EAST-NBI 離子源電極打火分析及處理

許永建 張 黎,2 謝亞紅 蔣才超,2 梁立振 胡純棟

1（中國科學院等離子體物理研究所 合肥 230031）2（中國科學技術(shù)大學 合肥 230026）

EAST-NBI 離子源電極打火分析及處理

許永建1張 黎1,2謝亞紅1蔣才超1,2梁立振1胡純棟1

1（中國科學院等離子體物理研究所 合肥 230031）2（中國科學技術(shù)大學 合肥 230026）

強流離子源是 EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak)中性束注入器(Neutral Beam Injector, NBI)最關(guān)鍵的核心部件，其能達到的性能在很大程度上決定了EAST中性束注入器所能達到的指標。離子源在束引出時電極打火現(xiàn)象偶有發(fā)生，這對于離子源的正常運行有非常嚴重的影響，甚至危害離子源的壽命。本文結(jié)合離子源運行過程中的束引出實驗波形和水流量熱計(Water Flow Calorimetry, WFC)系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)得出等離子體發(fā)射面的束流光學系統(tǒng)一直處于非最佳聚焦狀態(tài)是導致打火的原因，試通過優(yōu)化高壓投入時刻等離子體與高壓的匹配，實現(xiàn)高壓的穩(wěn)定投入有效抑制打火現(xiàn)象的發(fā)生，并且給離子源加入硬件保護機制，為離子源安全穩(wěn)定運行奠定基礎(chǔ)。

離子源，束引出，電極打火，水流量熱計

在核聚變實驗研究中，中性束注入加熱(Neutral Beam Injection, NBI)是4種輔助加熱手段中加熱效率最高、物理機制最清楚的手段[1?6]。在 EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak)磁約束實驗裝置上，設(shè)計兩條中性束注入系統(tǒng)，分別為位于A窗口同向注入的NBI-1和F窗口反向注入的 NBI-2。兩套 NBI裝置的設(shè)計束能量為 50?80keV，束功率為2?4 MW，束脈寬為10?100 s。

為獲得良好束參數(shù)的離子源，每臺離子源在安裝到EAST-NBI系統(tǒng)前，需要在NBI測試臺上進行鍛煉測試。每臺離子源需要達到50 kV/100 s的長脈沖調(diào)制束引出和4 MW/1 s的高功率束引出[7?8]。在2015年的EAST物理實驗中，首次實現(xiàn)了兩套NBI系統(tǒng)協(xié)同加熱等離子體，并取得了很好的實驗結(jié)果。

強流離子源是NBI系統(tǒng)中最精密的部件，在離子源運行過程中，引出電極打火現(xiàn)象偶有發(fā)生，尤其當?shù)入x子體放電參數(shù)和束引出電壓不匹配時，束光學特性較差，打火現(xiàn)象會頻繁發(fā)生[9]。此時，束電極因雜散束的轟擊會造成其溫升異常，嚴重時可能引起電極損壞而漏水，造成整個NBI系統(tǒng)無法工作，帶來巨大的損失。本文針對以上所提引起NBI發(fā)生打火的相關(guān)因素，結(jié)合相關(guān)的診斷手段，研究離子源發(fā)生打火的原因，為離子源的運行提供更加準確的指導，確保離子源的安全穩(wěn)定運行。

1 離子源結(jié)構(gòu)介紹

NBI系統(tǒng)的主要部件為：強流離子源、束傳輸系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、束診斷系統(tǒng)、真空抽氣系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)等。其中，離子源是NBI系統(tǒng)中最重要的核心部件，也是最精密的部件。NBI強流離子源主要由兩大部分組成：一是用于產(chǎn)生大體積、穩(wěn)定、均勻的高密度等離子體的等離子體發(fā)生器；二是用于引出等離子體中的離子以形成高能離子束的大面積多縫束引出系統(tǒng)（圖1）。等離子體發(fā)生器包含了放電室（也稱弧室）、作為放電陰極產(chǎn)生初始電子的燈絲、形成會切磁場用于約束初始電子和等離子體的永久磁體、作為放電陽極的反向電子吸收板等。束引出系統(tǒng)的作用是引出等離子體中的離子以形成高能離子束，其由4層電極形成的靜電引出加速系統(tǒng)組成，分別是等離子體電極(Plasma Grid,PG)、梯度電極(Gradient Grid, GG)、抑制電極(Suppressor Grid, SG)和地電極(Exit Grid, EG)。

