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中性束注入系统束流分析与测量 摘要 核聚变研究在解决当今能源短缺问题上具有十分重大的意义，中性束注入 加热是核聚变中重要的辅助加热方式之一。 本文在介绍了中性柬注入系统原理和结构基础上，对束线上束流损失进行 了分析，设计了束流吸收靶测量损失的束功率，同时重点设计了功率测量靶以 测量束功率和功率密度分布。 获得大功率、均匀、稳定的高能粒子束是进行束流损失分析的基础，本文 分析了影响灯丝发射特性因素，对灯丝各参数进行了设计计算，实验证明了分 析的正确性。将离子源引出的高能粒子进行中性化，再偏转掉束流中【e 勺带电粒 子，将超过束腰半径、密度较小的束流削除，在此过程中有一部分束流损失， 它直接影响加热功率的因素，因此，对束流损失进行了分析，列损失束流的吸 收提出了吸收方案。为了测量束功率和功率密度分布，设计了功率测量靶。文 章分析了各种束流测量方法的特点，对功率测量靶各部分进行了设计，对热量 迁移进行了分析，对影响测量误差的因素进行了分析。 关键词：中性束注入，束流损失，束功率密度，功率测量靶 t h e a n a l y s i sa n dm e a s u r e m e n t o fb e a ms t r e a m f o rn e u t r a lb e a m i n j e c t i o ns y s t e m a b s t r a c t i ti s v e r ys i g n i f i c a n t f o rt h er e s e a r c ho fn u c l e u sf u s i o ni n r e s o l v i n ge n e r g y s o u r c e s s h i n t a g e ，a n dn e u t r a lb e a mi n je c t i o n ( n b i ) h e a t i n gi s o n eo ft h e i m p o r t a n ta s s i s t a n th e a t i n g m e t h o d s nn u c l e u sf u s i o n t h eb e a ml o s so nt h eb e a n l i n ei s a n a l y z e d a f t e rt h e i n t r o d u c i n g o fp r i n c i p l ea n d s t r u c t u r eo fn b is y s t e mt h eb e a ma b s o r p t i o nt a r g e t sa r e d e s i g n e df o rm e a s u r i n gt h el o s t b e a mp o w e r ，a n da sa ne m p h a s e s ，t h ec a l o r i m e t e ri sd e s i g n e di nd e t a i lt om e a s u r et h eb e a m p o w e ra n dt h ed i s t r i b u t i o no fb e a mp o w e rd e n s i t y t oa t t a i nt h eh i g h p o w e gw e l l - p r o p o r t i o n e d a n ds t e a d yh i g h e n e r g yp a r t i c l eb e a mi st h eb a s eo fa n a l y z i n gb e a ml o s s t h ef a c t o r st h a t i n f l u e n c et h ee m i s s i o , n p e r f o r m a n c eo ft h e f i l a m e n ta r e a n a l y z e d ，a n dt h ep a r a m e t e r s a r e c a l c u l a t e d t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sp r o v e dt h ec o r r e c t n e s so f a n a l y s e s t h e r ei s ap a r to fb e a m l o s s d u r i n gt h e c o u r s ea st h en e u t r a l i z a t i o no fh i g h e n e r g y p a r t i c l e sd r a g g e df r o mt h e i o n s o u r c e ，t h e d e f l e x i o no f c h a r g e dp a r t i c l e o nt h eb e a ms t r e a ma n dt h e s c r a p e d b e a mo