（流体机械及工程专业论文）强流高功率nbi稳态运行模式下真空空间粒子分布的研究.pdf

强流高功率n b i 稳态运行模式下真空空间粒子分布的研究 摘要 高能中性束注入( n e u t r a lb e a mi n j e e t i o n , n b i ) 加热是托卡马克装置四种辅助加热 手段( 中性束注入、低杂波、离子回旋段波、电子回旋段波) 中加热效率最高、物理 机制最清楚的一种技术，被国际聚变界公认为最有效的加热手段之一。 根据e a s t - n b i 的工作原理和结构特点以及e a s a t - n b i 系统气路的简化模 型，分析中性束注入系统的各种气源，建立了e a s - n b i 装置的物理模型和碰撞 面的数学方程，应用m - c 方法构建了真空室气体粒子运动的数学模型。 以气源分析计算结果为模拟初始值，运用m a t l a b 软件对m - c 模型进行数值 计算，获得了中性化室气源、离子吞食器气源及综合两种气源状态下真空室空 间粒子分布规律以及主真空室三个区域的平均压力变化曲线。通过与e a s t - n b i 实验装置的实验数据和国外同类装置的实验结果的对比，验证了模拟计算结果 且满足e a s t - n b i 真空性能要求，表明模拟计算结果是可靠的，有实用价值。 按照e a s t - n b i 的设计指标要求，根据模拟结果和e a s t - n b i 稳态运行的要 求，在借鉴国际聚变界n b i 研究的最新成果基础上，对e a s t - n b i 束线进行了总 体设计，为e a s t - n b i 的研制提供工程指导。 关键词：中性束注入气源分析建模空间粒子分布模拟计算总体设计 p a r t i c l ed i s t r i b u t i o no ft h ev a c u u mo fs p a c ef o rn b io fh i g h c u r r e n ta n dh i g hp o w e ri nt h es t e a d y s t a t eo p e r a t i o nm o d e a b s t r a c t h i g h e n e r g yn e u t r a lb e a mi n j e c t i o n ( n e u t r a lb e a mi n j e c t i o n ，n b d i so n eo ff o u r t o k a m a ka u x i l i a r yh e a t i n gm e t h o d s ( n e u t r a lb e a mi 巧e a i o n ，l o w e rh y b r i d ，i o nc y c l o t r o n w a v e sp a r a g r a p h ，s e c t i o ne l e c t r o nc y c l o t r o nw a v e s ) d u et ot h eh i g h e s th e a t i n ge f f i c i e n c y , t h ec l e a r l yp h y s i c a lm e c h a n i s m ，i ti sr e g a r d e da st h em o s te f f e c t i v eh e m i n gm e t h o db y i n t e r n a t i o n a lf u s i o nc o m m u n i t y i nt h i st h e s i s ，t h ec o m p o s i t i o no fg a ss o u r c e sw e r ea n a l y z e dw i t hr e f e r e n c et o e a s t - n b lw o r k i n gp r i n c i p l e ，f u n d a m e n t a ls t r u c t u r ea n das i m p l i f i e dm o d e lo fg a s s u p p l y i n gs y s t e m ，t h ep h y s i c a lm o d e l so fe a s t - n b ia n d t h em a t h e m a t i c a le q u a t i o no ft h e p l a n ec r a s h ，a sw e l la st h em a t h e m a t i c a lm o d e l so f t h eg a sp a r t i c l e si nt h ev a c u u mc h a m b e r b a s e do nm - cm e t h o d ，w e r ec o n s t r u c t e d o nb a s i so ft h ea i