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会切场离子源放电参数的变化对放电特性的影响 核聚变与等离子体物理 2009年第29卷 第一期 中性束注入（NBI）是加热Tokamak等离子体的重要手段之一。在2007年7月到12月的调试实验中，单个离子源的最大引出束流达到24A，最高离子束功率达到0.8MW。在2008年1月进行的HL-2A的中性束注入实验中，单条束线安装了两个桶式离子源，其引出束能量为28keV,引出总离子流达21.5A，离子束功率600kW。在中性束注入期间，等离子储能（W_E），热辐射测量（Prad_07）,电子回旋测量（MECE）,软X射线测量（SX）等诊断信号有明显变化。中性粒子分析器（NPA）显示等离子体离子温度由400eV上升到1000eV。 为了得到更高的加热功率，对离子源放电特性的研究是完善和提高源的性能的非常重要且不可缺少的工作。本文针对这一目的对离子源放电参数变化对弧放电特性的影响进行了一些研究和总结。 1离子源及放电参数测量方法 HL-2A会切场离子源为圆桶形，放电室内部直径26cm，深度24cm。放电室顶端法兰布置有灯丝及送气设施，另一端接引出电极，引出区域直径17.4cm。灯丝法兰布置有9根灯丝阴极，每根灯丝采用长15cm,直径为1.5mm的钨丝。灯丝支架由钼杆加工而成，钼杆一端供插入灯丝用，另一端为M8螺杆，旋入法兰上的可阀电极。放电室侧壁均匀装有36列钐钴永磁体，磁体截面为长方形,长208mm, 宽6mm,厚10mm，磁极表面离放电室内表面为0.3cm，源端面法兰放置18列磁铁，呈放射形排列。 对于放电参数的测量，我们采用了磁平衡式霍尔电流传感器来测量灯丝电流以及弧电流，用分压电阻测量灯丝电压以及弧电压。对于放电室的气压，我们采用薄膜真空规进行测量，该规的气压测量分辨力可达0.01。 在等离子体诊断方面，我们采用了静电探针。静电探针处于负偏压状态，相对于放电室壁（阳极）的偏置电压为-100V—-120V，用来测量等离子体的饱和离子流密度。 2实验结果及分析 在离子源弧放电过程中主要的放电参数有：工作气体（氢气）的气压，总的灯丝加热电流，弧电流,弧电压和饱和离子流密度等。在一定的条件下，某些参数的变化将引起弧放电特性的改变。 2.1 源腔气压变化对弧电压的影响 保持弧电流，灯丝加热电流不变，当增加源腔气压的时候，可以观测到，弧电压会随着气压的增大而减小，如图1所示。 图1 弧电压与气压的关系 考虑到一束速度为v,密度为的电子沿某一方向注入气体，气体原子的密度为,对电离过程而言，每一个原子的电子电离截面为，电子的截面积可以忽略，同时气体的密度不大，可以忽略气体原子截面的重叠，则时间单位体积内电子与气体发生电离碰撞的个数为： 可以看出，当增加气压时会随着气压的升高而增大。因为弧电压大部分加在了双鞘层之间，电子经过双鞘层通过加速得到能量，其速度与弧电压的关系式为： 其中，为弧电压，和为电子电荷和质量。要保持时间内与气体发生电离碰撞的电子数不变，就要靠减小弧电压来减小电子速度。所以，在保持弧电流不变的情况下，可以观测到图1中弧电压与气压的关系曲线。 2.2气压的变化对弧放电的稳定性的影响 根据稳定放电中离子的产生和损失的平衡关系和双鞘层稳定性条件可以得到： 其中，为原初电子占有的体积，为阳极面积，为阴极表面积。该式确定了维持稳定放电所需的最低气压，低于这个气压就很难维持稳定放电。在我们的实验中观察到，当气压较低时，存在着一种张弛振荡现象，这时放电在较大的弧电流较低的弧电压状态与较小的弧电流较高的弧电压状态间来回的振荡，这种现象叫做“弧荒”。 2.3气压的变化对弧效率的影响 离子源的弧效率的定义为： 其中，为引出电流，为弧功率。 在改变气压时，可以看到，离子源的弧效率开始会随着气压的升高而迅速升高，当气压达到一定的值（约0.35）后，气压的变化对弧效率的影响较小，如图2所示。 图2气压对弧效率的影响 在源腔气压变化对弧电压的影响可知，在气压增加的情况下，要保持弧电流不变就必须降低弧电压；在保持相同的弧电压的情况下，气压的增高有助于弧电流的增加。因此，无论在上述哪种情况下，相应地弧效率都会随着气压的增加而变大。气压大于0.35的时候，气体原子的密度增加，因此离子与气体原子碰撞的机会率增加，这有可能造成离子的损失增加。 2.4 灯丝电流的变化对弧电流的影响 将气压限定为左右,当增加灯丝电流时，可以观测到弧电流明显地随着灯丝电流增加，如图3所示。 图3灯丝电流与弧电流的关系曲线 这是因为电离氢气所需要的原初电子是靠灯丝加热电流加热灯丝产生的。理论上饱和热电子发射流密度与发射体绝对温度（开）的关系为: 其中，是表面逸出功（电子伏），是波尔兹曼常数，、分别为电子的质量和电荷,是一个常数。增加灯丝电流会是使灯丝温度升高，进而使灯丝发射的饱和电子流密度