f e x c e e d i n gb e a mw a i s t a n dl o wd e n s i t y i ti s n e c e s s a r yt oa n a l y z et h e b e a ml o s sa n db r i n g f o r w a r dar a t i o n a lp r o i e c tf o ra b s o r b i n gb e a ms t r e a m t om e a s u r et h eb e a mp o w e l a n dt h ed i s t r i b u t i o no fb e a mp o w e r d e n s i t y ，a sa ne m p h a s i s ，a c a l o r i m e t e ri s d e s i g n e d t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h em e a s u r e m e n tm e t h o d sa r ei n t r o d u c e da n d a l l p a r t s o ft h ec a l o r i m e t e ra r ed e s i g n e d t h eq u a n t i t yo fh e a tt r a n s f e ra n dt h ef a c t o r st h a t e f f e c tm e a s u r i n ge r r o ra r e a n a l y z e d k e y w o r d s ：n e u t r a lb e a mi n j e c t i o n ，b e a ml o s s e s ，b e a mp o w e rd e n s i t y ，c a l o r i m e t e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包龠为获得佥墼王些厶堂或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。1 j 我一同1 _ 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学僦文储虢璇食耙签字魄舛年；叫日 学位论文版权使用授权书 本学伉论文作者完全了解金魍王些盍堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留，f 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。允许论文被查阅和借阅。本人授 权佥世3 ：些厶堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 硬镟 签字目期：f 年月矽f 日 学位论文 二| _ ：作单位 通讯地址 铈虢爹啪 签字目协q 年弓月1 日 铀影 电话：叫。彩钴p ；彦 邮编：牡 致谢 本文是在导师龚建华教授和中科院等离子体物理研究所胡立群研究员的悉 心指导下完成的。沦文的撰写倾注了两位老师极大的心血。龚老师学识渊博， 治学严谨，洞察力敏锐，思维方法卓越，分析问题入木三分。龚老师对我的设 计作了深入的分析，提出了许多中肯的意见和建议，使我在迷茫中豁然开朗。 同时，龚老师正直无私，待人诚恳，对我的关心和教育我将永远铭记于心! 胡老师学识渊博，思路广博，实事求是，胡老师的学识与治学态度使我在 做谋题的过程中受益匪浅。胡老师为我的课题设计花费了大量的时间和精力 对我的生活关怀备至，这都使我深深感激，毕生难忘! 在做课题期阎，得到了等离子体所胡纯栋研究员、刘智民副研究员、欧阳 峥嵘副研究员以及蒋家广老师、姚爱玲老师、韩玉琴老师、吴明君老师、刘胜 老师等的大力帮助。得到了本课题组陈联、谢远来、王娟、王莉、葛锐、聂金 良、杨道业和李军、韩筱璞等硕士研究生和职工的无私帮助。同时，我也一直 得到本专业严晖、陈贤祥、朱仁胜、吴卓林、叶建忠等同届硕士研究生和其他 各位研究生的帮助和支持，在此一并表示深深的感谢! 另外，在这几年里，我也一直得到王先路教授、胡焕林教授、朱武副教授、 陈长崎副教授、周永安老师、王旭迪老师、方应翠老师、和干蜀毅老师以及实 验室的王云芳老师、程义然老师、樊文胜等老师的支持和帮助，在此致以衷心 的感谢! 同时我也要感谢直在默默支持我的父母，是他们多年来为我付出的辛劳 给了我学习的机会。 最后，再次向诸位老师表示深深的谢意! 向多年来在我的成长和学习生涯 中给予我关心和帮助的所有老师、同学以及亲戚朋友表示诚挚的谢意! 感谢我 的父母所给予的极大支持! 我将永远记住你们! 作者：贺会权 2 0 0 4 年3 月 第一章绪论 1 1 核聚变及发展情况 随着科学技术的发展，人类对能源的利用f ；| 益增加，世界面临着能源枯竭。 为了寻找新的能源，科学家不断地探索新的途径。1 9 1 9 年，科学家阿斯顿( f w a s t o n ) 1 1 1 发现核聚变反应可以释放出能量。几乎在同一时期，卢瑟福也证明了 轻的冗素以足够的能量相互碰撞有可能产生核反应。