張進新 景艷陽 魯祥友*

(安徽建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院,安徽 合肥230601)

隨著中性束系統(tǒng)對強流離子源要求的提高,在最近幾十年的離子源研制過程中研制了多種類型的強流離子源。射頻驅(qū)動離子源具有壽命長、結(jié)構(gòu)簡單、安裝維護方便、無電極污染、供電系統(tǒng)簡單、等離子體密度高、引出束流均勻易控制等優(yōu)點,成為國內(nèi)外聚變中性束注入系統(tǒng)用強流離子源研究的重要內(nèi)容[1]。ITER 中性束在2007 年選用了基于射頻激勵放電的負離子源[2]。EAST(全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置)NBI 現(xiàn)有采用的熱陰極離子源由于陰極燈絲壽命短、有污染等缺點,不能滿足未來聚變裝置長脈沖穩(wěn)態(tài)運行的要求。因此ASIPP(中國科學(xué)院等離子體物理研究所)NBI 團隊已經(jīng)進行了射頻離子源的研制,并取得了一些成果[3]。ASIPP NBI 測試設(shè)施的射頻離子源結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 射頻離子源三維設(shè)計圖

1 放電氣壓的計算

ASIPP NBI 射頻測試裝置的射頻驅(qū)動離子源的功率源,采用的頻率為1MHz。根據(jù)相關(guān)計算,功率源在RF 線圈上產(chǎn)生的高頻電場傳遞給離子源驅(qū)動器內(nèi)部的單位體積內(nèi)的電子的平均功率為[4]:

其中,V 為電子與原子碰撞頻率,ω=2πf,為高頻電場的頻率,m 為電子質(zhì)量,ne為電子數(shù)量電子數(shù)密度,E0是高頻電場的振幅。當V=ω 時,電子從電場吸收功率最大。

按照射頻驅(qū)動離子源放電計算,在不同的功率下,所需要的放電氣壓不同,ASIPP NBI 的放電氣壓為0.5～1Pa。在實驗運行時應(yīng)根據(jù)功率的不同調(diào)整放電氣壓,以獲得更好的運行效率,降低射頻電源輸出功率損耗,避免等離子體阻抗匹配較差,進而導(dǎo)致反射功率增大,甚至可能造成射頻電源損壞。因此,需要根據(jù)實際的射頻功率調(diào)整放電氣壓。

2 進氣量計算

在經(jīng)典情況下,離子源放電需要的進氣量推導(dǎo)如下:將引出束中離子的總原子數(shù)與饋入弧室的氣體總原子數(shù)之比,稱為氣體效率,可表示為:

式(2)中,Ib 為引出束流,Q 為進氣量,e 為元電荷,2.66×1017為標準溫度下每pa·L 氣體中的分子數(shù)。ηi和μi(i= 1,2,3)分別是引出束中H+,H2+,H3+所占百分比和質(zhì)量數(shù)。

在經(jīng)典的放電情況下,氣體效率一般為50%[5],各H+,H2+,H3+三種離子成分之比為80%:14%:6%,根據(jù)公式(2)可解得標況下的進氣量:

3 氣體流量控制

為了實現(xiàn)對氣體流量的精確控制,采用了氫氣發(fā)生器、氣體存儲瓶、減壓閥、電磁閥、Sensirion 公司的SFC5400 型質(zhì)量流量計(MFC)以及Swagelok 針閥的氣路結(jié)構(gòu),控制系統(tǒng)控制電磁閥的開閉、質(zhì)量流量計的大小,進氣控制系統(tǒng)的示意圖如圖2所示。

圖2 氣體流量控制系統(tǒng)示意圖

設(shè)定真空室的體積為V,分子泵以及其前級泵組的有效抽速為S,那么在dt 時間內(nèi),真空泵組抽出的氣體量為PSdt,壓強變化為dp,那么則有

考慮到離子源腔體真空室由多種材料構(gòu)成,以滿足其內(nèi)部的等離子體放電,其中包括環(huán)氧樹脂,該材料放氣率、漏氣率相對較高,另外,在進行等離子體放電過程中,需要向真空室內(nèi)部注入H2或者D2。在忽略真空室的表面脫附、滲透等因素,只考慮漏氣和進氣的條件下,上式可以改為:

假設(shè)等離子體激發(fā)時的進氣量為Qw1,束引出時的進氣量為Qw2,那么進氣過程中,壓強隨時間的變化為:

4 實驗驗證

實驗過程中,通過設(shè)定控制界面值得大小調(diào)整輸出電壓大小,輸出電壓控制進氣量。因此,控制界面值范圍和進氣量之間通過換算,是1:1 的關(guān)系,也即是設(shè)置的值即為進氣量大小。

另外,考慮到離子源上不方便安裝規(guī)管測量真空,規(guī)管放置在束線真空室的外接法蘭上,該處測量得到的真空值與離子源內(nèi)部真空值在放電期間肯定會有差別。為了簡化模擬計算過程以便于快速實現(xiàn)對放電氣壓的實施控制。我們以RF 離子源底部連接束線真空室處位置作為真空監(jiān)測點。雖然不能真實反映出離子源內(nèi)部放電氣壓的實時狀態(tài),但可以作為參考、控制的依據(jù)。并且,規(guī)管選用的是全量程規(guī)管,測量誤差為10%,因此僅供定性分析計算,具體模擬的壓力變化圖如圖3 所示。

圖3 在不同進氣量下的壓力變化圖

進氣量作為重要的電氣參數(shù),不僅影響著等離子體發(fā)生器中源等離子體穩(wěn)定均勻的產(chǎn)生,而且影響著加速器中自由電子的產(chǎn)額。本文分析計算了加速器中主要的粒子反應(yīng)過程及自由電子產(chǎn)額,設(shè)計和完成了進氣量影響反向電子流的實驗。結(jié)果發(fā)現(xiàn),實驗與理論預(yù)期一致,隨著進氣量的增加,不僅損失更多的束離子,而且產(chǎn)生更多的自由電子,同時也增加了電極間的擊穿風險。因此,離子源運行過程中需要控制和減少進氣量。這對抑制束離子的極間再電離損失和反向電子的產(chǎn)額有重要作用,繼而也對離子源長脈沖高功率下安全問題運行中降低熱負荷和打火擊穿概率有重要意義。

5 結(jié)論

通過模擬和實際驗證,高進氣量大小和進氣時間決定等離子體激發(fā)時的氣壓,低進氣量大小決定束引出的電流,等離子體密度等。通過調(diào)整進氣量和進氣時間,可以保證等離子體激發(fā)時所需要的氣壓以及束引出時所需要的氣壓。模擬與實際幾乎相同,考慮到規(guī)管測量具有一定的誤差以及一定的遲滯,總體上結(jié)果比較滿意。