EAST NBI强流离子源长脉冲弧放电运行研究

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可控核聚变能源研究的重要目标之一就是设法把等离子体加热到10keV以上,这是实现聚变点火必不可少的基本条件。中性束注入(Neutral Beam Injection)系统加热是磁约束核聚变实验装置上主要的辅助加热手段,加热效率最高、物理机制最清楚。本文在充分调研了国内外中性束注入系统强流离子源类型的基础上,借助模拟程序对强流离子源等离子体放电进行模拟计算,主要针对EAST中性束注入系统强流离子源的实验运行状态,分析计算了热阴极强流离子源的寿命,研究了反向电子流的沉积分布,开展了热阴极强流离子源长脉冲(稳态)运行的影响因素研究。此外,进行了基于射频离子源的模拟分析研究,并搭建了一套基于射频激励的等离子体放电实验平台,开展了射频等离子体激励的相关研究。  作为中性束注入系统最核心的部件,强流离子源的状态基本决定整个系统能否稳态高效率运行。借助EAST NBI综合实验测试平台对热阴极强流离子源的锻炼实验运行,分析了现有的热阴极强流离子源弧放电过程中及等离子体产生之后(本文中“弧放电”即为“等离子体放电”)的离子源的运行状态,分析了进气、弧压值、灯丝电压值等之间的匹配关系对放电的影响,探索离子源各放电参数之间最佳的匹配状态。高能反向电子流是长脉冲运行中不可避免的问题,本文模拟计算了离子源长脉冲束引出运行过程中不同能量下反向电子流沉积在反向电子吸收板上的不同分布情况,并就反向电子吸收板的温升情况做了实验研究同时分析了影响热阴极强流离子源长脉冲运行的因素,评估热阴极强流离子源长脉冲运行能力,继而优化现有强流离子源,实现强流离子源的长脉冲(稳态)弧放电运行。  在本论文的研究工作中,同时在调研了国内外同装置不同类型的强流离子源后,对射频离子源进行了等离子体激励的模拟和实验研究,包括进气气压、射频馈入功率等影响等离子体放电的参数进行了模拟计算研究;同时搭建起了一套基于射频离子源激励器的试验装置,并成功解决了射频激发等离子体的初始研究困难,初步解决了射频功率传输、隔离、耦合的相关关键工程技术问题,获得了稳定的射频离子源等离子体激发。实验结果为实现强流离子源的长脉冲等离子体放电运行的研究奠定了扎实基础。
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