在这些思想的启发下，天 体物理学家便提出设想，太阳这样的恒星其能量来源就是某种原子核的聚变反 应，并迸一步预言这种核反应可以用来造福于人类。英国天体物理学家爱丁顿 f e d d i n g t o n ) 于19 2 0 年的一次报告中作了大胆预言1 2 1 ，他说：“人类将会设法把 核能释放出来为人类造福。”1 9 2 9 年，阿特金森( a t k i n g s o n ) 和奥特迈斯 ( h o u t e r m a n s ) r 3 】从理论上计算了氢原子在几千万度高温下聚变成氦的可能性，并 认为太阳 二进行的可能就是这种核聚变反应。1 9 3 4 年，奥立芬特( o l i p h a n t ) 发现 了第一个d d 核聚变反应 4 1 。1 9 4 2 年，施莱伯( s c h r e i b e r ) 和金( k i n g ) 在美国普 渡大学第一次实现了d t 核聚变反应1 5 j 。 核聚变研究经历了相当艰苦曲折的历程，大体可以划分为四个阶段i 6j 。第 一阶段，从丌始到5 0 年代初，发明了各种类型的聚变装置，例如仿星器，箍缩 装置( 直线的和环形的以及磁镜装置等) 。第二阶段，主要是5 0 年代中期，由于 对困难估计不足，认为在短期内便有可能建成核聚变反应堆，并认识到具有潜 在的军事用途，因此各国都在极其保密的情况下激烈竞争。第三阶段，从1 9 5 8 年到1 9 6 8 年，认识到要实现受控核聚变困难很大，必须开展国际间的交流和合 作，困此开始解密，并将重点转移到对高温等离子体基本性质的研究。第四阶 段；从1 9 6 9 年起到现在，在世界范围内继续进行多途径探索的同时出现了托卡 马克的研究热潮，并不断取得了十分令人鼓舞的进展。 1 2 中性束注入的必要性及发展情况 核聚变研究的重要任务之一就是设法把等离子体加热到1 0 k e v 以上，这足 实现聚变点火必不可少的基本条件之一。主要的加热手段包括欧姆加热，高能 中性束注入加热，大功率射频波加热，绝热压缩加热以及粒子加热等【7j 。中 性束注入加热由于具有加热原理相对较为简单、技术理论成熟、注入功率高等 优点而日趋成为主要的加热手段【8 】。通过辅助加热，等离子体温度不断升高。 当温度足够高时便会发生聚变反应，产生相当多的c l 粒子。这些粒子被磁场约 束在等离子体中，从而达到加热等离子体、补偿能量损失的目的。一旦两者达 到平衡，这时便不再需要从外部进行辅助加热了，也就实现了聚变点火1 7 1 。 要将高能离予直接注入到本底等离子体中去是不可能的，因为托卡马克中 有很强的磁场，高能离子一进入磁场就会因围绕磁力线转动而停留在很浅的表 面区域。由于磁场的不均匀性，这些离子与磁面问有一定的偏离，其中大部分 离子会很快碰壁而损失，反而引起很多杂质，所以必须以中性化束流的形式实 现注入。因此，必须将事先加速到很高能量的离子束变成高能中性粒子束，然 后再注入到等离子体中。高能中性粒子束进入到等离子体之后，通过跟背景等 离子体碰撞变成高能离子而被捕获，再经过库仑碰撞而热化，同时将能量传递 给电子和离予，从而达到给等离子体整体加热的目的 。只要电子和离子的平 均约束时间大于高能离子的慢化时间，加热就是有效的。 中性束注入系统在国外7 0 年代开始研制，美国7 0 年代就在p l t ，p d x ， d i i i d 上进行了m w 级的n b i 加热试验；同本也在j t - 6 0 上进行了n b i 加热试 验；欧共体则在j e t 等t o k a m a k 装置上进行了试验。这些国家技术比较成 熟，尤其是美国的t f t r 采用中性注入的辅助加热方法，于1 9 8 6 年8 月获得了 十分令人鼓舞的实验结果，离子温度达到了2 0k e v 。国内在8 0 年代开始研究， 但由于种种原因而中断。核工业西南物理研究所在9 0 年代末由中俄合作也进行 了中性束注入装置的研制。随着中科院等离子体物理研究所核聚变研究取得的 一系列进展，中性束注入系统的研究也提上日程。 1 3 课题的来源，目的和意义 本课题来源于中科院等离子体物理研究所托卡马克中性束注入加热系统研 究项目。功率测量靶作为测量与诊断中性束的重要部件在国内还未曾有过研究， 本课题旨在分析中性束注入系统束线上束流损失机制，并在此基础上，重点对 功率测量靶进行设计。课题的研究，实现了对注入束功率进行测量，对束流密 度分布进行分析，从而对离子源和中性化过程进行评价，寻找最大的中性束注 入功率，为整个中性束注入系统实现辅助加热提供了依据。 1 4 本课题研究的主要内容 1 国内外研制了各种各样的聚变装置。要使托卡马克装置中等离子体能量 达到一定的要求，必须对等离子体进行加热。托卡马克对中性束的要求是：在 注入功率方面，对于稳态等离子体，如果注入束全部被捕获并被热化，则为了 维持等离子体热平衡所需的注入束功率随着装置几何尺寸的增大和等离子体密 度的提高而增大：在注入束能量方面，一方面要求中性束的能量必须足够大， 使它能够渗透到等离子体中心区域；另一方面，中性束的能量也不能太大，否 则将有部分中性束穿过等离子体区域，直接撞击到对面的器壁，不仅损失能量， 还会引起器壁的溅射，产生杂质l 7 1 。