劉智民 胡純棟 劉 勝 蔣才超 宋士花 謝亞紅 盛 鵬

（中國科學(xué)院等離子體物理研究所 合肥 230031）

中性束注入(Neutral Beam Injector，NBI)是受控核聚變研究中對等離子體輔助加熱的主要手段之一。全超導(dǎo)托克馬克裝置EAST中性束注入器的兆瓦級強(qiáng)流離子源樣機(jī)，已完成研制及整機(jī)裝配，并在一臺小型真空平臺上開展了離子源真空檢測、冷卻水壓力測試、電源系統(tǒng)整體測試，以獲取首次離子源起弧放電的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。EAST裝置設(shè)計(jì)要求的第一條NBI加熱束線，需安裝兩臺強(qiáng)流離子源，運(yùn)行條件為注入中性束功率4 MW、能量50–80 keV、束流60 A。

為測試和鍛煉此類大功率離子源的整體性能，國內(nèi)外NBI實(shí)驗(yàn)室都建立了專用的強(qiáng)流離子源綜合測試臺[1–3]。具有類似實(shí)驗(yàn)功能的EAST NBI綜合測試臺正在建設(shè)中，已研制了離子源等離子體發(fā)生器電源系統(tǒng)、等離子體電極高壓電源及梯度極分壓器、抑制極負(fù)高壓電源等電源系統(tǒng)，以及高壓傳輸線及緩沖器、大流量冷卻循環(huán)水系統(tǒng)、中央控制及數(shù)據(jù)儲存系統(tǒng)等附屬設(shè)備。鑒此，對該強(qiáng)流離子源樣機(jī)在真空測試臺上進(jìn)行整體電源系統(tǒng)的測試和離子源起弧放電的初步測試。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

該強(qiáng)流離子源樣機(jī)的設(shè)計(jì)，引入了美國通用原子公司(GA)核聚變裝置 DIII-D大功率離子源的初始設(shè)計(jì)。對該強(qiáng)流離子源樣機(jī)進(jìn)行離子源電源系統(tǒng)等離子體放電性能的初步測試回路如圖1所示。

其由等離子體放電室和引出系統(tǒng)組成。等離子體放電室由無氧銅材料制成，尺寸為 650 mm×260 mm×300 mm。放電室外圍安裝40組永久磁鐵，以產(chǎn)生會切磁場約束內(nèi)部等離子體，每組磁鐵的表面測量磁場強(qiáng)度達(dá)0.35 T，放電室內(nèi)距離內(nèi)壁60 mm處的磁場強(qiáng)度為0.002 T。等離子體放電室裝有24路U形鎢燈絲，直徑為1.5 mm，全部燈絲并聯(lián)接在同一正負(fù)極上。離子源引出系統(tǒng)為等離子體電極、梯度電極、抑制電極、接地電極的縫形引出結(jié)構(gòu)，各電極由不同孔徑的鉬管及不銹鋼支座制成，電極內(nèi)部通冷卻水，離子源引出面積為 120 mm×480 mm，透明度為 60%。各電極間絕緣件由樹脂材料制成。

該測試臺的真空系統(tǒng)由600 L/s分子泵和16 L/s機(jī)械泵機(jī)組成，運(yùn)行時本底真空度達(dá)10–4Pa量級。實(shí)驗(yàn)氣體為氫氣，氣體供應(yīng)壓力保持在0.4 MPa。對離子源結(jié)構(gòu)的真空漏率進(jìn)行檢測，離子源內(nèi)通壓力為0.2 MPa的去氧離子循環(huán)水，完成了內(nèi)部冷卻水回路1 MPa的靜水壓力測試。在等離子體放電室接近引出端口插入六路固定的靜電探針，探針由Φ1.5 mm鉬絲制作，探針內(nèi)部通冷卻循環(huán)水，在放電室矩形引出端口的長邊各兩支，短邊各一支，用以測量等離子體密度及分布。

對強(qiáng)流離子源樣機(jī)進(jìn)行離子源起弧放電測試，所用電源系統(tǒng)為自制的離子源電源系統(tǒng)。表1給出了各套電源的主要設(shè)計(jì)參數(shù)?；贓AST超導(dǎo)托克馬克穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的物理實(shí)驗(yàn)要求，NBI離子源各套電源運(yùn)行時間要求按照穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)，以滿足NBI裝置中性束注入實(shí)驗(yàn)長脈沖運(yùn)行的要求。

圖1 強(qiáng)流離子源樣機(jī)起弧放電電源系統(tǒng)及測試臺Fig.1 Schematic of the test bed of the prototype high current ion source with the arc discharge power supply connections.

表1 NBI綜合測試臺各套電源系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Ratings of the power supplies for the prototype ion source.

