中性束诊断电源系统及实验研究.DOC

中性束诊断电源系统及束流引出实验研究 张健1 刘保华1 胡立群1 杜少武2 HT-7DNB组1 1．中国科学院等离子体物理研究所，合肥 230031；2．合肥工业大学能源研究所，合肥 230009 摘要：中性束诊断（Diagnostic Neutral Beam,简称DNB）系统能够诊断等离子体离子温度和旋转速度等重要参数，为进一步研究等离子体的特性提供了有力的手段。文章介绍了该套中性束诊断系统中电源系统的组成、结构等；介绍了采用PLC、工控机、逻辑控制和定时单元等的计算机控制系统，控制系统各部分之间层次分明、结构清晰、任务明确。对起弧、束流引出等实验进行了研究，在多种参数下，通过调节弧压、进气量等手段来观察其对弧流的影响；在高压、弧流相配合的参数下，束流引出实验获得成功，初步实验结果表明，在高压35kV，弧流80A的情况下，高压电流可以达到3.6A，引出的中性束流功率可以稳定地达到50kW以上。 关键词：中性束诊断；电源系统；HT-7 中图分类号：TL62+ 3 文献标识码：A 一、引言 在等离子体诊断技术当中，中性粒子能谱是测量等离子体离子温度Ti的一种重要手段，另外还有激光集体散射、中子产额以及线光谱多普勒展宽等多种测量手段。带电的和中性的粒子束可以由各种离子源产生，它们的能量和飞行方向能够用电磁场来迅速地调变。根据粒子束和等离子体中的电子和离子及电磁场的相互作用，有可能测量多种参数。中性粒子射入等离子体后，会产生电荷交换的快速中性粒子，也会激发出特征光谱，测量中性粒子能谱就可以判断等离子体中的离子温度Ti。我们这套中性束诊断系统就是基于这一原理，主要用于诊断等离子体离子温度和旋转速度等参数的实验装置。 原理上，中性粒子诊断束（Diagnostic Neutral Beam,简称DNB）系统与中性粒子加热束（Neutral Beam Injection,简称NBI）系统基本相同，只是它们的用途不同，DNB系统主要用于诊断托卡马克中等离子体的物理参数，而NBI系统则主要是用于等离子体的二次强功率加热。这两套系统都是利用高能中性粒子不受约束磁场的影响，可以直接注入到等离子体中的原理，即首先利用高能离子与同元素中性气体的电荷交换过程实现中性化，然后再将高能中性化束注入托卡马克中与等离子体相互作用，从而达到诊断或者加热等离子体的目的[1]。区别在于用于诊断的中性束和加热束对束流品质有着不同的要求，诊断束具有强的聚焦能力，束斑较小，束流密度大，非常适合高空间分辨和高信噪比的测量，但是系统涉及到的技术更复杂，费用更高。国外也有装置利用中性粒子加热束代替中性粒子诊断束，但是由于利用中性加热束来实现诊断的目标时，对等离子体扰动大、空间分辨和测量精度比专用的诊断束系统获得的结果差很多。所以最近几年特别是在建的托卡马克装置上利用专门的中性诊断束已成趋势，我们这套中性粒子诊断束的优点是：不用依赖中性加热束而可以作常规诊断，对等离子体扰动小、空间分辨好、测量精度高。 本工作的主要任务就是对该套中性束诊断电源系统以及束流引出实验等进行研究。 二、电源系统概述 DNB电源系统的结构示意图如图1所示[2]。该套电源系统主要包括9套子电源系统，其中有4套灯丝电源，1套弧电源，1套缓冲器电源，1套加速极电源（正高压电源），1套抑制极电源（负高压电源），1套偏转磁体电源。另外还有梯度电源等附属配套电源系统。 图1 DNB电源系统结构示意图 Fig.1 Schematic diagram of the power supply system for DNB 该套DNB电源系统设计为允许束源每2min产生一个100ms的束流，各套电源的最大运行参数列于表1。 除了加速极电源以外，其余各路电源的初级输入电压均为480V(AC)。在束正常运行期间，加速极电压是一个宽度为100ms、幅度为0~50kV可调的脉冲高压，并且灯丝电源、弧 表1 电源系统运行参数 Table 1 Parameters of power supply system 电源 电压/V 电流/A 加速极电源 50000 7.3 梯度电源 44000 0.2 灯丝电源(4套) 12 160 弧电源 210 230 缓冲器电源 20 20 抑制极电源 -2500 1.5 偏转磁体电源 120 200 电源以及缓冲器电源等都浮在此高压上，而抑制极电源和偏转磁体电源均以地电压作为参考。为了保护栅极，系统要求在束打火时必须迅速切断高压电源，此时由四极管（EIMAC Y841）构成的调制电路可以在十几微秒内切断高压输出以保护加速极。在系统中还设计了一个由引燃管组成的撬棒(Crowbar)系统来提供对系统和四极管的保护，当四极管保护失效时，该撬棒保护