基于ASIPP NBI 射頻負(fù)氫離子源氣體流量控制設(shè)計(jì)

張進(jìn)新 景艷陽(yáng) 魯祥友*

(安徽建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院,安徽 合肥230601)

隨著中性束系統(tǒng)對(duì)強(qiáng)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(qiáng)流離子源。射頻驅(qū)動(dòng)離子源具有壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝維護(hù)方便、無(wú)電極污染、供電系統(tǒng)簡(jiǎn)單、等離子體密度高、引出束流均勻易控制等優(yōu)點(diǎn),成為國(guó)內(nèi)外聚變中性束注入系統(tǒng)用強(qiáng)流離子源研究的重要內(nèi)容[1]。ITER 中性束在2007 年選用了基于射頻激勵(lì)放電的負(fù)離子源[2]。EAST(全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置)NBI 現(xiàn)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(diǎn),不能滿足未來(lái)聚變裝置長(zhǎng)脈沖穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的要求。因此ASIPP(中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所)NBI 團(tuán)隊(duì)已經(jīng)進(jìn)行了射頻離子源的研制,并取得了一些成果[3]。ASIPP NBI 測(cè)試設(shè)施的射頻離子源結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 射頻離子源三維設(shè)計(jì)圖

1 放電氣壓的計(jì)算

ASIPP NBI 射頻測(cè)試裝置的射頻驅(qū)動(dòng)離子源的功率源,采用的頻率為1MHz。根據(jù)相關(guān)計(jì)算,功率源在RF 線圈上產(chǎn)生的高頻電場(chǎng)傳遞給離子源驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的單位體積內(nèi)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(chǎng)的頻率,m 為電子質(zhì)量,ne為電子數(shù)量電子數(shù)密度,E0是高頻電場(chǎng)的振幅。當(dāng)V=ω 時(shí),電子從電場(chǎng)吸收功率最大。

按照射頻驅(qū)動(dòng)離子源放電計(jì)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(shí)驗(yàn)運(yùn)行時(shí)應(yīng)根據(jù)功率的不同調(diào)整放電氣壓,以獲得更好的運(yùn)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(jìn)而導(dǎo)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(jù)實(shí)際的射頻功率調(diào)整放電氣壓。

2 進(jìn)氣量計(jì)算

在經(jīng)典情況下,離子源放電需要的進(jìn)氣量推導(dǎo)如下:將引出束中離子的總原子數(shù)與饋入弧室的氣體總原子數(shù)之比,稱為氣體效率,可表示為:

式(2)中,Ib 為引出束流,Q 為進(jìn)氣量,e 為元電荷,2.66×1017為標(biāo)準(zhǔn)溫度下每pa·L 氣體中的分子數(shù)。ηi和μi(i= 1,2,3)分別是引出束中H+,H2+,H3+所占百分比和質(zhì)量數(shù)。

在經(jīng)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(jù)公式(2)可解得標(biāo)況下的進(jìn)氣量:

3 氣體流量控制

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體流量的精確控制,采用了氫氣發(fā)生器、氣體存儲(chǔ)瓶、減壓閥、電磁閥、Sensirion 公司的SFC5400 型質(zhì)量流量計(jì)(MFC)以及Swagelok 針閥的氣路結(jié)構(gòu),控制系統(tǒng)控制電磁閥的開閉、質(zhì)量流量計(jì)的大小,進(jìn)氣控制系統(tǒng)的示意圖如圖2所示。

圖2 氣體流量控制系統(tǒng)示意圖

設(shè)定真空室的體積為V,分子泵以及其前級(jí)泵組的有效抽速為S,那么在dt 時(shí)間內(nèi),真空泵組抽出的氣體量為PSdt,壓強(qiáng)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(gòu)成,以滿足其內(nèi)部的等離子體放電,其中包括環(huán)氧樹脂,該材料放氣率、漏氣率相對(duì)較高,另外,在進(jìn)行等離子體放電過程中,需要向真空室內(nèi)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(jìn)氣的條件下,上式可以改為:

假設(shè)等離子體激發(fā)時(shí)的進(jìn)氣量為Qw1,束引出時(shí)的進(jìn)氣量為Qw2,那么進(jìn)氣過程中,壓強(qiáng)隨時(shí)間的變化為:

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)過程中,通過設(shè)定控制界面值得大小調(diào)整輸出電壓大小,輸出電壓控制進(jìn)氣量。因此,控制界面值范圍和進(jìn)氣量之間通過換算,是1:1 的關(guān)系,也即是設(shè)置的值即為進(jìn)氣量大小。

另外,考慮到離子源上不方便安裝規(guī)管測(cè)量真空,規(guī)管放置在束線真空室的外接法蘭上,該處測(cè)量得到的真空值與離子源內(nèi)部真空值在放電期間肯定會(huì)有差別。為了簡(jiǎn)化模擬計(jì)算過程以便于快速實(shí)現(xiàn)對(duì)放電氣壓的實(shí)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(jiān)測(cè)點(diǎn)。雖然不能真實(shí)反映出離子源內(nèi)部放電氣壓的實(shí)時(shí)狀態(tài),但可以作為參考、控制的依據(jù)。并且,規(guī)管選用的是全量程規(guī)管,測(cè)量誤差為10%,因此僅供定性分析計(jì)算,具體模擬的壓力變化圖如圖3 所示。

圖3 在不同進(jìn)氣量下的壓力變化圖

進(jìn)氣量作為重要的電氣參數(shù),不僅影響著等離子體發(fā)生器中源等離子體穩(wěn)定均勻的產(chǎn)生,而且影響著加速器中自由電子的產(chǎn)額。本文分析計(jì)算了加速器中主要的粒子反應(yīng)過程及自由電子產(chǎn)額,設(shè)計(jì)和完成了進(jìn)氣量影響反向電子流的實(shí)驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),實(shí)驗(yàn)與理論預(yù)期一致,隨著進(jìn)氣量的增加,不僅損失更多的束離子,而且產(chǎn)生更多的自由電子,同時(shí)也增加了電極間的擊穿風(fēng)險(xiǎn)。因此,離子源運(yùn)行過程中需要控制和減少進(jìn)氣量。這對(duì)抑制束離子的極間再電離損失和反向電子的產(chǎn)額有重要作用,繼而也對(duì)離子源長(zhǎng)脈沖高功率下安全問題運(yùn)行中降低熱負(fù)荷和打火擊穿概率有重要意義。

5 結(jié)論

通過模擬和實(shí)際驗(yàn)證,高進(jìn)氣量大小和進(jìn)氣時(shí)間決定等離子體激發(fā)時(shí)的氣壓,低進(jìn)氣量大小決定束引出的電流,等離子體密度等。通過調(diào)整進(jìn)氣量和進(jìn)氣時(shí)間,可以保證等離子體激發(fā)時(shí)所需要的氣壓以及束引出時(shí)所需要的氣壓。模擬與實(shí)際幾乎相同,考慮到規(guī)管測(cè)量具有一定的誤差以及一定的遲滯,總體上結(jié)果比較滿意。