離子源等離子體發(fā)生器電源系統(tǒng)由燈絲電源(Filament PS)和弧電源(Arc PS)組成，它們運(yùn)行在等離子體電極電源的高壓電位上，所有電力都通過超過100 kV絕緣等級的隔離變壓器提供。燈絲電源主回路設(shè)計(jì)為三相相控電源，燈絲負(fù)載是由24根Φ1.5 mm鎢絲并聯(lián)形成，為減小冷燈絲受啟動電流的沖擊影響，采用延長電壓上升時間的方式，最大輸出20 V/5.5 kA，電壓穩(wěn)定度為3%，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行方式。弧電源對應(yīng)的是一個非線性負(fù)載，易受離子源的工作氣體壓強(qiáng)、會切磁場、陰極狀態(tài)以及弧電壓等因素的影響，使弧流不易控制，同時影響離子源弧室內(nèi)等離子體的穩(wěn)定和均勻分布。為此，弧電源的主回路設(shè)計(jì)采用三繞組變壓器，兩組副邊相差 30o，形成12脈波整流波形，以滿足最大輸出200 V/3 kA及電壓穩(wěn)定度 1%的要求。利用朗謬爾靜電探針的等離子體診斷原理，在離子源放電室設(shè)置6組靜電探針，測量等離子體密度信號反饋控制弧電源輸出，以獲得滿足強(qiáng)流離子源穩(wěn)態(tài)運(yùn)行所需的高密度、分布均勻、放電時間長的等離子體[4]。為匹配加速器引出電極高壓電源的運(yùn)行，設(shè)計(jì)了離子源弧電流輸出打坑電路，在引出電極電源高壓啟動上升時，相應(yīng)地調(diào)節(jié)弧電流的輸出值。在各套放電電源與離子源接線端之間，設(shè)計(jì)了由電阻器、二極管、非線性電阻構(gòu)成的浪涌保護(hù)組件，連接在各套電源端子與金屬隔離板中間，起到均勻分布弧壓且吸收浪涌電壓的作用。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

EAST強(qiáng)流離子源樣機(jī)的電源系統(tǒng)測試需進(jìn)行數(shù)項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。本文主要介紹離子源等離子體放電電源系統(tǒng)的初步測試結(jié)果，以及離子源各套電源的聯(lián)調(diào)結(jié)果。對離子源各套電源系統(tǒng)得進(jìn)行假負(fù)載滿負(fù)荷測試，以檢驗(yàn)各電源系統(tǒng)的輸出性能及保護(hù)功能。圖 2(a)是燈絲電源輸出特性波形，燈絲電壓采用了8 s的慢啟動時間，以減小啟動電流對鎢絲的沖擊，通道CH3為燈絲電源輸出電壓波形（虛線），輸出電壓18 V；通道CH2為燈絲電源輸出電流波形（實(shí)線），比例為1500 A/V，最大輸出參數(shù)達(dá)到18 V/5 500 A。由圖2(b)，通道CH3為弧電源輸出電壓波形（虛線），輸出電壓100 V，通道CH2為弧電源輸出電流波形(實(shí)線)，比例750 A/V，輸出電流最大1800 A，平頂段電流為1200 A，弧電源假負(fù)載測試能達(dá)到的最大輸出參數(shù)為180 V/3 100 A，弧電源輸出脈寬為30 s。圖3(a)是對離子源抑制極負(fù)電源的測試，通道CH1為電源輸出電壓-4kV(虛線)，通道CH4為輸出電流約16A(實(shí)線) ，比例為3A/1V。電源輸出參數(shù)為–4 kV/16 A，脈寬15 s，其中上升沿<20 μs，下降沿<5 μs，這與離子源等離子體電極高壓電源的上升及下降性能相一致。圖3(b)為弧電源打坑電路的弧電流輸出波形，通道CH1為編碼器輸出至IGBT的一路驅(qū)動信號(虛線)，約為11.2V；通道 CH 2為弧電源輸出電流波形(實(shí)線)，測量比例750A/1V，弧電流最大下降到約180A。設(shè)置下降時間為 80 μs，保持時間 100 μs，上升時間為 80 μs，通常要求在上升時間里匹配對應(yīng)著等離子體電極電源的高壓上升沿。由此可見，這三套離子源電源在假負(fù)載測試基本達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)。根據(jù)強(qiáng)流離子源樣機(jī)的一般調(diào)試經(jīng)驗(yàn)[5]，其初始階段測試運(yùn)行典型值對于燈絲電壓和弧電壓不會高于10 V和100 V。

圖2 燈絲電源(a)和弧電源(b)的輸出脈沖波形Fig.2 Output waveform for the filament PS(a) and the arc PS(b).

圖3 抑制極電源(a)和弧電源打坑電路(b)的輸出波形Fig.3 Output waveforms for the suppressor PS(a) and the notch circuit of the arc PS(b).