为了对束功率和束流密度分布进行测量与 分析，研制功率测量靶势在必行。 2 获得大功率的中性束必须选择最佳性能的灯丝，以产生高强度、均匀、 稳定、长脉冲的高能粒子束，因此灯丝的设计成为关键之一。将离子源引出的 高能粒子进行中性化，再偏转掉剩余的带电粒子，通过调整束线的准直使束半 径在合理设讨一的尺寸内，边缘超过部分和再电离部分被束线限制器削除掉，在 此过程中有一部分束流损失。而束流损失宜接影晌加热功率，因此必须对束流 损失进行分析，对束流的吸收提出合理的方案，设计合适的功率测量靶对束流 进行评估。由于各部分设计都是基于水冷原理，因此，必须对水路系统有合理 的i 殳计。文章从离子源灯丝到束线各部分测量靶再到冷却水系统进行了全面的 设计。 3 实验：对功率测量靶进行压力试验，在满足条件的情况下，用氦质谱枪 漏仪检测漂移段的密封性能后，安装好功率测量靶。用真空计检测真空系统的 真空度，在保证功率测量靶能安全可靠地工作和在满足功率测量靶工作环境的 条件下，当束流轰击后，通过测出冷却水的进、出口温度，确定束功率的大小， 验证实测功率与理论计算的吻合程度。对束流的损失同样采用热测靶对设计进 行评估，以证明理论分析的正确与否。 第二章中性束注入系统 引言 对等离子体进行辅助加热的方式有许多种，目前普遍认为比较有前途的是 中性束注入加热技术及微波加热技术。大量实验证明，中性束加热不会引起新 的等离子体不稳定性，在技术上比较成熟，它己使具有点火装置规模的等离子 体温度加热至6 5k e v o ”】。 大功率中性束在核聚变研究中的主要用途有 s l ：1 在环形装置中加热等离子 体，也可以用来维持等离子体电流；2 在稳态磁镜装置中积累等离子体：3 向聚 变堆补充燃料；4 其它，如用氦中性束作等离子体诊断等。 2 1 中性束注入系统原理和结构 2 1 1 中性束注入系统原理 离子源2 中性化室3 冷凝泵4 偏转磁铁5 束流限制靶6 功率测量靶7 冷凝泵 8 过渡管道9 接托卡马克1 0 漂移段1 i 离于吞食器1 2 接真空机组 图2 i中性束注入系统 f i g 2 1t h en e u t r a lb e a mi n j e c t i o ns y s t e m 中性束注入系统( 见图2 1 ) 是这样运行的：强流离子源利用大电流气体放电 产生初始等离子体，温度一般只有几个e v ，密度大约l o ”m 。经过精心设计 的多孔或多缝电极从初始等离子体中把离子“拽”出来而将电子排斥掉，这些被 拽出来的离子通过加速电极而得到加速( 2 0 2 0 0 k e v ) 。加速后的高能离子再经过 中性化室，从中性化室气体中捕获电子而变成高能中性粒子。从中性化室出来 的粒子流中除了高能中性粒子外还有部分尚未捕获电子的高能离子和再电离产 生的高能离子，这些离子经过偏转磁铁时发生偏转，进入离子吞食器。从真空 室出米的中性束经过漂移段注入等离子体 7 1 。 2 1 2 中性柬注入系统结构 中性束注入系统( 见图2 1 ) 包括强流离子源，中性化室，偏转磁铁，低温冷 凝泵，离子吞食器，束流限制靶，漂移段，功率测量靶以及真空系统，电源系 统和控制系统等。其中最重要的是产生高能粒子的离子源和将高能粒子中性化 的中性化室。 离子源核聚变研究对于早在2 0 年代就开始发展的离子源技术提出了新 的要求。因此，从6 0 年代末就开始研究新型的强流离子源，其特点是引出离子 束的束流和功率都很大，每个源的引出束流为几十至几百安培，功率为几百千 瓦至几兆瓦。这类离子源统称为大功率离子源。离子源主要由两部分组成：一 是产生稳定而均匀的大体积高密度等离子体的放电室；二是大面积多孔( 或多缝) 引出系统，其引出面积的线度为几十厘米，这类大功率离子源有时也叫大面积 离子源。在7 0 年代初，先后研究出四种类型的强流离子源，即双潘宁离子源f 简 称双潘宁源) ，环式等离子体源，无磁场多灯丝离子源，以及多磁极会切场离子 源( 也叫桶式离子源) 。这些不同类型的大功率离子源具有各自的特点 7 i ： 图2 - 2 离子源 f i g 22t h e i o ns o u r c e 双潘宁放电离子源( 见图2 2 ) 的显著优点是效率高，质子比高，中性束的能 量可以达到15 0 k e v 以上，脉冲宽度可以提高到1 0 秒，输出束流强度可以提高 到1 0 0 3 0 0 安培，束的半散角可以降到o 5 1 度，气体效率高于5 0 ，质子比 高于9 0 。因此，这类大功率源得到了广泛应用。它的主要缺点是放电噪声水 平较高。 环式等离子体离子源的优点是克服了双潘宁放电离子源发展初期遇到的等 离子体密度分布不均匀的缺点，而且放电噪声水平低，引出束的发散度也很小。 无磁场多灯丝离子源的真空室内排列着大量单独加热的钨灯丝，用来发射 热电子。但是它没有磁场，因此消除了主要由磁场引起的等离子体密度分布不 均匀以及不稳定等问题。 多极会切磁场离子源的特点是以局部的强磁场将放电室阳极屏敞起来，而 在很大的放电空间内保持磁场几乎为零，这样既可以约束初级电离电子和等离 子体离子，又町以避免强磁场引起的等离子体密度分布的不均匀性和不稳定性。 核聚变研究希望从离子源中引出的离子束的质子比尽可能高。如果以氢作 为工作气体，则要求h + 的比例尽可能高。