rs o u r c e sa n a l y s i s ，t h em - cm o d e l sw e r ec a l c u l a t e dw i t ht h em a t l a b s o f t w a r e s p a t i a ld i s t r i b u t i o no fp a r t i c l e si nt h ev a c u u mc h a m b e ra n dt h ec u r v e so fa v e r a g e p r e s s u r e i nt h e t h r e em a i nv a c u u mc h a m b e rw e r eo b t a i n e d c o m p a r e dw i t ht h e e x p e r i m e n t a ld a t ao ft h ee a s t - n b is y s t e ma n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so ft h es i m i l a r f o r e i g ne q u i p m e n t , t h et h e o r e t i c a lm o d e l sw e r er e l i a b l ea n dp r a c t i c a l ，w h i c hc o u l dm e e tt h e e a s t - n b iv a c u u mp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s a c c o r d i n g t ot h ed e s i g nr e q u i r e m e n t so fe a s t - n b i ，t h es t e a d yo p e r a t i o nr e q u i r e m e n t s a n dt h el a t e s tr e s e a r c hr e s u l t so fi n t e r n a t i o n a lf u s i o nc o m m u n i t y ，t h eo v e r a l ls t r u c t u r eo f n b iw e r ed e s i g n e db a s e do nt h ea b o v es i m u l a t i o nr e s u l t s ，w h i c hi su s e f u lf o rt h e e n g i n e e r i n gg u i d a n c eo f e a s t - n b i k e yw o r d s ：n e u t r a lb e a mi n j e c t o r = a n a l y s i so fa i r ；m o d e l i n g ；s p a t i a lp a r t i c a ld i s t r i b u t i o n ； s i m u l a t i o n ；o v e r a l ld e s i g n 致谢 本文是在我的导师陈长琦教授和中国科学院等离子体物理研究所谢远来研 究员的指导下完成的。导师专业知识渊博，治学态度严谨、诲人不倦，工作精 益求精、求实创新、严以律己，生活上宽以待人、朴实无华、平易近人。无论 是学术还是人格魅力，导师都是我一生的楷模，并时刻激励我奋发向上。本论 文从选题到完成，每一步都是在导师的指导下完成的，倾注了导师大量的心血。 在完成论文的过程中，谢远来博士不仅帮助我快速进入课题研究，而且提供了 大量的资料和建议。在此，谨向两位指导老师致以最衷心的感谢。 在研究生学习过程中还得到了合肥工业大学朱武老师、干蜀毅老师、王旭 迪老师、朱仁胜老师、方应翠老师、王君老师以及实验室樊文胜老师等各位老 师的关心与帮助，在此一并致以最诚挚的谢意! 衷心感谢同届研究生贾寅、汪根生、朱晓文、梁平师兄王绍良、张建国， 师弟穆怀普、刘腾飞、裘一冰、戴佳鑫、李杰等各位同学给予的热情帮助。 衷心感谢我的父母、兄弟、妹妹以及亲戚朋友一直以来对我的关爱、支持 和理解。 最后，再次感谢所有关心和帮助过我的老师和亲戚朋友们。 