EAST中性束注入器稳态偏转磁铁的参数设计与估算研究

中性束注入器偏转磁铁是剥离束流中剩余离子的关键设备,它与剩余离子吞食器等内部部件构成了中性束注入器的束偏转系统。束偏转系统的性能对中性束注入器束流的品质及其束传输效率发挥着重要作用。本文根据EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak,EAST)中性束注入器对束偏转系统的要求,对其偏转磁铁各性能参数进行了估算。为中性束注入器设计了一台用以剩余离子180°偏转的偏转磁铁。该偏转磁铁采用H型二极电磁铁结构;其磁极端面设计为138cm×47cm的圆角矩形结构;其线圈设计为每侧2饼,每饼2层,每层8根的串联结构,导线选用外方内圆空心铜导体,以满足偏转磁铁稳态运行的需要。该设计的偏转磁铁在370 A励磁电流条件下,可提供80keV氘离子束偏转所需的磁场。实验测试结果显示:500 A励磁电流稳态运行条件下,偏转磁铁线圈冷却水温升约21.5℃,该设计结构的偏转磁铁满足EAST中性束注入器满参数稳态运行和未来运行参数逐步提高的需要。     

负离子束引出与加速系统的数值计算方法

高能量、大功率中性束注入是对大型受控核聚变装置进行等离子体加热和电流驱动的有效手段。因此势必要发展在高能量下仍具有较高中性转换效率的负离子-中性束注入器。 本文根据负离子-中性束注入器中负离子束系统的特点,建立了对该系统进行数值模拟研究的基本数学模型和计算程序。系统中增加了偏转电子的磁场,这种磁场的存在破坏了束的对称性,增加了计算难度。通过数值模拟计算优化系统的电、磁场位形和束光学特性。     

强流负离子束系统的数值模拟研究

为了辅助设计下一代受控核聚变装置所要求的高能、大功率中性束注入器,我们根据负离子-中性束注入系统的特点,建立了数值模拟负离子束系统的物理模型和计算程序,并进行了数值模拟研究。与数值模拟正离子束系统的物理模型相比,该物理模型包含了更多的物理过程,如需要利用磁场来偏转与负离子一起引出的电子,以提高系统效率;为此就必须考虑等离子体电子横越磁场的扩散并包含由离了源等离子体引出的负离子和电子在电磁场共同作用下的运动行为以及相关等离子体参数对粒子初始发射的影响;也包含了束内部空间电荷非线性力和负离子在输运过程中的剥离损失等物理现象。在进行的数值模拟研究中,对系统的几何尺寸及电磁     

300kV,5电极负离子束系统的数值模拟研究(英文)

根据用于负离子-中性束注入器的强流负离子引出、加速系统的特点,建立了负离子束系统的数值模拟模型和程序,以便辅助该系统的设计。计算了负离子束和伴随引出的电子束在系统电、磁场共同作用下的运动行为,研究了束密度、负离子初始温度和剥离损失及末电极孔位移等相关参数对负离子束光学特性的影响,优化了电、磁场位形。对 300 kV,5 电极负离子束系统的初步优化结果表明:该系统磁场可以在低能下将电子束偏转到作为接收器的引出电极上;设 H-离子在引出区的剥离损失为 20%并且引出的 H-束密度为 21 mA·cm- 时,所有出射小束的均方根散角和 85%束散角分别 2为 0.327°和 0.460°。     

300keV,5电极负离子束系统的数值模拟研究

根据负离子-中性束注入器中强流负离子束引出、加速系统的特点,建立了为辅助设计强流负离子束系统而对其进行数值模拟研究的模型和计算程序,计算了负离子束和伴随引出的电子束在系统电、磁场共同作用下的运动行为,研究了系统束流密度、负离子初始温度以及负离子剥离损失和末电极孔位移等相关参数对负离子束光学特性的影响,并对系统的电、磁场位形进行了优化。对300keV,5电极负离子束系统的初步优化结果表明:该系统磁场可将伴随引出的电子束在低能下偏转到作为电子接收极的引出电极上;对引出流密度为21mA·cm~(-2)的H~-离子束,当H~-离子在引出区的剥离损失为20％时,由系统出射的各小束的均方根角度和85％小束的散角可分别达到0.327°和0.460°。     

强流负离子束系统中电子偏转磁场分布的计算

在大型受控核聚变装置所要求的高能、大功率负离子-中性束注入器的负离子束系统中,对伴随负离子引出和由负离子剥离产生的电子的有效抑制是提高系统效率的关键之一。通常利用系统的引出电极内埋置的永磁体产生合理的磁场位形将电子在低能下偏转、吸收,而又极小影响负离子束的光学特性。为此,必须计算出磁场分布,进而求得在系统电、磁场综合作用下电子和负离子的轨迹,并通过数值模拟计算优化系统电磁场位形和束光学特性,为辅助设计负离子-中性束注入器的强流负离子束系统提供参考依据。     

EAST-NBI偏转磁体线圈水冷能力分析与测试研究

偏转磁体是中性束注入器的关键部件之一,它安装在中性束注入器真空室内部。为适应核聚变研究装置对中性束注入器高能量、长脉冲、稳态运行的要求,对其偏转磁体原先励磁线圈的水冷系统进行了分析,提出增加水冷抽头的方法完成了改进设计,并对改进前后线圈的冷却能力进行了实验测试。测试结果显示,当中性束注入器长脉冲稳态运行时,改进后的水冷结构能及时带走偏转磁体励磁线圈产生的热量;冷却水的进出口水温差约21 oC;偏转磁体线圈导体表面的温度约45 oC;改进设计水冷系统性能得到优化,满足了EAST-NBI高参数、稳态运行的要求。     

射频负离子源关键参数测量系统研制

强流离子源是大功率中性束注入系统的关键部件之一,为了实现中性束注入系统的稳态运行,需要开展射频负离子源的实验研究。射频负离子源的负离子引出电流、引出总电流和引出电子流等关键参数的测量是射频离子源实验理论分析的基础,本系统通过信号调理隔离传输实现射频负离子源关键参数的测量。实验结果表明,系统测量采集数据精准可靠,运行稳定。     

HL-2中性束注入器离子束系统的设计计算

在受控核聚变研究中,中性束注入已经成为加热等离子体的有效手段。中性束注入器的关键部分是离子束系统,它的性能决定了中性束注入的效率和效果。文章就大功率中性束注入器离子源及离子引出、加速系统主要工作参数的设计计算方法进行了论述,并给出了HL-2装置中性束注入器离子束系统的计算结果。在强流离子束引出、加速系统束光学特     

800keV,8电极负离子束系统的数值计算

高能量、大功率中性束注入是对大型受控核聚变装置进行等离子体加热、无感电流驱动并控制电流分布和点火燃烧温度的主要方法。由于负离子在高能量下仍具有很高的中性转换效率,基于负离子中性转换的方法已成为研制高能中性束注入器的主要手段。为此,我们对800keV、5电极强流负离子束系统进行了数值模拟研究。