水流量熱計(Water Flow Calorimetry, WFC)診斷是中性束注入系統(tǒng)中對束線運行過程中引出束在各部件上的能量沉積進行測量的一種通用手段[10]。它通過測量流經(jīng)各待測部件的冷卻水流量及冷卻水進回水溫差，計算出各待測部件上的能量沉積，根據(jù)計算結(jié)果可確定束功率沉積分布。離子源的各引出電極均有水冷卻管路，通過測量各層電極的進回冷卻水溫升，可以推測離子源在引出離子束時的運行情況。

圖1 EAST-NBI離子源原理結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch of EAST-NBI ion source.

2 離子源束引出物理模型分析

理想平面二極管是束引出系統(tǒng)（三電極或四電極）的理論基礎(chǔ)，束聚焦類似于膜孔透鏡原理。對于縫形的孔欄，膜孔的焦距可用式(1)表示(Davisson-Calbick)[11]：

式中：V是孔欄的電壓；E1和E2分別是孔欄左邊和右邊的場強。對于引出系統(tǒng)的第一電極，與等離子體接觸，等離子體中電子和離子向電極運動，并形成單鞘層。鞘層的形成即決定了其電場E2的大小。電極右邊的電場 E2由第一電極和第二電極間的電位差決定，可通過調(diào)節(jié)兩電極間的電位差來調(diào)節(jié)引出束的焦距。等離子體第一電極對于引出束的發(fā)散角有重要的影響，一般根據(jù)等離子體的放電狀態(tài)調(diào)節(jié)電極的電位來調(diào)節(jié)束的發(fā)射面，如圖2所示。

圖2 束引出時的聚焦情況(a) 欠聚焦，(b) 最佳聚焦，(c) 過聚焦Fig.2 Types of beam focusing.(a) Under-focus, (b) Optimum focus, (c) Over-focus

在束引出過程中，引出電壓是一定的，當?shù)入x子體密度保持恒定時，假設(shè)此時為最佳引出電壓V*。當且只有在引出電壓 V與 V*相等時，束流光學系統(tǒng)達到最佳匹配狀態(tài)，使發(fā)射面形成最佳聚焦位置，引出束散角最?。▓D2(b)）。當引出電壓與最佳電壓不相等時，束引出過程的聚焦情況主要分為兩個過程：當 V＜V*時，等離子體密度相對過大，發(fā)射面呈凸狀，形成欠聚焦，如圖2(a)所示；反之，V＞V*時，等離子體密度相對過小，發(fā)射面呈凹狀，形成過聚焦，如圖2(c)所示[12]。分析可知，當束引出時呈過聚焦或欠聚焦時，引出束的發(fā)散束會打在電極上，同時產(chǎn)生較多的二次電子，如圖3所示。

圖3 束引出過程中離子與電極的碰撞示意圖Fig.3 Schematic diagram of collision between ions(electron) and grids.

