【摘要】：中性束注入(Neutral Beam Injection,NBI)是核聚變等離子體最直接有效的加熱方式,隨著聚變研究的不斷深入,對NBI的要求從低功率短脈沖運(yùn)行逐步演變到高功率長脈沖甚至是穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。射頻(Radio Frequency,RF)離子源憑借其具備長脈沖甚至穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的優(yōu)勢,成為未來NBI的首選離子源。射頻功率饋入系統(tǒng)用于將射頻功率傳輸?shù)诫x子源,是獲得穩(wěn)定等離子體放電的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。以解決大功率RF離子源運(yùn)行存在的功率饋入難題為目標(biāo),開展大功率射頻功率饋入系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及對應(yīng)的實驗研究具有非常重要的意義。根據(jù)大功率RF離子源功率饋入系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu),分析了各單元的工作原理和特性,并結(jié)合RF離子源的放電原理,借助仿真軟件對RF離子源等離子體放電進(jìn)行了模擬研究,獲得了電子平均密度隨射頻功率的變化趨勢。利用變壓器模型理論分析了 RF離子源驅(qū)動器的等效阻抗特性,得出了等效阻抗隨電子密度的變化趨勢,為大功率RF離子源的功率饋入系統(tǒng)的設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。基于大功率RF離子源功率饋入系統(tǒng)特性的分析結(jié)果,開展了射頻功率饋入關(guān)鍵技術(shù)研究。首先,根據(jù)NBI對大功率RF離子源的需求,完成了阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計,通過分析獲得了主要元件參數(shù)的表達(dá)式,;其次,設(shè)計并研制了大功率高隔離等級的射頻隔離變壓器,測試表明其靜態(tài)耐壓可達(dá)200kVDC,傳輸效率大于95%,滿足了 RF離子源對直流高壓隔離和射頻功率傳輸?shù)男阅芤?第三,分析了阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)電容參數(shù)隨驅(qū)動器等效阻抗的變化規(guī)律,為阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的研制和實驗中最佳匹配調(diào)諧提供了指導(dǎo);:最后,利用仿真工具對阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了仿真研究,驗證了設(shè)計的可行性和參數(shù)計算的準(zhǔn)確性。在完成了大功率RF離子源功率饋入關(guān)鍵技術(shù)研究的基礎(chǔ)上,研制了功率饋入系統(tǒng)并開展了功率饋入特性實驗研究。提出了高氣壓和啟動燈絲輔助射頻功率饋入的方法,解決了初始等離子體難以激發(fā)難題。針對等離子體建立時刻阻抗失諧造成的反射功率過大,發(fā)展了控制射頻功率爬坡輸出的放電方法,實現(xiàn)了在高功率下的等離子體放電。在等離子體放電實驗中,通過最佳阻抗匹配掃描分析,獲得了驅(qū)動器等效阻抗隨電子密度的變化趨勢,驗證了理論分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上,獲得了50kW高功率、47kW/1000s長脈沖穩(wěn)定等離子體放電。實驗結(jié)果表明,研制的大功率RF離子源功率饋入系統(tǒng)合理可行,滿足大功率RF離子源開展物理實驗的需求。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TL629.1
【圖文】：

學(xué)院等離子體物理研究所在２００６年建成并投入運(yùn)行了世界上第一個全超導(dǎo)、非逡逑圓截面的托卡馬克實驗裝置一ＥＡＳＴ邋（Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ邋Ａｄｖａｎｃｅｄ邋Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ逡逑Ｔｏｋａｍａｋ），如圖１－１所示。ＥＡＳＴ的科學(xué)目標(biāo)是在近堆芯的高參數(shù)條件下研究逡逑等離子體的穩(wěn)態(tài)和先進(jìn)運(yùn)行模式，深入探索實現(xiàn)聚變能源應(yīng)用的工程、物理問逡逑題，為下一代核聚變裝置和聚變堆提供物理、工程技術(shù)和實驗運(yùn)行基礎(chǔ)［５］。逡逑１逡逑

雖然在不同磁約束核聚變裝置上使用的中性束注入系統(tǒng)在具體的結(jié)構(gòu)上存逡逑在差異，但它們都遵循中性束注入器的基本工作原理，因此都包含了一些典型逡逑子系統(tǒng)。以ＥＡＳＴ邋ＮＢＩ系統(tǒng)為例，如圖１－２所示，中性束注入系統(tǒng)主要包括離逡逑子源系統(tǒng)、束傳輸系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)等。其中，離子源系統(tǒng)用于提供滿足一定束逡逑參數(shù)的高能離子束。束傳輸系統(tǒng)用于提供束產(chǎn)生的真空環(huán)境和通道、主要包括逡逑真空室、離子束中性化部件、離子偏轉(zhuǎn)部件、用于吸收未中性化的離子部件和逡逑功率測量靶等，其功能為將高能離子束轉(zhuǎn)換為中性束，將未中性化的離子吸收逡逑并轉(zhuǎn)化成熱，同時檢測束的主要性能參數(shù)。輔助系統(tǒng)包括真空抽氣系統(tǒng)、電源逡逑及傳輸系統(tǒng)、水處理系統(tǒng)、計算機(jī)控制系統(tǒng)和連鎖保護(hù)系統(tǒng)等，為離子束的產(chǎn)逡逑生、束傳輸和束診斷等提供必要的支持。逡逑電網(wǎng)逡逑邐邋邐？液Ｈｅ低ｆｉ制衿]嬪危牛粒櫻裕媯媯敉ㄖ棋義希浯湎低沖義稀剩

本文編號：2721031