基于ASIPP NBI 射频负氢离子源气体流量控制设计

张进新 景艳阳 鲁祥友*

(安徽建筑大学环境与能源工程学院,安徽 合肥230601)

随着中性束系统对强流离子源要求的提高,在最近几十年的离子源研制过程中研制了多种类型的强流离子源。射频驱动离子源具有寿命长、结构简单、安装维护方便、无电极污染、供电系统简单、等离子体密度高、引出束流均匀易控制等优点,成为国内外聚变中性束注入系统用强流离子源研究的重要内容[1]。ITER 中性束在2007 年选用了基于射频激励放电的负离子源[2]。EAST(全超导托卡马克核聚变实验装置)NBI 现有采用的热阴极离子源由于阴极灯丝寿命短、有污染等缺点,不能满足未来聚变装置长脉冲稳态运行的要求。因此ASIPP(中国科学院等离子体物理研究所)NBI 团队已经进行了射频离子源的研制,并取得了一些成果[3]。ASIPP NBI 测试设施的射频离子源结构如图1 所示。

图1 射频离子源三维设计图

1 放电气压的计算

ASIPP NBI 射频测试装置的射频驱动离子源的功率源,采用的频率为1MHz。根据相关计算,功率源在RF 线圈上产生的高频电场传递给离子源驱动器内部的单位体积内的电子的平均功率为[4]:

其中,V 为电子与原子碰撞频率,ω=2πf,为高频电场的频率,m 为电子质量,ne为电子数量电子数密度,E0是高频电场的振幅。当V=ω 时,电子从电场吸收功率最大。

按照射频驱动离子源放电计算,在不同的功率下,所需要的放电气压不同,ASIPP NBI 的放电气压为0.5～1Pa。在实验运行时应根据功率的不同调整放电气压,以获得更好的运行效率,降低射频电源输出功率损耗,避免等离子体阻抗匹配较差,进而导致反射功率增大,甚至可能造成射频电源损坏。因此,需要根据实际的射频功率调整放电气压。

2 进气量计算

在经典情况下,离子源放电需要的进气量推导如下:将引出束中离子的总原子数与馈入弧室的气体总原子数之比,称为气体效率,可表示为:

式(2)中,Ib 为引出束流,Q 为进气量,e 为元电荷,2.66×1017为标准温度下每pa·L 气体中的分子数。ηi和μi(i= 1,2,3)分别是引出束中H+,H2+,H3+所占百分比和质量数。

在经典的放电情况下,气体效率一般为50%[5],各H+,H2+,H3+三种离子成分之比为80%:14%:6%,根据公式(2)可解得标况下的进气量:

3 气体流量控制

为了实现对气体流量的精确控制,采用了氢气发生器、气体存储瓶、减压阀、电磁阀、Sensirion 公司的SFC5400 型质量流量计(MFC)以及Swagelok 针阀的气路结构,控制系统控制电磁阀的开闭、质量流量计的大小,进气控制系统的示意图如图2所示。

图2 气体流量控制系统示意图

设定真空室的体积为V,分子泵以及其前级泵组的有效抽速为S,那么在dt 时间内,真空泵组抽出的气体量为PSdt,压强变化为dp,那么则有

考虑到离子源腔体真空室由多种材料构成,以满足其内部的等离子体放电,其中包括环氧树脂,该材料放气率、漏气率相对较高,另外,在进行等离子体放电过程中,需要向真空室内部注入H2或者D2。在忽略真空室的表面脱附、渗透等因素,只考虑漏气和进气的条件下,上式可以改为:

假设等离子体激发时的进气量为Qw1,束引出时的进气量为Qw2,那么进气过程中,压强随时间的变化为:

4 实验验证

实验过程中,通过设定控制界面值得大小调整输出电压大小,输出电压控制进气量。因此,控制界面值范围和进气量之间通过换算,是1:1 的关系,也即是设置的值即为进气量大小。

另外,考虑到离子源上不方便安装规管测量真空,规管放置在束线真空室的外接法兰上,该处测量得到的真空值与离子源内部真空值在放电期间肯定会有差别。为了简化模拟计算过程以便于快速实现对放电气压的实施控制。我们以RF 离子源底部连接束线真空室处位置作为真空监测点。虽然不能真实反映出离子源内部放电气压的实时状态,但可以作为参考、控制的依据。并且,规管选用的是全量程规管,测量误差为10%,因此仅供定性分析计算,具体模拟的压力变化图如图3 所示。

图3 在不同进气量下的压力变化图

进气量作为重要的电气参数,不仅影响着等离子体发生器中源等离子体稳定均匀的产生,而且影响着加速器中自由电子的产额。本文分析计算了加速器中主要的粒子反应过程及自由电子产额,设计和完成了进气量影响反向电子流的实验。结果发现,实验与理论预期一致,随着进气量的增加,不仅损失更多的束离子,而且产生更多的自由电子,同时也增加了电极间的击穿风险。因此,离子源运行过程中需要控制和减少进气量。这对抑制束离子的极间再电离损失和反向电子的产额有重要作用,继而也对离子源长脉冲高功率下安全问题运行中降低热负荷和打火击穿概率有重要意义。

5 结论

通过模拟和实际验证,高进气量大小和进气时间决定等离子体激发时的气压,低进气量大小决定束引出的电流,等离子体密度等。通过调整进气量和进气时间,可以保证等离子体激发时所需要的气压以及束引出时所需要的气压。模拟与实际几乎相同,考虑到规管测量具有一定的误差以及一定的迟滞,总体上结果比较满意。