因为在离子源的放电室中，如果用氢 气作为工作气体，一般总是会同时产生三种离子：h + 、h 2 + 及h 3 + 。如果采用氘 气，则产生d + ，d 2 + 和d 3 + 。其中，我们仅需要原予离子h + 或d + ，而并不需要 分子离子h 2 + 、h 3 + 或d 2 + 、d 3 + 。这些分子离子和原子离子一起通过加速电极加 速而获得相同的能量。离子的质量越大，速度便越小。这些速度较小的分子离 子进入中性化室后便会离解成原子和原子离子。如果气体靶足够厚，则从中性 化室出来的全部是中性原子。但h 2 + ( 或d 2 + ) 形成的原子能量只有其分子能量的 二分之一，h 3 + ( 或d 3 + ) 形成的原子能量只有其分子能量的三分之一。因此，这 部分能量很低的中性粒子注入到等离子体之后，难以向中心渗透，只能加热边 缘等离子体 7 1 。 这些分子离子带来的另一个问题是：它们在中性化室中被中和变成中性分 子之后，有可能通过跟中性气体分子进行电荷交换或通过电子碰撞而再次带电 变成离子： 电荷交换：d + + d 2 呻d + d 2 + ( 2 1 ) 乜 离：d + d 2 - d + + d 2 十e ( 2 2 ) 只要气体靶足够厚，粒子束内的中性粒子成份与带电粒子成份之比将会达 到平衡，两者之比就等于这个过程的截面之比。随着能量的升高，中性粒子所 占比例明显下降7 1 。 一 将中性化室中的气体靶的厚度调整到最佳值，平衡时输出的中性粒子束的 功率将达到最大。列于一定的中性束输出功率，如果离子源中的h + ( 或d + ) 的份 额越低，则对离子源的功率要求越大。例如，要获得功率为lm w 、能量为4 0 k e v 的中性氘原子束，如果d + 的份额为7 5 ，那么离子源的功率只要1 7 m w ：同 样要得到功率为l m w ，能量为4 0 k e v 的中性氢原子束，如果h + 的份额只有6 0 ， 那么离子源的功率必须为2 7 3 m w 川。由此可见，提高h + ( 或d + ) 的份额具有十 分重要的意义。 综合考虑离子源的优、缺点，本系统采用双潘宁离子源，工作气体在实验 开始阶段为氢气。要求离子源气体效率大于5 0 ，产生的离子束功率为1 5 m w 。 中性化室 中性化室是将来自离子源的高能离子转换成中性粒子的装置， 其任务是提供符合要求的电荷转换靶。按照靶的宏观运动状态，气体中性化室 可以分为两类：一类是气体室，靶气体除一般热运动外仅有密度梯度引起的扩 散运动；另一类是定向气体中性化室，靶气体具有特定方向相速度的宏观运动。 按照气体室与离子源之间的连接紧密程度又可以将中性化室分为两种：一种是 气体室紧接在离子源引出系统后而，另一种是两者之间隔开一段距离。前者的 优点是离子束传输距离短，中性化室可以利用离子源中未电离的气体作为靶。 后者则需专门向中性化室馈送气体，其优点是可以选择不同种类的靶气体，而 且可以在离子束进入中性化室之前做质谱分析。 从离子源中引出的离子束在中性化室中跟原子和分予的碰撞过程中，最主 要的是快离子的单电子捕获过程，这是一种转移碰撞，碰撞前后两粒子的电荷 互相交换，可以用下式表示： a + + b a + b + + a e f 2 3 ) 式中，a e 是碰撞过程中的能量亏损，等于两粒子电离电位之差。如果是离 子与其母体粒子碰撞： a + + aa + a + ( 2 4 ) 则虽然碰撞前后每个粒子的内能改变了，但是a e = 0 ，这个过程称为共振电荷交 换，其碰撞截面随相对碰撞速度的增加而单调下降。当能量大于2 0 0 k e y 时， 截面急剧下降。分子离子与靶粒子碰撞时可能发生电荷转移，也可能被激发。 处于激发态的分子离子很不稳定，继而发生离解，例如： h 2 + - h + + h ( 2 5 ) h 2 + i - h + + h + + e ( 2 6 ) h 2 二三h + h ( 2 7 ) h 2 竺一h 2( 2 8 ) 前三个过程中得到的h + 和h 的能量为h 2 + 能量的一半。三分子离予h 3 + 也 有类似的碰撞离解过程。在高能情况下，分子离子离解产生快中性原子的截面 急剧下降 7 1 。 一 本系统中性化室为紧按在离子源后面的气体管道，横截面的几何形状与离 子源引出截面相同，为圆形，尺寸比前者略大，内径为2 5c m 。中性化室管道 由两层组成，内层为铜，背面焊接水冷铜管道，以冷却内层表面；外层为高导 磁材料，对外部磁场进行屏蔽，以防止干扰束流。由于需要向中性化室送入新 鲜氢气，在中性化室中部设计了补气口。进入中性化室的气体确定后，根据靶 厚要求和真空抽气系统参数，可以算出所需要中性化室管道的长度。中性化室 通过过渡法兰和绝缘套与离子源相连。 低温冷凝泵 该系统共有两个低温冷凝泵，一个放置在真空室内，根据设 计计算，其抽速为4 0 0 ，0 0 0 l s ，主要用来抽走再电离产生的气体和给中性化室 补气后的残余气体。它的两臂均由三块冷凝板组成，中问一块为液氦冷凝板， 冷凝泵主要通过它进行抽气；两边为液氮冷凝板，用来预冷气体分子、防l e 热 辐刺。冷凝板内部的管道用来输液氮或液氦。