兆瓦級強(qiáng)流離子源長脈沖運(yùn)行分析及實(shí)驗(yàn)研究

謝亞紅 劉 勝 蔣才超 潘軍軍 許永建 趙遠(yuǎn)哲崔慶龍 謝遠(yuǎn)來 胡純棟

（中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所 合肥 230031）

磁約束聚變能是未來最有希望解決能源問題的途徑之一。為了實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)，聚變等離子體需要達(dá)到上億度的高溫，為此，除了歐姆加熱外，聚變等離子體還需要強(qiáng)大的輔助加熱。中性束注入系統(tǒng)是重要的聚變等離子體輔助加熱手段之一。隨著磁約束聚變能研究的發(fā)展，對中性束注入系統(tǒng)的要求越來越高，朝著高能量（MeV）、高功率（幾十兆瓦）和長脈沖（幾十秒到小時量級）的方向發(fā)展［1-3］。強(qiáng)流離子源主要用于產(chǎn)生高密度等離子體，并引出其中的離子形成具有一定束能量和光學(xué)特性的離子束，是中性束注入系統(tǒng)的核心部件。強(qiáng)流離子源能達(dá)到的參數(shù)基本決定了中性束注入系統(tǒng)的性能，為此首先需要實(shí)現(xiàn)強(qiáng)流離子源的長脈沖穩(wěn)定運(yùn)行。在強(qiáng)流離子源運(yùn)行過程中，不可避免的出現(xiàn)加速器電極打火等故障態(tài)，從而中止離子源的運(yùn)行。鑒于強(qiáng)流離子源在運(yùn)行過程中容易出現(xiàn)打火的現(xiàn)象，開展了離子源打火的因素分析，研制了強(qiáng)流離子源打火再起的自調(diào)整技術(shù)，從而在離子源打火后經(jīng)過毫秒量級的調(diào)整后能繼續(xù)離子束的引出，為強(qiáng)流離子源的長脈沖穩(wěn)定運(yùn)行提供技術(shù)支持和經(jīng)驗(yàn)積累。

1 熱陰極強(qiáng)流離子源

強(qiáng)流離子源采用傳統(tǒng)的熱陰極桶式離子源［4-6］，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。離子源通過加熱陰極燈絲發(fā)射初始電子，在陰極燈絲和弧室之間加載弧電壓，利用弧電壓產(chǎn)生的電場引出和加速電子，高能電子通過電離實(shí)驗(yàn)氣體產(chǎn)生等離子體。針對大面積離子源，在放電室周圍安裝永久磁體形成會切約束磁場，約束等離子體以形成大面積均勻的等離子體［7-8］。離子源加速器采用四電極結(jié)構(gòu)，包括了等離子體電極、梯度電極、抑制電極和地電極［9-11］。加速器為縫型引出電極，引出截面為100 mm×480 mm，電極透明度達(dá)到0.6。在離子源運(yùn)行過程中，為了保障離子源處于良好的束流光學(xué)，需要等離子體參數(shù)和加速器各電極上加載的電壓參數(shù)匹配，從而使引出束的束散角最?。?2-13］。

圖1 強(qiáng)流離子源結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic view of high current ion source

束聚焦類似于膜孔透鏡原理［12］，對于縫形的孔欄，膜孔的焦距為：

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(qiáng)。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(yùn)動，并形成鞘層。鞘層的形成即決定了其電場E1的大小。電極右邊的電場E2由第二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，從而控制引出束流的散角。在一定的引出電壓下，不同等離子體密度下有過聚焦、平行束和發(fā)散三種典型狀態(tài)［10，14］，如圖2所示。

圖2 四電極加速器三種典型束引出狀態(tài)Fig.2 Three typical envelopes of beam extraction for tetrode accelerator

在熱陰極離子源運(yùn)行過程中，由于陰極燈絲的自加熱和高能反向電子進(jìn)入放電室會引起等離子體密度的增加［15］，從而導(dǎo)致具有良好束流光學(xué)的束光學(xué)參數(shù)的失配，部分引出離子會轟擊到加速器電極上，最終引起電極打火而終止運(yùn)行［16］。針對該問題已經(jīng)研制了基于等離子體密度的實(shí)時反饋系統(tǒng)，利用等離子體密度實(shí)時反饋控制弧電源的電壓輸入，從而控制獲得穩(wěn)定的等離子體放電，控制離子源運(yùn)行處于最佳運(yùn)行區(qū)［17-18］。

