中性束加熱用離子源弧放電特性和性能最佳化研究

《中性束加熱用離子源弧放電特性和性能最佳化研究》是依託核工業西南物理研究院，由魏會領擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：中性束加熱用離子源弧放電特性和性能最佳化研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：魏會領
• 依託單位：核工業西南物理研究院

項目摘要

多磁極會切場位形在中性束加熱用離子源上得到了廣泛的套用，原因是，多極會切場可以禁止放電室大部分陽極面積，從而增加帶電粒子的約束時間，提高電漿密度。.在HL-2A裝置中性束加熱系統上近期開展了周邊20列磁體和周邊36列磁體會切場離子源弧放電和束流引出實驗，實驗結果表明，在相同的放電參數下兩種源引出束流差異很小，與經典桶式源放電理論預期結果不一致。因此，需要從實驗和理論上進一步深入研究中性束加熱用離子源放電室表面磁體位形與弧放電特性的關係。.本項目將首先深入開展會切場磁約束弧放電電漿的理論研究，數值模擬桶式離子源放電氣壓、弧壓、弧流、會切磁場位形與電漿參數的關係。然後調整放電室磁場位形和軸向尺寸，通過實驗研究不同位形、不同軸向尺寸對電漿溫度、密度、放電穩定性和引出束流強度的影響。最後通過數值模擬計算與實驗結果的比較和結合，完善會切場桶式離子源弧放電理論。

結題摘要

多磁極會切場位形在中性束加熱用離子源上得到了廣泛的套用，原因是，多極會切場可以禁止放電室大部分陽極面積，從而增加帶電粒子的約束時間，提高電漿密度。國際上熱陰極多極會切場離子源引出束流性能優於RF離子源。深入開展中性束加熱用會切場桶式離子源弧放電特性研究有助於進一步提升中性束加熱用離子源的綜合性能。 通過掃描放電參數實驗得到HL-2A裝置中性束加熱離子源主要放電參數（弧壓、弧流、放電氣壓、弧放電效率、燈絲電流等）之間的依賴性，詳細比較了4種不同會切場結構的260桶式離子源弧放電特性。實驗結果表明：4種會切結構離子源在相同的放電氣壓下，弧壓隨弧流增加而增加。在相同的弧流下，弧壓隨放電氣壓增加而下降。離子源軸向長度減少，伏安特性基本不變，但引出束流強度增加。而放電室側壁磁極數目（36列或20列）和磁體排列方式（軸向會切或環向會切）對束流引出強度影響很小。 借鑑A. T. J. Holmes等人關於引出電極、陰極、陽極上粒子流模型，推導出：會切磁極離子源引出電流僅與放電室陰極燈絲個數、燈絲幾何參數和引出電極表面積有關，與弧放電室布置的磁極數和結構無關；引出電流隨著弧流的增加而線性增加；在相同的條件下，氫放電的引出束流強度高於氘放電束流強度。 針對HL-2M裝置NBI加熱系統用80kV/45A/5s離子源的大面積266×560矩形會切磁極放電室，研製了一套周邊6個靜電探針組成的探針陣列，對矩形電漿均勻性、電漿性能進行了詳細實驗研究，診斷了離子源離子引出面附近離子體的電子密度，電子溫度，離子溫度、懸浮電位等基本電漿參數。探針診斷結果表明，80kV/45A/5s離子源的周邊7圈會切磁極，16根燈絲放電室滿足HL-2M裝置NBI加熱技術要求。