另一个抽速为2 0 ，0 0 0 l s ，放在 漂移段内，主要用束维持托p 马克和中性束注入系统的压强差，两个冷凝泵原 理和结构相同，其示意图如图2 3 所示。 图2 - 3 冷凝泵 f i g ，2 3t h ec y o c o n d e n s a t i o np u m p 真空室真空室为立方形，体积约为3 5 m 3 ，其壁面材料为铝，用以减轻 重量。壁面焊有加强筋，使之能够承受较大的压力。真空室有中性化室法兰进 口、中性束出口以及测量真空度的测量窗口和观察窗口，里面放置4 0 0 ，0 0 0 l s 冷凝泵、偏转磁铁和离子吞食器。真空室为中性束的产生、输运和带电粒子的 分离提供了一个真空环境。 偏转磁铁没有被中和的带电粒子和再电离产生的带电粒子不能让其进 入托卡马克，也不能偏离束线轰击真空室壁和漂移段，因此必须用偏转磁铁偏 转掉。偏转磁铁电流为4 0 0 安培，产生的磁感应强度约为0 1 5 特斯拉。 离子吞食器离子吞食器共有三个，分别吸收由h + 、h 2 + 、h 3 + 演变而成的 h + ，由于能量不i 司，偏转半径不同，吞食器与三种不同能量的离子束分别成一 定的角度，使之能承受足够大的功率。吸收靶材料为铜，背面冷却水管为铜管。 各靶厚度及管道直径由于吸收能量的不同而异。 真空机组 为了给冷凝泵运行创造一个良好的本底真空环境，采用15 l s 的旋片式机械泵和1 4 0 0 l s 的涡轮分子泵串联机组，对真空室进行预抽，使预 真宅达到l o p a 。 束流限制靶束流限制靶由四块靶板组成个矩形窗口，靶板由无氧铜组 成，分别通过螺纹沿水平和垂直方向调节宽度以削掉发散的边缘束流。靶扳背面 焊有弯曲的水冷铜管道，管道内通冷却水对靶板进行冷却。由于既要使水通过 真空室壁流逃和流出，又要使靶能够运动，故采用焊接波纹管进行动密封。 漂移段漂移段的主要功能是：1 保持主真空室和托卡马克真空室的，_ j i 差 ( 有单独的2 0 ，0 0 0 l s 低温冷凝泵抽气机组) ，以减小中性束在输运过程中的电离 损失。2 检测注入中性束参数，比如说通过放置功率测量靶测量中性束的功率 及束流密度分布等。3 在漂移段的入口，装有快速插板阀，当离子源出现故障 或停止注入中性束时迅速关闭阀门。4 在漂移段出口处有过渡管道，它i g 以与 离予源束流进行对中和灵活地调节漂移段长度。 功率测量靶功率测量靶为v 形，放置在漂移段内，通过手动或牵引马达 控制开与合。打开时让束流通过，关闭时可以测量柬流功率和柬流截面功率密 度分布。 电源和控制系统电源系统由隔离变压器、加速电源、减速电源、偏转磁 铁电源、真空机妇电源组成。其中，隔离变压器为离子源灯丝、磁场、孤源供 电；真空机组电源包括机械泵、涡轮分子泵电源。 2 2 中性束注入系统工作过程 整个中性束注入系统是在工控机指令控制下，通过各控制量精确控制系统 工作时序，再通过数据采集获得系统工作情况，并通过反馈对系统不断进行调 整控制。中性束注入系统以脉冲形式进行工作，每一个工作周期仅为几秒，在 定的时间| n j 隔后再进入下一个工作周期，其具体的工作时序为表2 1 ： 表2 1中性束注入系统典型运行时序 时间( s ) 事件 时间( s ) 事件 0 8 0真空、水冷系统准备1 7 0弧源开 00 0从h t - 7 收到点火命令1 8 0 ( 束开始) 加速、减速主控制器开 o1 0加速主电流接触器关 2 1 0 ( 束结束)短路器开 0 1 0离子偏转磁铁电源开 2 1 0 加速主控制器关 01 0灯丝电源、磁场电源开2 2 0弧源关 1 4 0气阀开2 2 0灯丝步骤、磁场电源关 1 6 0开灯丝2 2 0气阀、偏转磁铁关 2 3 中性束在托卡马克中的物理过程 刚注入到等离子体中的中性原子不受磁场影响，沿直线向中心区域渗透。 在前进过程中，跟等离子体中的粒子发生碰撞后变成离子而被捕获，其运动轨 道跟这些粒子的能量，注入角度，以及被捕获的位置有关。当然希望有尽可能 多的粒子被捕获在等离子体中心区域。中性束在等离子体中传播时，吸收效应 既不应该过分强烈，也不应该过分微弱。如果吸收过分强烈，则只加热等离子 体边界区域；如果吸收过分微弱，则中性束穿过等离子体，撞击对面的器壁， 引起溅射，产生杂质【7 】。因此，应该尽量避免这两种情况。 巾性束在托卡马克中的物理过程为 7 , 8 1 ： 1 巾性原子转变为离子。即通过和等离子体中的离子电荷交抉、电离碰撞、 或与电子的电离碰撞过程，中性氘原子转换为氘离子。中性束在等离子体中的 吸收主要是通过三种过程实现的，即电荷交换、离子引起的电离和电子引起的 电离。用h 表示粒子的种类。下标b 表示注入的中性束粒子，下标p 表示等离 子体中的粒子。在聚变堆中，注入的中性束是氘原子，而等离子体则是氘氪混 合物。上述这兰种原子过程可以表示为： a 电荷交换h b + h p + 一h b + + h p ( 2 9 ) b 被离子离化h b + h p q - h b + + h d + + e ( 2 1 0 ) c 被电子离化h b + e 一 h b + + 2 ef 2 1 1 ) 对于氢原子束，如果能量e b 4 0 k e v ，或者对于氘原子束，如果能量 e b 8 0 k e v ，则电荷交换过程占优势：如果中性原子能量大于这些值，则由离子 引起的电离过程占优势。