在高功率長脈沖運(yùn)行過程中，離子源依然會受到諸多因素的影響，包括陰極燈絲提供初始電子的穩(wěn)定性、實(shí)時反饋運(yùn)行對等離子體運(yùn)行的穩(wěn)定性、長時間下引出區(qū)等離子體的密度均勻性和穩(wěn)定性、加速器高壓電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性（直接決定加速器各電極之間的電場穩(wěn)定性）、真空系統(tǒng)的穩(wěn)定性和長時間運(yùn)行下的熱流部件的穩(wěn)定性和外界的干擾等，離子源的運(yùn)行參數(shù)依然會出現(xiàn)變化，因此，強(qiáng)流離子源仍然會出現(xiàn)打火情況（主要表現(xiàn)形式），從而終止離子源的運(yùn)行，強(qiáng)流離子源的長脈沖穩(wěn)定運(yùn)行依然有極大的挑戰(zhàn)［19-20］。

2 基于打火再起的強(qiáng)流離子源長脈沖運(yùn)行技術(shù)

針對離子源出現(xiàn)打火的情況，分析了強(qiáng)流離子源的運(yùn)行特性，提出了基于打火再起的強(qiáng)流離子源自調(diào)整方法。該方法的基本原理是對離子源運(yùn)行關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)異常情況后（主要表現(xiàn)形式是打火，或關(guān)鍵參數(shù)的增加或降低）立刻關(guān)閉正負(fù)高壓和弧電源輸出，終止離子束的引出，從而避免對加速器電極的傷害，隨后在幾十毫秒重新產(chǎn)生等離子體，在百毫秒內(nèi)重新啟動正負(fù)高壓，繼續(xù)進(jìn)行束的引出和加速，通過自調(diào)整恢復(fù)離子源處于穩(wěn)定的狀態(tài)，從而延長離子束的引出。針對熱陰極大功率離子源，前期已經(jīng)開展了基于打火再起的自調(diào)整方面的研制工作，并且獲得了單次再起的自調(diào)整運(yùn)行，有效的延長強(qiáng)流離子源的運(yùn)行脈寬，初步驗(yàn)證了該方法的可行性［21-22］。

離子源的自調(diào)整運(yùn)行方法中，對引起離子源打火的關(guān)鍵參數(shù)的分析非常重要。熱陰極強(qiáng)流離子源在運(yùn)行過程中，有諸多因素可以影響離子源的穩(wěn)定運(yùn)行，根據(jù)對離子源損傷的嚴(yán)重性對不同參數(shù)進(jìn)行了風(fēng)險等級分類，其中高風(fēng)險參數(shù)造成的離子源打火，必須中止運(yùn)行不繼續(xù)束引出，如電源整流側(cè)出現(xiàn)故障、進(jìn)氣或抽氣故障，說明設(shè)備本身故障，重新運(yùn)行后恢復(fù)的可能性較小或無法短時間恢復(fù)，離子源在這種情況下無法正常運(yùn)行，或者運(yùn)行后的束流光學(xué)較差，對電極的損傷極大，因此必須中止離子源的運(yùn)行。對于其他一些情況，如弧過流、高壓過流（打火）、抑制電極過流、連鎖信號受到干擾等可以在中止離子源運(yùn)行后重新束的引出，從而延長束的脈寬。打火再起的控制邏輯關(guān)系如圖3所示。

圖3 打火再起邏輯關(guān)系圖Fig.3 Logic diagram of beam re-turn on

結(jié)合物理分析與工程實(shí)驗(yàn)測試初步結(jié)果開展了再起時序投入對等離子體產(chǎn)生與匹配引出影響分析，優(yōu)化了打火再起的時序控制方案（如圖4所示），即離子源運(yùn)行參數(shù)出現(xiàn)異常（如打火）后，迅速關(guān)斷離子源的運(yùn)行，并利用連鎖保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行離子源運(yùn)行狀態(tài)巡檢，判定是否具備再起條件，若巡檢通過則弧電源啟動（考慮等離子體放電的連續(xù)性和弧電源的響應(yīng)時間，弧電源再起時間最小可以設(shè)置20 ms），等離子體迅速建立，待等離子體穩(wěn)定后正負(fù)高壓電源再啟動，最終實(shí)現(xiàn)離子束的再次引出。

圖4 優(yōu)化后的打火再起時序關(guān)系圖Fig.4 Control logic for beam re-turn on of ion source after optimization

