、优质建成并投入实验运行，但其科学目标是为未来逡逑聚变商用堆的研制解决关键的技术问题，因此为满足要求需要为其配备电流驱动逡逑系统和相应的辅助加热手段以加热等离子体到上亿度高温而实现受控核聚变。常逡逑用的等离子体的辅助加热方法有欧姆加热、低杂波加热、离子回旋加热、电子回逡逑旋加热和中性束注入加热。其中中性束注入加热被各国科学家认为是加热等离子逡逑体的四种手段中原理最清楚、加热效率最高的一种方法，同时它还能达到驱动等逡逑离子电流的作用。逡逑１．２中性束注入系统逡逑中性束注入器（Ｎｅｕｔｒａｌ邋Ｂｅａｍ邋Ｉｎｊｅｃｔｏｒ，ＮＢＩ）是一套用于实现加热等离子体逡逑和驱动等离子体电流为目标的大型装置，该设备通过束传输系统将较高能量的中逡逑性化粒子注入到托卡马克装置中以实现对等离子体的加热［１Ｍ３］。ＥＡＳＴ装置为达逡逑成其科学实验目标，对中性束加热系统提出了较高的功率要求，因此中性束注入逡逑系统（Ｎｅｕｔｒａｌ邋Ｂｅａｍ邋Ｉｎｊｅｃｔｏｒ邋Ｓｙｓｔｅｍ，ＮＢＩＳ）通常由多条中性束束线构成。依托逡逑于ＥＡＳＴ实验装置建立的ＮＢＩ由两条束线构成
的作用偏离束传输轨道，打在离子吞食器上被其吸收。被转换的高能中性束经过逡逑漂移管道被注入到托卡马克内，实现对等离子体的加热和电流驱动，其工作原理逡逑如图１．３所示。逡逑＊逦ｓＪ邋ｓ，逦ｐ／邋／逡逑＾｜补充充ｎ逦ｎ休Ｉ叫逡逑￣￣邋－p宏蹋垮呜埃危垮危危卞危垮澹垮澹疲粒樱藻义希椋睿殄危В诲澹殄危弧义希欤埽赍义峡帐业诙五澹慑澹量帐业凇苟五义贤迹保冲澹牛粒樱藻澹危拢傻墓ぷ髟礤义希村义
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