假设注入的中性束流强为i b ( o ) ，在等离子体内飞行x 路程以后，未被电离的中性束流为： i b ( x ) = i b ( o ) e x p i 一f r ( 砷 ) 出l ( 2 1 2 ) l 。 j 其中，c r # ( x ) 为包括上述三种过程的有效转换面积，它随中性粒子能量的提 高而变小。由上式可知，中性束在等离子体内的平均自由程： 瓦。l ( 2 13 ) n e o e f f 它随中性粒子能量的提高而变长，随等离子体密度的增加而变短。由于这些过 程的存在，注入的中性束强度随着向中心区域的传播而衰减。 2 快离子的约束。为了加热等离子体，产生的快离子应被托卡马克磁场约 束足够长的时间。显然，在装置中心附近被电离的粒子被约束的时间长，在装 置边缘处被电离的粒子由于漂移等原因较大地损失在器壁上。 3 快离子的热化。被捕获的快离子在装置中飞行时与等离子体、电子相互 碰撞，将能量传递给这些粒子，直至被热化。当注入束能量满足 厂 彳、 毛 e z 1 5 i 鲁i e ( 21 4 ) l i j 时，快离子的能量大半转给等离子体离子，因而加热效率高。加热效果还与中 性束在等离予体内沉积分布有关，当沉积分布峰在等离子体中心附近时，加热 效果好，所以希望中性束在等离子体内的平均自由程满足： 万a 兰 ( 2 15 )4 l ， 其中，a 为等离子体圆截面的半径。 4 剩余束碰撞器壁。这不仅形成器壁上的热负荷，而且通过溅射过程产生 重原子，这些原子被电离后形成高电荷态离子，使等离子体的热损失加大。 2 4 受控核聚变对中性束性能的要求 受控核聚变刑中性束性能的要求主要有】： 1 注入功率p b 对于稳态等离子体，如果注入束全部被捕获并被热化，则 为了维持等离子体的热平衡所需要的注入束功率为： 只。三f f 降选型如叻沈( 2 1 6 ) z 4 t b 其中、t b 为譬离子体约束时间，t 。、t ，分别为电子和离子的温度，n 。为电子密度。 2 注入束能量e b注入束应渗透到等离子体中心附近，故能量应适中。 3 注入束流强度i b由注入束功率及能量确定。 4 束脉冲宽度瓦中性束脉冲宽度应稍大于等离子体的能量约束时间。 5 离子束的质谱d 2 + 、d 3 + 转换为中性粒子时，其能量分别为d + 转换为d 的l 2 和1 3 ，这些粒子大多数在等离子体外侧被电离，所以容易损失掉。为此， 要求离子源的质子比高。此外，束内杂质离子的含量应小于( 0 1 o 5 ) 。 6 效率由于离子源的耗气量和功率都很大，要求离子源的气体效率不小 于5 0 ，整个中性束注入器的功率效率不小于5 0 。 7 束的散角及截面为了提高束的输运效率，要求束散角j j x ( l 度) ，束截 面尽量小，以减小对装置的扰动。 表2 2 是托卡马克装置上加热用中性束性能指标f 8 】。 表2 2托卡马克装置加热用中性束性能 、装置类型 要求 大型试验装置点火装置试验聚变堆 注入中一| 生束功率 几兆瓦十至几十兆瓦几十至几百兆瓦 粒子能量 8 0 千电子伏约1 2 0 千电子伏。几百千电子伏 脉冲宽度0 5 秒儿秒几十秒至稳态 杂质含量 o 5 o 】0 1 中性粒子进入等离子体中，一旦被电离后，便通过库仑碰撞将能量交给等 离子体中的粒子，从而达到加热等离子体的目的。在注入温度足够高的情况下， 如中性束的温度大于电子温度十多倍，这时以加热电子为主。如果中性束的温 度小于这个值，能量主要交给离子。对于中性束注入加热，等离子体中的磁场 必须足够强，以便能约束住这些由高能中性粒子变成的高能离子。另外，在单 向注入的情况下，由于动量的传递会引起等离子体的整体旋转 7 1 ，这可以采用 同向一反向注入避免这种现象。 第三章离子源灯丝设计 3 1 概述 中性束注入系统束流功率的大小以及注入束流的质量和离子源息息相关。 对有一定功率要求的注入系统，离子源必须提供流强足够大，密度足够均匀的 粒子束。阴极是离子源中一个重要的部件，而阴极上灯丝的设计直接影响到是 否能够发射电子，是否能够长时削、稳定地提供热电子而不至于烧断。灯丝性 能的好坏，直接影响束流的均匀性和发射能力，对束流功率的大小有很大的影 响。对系统束流分析，必须是在稳定束流的条件下进行，因此，首先对灯丝进 行设计。 强流离予源的阴极发展经历了三个发展阶段【12 1 ：第一代是纯金属阴极，第 二代是氧化物阴极，第三代是六硼化镧和镧钼阴极。正因为纯金属阴极的研究 最早最彻底、最为单纯、技术最成熟而且较简单，作为实验的第一步，我们首 先设计的是纯金属阴极，以后则采用氧化物阴极。 热阴极最基本的关系是发射电流的数值和阴极温度的关系，这种关系可用 来推断阴极的抗运用情况和选择最有利的运行情况，它们可以用查逊一杜尔曼 纯金属热电子发射公式来表示【”】： 旦 j = a t 2 e ”( a c m 2 )( 3 1 ) 式中，系数a 与材料有关，对钨为7 5 a c m 2 k ，伞为逸出功，对钨，( p = 4 5 e v ， k 为波尔兹曼常数，为8 6 1 0 4 e v k ，t 为灯丝的工作温度f k ) 。 