作者：车振军 2 0 1 1 年3 月 插图清单 图2 1e a s t - n b i 工作原理示意图4 图2 2e a s t n b i 系统组成示意图5 图2 3 核心单元n b i 的总体结构示意图5 图2 4e a s t - n b i 实体结构装配示意图6 图2 5 离子吞食器和中性化室在真空室中相对位置分布示意图7 图2 6 主真空室第一段及其内部部件三维结构示意图；7 图2 7 主真空室第二段桶体三维结构示意图8 图2 8 主真空室第三段桶体三维结构示意图8 图2 9 束线支撑装置的三维结构示意图8 图2 1 0 柬线调节系统的三维结构示意图9 图2 1 l 偏转磁体三维结构示意图9 图2 1 2 功率测量靶三维结构示意图1 0 图2 1 3e a s t - n b i 内低温冷凝屏的布置示意图1 l 图3 1 中性束注入系统气路简化模型1 2 图3 2e a s t n b i 中一条束的一组束功率沉积分布示意图：1 5 图3 3e a s t - n b i 束生成与传输过程中的能量流动示意图1 6 图4 1 低温冷凝吸附原理示意图1 9 图4 2 主真空室三维立体模型示意图2 0 图5 1 气体粒子发射方向示意图3 l 图5 2 余弦定律概率函数曲线3 2 图5 3 气体粒子与正x 法线方向面的碰撞示意图3 2 图5 4 气体粒子与正y 法线方向面的碰撞示意图3 3 图5 5 气体粒子与正z 法线方向面的碰撞示意图3 3 图5 6 气体粒子与负x 法线方向面的碰撞示意图3 4 图5 7 气体粒子与负y 法线方向面的碰撞示意图3 4 图5 8 气体粒子与负z 法线方向面的碰撞示意图3 5 图5 9 气体粒子与圆柱形器壁碰撞的坐标示意图3 5 图5 1 0 气体粒子与圆柱形器壁碰撞后的发射方向示意图3 6 图5 1 1e a s t - n b i 真空室空间粒子及压力分布模拟的程序框图3 8 图6 1k = i m s 时刻的空间粒子三维分布图的比较3 9 图6 2t 饔- = 5 m s 时刻的空间粒子三维分布图的比较3 9 图6 3 t = 2 0 m s 时刻的空间粒子三维分布图的比较4 0 图6 4k - = i m s 时刻空间粒子的三维分布图4 0 图6 5 - = s m s 时刻空间粒子的三维分布图4 1 图6 6k = l o r e s 时刻空间粒子的三维分布图4 1 图6 7 量= 2 0 m s 时刻空间粒子的三维分布图4 2 图6 8t 耍= 2 5 m s 时刻空间粒子的三维分布图4 2 图6 9 = 2 0 0 m s 时刻空间粒子的三维分布图4 3 图6 i 0 ，耍- = 3 0 0 m s 时刻空间粒子的三维分布图4 3 图6 i i 缸- = 4 0 0 m s 时刻空间粒子的三维分布图4 4 图6 1 2 - = 5 0 0 m s 时刻空间粒子的三维分布图4 4 图6 1 3t 嬖- = 5 1 0 m s 时刻空间粒子的三维分布图4 5 图6 1 4 - = 5 2 0 m s 时刻空间粒子的三维分布图4 5 图6 1 5t 霉- = 5 2 5 m s 时刻空间粒子的三维分布图4 6 图6 1 6 = 5 3 0 m s 时刻空间粒子的三维分布图4 6 图6 1 7 主真空室三个区域平均压力分布曲线4 7 图7 1 束传输通道中典型的真空压力分布4 9 图7 2d i i i - dn b i 结构示意图5 0 图7 3d i i i - dn b i 装置束线压力的实验曲线5 0 表格清单 表8 1e a s t n b i 的设计指标5 4 表8 - 2 国外聚变装置n b i 离子源的设计参数5 5 表8 - 3e a s t - n b i 离子源的设计参数5 7 表8 - 4e a s t - n b i 离子源安装调节机构的设计参数5 8 表8 - 5e a s t - n b i 真空室及束线支撑调节系统的设计参数5 9 表8 - 6e a s t - n b i 中性化室的设计参数5 9 表8 - 7e a s t - n b i 偏转磁体的设计参数6 0 表8 - 8e a s t - n b i 功率测量靶的设计参数6 1 表8 - 9e a s t - n b i 离子吞食器的设计参数6 1 表8 - 1 0e a s t - n b i 低温冷凝屏的设计参数6 2 表8 - 1le a s t - n b i 漂移管道的设计参数6 2 表8 - 1 2e a s t - n b i 束线外观的设计参数6 3 第一章绪论 能源是社会发展的基石。以煤炭、石油、天然气等化石能源替代柴薪 的第一次能源革命带来了社会经济的飞速发展。然而这些宝贵的资源就这 样被燃烧掉，同时造成了严重的污染。据估计，一百年后地球上的化石能 源将会面临枯竭。面对着即将来临的能源危机，人类有了一个共同的梦想 一一寻求一种无限而清洁的能源来实现人类社会的可持续发展。核聚变能 利用的燃料是氘( d ) 和氚，在可以预见的地球上人类生存的时间内，水 的氘，足以满足人类未来几十亿年对能源的需要，聚变能源的开发，将“一 劳永逸”地解决人类的能源需要，因此可控核聚变成为全世界越来越重要 的研究课题。早在1 9 3 3 年，核聚变原理就被提出。经过多年大量科学实验1 证明在一种称为托卡马克的装置上能开发出无限而清洁的聚变能，它能帮 助人类实现寻求能源的梦想。1 9 5 4 年，原苏联库尔恰托夫原子能研究所建 成了世界上第一个托卡马克装置n 1 。托卡马克是一个由封闭磁场组成的环 形装置，通过在装置内加入氘和氚并创造一定的条件，使得氘氚发生核聚 变反应释放巨大能量，其原理与太阳的聚变能原理相同。