中性束注入是實(shí)現(xiàn)磁約束聚變裝置托卡馬克加熱目標(biāo)的主要輔助加熱手段之一,同時(shí)也是四種輔助加熱方式中,原理最清楚、加熱效率最高的一種加熱方式。強(qiáng)流離子源作為中性束注入系統(tǒng)最重要的部件,其性能是決定整個(gè)系統(tǒng)能否穩(wěn)態(tài)高功率運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一。目前EAST中性束注入系統(tǒng)所使用的是傳統(tǒng)的熱陰極強(qiáng)流離子源,由于其頭部電源工作在高電位上不便于控制和維護(hù),且易受燈絲壽命的影響而限制其運(yùn)行時(shí)間。而射頻離子源相對(duì)于熱陰極離子源具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制維護(hù)方便、沒(méi)有燈絲不會(huì)造成電極污染,且沒(méi)有燈絲壽命限制等優(yōu)點(diǎn),是一種最有可能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)脈沖穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的新型離子源。為了滿(mǎn)足長(zhǎng)脈沖運(yùn)行和未來(lái)NBI高能量離子源的要求,EAST NBI團(tuán)隊(duì)調(diào)研了國(guó)內(nèi)外射頻離子源的發(fā)展現(xiàn)狀并且結(jié)合已有的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)開(kāi)展了相關(guān)的設(shè)計(jì)和研究。由于是首次研制,因此有必要開(kāi)展射頻離子源等離子體激勵(lì)特性的相關(guān)研究。本課題首先深入調(diào)研了國(guó)內(nèi)外射頻離子源的發(fā)展現(xiàn)狀,在此基礎(chǔ)上分析了射頻放電的氣體擊穿判據(jù)以及放電室內(nèi)的產(chǎn)生的兩種電場(chǎng)的大小和作用,對(duì)影響等離子體放電的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了初步分析。其次,根據(jù)選定的物理模型對(duì)射頻離子源進(jìn)行放電模擬,分析了電子密度、電子溫度和等離子體電勢(shì)的剖面分布以及電子密度與等離子體電勢(shì)之間的關(guān)系,并分析了等離子體放電的趨膚效應(yīng)。重點(diǎn)研究了線圈匝數(shù)、匝間距及驅(qū)動(dòng)器直徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)等離子體放電的影響,根據(jù)模擬結(jié)果并結(jié)合實(shí)際需求確定了最終的EASTNBI射頻離子源的結(jié)構(gòu)參數(shù)。在此結(jié),構(gòu)基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究了射頻功率和放電氣壓對(duì)等離子體參數(shù)的影響。最后,在現(xiàn)有的射頻離子源測(cè)試平臺(tái)上,對(duì)射頻離子源進(jìn)行了等離子體激勵(lì)的實(shí)驗(yàn)研究,探索了進(jìn)氣氣壓、射頻饋入功率對(duì)電子密度和電子溫度的影響,并且利用水流量熱計(jì)系統(tǒng)采集了法拉第屏蔽筒、線圈等部件的溫升,分析了射頻放電過(guò)程中各部件上的功率沉積分布情況。本課題的開(kāi)展為EAST NBI射頻離子源的發(fā)展奠定了一定的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ),為射頻離子源的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了一定的參考。
【學(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：TL631.24
【部分圖文】：

才解決了等離子體不穩(wěn)定這一關(guān)鍵問(wèn)題。經(jīng)過(guò)世界各國(guó)的多年努力探索研宄，在逡逑托卡馬克上取得了一系列重大突破，因此托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置便從核聚變研究中脫逡逑穎而出，其結(jié)構(gòu)位型如圖１．１所示。逡逑＿＿逡逑磁力線＇邐ａｓ富逡逑ＨＫ子依尊Ｋ子體逡逑煤場(chǎng)錢(qián)圈逡逑圖１．１磁約束聚變托卡馬克裝置結(jié)構(gòu)位型圖逡逑目前，世界上眾多國(guó)家的托卡馬克裝置己經(jīng)建成并成功開(kāi)展了大量實(shí)驗(yàn)研究，逡逑包括美國(guó)的ＤＩＩＩ－Ｄ、日本的ＪＴ－６０Ｕ、歐洲的ＪＥＴ、韓國(guó)的ＫＳＴＡＲ等。研究中人逡逑們發(fā)現(xiàn)，常規(guī)的托卡馬克裝置并不能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，世界各地的科學(xué)家研究發(fā)逡逑現(xiàn)將超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用于裝置的磁體線圈上可以解決這一難題。由此，人類(lèi)對(duì)磁約束逡逑核聚變的研究再次實(shí)現(xiàn)了重大突破。在２１世紀(jì)初期，世界上第一個(gè)非圓截面全逡逑超導(dǎo)托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置邋ＥＡＳＴ邋（Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ邋Ａｄｖａｎｃｅｄ邋ＳｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇＴｏｋａｍａｋ）逡逑２逡逑

