陳 宇　胡純棟　許永建　于 玲　栗 翔　張為堂（中國科學院等離子體物理研究所　合肥 230031）

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EAST中性束注入器水流熱量累積測量系統(tǒng)誤差分析

陳 宇胡純棟許永建于 玲栗 翔張為堂
（中國科學院等離子體物理研究所合肥 230031）

摘要水流量熱法是強流離子束束功率測量常用的方法，由于測量儀表安裝位置的問題，EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak)全超導托卡馬克中性束注入水流熱量累積測量系統(tǒng)中存在不可忽略的誤差。本文結合水流熱量累計測量系統(tǒng)的原理分析其誤差的來源，針對其中由于采集時間有限和真空室內外熱傳遞損失三部分誤差來源進行了詳細的分析和修正，將沉積功率百分比由73.72%提高到86.27%，修正結果顯著。最終將修正方法嵌入到現(xiàn)有的沉積功率計算系統(tǒng)中，實時地進行誤差修正，從而得到更精確的沉積在熱承載部件上的功率沉積，為功率沉積分布和中性化效率的精確測量提供依據(jù)。

關鍵詞中性束注入器，水流熱量累積測量系統(tǒng)，誤差修正

國家磁約束核聚變能發(fā)展研究專項(No.2013GB101001)和國家自然科學基金(No.11575240)資助

第一作者：陳宇，女，1991年出生，2013年畢業(yè)于華北電力大學，現(xiàn)為碩士研究生，核能科學與工程

Supported by the National Magnetic Confinement Fusion Science Program of China(No.2013GB101001)and National Natural Science Foundation of China(No.11575240)

First author:CHEN Yu,female,born in 1991,graduated from North China Electric Power University in 2013,master student,major in nuclear science and engineering

Error analysis of water flow calorimetry system of EAST neutral beam injector

CHEN YuHU ChundongXU YongjianYU LingLI XiangZHANG Weitang
(Institute of Plasma Physics,Chinese Academy of Sciences,Hefei 230031,China)

AbstractBackground:Water flow calorimetry is often used to measure the beam power of high intensity ion beam.There are some inevitable errors in water flow calorimetry system of Experimental Advanced Superconducting Tokamak(EAST)neutral beam injector,due to the position of the measuring instrument and acquisition time.Purpose:This study aims to correct these errors.Methods:This paper analyzes the factors inducing errors of the water flow calorimetry system,and then carries out quantitative calculation method for main error factors,and finally embeds the result into an existing data processing system.Results:Take the shot 58003 as an example,the deposition power is changed from 73.72%to 86.27%before and after correction.Conclusion:The accurate results lay a basis for the exact calculation of beam power deposition distribution and neutralization efficiency.

Key wordsNeutral beam injector,Water flow calorimetry,Error correction

中性束注入(Neutral Beam Injection,NBI)加熱是全超導托卡馬克實驗裝置最有效的加熱手段之一，一直是受控核聚變領域的一個研究熱點[1-4]。中性束注入器可以將高能帶電粒子轉化為中性粒子注入到等離子體中，用以加熱等離子體、驅動等離子體電流。為配合先進實驗超導托卡馬克(Experimental Advanced Superconducting Tokamak,EAST)的物理實驗研究，NBI研究室先后研制了兩條中性束注入加熱系統(tǒng)(4-8 MW，10-100 s)，并成功實現(xiàn)了對EAST等離子體加熱[5-11]。長脈沖強流高功率粒子束的一個重大特點是功率密度高，由于空間電荷效應、引出相位差和引出電極的幾何結構等原因，使得束流在傳輸過程中發(fā)散。發(fā)散的束流在傳輸?shù)倪^程必定會打在熱承載部件上，會給部件帶來一定的熱損傷，甚至破壞整個NBI系統(tǒng)，同時還會產(chǎn)生束功率的損耗，降低整個NBI系統(tǒng)的效率。為及時把束能量沉積所產(chǎn)生的熱量帶走并加以衡量，建立了水流熱量累積測量系統(tǒng)(Water Flow Calorimetry System,WFCS)(圖1)。

圖1　水流熱量累積測量系統(tǒng)組成示意圖Fig.1　Schematic diagram of WFCS.

水流熱量累積測量系統(tǒng)可以通過測量水冷系統(tǒng)帶走的熱量衡量束流在電極和束線各個熱承載部件上的沉積功率[12]，并進一步得到中性化效率，這對EAST-NBI的穩(wěn)定安全運行具有重要的意義。但是在目前的WFC系統(tǒng)中，得到的束功率沉積之和與電功率相比存在一定的偏差，這些偏差將會影響束功率沉積分布的計算和分析。本文介紹了誤差來源，并依據(jù)誤差來源提出了誤差修正方法，并結合實例對誤差修正方法進行了驗證，結果表明本文所述的誤差修正方法可以實時對測量結果進行誤差修正，有效提高了測量精度。