束引出過程中，各加速電極溫升原因（圖 3）如下：1) 對于 PG，它的溫升來源于弧室內(nèi)的等離子體的熱量沉積，以及加速離子與GG碰撞產(chǎn)生的二次電子反向加速轟擊產(chǎn)生的熱量沉積；2) 對于GG，熱量沉積主要是加速離子的碰撞以及加速離子與 SG碰撞產(chǎn)生的二次電子反向加速后的轟擊；3)對于 SG，熱量沉積主要來自于發(fā)散加速離子的轟擊；4) 對于EG，主要的溫升來自于加速離子對它的轟擊[13]。因此，各加速電極溫升明顯異常是因為打在各電極上的加速離子和加速離子與電極碰撞產(chǎn)生的二次電子急劇增多造成的。在離子源異常運行情況下，帶電粒子轟擊電極會造成其溫升異常，利用 WFC診斷系統(tǒng)可以定性判斷電極溫升異常的區(qū)域，為研究離子源發(fā)生打火的原因給予定性的分析。

3 實驗現(xiàn)象分析與處理

在一系列中性束注入實驗中，偶有電極打火現(xiàn)象發(fā)生，本文選取了電極溫升異常的一炮（炮號：7801），并選取了初始設(shè)定參數(shù)相同且正常束引出的7799炮作對比，通過研究兩炮的電極溫升差異，得出其離子源運行異常的可能原因。兩炮的離子源運行參數(shù)由表1給出，圖4給出了束引出時相關(guān)參數(shù)的波形圖。

由表1可知，在離子源初始設(shè)置參數(shù)幾乎完全一致的條件下，7801和7799這兩炮的實測參數(shù)值的燈絲電壓、弧流、高壓電流和抑制極電流有差異，兩者的設(shè)定脈沖均為3 s，但在實際束引出過程中，炮號為7801的在束加載期間出現(xiàn)參數(shù)不匹配，從而導致束發(fā)散，雜散束會轟擊到引出電極上，產(chǎn)生二次電子并反向加速轟擊電極造成更差的束光學。圖4為束引出過程的實驗波形圖，由圖 4(a)可清楚看到整個放電過程中兩炮參數(shù)的變化情況：在起弧階段，兩炮的參數(shù)沒有明顯的區(qū)別，但在束引出即加上高壓后，7801炮的抑制極電流約是7799炮的4倍，它的高壓電流峰值也達到了近100 A，高壓電流過流保護中止束運行，該炮僅持續(xù)了0.3 s。圖4(b)為束引出瞬間放電波形的局部放大圖，可以看出，在引出瞬間，7801炮的弧流明顯高于7799炮，且它的探針電流所達到的最小值明顯比 7799炮小很多，并且在探針電流趨于穩(wěn)定時，7801炮的數(shù)值也明顯較高。

表1 離子源的運行參數(shù)Table 1 The operating parameters of ion source.

圖4 束引出的實驗波形 (a) 各參數(shù)的放電波形圖，(b) 引出瞬間局部放大圖Fig.4 The waveforms of beam extraction. (a) The electrical parameters of beam extraction, (b) Local amplification of electrical parameters of beam extraction

為進一步分析造成電極打火的原因，利用WFC測得的數(shù)據(jù)對束引出過程中各加速電極的溫升進行分析。在束引出過程中，用WFC系統(tǒng)采集到的7799炮與7801炮的電極溫升情況如圖5所示：1) 在正常情況下，PG溫升最高，EG溫升最小且沒有超過1 oC；2) 在打火時，除等離子體電極外，其他三個電極的溫升都明顯異常，尤其是 EG，它的溫升約為PG的三倍；3) 在實測的溫升圖中可以明顯看出打火炮的 SG溫升比正常炮的要高出很多，與表 1中的抑制極電流較高相互驗證。

為進一步分析在束引出時的打火情況，研究束引出瞬間的各參數(shù)變化情況（圖4(b)）。在束引出初始階段，兩炮的探針電流變化和抑制極電流變化一致，7801炮的探針電流本應(yīng)在下降到一定時跟7799炮一樣上升，但其探針電流卻繼續(xù)下降到更低點，在達到最低點時，7801炮的抑制極電流卻急劇變大，這是因為等離子體密度過小導致等離子體發(fā)射面呈凹狀形成過聚焦導致的。與此同時，過聚焦使束打在電極上的離子增多，產(chǎn)生更多的二次電子經(jīng)反向加速進入弧室，使放電室電離度進一步增加，等離子體密度升高。等離子體密度過大導致發(fā)射面呈凸狀形成欠聚焦，離子源無法建立一個穩(wěn)定的束流光學狀態(tài)。從圖4中可以看出，異常炮的探針信號在后期始終高于正常炮，導致束流光學系統(tǒng)一直處于欠聚焦狀態(tài)，最終導致電極間打火，放電終止。

圖5 EAST-NBI離子源各加速電極的溫升Fig.5 The cooling water temperature rise of accelerating electrodes.