而如何加热等离 子体到反应温度是实现受控核聚变必须解决的关键问题之一【2 】。 1 1e a s t - n b i 建设的意义和目标 国家大科学工程项目“e a s t 超导托卡马克核聚变实验装置 的科学目 标是针对目前建造托卡马克核聚变堆尚存的前沿性物理问题进行探索性 的实验研究，为未来稳态、安全、高效的先进商业聚变堆提供物理和工程 技术基础。虽然e a s t 己全面、优质建成并投入运行，但这仅仅是它整个科 学计划的第一步。要全面达蛩j e a s t 的科学目标，必须装备更高功率辅助加 热和电流驱动系统，以实现e a s t 装置的高参数稳态运行，为在e a s t 上开展 近堆芯等离子体物理与工程研究提供最佳的研究基础和条件。 高能中性束注入系统( n e u t r a lb e a mi n j e c t i o n ，n b i ) 是e a s t 的高 功率辅助加热和电流驱动系统的主要组成部分之一，对e a s t 科学目标的实 现及在e a s t 上开展近堆芯等离子体物理与工程研究有非常重要的意义。 e a s t n b i 所关联的研究主要集中在中性束加热、电流驱动和等离子体 的旋转三个重要的方面，建成后的e a s t - n b i 还将为等离子体加料、m h d 不 稳定性、等离子体约束改善、高能粒子行为、中性束与射频波( 低混杂波、 电子回旋共振波、离子伯恩斯坦波、离子回旋共振频段波) 协同效应及等 离子体参数诊断等方面的研究提供支持。 基于e a s t 对中性柬注入的要求，拟订了e a s t - n b i 的建设目标阳一】：首期 研制一套束能量5 0 8 0 k e y 可调、束脉宽l o - l o o s 可调、中性束功率2 4 b l w 的 l n b i ：二期在总结第一套n b i 设计与运行经验的基础上，通过性能优化研究， 再研制一套束能量5 0 - 8 0 k e v 可调、束脉宽l o - l o o s 可调、中性束功率中性 束功率2 - 4 m w 、综合性能更优的n b i 。 1 2 高能中性束注入加热技术的简介 高能中性柬注入加热是利用中性束注入装置( 英文名称n e u t r a lb e a m i n j e c t o r ，简称n b i ) 产生高能中性粒子束并将其注入到e a s t 等离子体中， 达到驱动等离子体电流和提高中心离子温度的效果，它是四种辅助加热手 段( 中性束注入、低杂波、离子回旋段波、电子回旋段波) 中加热效率最 高、物理机制最清楚的一种技术。其物理机理是中性束注入到装置的等离 子体中，快中性原子与本底等离子体的电子和离子碰撞电离，或与本底离 子发生电荷交换变成快离子被磁场捕获，快离子再与本底离子和电子通过 库伦碰撞交换能量从而加热等离子体。这种加热方法已经被公认为最有效 的等离子体加热手段之一。 高能中性束注入加热在j e t 、n s t x 、t f t r 、p d x 、p l t 哺6 刀等大型聚变 装置上都有应用。在实际应用中发现，n b i j j i 热可以使等离子体参数( 温度、 约束、b 值等) 阳j 1 们显著提高。目前，国际上n b i 加热技术已经非常成熟， 国际热核实验反应堆i t e r 上也是采用n b i j f l 热技术1 。而国内的中科院物 理所、中科院等离子物理所、西南物理研究院在实验工程和理论研究各方 面都做了许多的工作，也取得了许多重要的进展。从工程和实验方面看， 国际上超过2 0 m w 的高功率n b i 系统己能容易地实现，实验结果与理论符合 n 幻，可以用于聚变堆加热和电流驱动，同时n b i 系统灵活，可放置在真空 室外部进行单独运行和维护钉。 1 3 课题来源和目的 本课题来源于中国科学院重要方向性项目：强流离子源稳态运行的 关键技术与物理问题的研究一一4 m we a s t n b i 低温真空系统特性分析与 设计，该项目是中科院等离子体物理研究与合肥工业大学合作研究的。 本课题研究的目的是为了研究4 m we a s t - n b i 真空空间粒子分布对中性 束传输过程中再电离损失的影响，并最终确定低温真空系统的工程设计方 案。 1 4 课题研宄的主要内容及意义 项目研究的主要任务是在分析4 m we a s t n b i 低温真空系统的气源特性 2 的基础上，开展n b i 低温真空系统空间粒子分布特征以及压力分布特性分 析与性能优化，以最终确定该低温真空系统工程设计方案，为e a s t 装置建 立强流、高功率、稳态n b i 运行的瞬时抽气和真空性能稳定可靠、安全的 低温真空工程系统，达到中性化率高、再电离损失小、束流传输效率高。 本课题研究的主要内容如下： ( 1 ) 研究影响4 m w e a s t - n b i 系统真空空间粒子分布的气源特性，精确 计算各种气源的气体量。 ( 2 ) 根据4 m w e a s t n b i 的结构和工作原理，建立空间粒子分布模拟的 物理模型和碰撞面方程，用蒙特卡洛方法建立气体粒子的运动模型，采用 m a t l a b 软件把模拟方案编译成程序，对不同气源条件下的空间粒子分布进 行模拟计算。 ( 3 ) 通过实验数据验证模拟计算结果的可靠性和实用性，并在此基 础上对4 m we a s t - n b i 的束线进行总体设计，为4 m we a s t - n b i ( 以下文中均 以e a s t n b i 代称) 的研制提供理论和工程指导。 3 第二章e a s t n b i 系统的工作原理及结构 2 1e a s t - n b i 的工作原理 e a s t n b i 在托卡马克中的主要作用是加热托卡马克中的等离子体n 利。 中性束注入装置是把离子源引出的高能离子转化成高能中性粒子，并输送 到聚变装置中，既要提供足够的气体靶厚，以获得高效率的中性化，又要 求主真空室内的气压不超过一定的值，以减少再电离损失和对装置的气体 负载。 图2 1e a s t - n b i 工作原理示意图 e a s t n b i 工作原理如图2 1 所示：在离子源等离子体发生器中产生的 离子，经其束引出系统引出并加速成为能量达几十乃至上百k e y 的高能离 子束，高能离子束进入中性化室，其中一部分实现中性化成为高能中性粒 子束，中性粒子束经漂移管道注入到聚变装置的等离子体中，通过与电荷 交换和碰撞电离成离子后被磁场捕获，最终达到加热等离子体的目的。而 未被中性化的束线在经过偏转磁体时发生偏转，打到离子吞食器上并被其 吸收n 5 3 。 2 2e a s t - n b i 系统的组成单元及其功能 2 2 1e a s t - n b i 系统 e a s t n b i 就是这种利用对离子源产生的高能带电离子进行中性化n 刮， 形成高能中性束对托卡马克进行加热的系统。e a s t n b i 系统组成如图2 2 4 所示。一条束线设置两台离子源及与之相对应的柬传输与处理部件，束线 内部为两条束提供了相对独立的束通道，e a s t - n b i 系统可针对两条束中的 任何一条进行独立调试或正常运行。 图2 2e a s t - n b i 系统组成示意图 e a s t n b i 系统的核心单元中性束( n b i ) 注入装置的结构如图2 3 所示， 其典型组成包括电源系统、控制系统以及由离子源、中性化室、离子偏转 系统、功率测量靶、低温抽气系统等构成的束线。 图2 3 核心单元n b i 的总体结构示意图 图2 4 是e a s t n b i - 一维结构图，通过图2 4 日- - j 以看出e a s t 和n b i 的实际 装配以及进n b i 的各部件的实体结构及其装配。 5 2 2 2 离子源 图2 4e a s t n b i 实体结构装配示意图 n b i 装置中最关键的部件之一是大功率强流离子源。为了使e a s t n b i 有足够的运行灵活性，在其离子源的运行及控制上，要求与每台离子源相 对于的电源系统、控制系统、供气系统等均能独立运行、互不干扰。 e a s t - n b i 采用热阴极正离子桶式源，离子源的工作气体为氘气。 e a s t n b i 设计指标要求的束流强度为4 0 - 7 0 a ，按中性束功率与离子束功率 之比尸e , = o 烤虑，需要离子源提供8 0 一1 4 0 a 的离子束，鉴于国# f n b i 离 子源的设计经验及当前的机械加工水平，一条束线采用2 台相同规格的离 子源，每个离子源设计为引出7 0 a 的离子束流。 2 2 3 中性化室 中性化室的功能是提供满足一定指标要求的电荷转换靶，将来自离子 源的高能离子转换成中性粒子的装置。e a s t - n b i 采用气体电荷转换靶，中 性化室内的气体靶厚为可调节，中性化室的几何形状为矩形截面水冷结 构，其内截面尺寸为1 4 0 m m x 4 8 0 m m 。 2 2 4 离子吞食器 从中性化室出口进入真空室的高能粒子束中，未被中性化的部分无法 进入等离子体中，因此要对剩余的离子束进行剥离处理，使其不沿束柬传 输方向继续飞行。 离子吞食器是对由偏转磁体自束流中偏转出的离子进行处理的部件。 两个离子吞食器均采用“v ”字形结构，冷却方式为水冷靶，沿束流短边 方向进行开口，同时离子吞食器要在实际设计中要达到能承受3 0 份额的 功率沉积的要求。离子吞食器和中性化室在真空室中相对位置如图2 5 n 6 不： 图2 5 离子吞食器和中性化室在真空室中相对位置分布示意图 2 2 5 真空室及束线支撑调节系统 e a s t n b i 真空室主要功能是提供放置各功能部件的空间。采用三段式 圆桶形结构，根据内部部件的安放位置，在真空室上设计适当的窗口以提 供内部部件与外界的接口。 