圖4為獲得的離子源等離子體放電波形。該放電參數(shù)結(jié)果得到了良好的重復(fù)。燈絲電壓經(jīng)過約4 s的上升期后維持在8.2 V，燈絲電流達(dá)到2 400 A，進(jìn)氣閥電壓設(shè)定為44 V，進(jìn)氣脈寬4.5 s，在此期間進(jìn)行了脈寬5 s的等離子體放電，弧電壓和弧電流分別達(dá)到52 V和680 A。由圖4，弧電壓和弧電流的輸出波形趨于穩(wěn)定，在此期間生成的等離子體也趨向穩(wěn)定。具備長脈沖等離子體放電運(yùn)行是此類兆瓦級強(qiáng)流離子源必須達(dá)到的重要性能之一[6]，離子源樣機(jī)需要進(jìn)一步開展等離子體放電更高參數(shù)的測試研究，首先通過對氣體進(jìn)氣閥電壓、燈絲電壓、弧電壓以及脈沖時序等參數(shù)的調(diào)節(jié)，以獲得離子源長脈沖等離子體放電的測試結(jié)果，對于今后大功率NBI束線的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行至關(guān)重要。

圖4 離子源長脈沖弧放電的波形曲線Fig.4 Output waveforms for an arc discharge.

對強(qiáng)流離子源樣機(jī)的電參數(shù)初步測試，還包括離子源各套電源系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)測試。這是基于離子源的電氣連接回路中，離子源等離子體發(fā)生器電源的輸出負(fù)端是連接在引出電極高壓電源的正極輸出端上，由此燈絲電源、弧電源以及進(jìn)氣閥電源都運(yùn)行在等離子體電極電源的高壓電位上。初步進(jìn)行的離子源電源系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，是在等離子體電極電源輸出50 kV高壓電位上，進(jìn)行離子源各套電源系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)測試。在圖5所示的離子源電源系統(tǒng)聯(lián)調(diào)實(shí)驗(yàn)中，等離子體電極電壓為50 kV，梯度極分壓器電壓為40 kV，抑制極電壓–2.5 kV，燈絲電壓6 V，燈絲電流2 100 A，弧電壓43 V。實(shí)驗(yàn)中等離子體電極高壓電源的維持脈寬為500 ms，初步達(dá)到了離子源全套電源系統(tǒng)在高壓電位上整體測試的目的，同時也檢驗(yàn)了測量與儀控系統(tǒng)滿足離子源運(yùn)行的能力。

3 結(jié)語

第一臺EAST兆瓦級強(qiáng)流離子源樣機(jī)在小型真空平臺上完成了初步的離子源起弧放電測試，獲得了脈寬2 s的900 A弧電流以及脈寬5 s的680 A弧電流[7]。離子源全套電源系統(tǒng)包括等離子體發(fā)生器電源系統(tǒng)及引出電極電源系統(tǒng)，對此進(jìn)行了整體聯(lián)調(diào)，初步達(dá)到了總控時序統(tǒng)一運(yùn)行的結(jié)果，雖然只是在等離子體電極電源 50 kV的高壓電位上完成的。結(jié)果表明，對于進(jìn)一步開展離子源綜合性能鍛煉及達(dá)到高參數(shù)等離子體放電水平是一個良好的開端。今后強(qiáng)流離子源樣機(jī)以及EAST NBI束線的研制及測試工作，將在NBI綜合測試臺上逐漸系統(tǒng)地開展和完成，目前NBI綜合測試臺裝置的研制進(jìn)展正按預(yù)定計(jì)劃循序的進(jìn)行中。

圖5 離子源電源系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)測試波形Fig.5 Waveforms for the ion source power supplies.

致謝本論文工作是在國家發(fā)改委“EAST輔助加熱系統(tǒng)工程項(xiàng)目”及中科院方向性項(xiàng)目“強(qiáng)流中性束穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)與物理問題研究”的支持下完成的。作者感謝中科院等離子體物理所 EAST NBI項(xiàng)目的全體同仁及研究生們給予的有益討論、支持和協(xié)助。

1 Goebel D M. Ion source discharge performance and stability [J]. Phys Fluids, 1982, 25: 1093–1102

2 Chang D H, Jeong S H, Oh B H,et al. Arc discharge efficiency of a multi-megawatt long pulse ion source for the KSTAR neutral beam injector [J]. Plasma Sources Sci Technol, 2005, 14: 336–341

3 Asano S, Tsumori K, Okuyama T,et al. Effects of filament positions on the arc discharge characteristics of a negative hydrogen ion source for neutral beam injector.Rev Sci Instrum, 1999, 70: 2338–2351

4 Xie Y H, Hu C D, Liu S,et al. Ion source plasma parameters measurement based on Langmuir probe with commercial frequency sweep [J]. Fusion Engineering and Design, 2010, 85: 64–68

5 Ikeda Y, Akino N, Ebisawa N,et al. Technical design of NBI system for JT-60SA [J]. Fusion Engineering and Design, 2007, 82: 791–797

6 Jana M R, Mattoo S K, Chakraborty A K,et al. Long pulse characteristics of 5 MW ion source for SST-1 neutral beam injector. Fusion Eng Des, 2008, 83: 729–735

7 Hu C D, Xie Y H, Liu S,et al. First plasma of megawatt high current ion source for neutral beam injector of the experimental advanced superconducting tokamak on the test bed [J]. Review of Scientific Instruments, 2011, 82:023303 1–4