4 討論和結(jié)語

本文通過對束引出初期的束光學及束流在引出電極上的熱量沉積分析，結(jié)合7799炮和7801炮的束引出波形和 WFC數(shù)據(jù)，研究了離子源打火過程中的主要過程。在束建立初期等離子體密度過低導致束過聚焦，過聚焦使打在電極上的加速離子增多產(chǎn)生更多的二次電子進入弧室，放電室內(nèi)的電離度增加導致其等離子體密度較高形成欠聚焦且一直處于此狀態(tài)。在束引出前，正常炮與異常炮無明顯區(qū)別，但在束引出瞬間即加上高壓后，7801炮的參數(shù)波形較 7799炮發(fā)生了明顯變化，說明高壓投入期間，高壓的上升和密度的上升不匹配，使得離子源運行參數(shù)發(fā)生了異常變化導致電極打火。為了避免這樣的情況出現(xiàn)，需優(yōu)化高壓投入時刻等離子體與高壓的匹配，降低外界對離子源運行參數(shù)的干擾，從而實現(xiàn)高壓的穩(wěn)定投入。由于離子源打火無法避免，為了盡可能地降低打火對離子源電極的損傷，考慮為離子源加入硬件保護機制，如在抑制極回路中加入di/dt保護模塊并設(shè)定保護閾值，當電流突變超過閾值，切斷高壓終止束引出，以免對離子源電極產(chǎn)生損害。

1 Hu C D, Xie Y H, Xie Y L, et al. Overview of development status for EAST-NBI system[J]. Plasma Science and Technology, 2015, 17(10): 817?825. DOI:10.1088/1009-0630/17/10/02.

2 Wan B N, Teams H T. Recent experiments in the EAST and HT-7 superconducting tokamaks[J]. Nuclear Fusion,2009, 49(10): 593?598. DOI: 10.1088/0029-5515/49/10/104011.

3 許永建, 栗翔, 胡純棟, 等. EAST-NBI反向電子吸收板換熱計算與分析[J]. 核技術(shù), 2016, 39(10): 100602. DOI:10.11889/j.0253-3219.2016.hjs.39.100602.XU Yongjian, LI Xiang, HU Chundong, et al. Analysis of heat transfer capacity of electron dump on EAST-NBI[J].Nuclear Techniques, 2016, 39(10): 100602. DOI:10.11889/j.0253-3219.2016.hjs.39.100602.

4 Xie Y H, Hu C D, Liu S, et al. Upgrade of accelerator of high current ion source for EAST neutral beam injector[J].Fusion Engineering & Design, 2015, 100: 265?268. DOI:10.1016/j.fusengdes.2015.06.058.

5 Hu C D, Xu Y J, Xie Y L, et al. The recent development of the EAST neutral beam injector[J]. Chinese Physics Letters, 2015, 32(5): 39?42. DOI: 10.1088/0256-307X/32/5/052901.

6 Xu Y J, Hu C D, Xie Y L, et al. A new method of rapid power measurement for MW-scale high-current particle beams[J]. Nuclear Instruments & Methods in Physics Research, 2015, 795: 196?199. DOI: 10.1016/j.nima.2015.05.061.

7 胡純棟, 許永建. EAST中性束注入器最新研制進展[J].核技術(shù), 2015, 38(11): 110603. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.110603.HU Chundong, XU Yongjian. The latest development of EAST neutral beam injector[J]. Nuclear Techniques, 2015,38(11): 110603. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.110603.

