長脈衝強流離子源引出電極的冷卻及加工工藝研究

《長脈衝強流離子源引出電極的冷卻及加工工藝研究》是依託核工業西南物理研究院，由鄒桂清擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：長脈衝強流離子源引出電極的冷卻及加工工藝研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：鄒桂清
• 依託單位：核工業西南物理研究院

項目摘要

離子源電極是離子源的關鍵部件，直接影響引出束的流強、束光學性能和運行脈衝寬度。針對大功率長脈衝中性束注入系統離子源電極的特殊電極結構和高熱負荷特性，開展基於瞬時冷卻方式的四電極系統的冷卻技術的相關研究。主要包括，通過利用大型有限元分析軟體ANSYS對強流離子源電極系統的結構進行熱應力計算與分析，然後對電極熱變形及其對離子束髮散特性的影響進行分析研究，最後調研國內專業廠家，對電極與絕緣質之間的焊接與密封工藝進行研究。最終將該技術套用到一套兆瓦級瞬態主動冷卻方式的電極系統部件，其中束能量55keV,束流45A，脈衝寬度4秒，並對其1/2原型進行加工與性能測試。本項目在國內首次提出對電極熱變形對離子束光學特性的影響進行分析，首次對長脈衝電極系統的加工工藝進行研究，這些技術的突破將為未來先進的穩態RF離子源提供技術基礎，同時也是我國自主研髮長脈衝強流離子源技術最為關鍵的一步。

結題摘要

按照項目任務書中的研究計畫，首先利用大型有限元分析軟體ANSYS，開展了有關長脈衝強功率離子源電極系統冷卻技術相關的理論計算與分析，通過分析得知引出區域為420mm長140mm寬，厚度為3.5mm的電極在水流速6m/s冷卻水瞬時水冷的情況下可承受的最高熱負荷72千瓦。同時還分析了熱變形對離子束髮散特性的影響，得知電極彈性熱變形會降低離子束引出時的最佳導流係數。如果在引出區域的熱變形小於0.2mm，且分布比較均勻，導流係數有所降低，但不會影響離子束的正常引出。如果熱變形為不規則變形，比如局部熱變形，這將導致引出場強不均勻，可能導致離子束無法正常引出而關斷保護。 隨後開展了1/2模型水冷電極系統的加工工藝研究，主要包括水冷無氧銅電極的電鑄加工工藝，水冷鉬電極的真空擴散焊工藝，水冷鉬電極及無氧銅電極的深孔鑽加工工藝等三種工藝的試製研究。通過試製研究得知電鑄工藝中電鑄無氧銅層的緻密性還需要進一步提高，同時該工藝無法適用於鉬水冷電極；真空擴散焊接成本高，成品率低，而深孔鑽工藝加工成型的水冷電極可靠性較好。針對大尺寸電極法蘭與絕緣質之間的密封連線工藝也進行了兩種工藝的試製研究，當絕緣質為環氧材料時，環氧與法蘭之間採用的是粘接工藝，該粘接工藝精度較難以控制，粘接後不能進行再次裝配公差修整；當絕緣質為PEEK材料時，採用的是傳統的氟橡膠O型密封圈進行真空密封，工藝簡單，並且裝配後可以再次進行裝配公差修正,裝配精度較高。 根據已掌握的上述工藝，最終研製成功一套大尺寸多孔型瞬時水冷電極系統。該電極系統由四層電極及其支撐法蘭與絕緣腔組成，每層電極共有564個主直徑為7mm離子束引出孔，每排離子束引出孔之間有一個直徑為2mm的瞬時水冷通道,水水冷管道採用深孔鑽工藝加工成型。法蘭與PEEK絕緣質通過O型氟橡膠密封圈進行真空密封。該電極系統目前運行參數為：氫離子束束能67keV, 束流參數27A, 離子束功率接近設計指標55 keV,束流45A。由於受到電容性高壓電源脈衝寬度的影響，目前工作脈衝寬度100ms，當該電極系統採用先進的主動水冷技術，該系統具備4s運行的能力。 由此本項目按照研製計畫，順利完成了項目研製任務，並實現了主要研究目標。為我國以後開展圓孔型長脈衝電極系統的研製打下了基礎，尤其是為以後開展先進的大功率射頻負離子源長脈衝電極系統提供了技術參考。