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。……