8 Hu C D, Team NBI. Achievement of 100 s long pulse neutral beam extraction in EAST neutral beam injector[J].Plasma Science and Technology, 2013, 15(3): 201?203.DOI: 10.1088/1009-0630/15/3/01.

9 陳宇, 胡純棟, 許永建, 等. EAST中性束注入器水流熱量累積測量系統(tǒng)誤差分析[J]. 核技術(shù), 2016, 39(3):030602. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2016.hjs.39.030602.CHEN Yu, HU Chundong, XU Yongjian, et al. Error analysis of water flow calorimetry system of EAST neutral beam injector[J]. Nuclear Techniques, 2016, 39(3):030602. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2016.hjs.39.030602.

10 Hong R, Kellman D, Santamaria G, et al. Beam current regulation of DIII-D neutral beam long pulse ion source[J]. 13th IEEE Symposium on Fusion Engineering,1989, 2: 987?990. DOI: 10.1109/fusion.1989.102383.

11 Coupland J R, Green T S. Ion-beam deflection in extraction electrodes[J]. Nuclear Instruments and Methods, 1975, 125: 197?199. DOI: 10.1016/0029-554X(75)90574-1.

12 趙玉清. 電子束離子束技術(shù)[M]. 西安: 西安交通大學出版社, 2002.ZHAO Yuqing. Technology of electron beam and ion beam[M]. Xi’an: Xi’an Jiaotong University Press, 2002.

13 Xu Y J, Hu C D, Xie Y L, et al. Analysis of the cooling water temperature rise of accelerating electrodes in EAST neutral beam injector beam extraction[J]. Chinese Physics Letters, 2013, 30(3): 399?406. DOI: 10.1088/0256-307X/30/3/032901.

Analysis and processing of breakdown of ion source for EAST neutral beam injector

XU Yongjian1ZHANG Li1,2XIE Yahong1JIANG Caichao1,2LIANG Lizhen1HU Chundong1
1(Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China)
2(University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

Background: The high current ion source is a key component of neutral beam injector, and its reachable performance determines the achievable targets of the experimental advanced superconducting tokamak (EAST)neutral beam injector (NBI). Electrode breakdown of ion source happens occasionally during the beam extraction,which has a very serious impact on the normal operation of ion source and even endangers the life of the ion source.Purpose: This paper aims to analyze the reason of breakdown and propose improvement measures. Methods: The waveforms of beam extraction and the data of water flow calorimetry (WFC) of the abnormal shot of 7801 and normal shot of 7799 were studied. Results: The analysis shows that the cause of breakdown is the dual effect of over-focus and under-focus of extraction beam. Optimizing the matching of the plasma and the high pressure can effectively reduce the phenomenon of breakdown, and in order to protect ion source, a hardware protection mechanism is added. Conclusion: The analysis results lay a foundation for the safe and stable operation of ion source.

Ion source, Beam extraction, Electrode breakdown, Water flow calorimetry

XU Yongjian, male, born in 1977, graduated from Graduate University of Chinese Academy of Sciences with a doctoral degree in 2009,

XIE Yahong, E-mail: xieyh@ipp.ac.cn

date: 2017-02-24, accepted date: 2017-06-07

TL65+4

10.11889/j.0253-3219.2017.hjs.40.110603

國家自然科學基金(No.11405207、No.11675215)、中國科學院等離子體物理研究所基金(No.DSJJ-15-GC03)資助

許永建，男，1977年出生，2009年于中國科學院研究生院獲博士學位，現(xiàn)為副研究員，主要從事中性束診斷及實驗研究

謝亞紅，E-mail: xieyh@ipp.ac.cn

2017-02-24，

2017-06-07

Supported by National Natural Science Foundation of China (No.11405207, No.11675215), Institute of Plasma Physics Foundation of Chinese Academy of Sciences (No.DSJJ-15-GC03)

associate research fellow, focusing on neutral beam diagnosis and experimental research