强流束源光谱诊断系统研制与实验研究

发布时间：2020-10-09 13:03

　　 中性束注入(NBI)是磁约束核聚变装置中最重要的辅助加热手段,强流束源是整个中性束注入装置上的关键部件。其中,源等离子体参数和束强度空间分布会直接影响中性束的加热效果和中性束装置的安全、稳态运行。因此,研究强流束源诊断技术并开发诊断设备具有重要的工程应用价值。光学发射光谱作为一种非侵入式测量方法,具有无污染、实时、在线与原位测量的优点,可以给出等离子体电子温度、电子密度、粒子种类和束强度空间分布等重要信息,是强流束源认知的最佳诊断选择。论文的主要工作是利用光学发射光谱法,基于粒子数模型,对强流束源进行光谱测量和实验研究,概括为以下几点:1、从等离子体发射光谱原理出发,阐述了等离子体参数与辐射光谱之间的关系,分析了低温等离子体中常用的粒子数计算模型。介绍了部分局部热力学平衡模型的判断依据和计算过程。分析了氩碰撞辐射模型和氢原子碰撞辐射模型的组成粒子、反应过程、速率系数,采用氩氙原子谱线比计算电子温度,氩离子谱线比计算电子密度;对激发态氢原子的五种激发途径进行了理论分析,采用氢原子巴耳末系谱线比测量等离子体参数。介绍了束发射光谱产生机制,阐述了束发射光谱诊断原理。2、基于光谱诊断原理,研制了一套测量波段为400-900nm的源光谱诊断系统和一套束发射光谱诊断系统,主要包括前置收光部件、光纤、光栅光谱仪、探测器、触发、数据采集与处理系统,介绍了各部件的关键性能参数、进行了物镜的性能测试和模拟分析,完成了光学发射光谱诊断系统的设计与搭建。3、基于部分局部热力学平衡模型,根据通用的玻尔兹曼分布和修正的沙哈方程,给出电子温度和离子密度。结果表明,部分局部热力学平衡模型可能不适用于强流束源诊断,并分析了该模型的局限性;鉴于热阴极弧源在EAST装置上的发展及运行,将源光谱诊断系统应用于热阴极离子源诊断测量,通过与朗缪尔探针测量结果对比,获得了初步的实验结果,验证了光学发射光谱测量等离子体参数的可行性和准确性;进一步将发射光谱诊断应用于NBI射频离子源,测量了源等离子体电子温度和电子密度随放电参数的演化;由于诊断气体充入对射频等离子体放电有一定的干扰,开发了一种氢原子碰撞辐射模型,并获得了初步的实验结果。将光学发射光谱作为一种常规、在线的监测诊断手段,在不同放电条件下,对强流束源等离子体的放电特性进行分析研究。将束发射光谱光谱诊断系统用于NBI装置测试平台,完成了束发射光谱诊断系统的测试,获得了NBI束线中性化室出口处束强度空间分布的初步实验结果,分析结果表明,在束流传输过程中引出束流向下偏移。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TL631
【部分图文】：

子经过漂移段注入托卡马克中，完成中性束注入加热。ＥＡＳＴ－ＮＢＩ系统由束逡逑源、束线本体、电源系统、控制系统和诊断系统等构成。中性束注入系统组成如逡逑图１．１所示。逡逑电网逦｜ＮＢ丨低渴卜匕丨低温中心逡逑逦＾钉田芷邋／邋负高邋１＿＿＿—逦：｜逡逑：：弧流电a伞�＾恝邋■■＂＂■■■■■逦＾＾伣逡逑＂逦＾逦邋器——逦丨~|系统丨广：逡逑．ｒｚｚ＾＿＿邋Ｗ逡逑丨蝎逦—＾缓冲器电源逦］一－逦逡逑：ｉ作气体供气子系统＊r乐醇爸А跺义希掊澹桑慑危�￣ｒ｜辅助真空系２逦供气系二二二＿逡逑ｎｂｉ束诊断丨逦逦邋ｒ逦逦ｉｗ逡逑系统＇邋ＮＢ１邋逦？＞逦逦？循环逡逑拧制系统＝ｅｊ系统逡逑｜邋Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ逡逑上位总控逡逑图１．１中性束注入系统组成示意图逡逑１．２．邋１中性束注入加热原理逡逑Ｖ逡逑中性束注入加热理论由Ｊ．邋Ｌａｕｅｒ和Ｇ．邋Ｇｉｂｓｏｎ两位科研人员提出［２Ｇ］，他们逡逑认为中性粒子束可以渗入到强磁场当中，通过与电子或者离子的碰撞而被电离。逡逑３逡�

本文编号：2833719