主真空室第一段内设置中性化室、离子吞食器、后低温冷凝泵、气体 挡板及相应的支撑吊挂结构，其三维结构如图2 6 n 示： 图2 6 主真空室第一段及其内部部件三维结构示意图 真空室第二段内设置偏转磁体及相应的支撑结构，其三维结构如图 2 7 所示： 7 图2 7 主真空室第二段桶体三维结构示意图 真空室第三段内设置前低温冷凝屏、功率测量靶及相应的支撑吊挂结 构，其三维结构如图2 8 所示： 图2 8 主真空室第三段桶体三维结构示意图 束线支撑调节系统是束线的安装基础，也是束线安装、维护与检修过 程中对其进行调整与移动的机构。束线支撑结构如图2 9 所示： 图2 9 束线支撑装置的三维结构示意图 束线调节系统的结构如图2 1 0 所示： 囤 图2 1 0 柬线调节系统的三维结构示意图 2 2 6 偏转磁体 偏转磁体的作用是使未被中性化的高能离子在经过偏转磁体时发生 偏转，使它们脱离己中性化的高能中性束。e a s t - n b i 设计采用1 8 0 度磁场 偏转方案，利用带电粒子在磁场中运动时所受到的洛伦兹力，通过施加一 个与束流方向垂直的磁场，将带电粒子偏转1 8 0 度以实现剥离。偏转磁体 的实体结构如图2 1 l 所示： 图2 1 1 偏转磁体三维结构示意图 为了满足e a s t - n b i 总体设计所规定的两条束均能独立调试和运行的 要求，自两个离子源引出的每条束所配属的偏转磁体均设计为可独立运 行。两条束所配属的偏转磁体均采用“h ”型铁轭电流励磁结构，且在机 械结构上组合成一个整体，主要由磁体铁轭、磁体线圈、磁屏蔽棒、保护 系统四大部分组成。磁体防护系统是磁体热负荷的主要承载部件，其主要 由磁体防护板、偏转磁体出入口束流限制器两部分组成，均采用设置有水 冷管的靶板结构，通过冷却水将部件沉积的热量带走。 2 2 7 漂移管道 漂移管道用于连接n b i 真空室和e a s t 装置，其由波纹管、电位隔离元 9 件、各测量窗口等共同组成。为了减小电离损失，在满足功能要求的前提 下漂移管道的长度应尽可能的短。 2 2 8 束功率测量系统 束功率测量系统主要用来测量束功率的大小，它可测量离子束与中性 束的功率，计算中性化效率的大小、衡量n b i 系统的性能。 功率测量靶的实体结构示意图如图2 1 2 所示，包括靶板、传动装置、 传动导轨、组装框架等。功率测量靶为水冷热惯性靶，测量脉冲宽度设计 为0 5 s ，均采用“v ”字形结构，开口方向为沿束流短边，开口形状为矩 形，开口尺寸为长4 9 0 m m 、宽2 8 0 m m 。功率测量靶有两种工作状态：在上面 时为完全截止状态，实现功率的测量；在下面时为导通束流状态。其工作 过程是靠涡轮蜗杆减速装置来实现的。 2 2 9 低温抽气系统 ： 图2 1 2 功率测量靶三维结构示意图 为获得最佳中性化效率，一般要求维持中性化室内的压力在l o 1 p a 量 级，具体大小可根据实验中束流参数的变化通过进气系统进行调节。真 空室内的动态压力为1 0 - 3 m 量级，在中性粒子的漂移段，理论上压力越低 柬的损失越小，但考虑到其压力应与聚变装置内的压力相匹配，漂移段压 力接近1 0 - 4 p a 。n b i 要求真空抽气设备具有10 5 口1 0 6 l s 量级乃至更高的对氢 或对氘抽速。为了满足n b i 主真空室的不同区域对真空度的不同要求，采 用差分式抽气结构n 8 1 9 1 。 对于以氘气为工作气体的n b i 而言，真空系统的负载气体主要是氘气。 低温泵有很多优点：低温冷凝泵可以使除氦意外的气体冷凝成固态，因 而能获得清洁的真空，能抽除水蒸汽和油蒸汽。极限真空度高，可达 l o - 1 3 p a 的极限真空度。有非常大的抽速，低温冷凝泵和低温吸附泵组合 在一起，可抽除各种气体( 包括氦) ，适合在气体负荷大、真空度要求高 1 0 的场合。作为大容量的排气系统，占地面积少，电力消耗少。有极大 的灵活性，可做成插入式，用于无法布置其他泵的场合。无振动、无噪 音、寿命长、结构简单等堙。因此，低温泵成为n b i 上最有前途的低温抽 气设备。e a s t - n b i 设计采用4 2 k 液氦低温冷凝泵作为主抽泵。 e a s t - n b i 低温冷凝泵以低温冷凝抽气屏的结构形式布置在真空室内 部，其布置示意图如图2 1 3 所示。e a s t - n b i 有两组低温冷凝屏：前低温冷 凝屏和功率测量靶布置在一起，呈圆片状，中间留有供束通过的孔，从而 起到挡板的作用；后低温冷凝屏呈圆环形，与真空室同轴的方式布置在中 性化室部位，在后低温冷凝屏与偏转磁体间设置专门的挡板，挡板中间留 有供束通过的孔。 图2 1 3e a s t = n b i 内低温冷凝屏的布置示意图 2 2 i 0n b i 电源系统的组成 n b i 的供电电源系统主要包括两大部分：一部分是由灯丝电源、弧流 电源等组成的离子源电源；另一部分是由梯度级分压、加速极正高压电源、 负高压电源等组成的束引出系统电源。 2 3 本章小结 本章首先结束了高能中性束注入器的工作原理，然后介绍了高能中性 束主系统的组成单元及其主体部分n b i 的结构和各个组成部分的功能。 第三章e a s t n b i 系统气源特性的分析 e a s t - n b i 系统的进气气源有两种：离子源进气和中性化室补充充气。 