由f 31 ) 式求得的j t 曲线 1 3 1 为： 232 42526272829 30 t 1 0 3 k 图3 - 1灯丝发射的电流密度与灯丝工作温度的关系 f i g3 1 t h er e l a t i o n sb e t w e e ne m i s s i v ee l e c t r i c a lc u r r e n td e n s i t y a n dw o r k i n gt e m p e r a t u r eo ff i l a m e n t 1 2 一 印伯侣仃博侣侣埋仲0 8 7 6 5 d 3 2 ，o 一，e。曼气 从图3 1 可以看出，灯丝温度在2 3 0 0 k 以下没有发射电子的能力，这是因 为温度过低，电子不能克服势垒逃逸出来；而当温度超过2 8 0 0 k 时，其发射电 流呈指数急剧上升。因此从发射电流的角度来看，灯丝温度接近3 0 0 0 k 比较理 想，但此时戍考虑灯丝所能承受的温度以及灯丝寿命，应该考虑其它部件是否 会熔化以及支撑部件是否会发射电子而造成不利的影响。灯丝寿命t 和工作温 度t 的关系o ”1 如表3 1 所示。由表可知，随着灯丝温度的升高，其寿命急剧下 降。试验也证明，灯丝超过2 8 0 0 k 时，其寿命很短，因此，灯丝的温度最好不 要超过2 7 0 0 k 。同时，灯丝温度过高，灯丝柱部件有电子发射，材料将蒸发。 袭3 1灯丝寿命t 和一【作温度t 的关系 tr k 、2 0 0 02 】0 02 2 0 02 3 0 02 4 0 02 5 0 0 t ( 小时) 1 1 6 x 1 0 81 3 1 1 0 71 6 5 1 0 52 6 4 x 1 0 54 7 3 x 1 0 41 0 2 1 0 4 t ( k ) 2 6 0 02 7 0 02 8 0 02 9 0 03 0 0 0 t ( 小时) 2 3 4 76 5 11 8 56 02 1 直接测量钨丝的温度是很困难的，因此，通常总是由连在灯丝线路里的伏 特表和安培表的读数来检查阴极的热度。为了达到实用目的，用发射电流与阴 极灯丝电压的关系即i 。= f ( u f ) 来表示发射电流和温度的关系，从而衡量阴极的 发射特性。 此外，还可以用以下几个参量来表征阴极的特性【1 2 】。1 加热电压u f ，加热 电压一般是标准化的。2 加热电流1 f ，指在外加额定加热电压时的灯丝电流， 为了维持阴极在一定温度范围内工作，它的数值也必须在额定范围内。3 阴极 发射率j 。，从单位阴极表面所发射出来电子流的数值即为发射率，它和阴极的 温度以及材料有关。此外还有单位面积的加热功率、阴极效率、阴极寿命等等。 加热阴极的外加功率与阴极的温度、面积及材料的性质有关。将一定的功 率加给冷阴极时，它的温度将逐渐上升，直到加给的功率和它消耗的功率达到 平衡为止。因此，我们要求阴极加热功率只要求出它消耗的功率就可以了。加 到阴极上的功率由以下几方面损耗掉 1 2 】： 1 辐射损耗：这种损耗与阴极表面的性质和阴极的温度有关。依照斯台芬 玻尔兹曼定律，当加热阿物体温度为t 时，这个物体每单位表面积所辐射的功 率等于： p = 9 g t 4( 3 2 ) 这里，斯台芬一玻尔兹曼常数盯= 5 6 7 2 1 0 1 2 f w c m 2 , k 4 1 。 2 发射损耗：因为每个从阴极飞出的电子都要从阴极带走一定的能量，这 能量等于电子离开阴极时所需要的逸出功和它离开后所具有的动能之和，从金 属飞出的电子的平均动能等于2 k t ，所以阴极由于发射损耗的功率，如以瓦特 计算将等于： = j o ( + 1 7 2 1 0 4 丁) ( 3 3 ) 约占阴极伞部损耗的百分之儿。 3 阴极支架所产生的能量损耗：由于阴极支架不大，这种损耗比较小。因 为在真空中，阴极不会因对流作用而散失热量。 由于发射损耗和热传导损耗+ 般很小，因此可以近似认为：阴极将它的全 部能量消耗在辐射损耗上。这样，阴极的单位面积加热功率将等于： 只= g o t 4( 3 4 ) 在灯丝设计中，其寿命是一个重要的参数，它直接影响到设备的工作效率 和系统工作的稳定性。灯丝的损坏将使离子源无法产生束流。灯丝寿命与许多 因素有关 12 1 ，如材料的掺杂，加工后的局部损耗程度，加工制作工艺，工作真 空度高低以及使用方法等等。因此，对灯丝寿命的估算，只能避丌外来因素进 行。众所周知，在高温下阴极物质要蒸发，因此，阴极的直径将逐渐减小，阴 极最热的地方材料蒸发得最厉害。由于金属丝变细，电阻增加，这部分将产生 更多的热量，这样形成温度升高，使得蒸发进一步加快。如果阴极的直径大大 地减小，则有可能由于灯丝的应力使阴极断开，或在过高温度下使阴极熔化。 对于纯金属阴极，如果我们假定在阴极温度维持不变的情况下，阴极直径减小 1 0 为使用期限，那么可以计算阴极寿命：在某一工作温度下，设一秒钟内从l 平方厘米的阴极表面所蒸发的质量为m ( 克厘米2 ，秒) ，这样从直径为d ，长 度为l 的阴极全部表面上，在d t 时间内将蒸发 舶2 m t l m d t = 一d ( 睾p )( 3 5 ) 斗 式中，p 为材料的密度。变换等式，并假定在开始时阴极的直径等于d ，运 行期终了时( t = t ) 阴极的直径等于d 】，那么 10 2 m l d t = 一pf d (