中性束注入(NBI)是磁約束核聚變裝置中等離子體輔助加熱的主要手段之一。基于負(fù)離子源的NBI系統(tǒng)因其在離子束能達(dá)到1 MeV時仍然具有很高的中性化效率,被認(rèn)為是未來大型磁約束核聚變裝置的必然選擇。大功率射頻負(fù)離子源由于可長期無維護(hù)運行、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點,于2007被國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃選為參考離子源,近年來成為國際上聚變領(lǐng)域的研究熱點。2011年,華中科技大學(xué)(HUST)在科技部ITER計劃專項支持下,開展了“ITER高頻負(fù)離子源激勵器的關(guān)鍵技術(shù)與工程”研究,探索在低射頻頻率、低氣壓、大功率條件下的等離子體激發(fā)機理和技術(shù),目前已初步建成了一個射頻負(fù)離子源激勵器實驗平臺(以下簡稱HUST源)。在低射頻頻率、低氣壓和大功率條件下的等離子體激發(fā)相對于常規(guī)的感性耦合等離子體(ICP)源難度更大,其中射頻功率的利用效率成為一個突出的問題。本文以HUST源為研究對象,圍繞射頻功率的利用效率問題,重點關(guān)注線圈-等離子體射頻功率耦合機理、在線阻抗匹配、射頻功率與阻抗在線檢測、等離子體參數(shù)診斷以及離子源控制等理論與工程問題。主要研究內(nèi)容包括:(1)線圈-等離子體射頻功率耦合特性分析采用解析模型和有限元模型對激勵器線圈和等離子體之間的射頻功率耦合特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究。探討了等離子體參數(shù)、工作參數(shù)對于激勵器阻抗和功率耦合效率的影響規(guī)律,為激勵器的工作頻率和氣壓的選擇提供了依據(jù)。建立了包含法拉第屏蔽的激勵器三維有限元模型,通過電磁場仿真分析,揭示了法拉第屏蔽抑制線圈-等離子體容性耦合的作用。(2)在線射頻阻抗匹配研究面向大功率射頻等離子體應(yīng)用的工程實際,首次提出了頻率和電容組合調(diào)節(jié)的在線阻抗匹配策略和自適應(yīng)匹配算法。在線阻抗匹配策略以滿足匹配應(yīng)用要求、頻率調(diào)節(jié)優(yōu)先、減少調(diào)節(jié)電容為目標(biāo),通過跟蹤阻抗變化可針對性地提供更快速有效的在線匹配調(diào)節(jié)方案。自適應(yīng)匹配算法對常規(guī)的變量輪換法和梯度下降法進(jìn)行綜合和改進(jìn),在阻抗未知時,僅依據(jù)反射率自主選取匹配策略和優(yōu)化匹配參數(shù),相對于常規(guī)算法有效提高了自適應(yīng)匹配速度和穩(wěn)定性。(3)射頻功率、阻抗在線檢測系統(tǒng)研制研制了一套離子源運行時的激勵器阻抗和功率在線檢測裝置。采用電容分壓器和印制電路板(PCB)型羅氏線圈電流互感器對激勵器線圈上的高頻高電壓、大電流取樣,通過純模擬信號處理的方法獲取阻抗、功率等電參數(shù)。通過小功率(1 kW)射頻功率、阻抗在線檢測實驗,證明該系統(tǒng)具有較高的測量精度。(4)射頻等離子體朗繆爾探針診斷系統(tǒng)研制針對大功率射頻負(fù)離子源等離子體診斷,研制了具備高集成度和自動化程度的射頻朗繆爾探針診斷系統(tǒng)。在扼流圈射頻補償?shù)幕A(chǔ)上增加補償電極,降低了低頻率下射頻補償?shù)碾y度。通過自主開發(fā)的等離子體參數(shù)解讀程序快速處理探針數(shù)據(jù),自動獲取等離子體參數(shù),并研究了基于不同電子和離子收集理論的探針數(shù)據(jù)解讀算法。(5)控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)離子源控制系統(tǒng)以PAC(Programmable Automation Controller,可編程自動化控制器)作為主控制器,采用分布式硬件架構(gòu)和基于事件驅(qū)動+消息隊列狀態(tài)機+生產(chǎn)者/消費者模式的混合程序設(shè)計模式進(jìn)行開發(fā)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊,穩(wěn)定可靠,擴(kuò)展性強,順利實現(xiàn)了HUST源射頻等離子體激發(fā)與維持。(6)HUST源實驗測試研究介紹了目前在HUST源實驗平臺上開展的實驗和測試結(jié)果,包括工作參數(shù)檢測、射頻等離子體診斷和高壓電源調(diào)試實驗。本文工作為HUST源射頻等離子體激發(fā)和檢測提供了完整的技術(shù)實現(xiàn)手段并獲得了豐富的離子源運行經(jīng)驗,也為后續(xù)開展完整射頻負(fù)離子源研究奠定了基礎(chǔ)。
【學(xué)位單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TM934.7

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2819234