e a s t n b i 真空系统内部的气体负载主要有两大类：一类是由中性化室出口 进入主真空室的气体，这是气体负载的主要部分；另一类是因柬功率沉积 而产生的气体，这是气体负载的次要部分。这些气体作为源和中性化室的 工作气体在中性束注入装置内传递和扩散，是影响束再电离损失的关键因 素。 ， - 3 1e a s t - n b i 气路的简化模型 e a s t - n b i 系统气路简化模型瞳盯如图3 1 所示，在束传输过程中，束流 中的部分粒子将与束流限制器、离子吞食器、偏转磁体磁极护板等处的壁 面碰撞产生气体。图中仅给出了一台离子源及与之相对应的束传输过程， 一套n b i 装置虽设置有2 台离子源，但自2 台离子源引出的2 条束的传输结构 及传输过程完全相同，故在分析因束功率沉积而产生的气体量时，将2 台 离子源产生的2 条束看成是一条来进行考虑是合理的，后续讨论中若未特 别申明则均为合并考虑的情况。在分析计算因束功率沉积而产生的气体量 时，均假定沉积的束流粒子转化成等量气体并返回到e a s t - n b i 主真空室 中。 图3 1 中性束注入系统气路简化模型 图3 1 中各符号代表的意义如下： 只一离子源弧室的压力 q f 一离子源的进气量 1 2 尼一离子源引出面处的压力 已。一离子源引出面至中性化室补充充气口的流导 g ：一中性化室补充充气口至中性化室出口的流导 一离子源栅极的流导 q 一由中性化室进入s p o o l l 的气体量 忍一中性化室补充充气口处的压力 只一s p o o l l 内的压力 只一s p o o l 2 内的压力 只一s p o o l 3 内的压力 巳汀一e a s t 内的压力 q 翻盯一由n b i 进入e a s t 的总气体量 r 砌一离子源引出的高能离子束所相当的气体量 r 。一高能离子束通过中性化室后产生的中性束所相当的气体量 r 加一未被中性化的离子束经偏转磁场后打到离子吞食器上所相当的 气体量 r 肼一粒子打到x 处所相当的气体量，且假定与q l x 相等 墨一主真空室内第一区域的后端低温泵抽速 岛一主真空室内第二区域的后端低温泵抽速 是一主真空室内第二区域的前端低温泵抽速 墨一主真空室内第三区域的前端低温泵抽速 g ：一中性束出口对应挡板处的流导 q ：”一离子吞食器对应挡板处的流导 c 2 ，一功率测量靶对应挡板处的流导 c 3 一漂移管道的流导 3 2 由中性化室出口进入主真空室的气体量 根据e a s t n b i 的总体设计与基本工作原理，由中性化室出口进入主真 空室的气体量线可由公式( 3 1 ) 计算得出，即： 线= 如心+ 一纵 ( 3 1 ) 3 2 1 离子源头部进气气量 e a s t n b i 离子源头部进气气量大小可根据引出离子束流强、引出束流 质子比、离子源的气体利用效率进行估算。 n b i 以氘气( d 2 ) 为工作气体，为估算该n b i 两台离子源的总进气气 量，根据离子源的物理设计理论并参考国外同类装置的实际运行经验，相 1 3 关参数取值如下： 引出束流中4 + 、皿+ 、d 3 + 在总离子束流中所占的份额占。、占：、g ，分 别为0 8 、0 1 4 、0 0 6 自两台离子源引出的离子束总流强l = 1 4 0 a 离子源的气体利用效率仇。= 0 5 1p a i n 3( 假定气体温度为2 0o c 时) 的气体量按2 4 7 x 1 0 2 0 个分子考 虑，则由引出柬流中d l + 、d 2 + 、岛+ 的相对含量蜀、占：、占，和自两台离子 源引出的离子束总流强可得引出束流中三种离子所对应的2 0 0 c 时的等效 气体量( 单位砌s ) 为： 4 + ：岛2 而而砖秀赢1 4 1 7 ( 3 - 2 ) d 2 + ：q2 而而i 甄i o n x 丽5 2= 嗍6 ( 3 - 3 ) 讲：q = 丽而丐i , o x 瓦e 3 丽x 3 =0319(3-4) 故总引出束流中三种离子所对应的通常状况下的总等效气体量纰 ( 单位p a 衍s ) 为： q = q + q 2 + q 3 = 2 2 3 2 ( 3 5 ) 对e a s t - n b i 所采用的桶式离子源，取其气体利用率= 0 5 ，则 e a s t - n b i 两台离子源的总进气气量( 单位户口，1 3 s ) ： q 硝= 如= 4 4 6 4 ( 3 6 ) 3 2 2 中性化室补充充气量 对中性化室的补充充气量的大小，取决于中性化过程所要求的气体靶 靶厚、中性化室的结构、由离子源扩散到中性化室的气体量。 中性化室通过提供符合要求的电荷转换靶，将来自离子源的高能离子 转换成中性粒子，靶厚取最佳靶厚，从而使中性化效率达到最大，典型 参数( 束能量8 0k e v ) 运行的e a s t - n b i 所需的中性化气体靶靶厚 5 x 1 0 1 9 个m 2 。