3 基于打火再起的離子源運(yùn)行自調(diào)整實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在離子源運(yùn)行及故障態(tài)分析的基礎(chǔ)上，對離子源的控制系統(tǒng)、連鎖保護(hù)系統(tǒng)和電源系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化升級并進(jìn)行了測試，具備在離子源出現(xiàn)異常后短時間內(nèi)重新運(yùn)行的條件，其中控制系統(tǒng)根據(jù)需要可以給各被控系統(tǒng)發(fā)送故障復(fù)位及運(yùn)行指令；各電源系統(tǒng)等具備關(guān)斷后接受故障復(fù)位并在幾十毫秒后可重新輸出；連鎖保護(hù)的故障鎖存可接受控制系統(tǒng)的復(fù)位并進(jìn)入巡檢等等。考慮離子源的安全，首先進(jìn)行模擬故障下的空載系統(tǒng)測試，測試了電源系統(tǒng)、連鎖保護(hù)和控制系統(tǒng)是否可以在故障能按照既定邏輯關(guān)系和時序重新運(yùn)行，完成后進(jìn)行單次打火情況下的自調(diào)整束引出實(shí)驗(yàn)，逐步拓展多次運(yùn)行異常下的離子源束引出拓展實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過測試和優(yōu)化，打火再起系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性逐步提高，實(shí)現(xiàn)了兆瓦級強(qiáng)流離子源的多次打火再起運(yùn)行，典型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 基于打火再起的離子源長脈沖運(yùn)行典型波形圖Fig.5 The typical waveform of long pulse operation with beam re-turn on technology

從圖5 可以看出，離子源在運(yùn)行過程中出現(xiàn)了三次“打火”的情況，如果在沒有“打火再起”技術(shù)支持的情況下，離子源的運(yùn)行脈寬將在8.5 s 左右（第一次打火處），而離子源在基于“打火再起”的自調(diào)整技術(shù)下，陰極燈絲繼續(xù)運(yùn)行，關(guān)閉弧電源輸出和正負(fù)高壓輸出，在80 ms 后控制系統(tǒng)給故障電源復(fù)位并巡檢各設(shè)備的狀態(tài)，隨后發(fā)送電源重新輸出的指令，弧電源首先輸出以產(chǎn)生等離子體，在300 ms后正負(fù)高壓輸出重新引出離子束，從而達(dá)到持續(xù)引出離子束的目的。在典型炮中，離子源在運(yùn)行過程中經(jīng)歷了3 次打火再起，最終完成設(shè)定的27 s 離子束的引出，達(dá)到既定的運(yùn)行脈寬。

長脈沖運(yùn)行對束流的連續(xù)性也有一定的要求，但打火再起受電源重新啟動、緩沖器重新工作以及打火對離子源造成影響的恢復(fù)時間等因素的影響，很難在極短的時間再次引出離子束。在現(xiàn)有測試平臺開展了最短測試時間為80 ms，后續(xù)也將根據(jù)整個系統(tǒng)的狀態(tài)繼續(xù)開展優(yōu)化工作，盡量降低打火再起的時間間隔。

4 結(jié)語

經(jīng)過對強(qiáng)流離子源的運(yùn)行特性分析和運(yùn)行優(yōu)化，研制了基于“打火再起”的離子源運(yùn)行長脈沖運(yùn)行自調(diào)整技術(shù)，當(dāng)連鎖保護(hù)系統(tǒng)檢測到異常運(yùn)行時對故障信號進(jìn)行分析，滿足離子源重新運(yùn)行的條件時，控制系統(tǒng)給故障設(shè)備發(fā)送故障復(fù)位指令和重新啟動運(yùn)行脈沖時序，繼續(xù)進(jìn)行離子束的引出。該技術(shù)在兆瓦級熱陰極強(qiáng)流離子源上進(jìn)行了測試，成功的進(jìn)行了多次“打火再起”下的運(yùn)行測試，獲得了束功率兆瓦級的幾十秒離子束引出，驗(yàn)證了基于“打火再起”的離子源運(yùn)行自調(diào)整技術(shù)的可行性和可靠性，為高功率中性束注入系統(tǒng)的長脈沖運(yùn)行提供技術(shù)支持和經(jīng)驗(yàn)積累，助力國家磁約束聚變能研究。

作者貢獻(xiàn)聲明謝亞紅：負(fù)責(zé)研究的提出及設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)的收集和整理、文章的起草和最終版本的修訂；劉勝：負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)的組織和實(shí)施；蔣才超：負(fù)責(zé)電源控制系統(tǒng)的優(yōu)化和運(yùn)行；潘軍軍：負(fù)責(zé)頭部電源的改造和運(yùn)行；許永建：負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)診斷；趙遠(yuǎn)哲：負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)優(yōu)化；崔慶龍：負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)優(yōu)化和實(shí)驗(yàn)運(yùn)行；謝遠(yuǎn)來：負(fù)責(zé)束傳輸系統(tǒng)運(yùn)行及實(shí)驗(yàn)協(xié)調(diào)；胡純棟：負(fù)責(zé)技術(shù)指導(dǎo)。