10cm射频离子源工程设计与初步实验

论文摘要

在核聚变研究中,大功率强流中性束注入是主要的等离子体二级加热手段。射频离子源由于其寿命长、可靠性强、易维护等特点,成为国际热核实验堆（ITER）等离子体加热用离子源。作为ITER计划的成员国之一,我国也应该积极开展大功率强流射频离子源的相关研究工作。讨论了射频离子源中的一些基础问题。射频离子源工作时,放电室内发生着带电粒子在空间复合和在边界表面上中和两种过程。带电粒子在边界表面上的中和是放电室室壁材料选取所需要考虑到的主要因素。射频功率的耦合分为电容耦合和电感耦合两种耦合方式。根据放电机构的不同,射频放电可分为第一类放电（低压射频放电）和第二类放电（中高压射频放电）。大功率强流射频离子源放电气压不是很低,属于第二类放电。在介绍射频离子源工作原理和设计思想的基础上,研制出一套内径为10cm、高12.4cm的射频离子源样机。主要从机械加工安装、真空密封、冷却等因素对实验样机进行设计,并利用CATIA机械绘图软件对该实验样机主体部分进行三维建模。射频离子源主体由等离子体放电室、耦合天线、约束磁场、冷却系统、诊断系统、启动灯丝、送气系统和真空抽气系统等部分组成。阻抗匹配网络是将射频功率发生器的功率耦合到放电室内的重要部分,L型阻抗匹配网路可以实现耦合天线与射频功率发生器之间的阻抗匹配,从而达到最大功率的输出。运用朗缪尔双探针对射频离子源放电室内的电子温度和等离子体密度进行诊断。同时,9个法拉第筒组成的阵列用来测量等离子体引出束流分布。在初步实验中,当射频功率为50W和100W时,电子温度分别为12.9eV和14.8eV,等离子体密度分别达到1.1×101 4 /m3和1.8×101 4 /m3;束流分布较为均匀,且其分布曲线与ASDEX-U中性束射频离子源的束流分布一致。设计了一套10cm射频离子源,并在较小的射频输入功率下进行了一系列的实验。掌握了大功率强流射频离子源设计的一般规律,有助于进一步研究更大尺寸的射频离子源。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题概述
• 1.2 中性束注入器的工作原理和作用
• 1.3 大功率强流离子源研究的发展与现状
• 1.4 本文主要研究内容
• 2 射频离子源基本概念与原理
• 2.1 放电室内带电粒子的复合
• 2.2 射频功率耦合方式
• 2.3 射频放电形式
• 2.4 大功率强流离子源的主要技术参数
• 2.5 本章小结
• 3 射频离子源工程设计
• 3.1 工作原理
• 3.2 基本结构设计
• 3.3 阻抗匹配网络设计
• 3.4 本章小结
• 4 初步实验与结果分析
• 4.1 测量装置与实验方法
• 4.2 初步实验及结果分析
• 4.3 本章小结
• 5 全文总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 电子温度及等离子体密度测量实验数据
• 附录2 束流分布测量实验数据