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中性束注入(Neutral Beam Injection)是核聚变装置中重要的加热手段之一,强流离子源是中性束注入器最关键的部件,因此,强流离子源的稳态运行成为中性束注入器研发的核心研究课题。本沦文的任务是对强流离子源的工作特性进行研究,研究强流离子源稳定运行的物理机理,寻求强流离子源稳态运行的方法,以解决强流离子源稳态运行存在的难题。
根据气体放电的物理原理,研究了离子源的基本工作原理,掌握了离子源的工作特性,为强流离子源的稳态运行研究提供基本的理论依据和实验经验积累。分析了经典的诊断工具-朗缪尔探针的诊断原理和方法,对工作于强流离子源的探针热量沉积这一关键问题进行了分析计算,并给出解决方案。基于朗缪尔探针进行离子源等离子体参数的测量,研究了离子源等离子体的特性。
根据离子源的工作原理和固有特性,建立了强流离子源工作的物理模型,分析了影响强流离子源稳定工作的因素。通过与离子源放电的参数调节方法相结合,获得强流离子源稳定放电的工作参数,解决其稳定运行时对外在条件的要求。在此基础上分析强流离子源稳态运行存在的问题。强流离子源在运行过程中,阴极灯丝因弧电源和灯丝电源的共阴极电气连接方式以及反向电子流的影响,出现自加热的现象,增加热电了的发射,导致等离子体密度和弧流的上升,最终等离子体因密度过高而放电终止。根据离了源在弧放电和束引出时这一放电特性,研究了影响稳态运行的因素,并从理论上分析了解决该问题的方法。
在充分调研国际上对强流离子源稳态运行实验方法的基础上,结合对离子源稳态运行的分析,提出利用朗缪尔探针测量的离子饱和流进行密度反馈调节弧功率的理论和方法,并进行了密度反馈调节弧功率的网络概念设计。
在强流离子源的实验平台上,进行弧功率反馈调节的实验研究,对弧功率反馈调节的方法进行测试和优化,获得了4500ms的等离子体放电,验证了利用朗缪尔探针的饱和离子流反馈调节弧功率方法的可行性和可靠性,并为EAST-NBI强流离子源的稳态运行研究积累了经验。