考虑到玻尔兹曼常数七= 1 3 9 x l 俨，k ，则在假定中性化 室气体温度t = 2 9 3k 的情况下可得以p a m 为单位表示的中性化室气体靶靶 厚为口0 s p a 珑。根据e a s t - n b i 自离子源至中性化室出口各处的结构设计、 典型束参数所要求的中性化气体靶靶厚、中性化室外部空间动态真空压力 设计值，经计算可得e a s t - n b i 两中性化室的总补充充气量 q 岫= 2 6 6p n 稿 s 。 1 4 3 2 3 由中性化室出口进入主真空室的气体量 由上述的计算分析结果并根据公式( 3 - 1 ) ，可得自两中性化室出口进 入e a s t - n b i 主真空室的气体量瓯( 单位p a 力5 ) 为： 既= q 淞+ 一既= 4 8 9 2 ( 3 7 ) 3 3 因束功率沉积而产生的气体 3 3 1e a s t - n b i 束传输过程中的柬功率沉积分布 束传输过程中的束功率沉积特性决定着束通道中不同部位的热流承 载部件热负荷的大小。离子源的等离子体发生器内产生的等离子体本身具 有粒子密度与温度的不均匀性以及动态不稳定性，且离子源静电加速系统 的静电场内的带电粒子束在旁轴条件下的运动规律与几何光学相似，存在 一系列的相差问题，这些均导致离子束自离子源引出时具有一定的发散 角，这种发散特性将存在于整个束流传输的过程中；而离子束自离子源引 出后在传输过程中会因空间电荷作用、横向扩散作用而不断发散。束产生 并传输到聚变装置过程中的发散会使的束斑不断增大，须在束通道的适当 位置设置束流限制器以对束斑尺寸进行限制。 对强流长脉冲运行的n b i ，由于引起束传输过程中束斑发散变大的因 素很多，并且离子源的运行对实验人员的理论与实验经验水平要求高，使 得不同的运行人员利用同- - n b i 开展实验研究也会出现差异较大的功率沉 积分布。图3 2 所示为e a s t n b i 中一条束的一组束功率沉积分布的典型值。 图3 2e a s t - n b i 中一条柬的一组束功率沉积分布示意图 如图3 3 所示e a s t - n b i 束生成与传输过程中的能量输入与束功率沉积 分布关系，可以更方便分析束生成与传输过程中的能量输入与束功率沉积 分布情况，更利于对束功率沉积产生的气体进行分析计算。 1 5 慈，陵孵罐羹鬣电旌藏酗囊耍嚏 o 2 w 0 材 0 铀i 州 口 味圈毒国寸幽l j 县9 图3 3e a s t - n b i 束生成与传输过程中的能量流动示意图 3 3 2e a s t - n b i 束功率沉积而产生气体的分析计算 在分析因束功率的沉积而产生的气体量时，假定在前述分析自中性化 室出口进入e a s t - n b i 主真空室的气体量的过程中，己将离子源出口束流限 制器、中性化室内壁处因束功率沉积所产生的气体量看成随束自离子源出 来的顺流气体，折算考虑到气体利用效率中。因束功率的沉积而产生的气 体量( 单位尸口j ) 的分析计算如下： ( 1 ) 中性化室出口束流限制器处因束功率的沉积而产生的气体量统。 假定中性化室出口束流限制器处的束功率沉积份额f l 。= 1 3 ，则因束 功率的沉积而产生的气体量： q o = g o f 工o = 0 0 2 9 ( 3 - 8 ) ( 2 ) 离子吞食器处因束功率的沉积而产生的气体量， 假定离子吞食器处的束功率沉积份额r 加= 2 6 ，则离子吞食器处因 束功率的沉积而产生的气体量： q 帅= 瓯r 咖= 0 5 8 ( 3 - 9 ) ( 3 ) 偏转磁体入口束流限制器处因束功率的沉积而产生的气体量骁。 假定偏转磁体入口束流限制器处的束功率沉积份额f 。，= 1 3 ，则因束 功率的沉积而产生的气体量： 骁l = 瓯r 工l = 0 0 3 6 ( 3 1 0 ) ( 4 ) 偏转磁体出口束流限制器处因束功率的沉积而产生的气体量骁： 假定偏转磁体出口束流限制器处的束功率沉积份额f n = 4 ，则因束 功率的沉积而产生的气体量： q 2 = 纰r 2 = 0 0 8 9 ( 3 1 1 ) ( 5 ) 偏转磁体磁极护板处因束功率的沉积而产生的气体量骁， 假定偏转磁体磁极护板处的束功率沉积份额f n = 9 ，则因束功率的 沉积而产生的气体量： 1 6 q 3 = 纰r 工3 = 0 2 0 1 ( 3 1 2 ) ( 6 ) 离子吞食器入口束流限制器因束功率的沉积而产生的气体量皱 假定离子吞食器入口束流限制器处的束功率沉积份额r ，。= 3 3 ，则 因束功率的沉积而产生的气体量： q 4 = q 。r “= 0 0 7 4 ( 3 1 3 ) ( 7 ) 漂移管道束流限制器处因束功率的沉积而产生的气体量g ， 假定漂移管道束流限制器处的束功率沉积份额f ：，= 1 ，则因束功率 的沉积而产生的气体量： q 5 = 既f 工5 = 0 0 2 2 ( 3 1 4 ) 3 4 本章小结 本章在e a s t - n b i 系统气路的简化模型的基础上，根据e a s t - n b i 的总 体设计与基本工作原理，对e a s t