1　WFC系統(tǒng)的現(xiàn)狀

水流熱量累積測量系統(tǒng)是中性束注入系統(tǒng)中對沉積在各部件上的能量值進行測量的一種手段，通過利用流量計與溫差傳感器(Differential Temperature Transducer,DTT)分別測量流經(jīng)各待測部件的冷卻水流量及冷卻水進回水溫差，可以計算出NBI運行時在各個部件上的能量沉積，根據(jù)測量計算結果可以確定束功率沉積分布。其原理是通過測量中性束注入的冷卻系統(tǒng)在每次束引出時所帶出的熱量來計算系統(tǒng)的熱負荷，進而計算出沉積功率：

式中：Cp為水的比熱；m'為流經(jīng)待測部件的冷卻水的質量流量；ΔT(t)為流經(jīng)待測部件的冷卻水進回水溫差；tp為脈寬。

由于EAST放電時兩炮的時間間隔約為300 s，所以在NBI進行等離子體加熱時，水流熱量累積測量系統(tǒng)的采集時間務必小于300 s。以NBI炮號58003為例，采集時間設為300 s，通過實驗采集到的溫升變化曲線如圖2所示。圖2(a)為離子源內各熱承載部件的冷卻水進回水溫差隨時間的變化圖，其中ARC為弧室，ESP為反向電子吸收板，PG為等離子體電極，GG為梯度電極，SG為抑制電極，EG為地電極。圖2(b)為束線各熱承載部件的冷卻水進回水溫差隨時間的變化圖，其中SRC為離子源準直器，BAFF為氣體擋板準直器，IDUMP為離子吞食器，IONRE為離子返回準直器，MAGNE為偏轉磁鐵準直器，POSH為氣體擋板，NEUT為中性化室，CALR為功率測量靶。

在理想情況下，由WFC系統(tǒng)測量得到的功率沉積總和應與束功率相等。但在實際中，這兩者并不相等。表1為58003炮的功率沉積分布百分比。表1表明，通過WFC系統(tǒng)測量得到的總沉積功率大約占束引出功率的73.72%，剩余26.28%的束功率未被采集到。

圖2　冷卻水進回水溫差隨時間變化圖　(a)離子源，(b)束線Fig.2　Temperature difference of cooling water between inlet and outlet versus time.(a)Ion source,(b)Beam line

表1　NBI各熱承載部件的沉積功率百分比Table 1　Percentage of deposition power on heat loading components of NBI.

圖2(b)顯示采集結束時束線多路熱承載部件的冷卻水溫度并未回到零點，這就導致了冷卻水帶走的熱量并沒有完全被WFCS所測量，這會導致WFCS計算得到的沉積功率偏小。另外，在目前WFC系統(tǒng)中，由于電位隔離，溫差傳感器與真空室冷卻水出口處用大約為10 m的管道連接，這將導致一部分的熱量損失而未被WFCS采集。另外由于束流在熱承載部件上的熱量沉積，部件的局部溫度變高，從而在部件的不同位置產(chǎn)生熱傳遞，因此也存在一定的熱量損失未被WFCS采集。

綜合分析可知，水流熱量累積測量系統(tǒng)的測量誤差主要構成：1)有限的采集時間造成的熱損失；2)真空室外10 m管道造成的熱損失；3)真空室內的熱傳遞造成的熱損失。

2　誤差分析與修正

通過以上分析可知，誤差主要來源于有限的采集時間、真空室外10 m管道熱損失、真空室內的熱傳遞熱損失這三方面，下面就這三方面分別進行分析，并舉例給出解決方法。

2.1理論分析與計算

2.1.1有限采集時間

跟隨EAST實驗時，EAST實驗要求炮與炮的間隔約為300 s，為準備下一炮的采集，WFC的實驗采集時間需小于上述間隔。從圖2(a)可以看出，離子源溫差傳感器采集的溫差在300 s時已基本降到零點，然而束線上的溫差(圖2(b))有多路未降到零點，因此部分能量未被采集到。對未采集到的部分分別用指數(shù)衰減和線性擬合方法。以58003炮功率測量靶(CALR)為例進行原采集曲線與E指數(shù)擬合、線性擬合的對比(圖3)，圖3中實曲線為原始采集溫差曲線，虛線為以200-300 s間100個數(shù)據(jù)為樣本進行E指數(shù)擬合300-600 s的溫差曲線，點線為以200-300 s間100個數(shù)據(jù)為樣本進行線性擬合300-600 s的溫差曲線。

圖3　溫差曲線的擬合圖Fig.3　Fitting curve of temperature difference.