逡逑在中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所建成（如圖１．２所示），由此開(kāi)始開(kāi)展先進(jìn)的逡逑穩(wěn)態(tài)運(yùn)行研宄逡逑圖１．２邋ＥＡＳＴ托卡馬克裝置逡逑雖然目前ＥＡＳＴ已全面、優(yōu)質(zhì)建成并投入實(shí)驗(yàn)運(yùn)行，但其科學(xué)目標(biāo)是為未來(lái)逡逑聚變商用堆的研制解決關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題，因此為滿(mǎn)足要求需要為其配備電流驅(qū)動(dòng)逡逑系統(tǒng)和相應(yīng)的輔助加熱手段以加熱等離子體到上億度高溫而實(shí)現(xiàn)受控核聚變。常逡逑用的等離子體的輔助加熱方法有歐姆加熱、低雜波加熱、離子回旋加熱、電子回逡逑旋加熱和中性束注入加熱。其中中性束注入加熱被各國(guó)科學(xué)家認(rèn)為是加熱等離子逡逑體的四種手段中原理最清楚、加熱效率最高的一種方法，同時(shí)它還能達(dá)到驅(qū)動(dòng)等逡逑離子電流的作用。逡逑１．２中性束注入系統(tǒng)逡逑中性束注入器（Ｎｅｕｔｒａｌ邋Ｂｅａｍ邋Ｉｎｊｅｃｔｏｒ，ＮＢＩ）是一套用于實(shí)現(xiàn)加熱等離子體逡逑和驅(qū)動(dòng)等離子體電流為目標(biāo)的大型裝置，該設(shè)備通過(guò)束傳輸系統(tǒng)將較高能量的中逡逑性化粒子注入到托卡馬克裝置中以實(shí)現(xiàn)對(duì)等離子體的加熱［１Ｍ３］。ＥＡＳＴ裝置為達(dá)逡逑成其科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，對(duì)中性束加熱系統(tǒng)提出了較高的功率要求，因此中性束注入逡逑系統(tǒng)（Ｎｅｕｔｒａｌ邋Ｂｅａｍ邋Ｉｎｊｅｃｔｏｒ邋Ｓｙｓｔｅｍ，ＮＢＩＳ）通常由多條中性束束線構(gòu)成。依托逡逑于ＥＡＳＴ實(shí)驗(yàn)裝置建立的ＮＢＩ由兩條束線構(gòu)成

的作用偏離束傳輸軌道，打在離子吞食器上被其吸收。被轉(zhuǎn)換的高能中性束經(jīng)過(guò)逡逑漂移管道被注入到托卡馬克內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)等離子體的加熱和電流驅(qū)動(dòng)，其工作原理逡逑如圖１．３所示。逡逑＊邐ｓＪ邋ｓ，邐ｐ／邋／逡逑＾｜補(bǔ)充充ｎ邐ｎ休Ｉ叫逡逑￣￣邋－p宏蹋�？鍐璋＊逦－？逦＊逦１逦？邋？邋ＦＡ言辶x希椋睿殄危В誨澹殄�；—辶x希歟埽赍義峽帳業(yè)詼五澹懾澹量帳業(yè)凇茍五義賢跡保沖澹牛粒櫻藻澹危攏傻墓ぷ髟礤義希村義

本文編號(hào)：2820818