基于ASIPP NBI 射頻負氫離子源氣體流量控制設計

張進新 景艷陽 魯祥友*

(安徽建筑大學環境與能源工程學院,安徽 合肥230601)

隨著中性束系統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。射頻驅動離子源具有壽命長、結構簡單、安裝維護方便、無電極污染、供電系統簡單、等離子體密度高、引出束流均勻易控制等優點,成為國內外聚變中性束注入系統用強流離子源研究的重要內容[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(全超導托卡馬克核聚變實驗裝置)NBI 現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態運行的要求。因此ASIPP(中國科學院等離子體物理研究所)NBI 團隊已經進行了射頻離子源的研制,并取得了一些成果[3]。ASIPP NBI 測試設施的射頻離子源結構如圖1 所示。

圖1 射頻離子源三維設計圖

1 放電氣壓的計算

ASIPP NBI 射頻測試裝置的射頻驅動離子源的功率源,采用的頻率為1MHz。根據相關計算,功率源在RF 線圈上產生的高頻電場傳遞給離子源驅動器內部的單位體積內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 為電子質量,ne為電子數量電子數密度,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。在實驗運行時應根據功率的不同調整放電氣壓,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,需要根據實際的射頻功率調整放電氣壓。

2 進氣量計算

在經典情況下,離子源放電需要的進氣量推導如下:將引出束中離子的總原子數與饋入弧室的氣體總原子數之比,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。ηi和μi(i= 1,2,3)分別是引出束中H+,H2+,H3+所占百分比和質量數。

在經典的放電情況下,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%,根據公式(2)可解得標況下的進氣量:

3 氣體流量控制

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

圖2 氣體流量控制系統示意圖

設定真空室的體積為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,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成,以滿足其內部的等離子體放電,其中包括環氧樹脂,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:

假設等離子體激發時的進氣量為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,通過設定控制界面值得大小調整輸出電壓大小,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 的關系,也即是設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管測量真空,規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測點。雖然不能真實反映出離子源內部放電氣壓的實時狀態,但可以作為參考、控制的依據。并且,規管選用的是全量程規管,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,不僅影響著等離子體發生器中源等離子體穩定均勻的產生,而且影響著加速器中自由電子的產額。本文分析計算了加速器中主要的粒子反應過程及自由電子產額,設計和完成了進氣量影響反向電子流的實驗。結果發現,實驗與理論預期一致,隨著進氣量的增加,不僅損失更多的束離子,而且產生更多的自由電子,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。通過調整進氣量和進氣時間,可以保證等離子體激發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,考慮到規管測量具有一定的誤差以及一定的遲滯,總體上結果比較滿意。