WFCS在300 s的采集時間內測得的被冷卻水帶走的熱量Q1可以表示為：

式中：tf=300 s為采集終止時間。

未采集的部分的熱量Q2可以表示為：

對比采集時間為600 s溫差曲線可以發(fā)現(xiàn)，指數(shù)衰減擬合曲線與WFCS測量曲線吻合度最高，從積分的結果上也可以明顯的看出：采集600 s冷卻水帶走的熱量為1470 kJ；利用指數(shù)衰減擬合計算得到冷卻水帶走的熱量為1510 kJ，誤差為2.76%；而線性擬合方法得到的冷卻水帶走的熱量為1345kJ，誤差為8.43%。對其余部件進行E指數(shù)擬合也得到吻合度很高的擬合曲線。因此，對于由于采集時間有限而造成的誤差可以用指數(shù)衰減擬合方法對未采集到的部分Q2進行修正：

2.1.2管道造成的熱損失

為電位隔離，冷卻水從真空管道出口到溫差傳感器由10 m的管道連接(圖4(a))，冷卻水在這段管道傳輸中會散失部分熱量，而這部分熱量未被WFC系統(tǒng)采集到。為得到精確的管道換熱損失，在功率測量靶真空管道出口處加裝了溫差傳感器DTT2采集一定的數(shù)據(jù)(圖4(b))，根據(jù)DTT2與DTT1，通過式(5)可以得到精確的管道損失。

通過分析以上數(shù)據(jù)得到，熱承載部件外管道的熱損失與對應原始WFCS所采集到的熱量成線性關系如圖5所示。由于各熱承載部件外的管道屬同種材料，且管道長度相同，這樣便可得到各個熱承載部件在考慮管道損失時的沉積熱量。

圖4　WFC系統(tǒng)簡圖　(a)原始系統(tǒng)，(b)修改后系統(tǒng)Fig.4　Scheme of water flow calorimetry system.(a)The original WFC system,(b)The modified WFC system

2.1.3真空室內的熱傳遞

由于真空室內真空度比較高，熱對流無法進行，主要有熱輻射與熱傳導兩種形式。

真空室內，熱流轟擊到熱承載部件上，導致各熱承載部件的溫度上升，便會通過熱輻射散失一定的熱量，根據(jù)熱輻射的相關原理可以得到：

式中：ε為熱承載部件的表面換熱系數(shù)；σ= 5.67×10-8W·m-2·K-4為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)；As,i、As,o分別為熱承載部件的內外表面的面積。

由于熱承載部件的溫度是隨時間變化的，所以通過熱輻射散失的熱量可以表示為：式中：τp和τf是束的脈沖長度和采集時間；Ts是周圍環(huán)境的溫度。

對于58003炮，由于熱輻射損失的熱量為300 W。相比束功率，熱輻射損失只占0.02%，所以熱輻射帶來的損失可以忽略。

真空室內，熱流轟擊到熱承載部件上，各熱承載部件溫度升高，熱承載部件內部會進行熱傳導，轟擊在熱承載部件上的熱量基本被冷卻水帶走，有少量的通過連接到真空室外的部件散熱到外部的空氣中，這部分的熱量也很小，可以忽略。

2.2誤差修正程序編寫

根據(jù)以上對各部分誤差的分析，為了在實驗中實時得到更加準確的沉積熱量，將以上數(shù)據(jù)處理方法嵌入到現(xiàn)有WFC系統(tǒng)中。水流熱量累積測量系統(tǒng)修正程序是利用LabVIEW程序編寫而成，具體程序流程如圖6所示。

圖6　WFCS誤差修正程序流程圖Fig.6　Program flow chart of WFCS error correction.

3　結果與討論

根據(jù)以上對三部分誤差的分析，以58003炮為例，對比修正前后的測量結果(圖7)。圖7表明：1)修正后的沉積功率均有一定程度的增加，修正后的總沉積功率占束功率的86.27%；2)各部件沉積功率變化程度不同，沉積功率大的部件其修正前后的誤差越大，如部件CALR、IDUMP、IONRE、MAGNE、NEUT沉積功率修正前后變化明顯，沉積功率分布發(fā)生了顯著的變化。修正后測量的總沉積功率與束功率存在一定偏差的原因可能是：1)束流的能量并沒有完全轉化為熱量；2)流量計的精度不夠高，目前所采用的流量計精度為1%；3)壓力波動導致了流量變化，而在計算時所使用的流量值為平均值；4)擬合曲線與真實曲線沒有完全吻合，也會帶來一定的偏差；5)真空室內連接到真空室外的部件會散失一部分熱量。

圖7　WFC系統(tǒng)沉積功率修正前后對比圖(a)離子源，(b)束線Fig.7　Comparison of the deposition power of WFCS before and after correction.(a)Ion source,(b)Beam line

4　結語

本文根據(jù)NBI水流熱量累積測量系統(tǒng)的現(xiàn)狀，詳細分析了WFC系統(tǒng)的誤差來源，并給出了誤差的修正方法，最終將修正方法嵌入到目前的WFC采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，實時得到更加精確的功率沉積分布。結果表明修正前后的沉積功率分布有著明顯的變化，這為束功率分布和中性化效率的計算提供更加精確的依據(jù)，為NBI離子源運行參數(shù)的調節(jié)和安全運行奠定了基礎。

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收稿日期：2015-09-09，修回日期：2015-10-23

Corresponding author:XU Yongjian,E-mail:yjxu@ipp.ac.cn

通信作者：許永建，E-mail:yjxu@ipp.ac.cn

DOI:10.11889/j.0253-3219.2016.hjs.39.030602

中圖分類號TL65+4，O551.1