1、2A NBI2A NBI离子源的设计、离子束离子源的设计、离子束和电子束特性研究和电子束特性研究 报告人：雷光玖中性束加热研究、行波管研究组 2004.3.12提要：一、一、HL-2A NBI 设计设计 1. HL-2A 中性束系统参数。 2. 离子源物理设计及离子源工程设计完成情况二、涉及中性束系统方面的研究二、涉及中性束系统方面的研究 1. 单束离子束研究 a. 等离子体建立时间和气体密度的关系 b.单离子引出特性 c.不同能量下的束分布 d.实验结论和问题 2.离子源引出系统工艺研究 3.软磁材料 4.中性束离子偏转磁场的计算和测量 5.桶式等离子体发生器的会切场分布研究 三、三、RF
2、离子源调研。离子源调研。 四、四、电子束研究的进展电子束研究的进展 1.电子轨迹计算 2.实验进展。五、结尾五、结尾 注入离子注入离子 D , H 中性束能量中性束能量 60 keV 束功率束功率 4MW 脉宽脉宽 2 sec 注入方向注入方向 切线注入切线注入 离子源数离子源数 4（在一条束线上在一条束线上2个离子源个离子源） 束线数束线数 2HL-2AHL-2A中性束注入器中性束注入器HL - 2A离子源波纹管支撑系统副真空室主真空室偏转磁铁热测靶钛泵波纹管中性化器离子吞噬器HL - 2A NBI 束线系统结构示意图束线系统结构示意图闸阀闸阀束线离子源物理设计：离子源物理设计：1.源的总体
3、设计考虑2.桶式离子源的特点3.放电室的设计4.离子源中会切磁场的分布5.灯丝阴极设计6.放电稳定设计7.反向电子流问题的处理8.离子源放电参数的计算9.离子源引出系统设计10. 发射面的会聚（发散）小束散角11. 放电室和电极冷却12. 工程设计完成情况 离子源型离子源型 桶式桶式 离子加速方式离子加速方式 加速加速-加速加速-减速减速 小束形状小束形状 缝形缝形 电极冷却方式电极冷却方式 即时冷却即时冷却 离子种类离子种类 D , H 离子能量离子能量 60 keV 离子束离子束 流流 5 5 A 离子束功率离子束功率 3.3 MW 脉宽脉宽 2 sec 离子源参数：离子源参数： 桶式离子
4、源的特点桶式离子源的特点 是以局部的强磁场将放电室阳极屏是以局部的强磁场将放电室阳极屏蔽起来，而在很大的放电空间内保蔽起来，而在很大的放电空间内保持磁场几乎为零。这样既可约束等持磁场几乎为零。这样既可约束等离子体，又可避免强磁场引起的等离子体，又可避免强磁场引起的等离子体密度分布的不均匀性和不稳离子体密度分布的不均匀性和不稳定性。由于放电室定性。由于放电室阳极面积大部分阳极面积大部分被磁场屏蔽，使等离子体体积与离被磁场屏蔽，使等离子体体积与离子损失面积之比大大增加。从而增子损失面积之比大大增加。从而增加了带电粒子的约束时间，使离子加了带电粒子的约束时间，使离子源的气体效率，放电效率和质子含源的
5、气体效率，放电效率和质子含量都得到提高。量都得到提高。同时，桶式源还有同时，桶式源还有结构简单，使用方便等优点。结构简单，使用方便等优点。123456源的总体设计： 源型源型：桶式源。 几何结构几何结构 ：矩形结构 离子流密度离子流密度 ：引出电流密度限制在0.25A/cm2 电极透明度电极透明度 ：0.4 源的规模源的规模 ：HL-2A装置有两个注入窗口，采用两条注入束线，总的中性束功率4MW，每条束线2MW 放电室的设计：放电室尺寸： 55cm26cm 24cm会切场设计：高磁场强度的钐钴磁铁Sm-Co ）安装在放电室外壁产生多磁极线会切场形，放电室内表面的磁场强度1.3-1.7KG。轴向
6、线会切排列，沿放电室周边排列40列磁铁，长边26列，短边14列，长边磁铁间距为4cm（靠两端各为3.5cm），短边为3.5cm（靠边缘各为2.5cm）。放电室体积V=34.2103cm3,即34.2，放电室内表面积S=6.75103cm2,放电室体积与内表面积之比V/S=5.1，会切线长度L=1123cm。 灯丝阴极设计灯丝阴极设计 ： 灯丝形状：U字形灯丝不但使放电稳定、弧效率高，而且等离子体均匀度对弧压、供气率和磁场的变化不敏感。灯丝尺寸和数量灯丝尺寸和数量：灯丝直径1.5mm，灯丝长度20cm ，灯丝电压控制范围：10V-15V 。灯丝位置和摆放：1. 放置在无磁场区（B20G）2. 灯
7、丝距等离子体电极不能太近，否则引出束中原子离子的含量将下降，分子离子的含量将上升. 3.灯丝位置应避开反向电子的轰击。灯丝的两种工作模式:1.灯丝阴极可以工作在发射限制状态.2.空间电荷限制状态。 根灯丝排列示意图和灯丝形状 放电稳定设计 ：改变阳极面积。改变灯丝排列和灯丝电流方向。使灯丝阴极工作在发射限制状态。选择合适的气体和较高的弧压。使用D2放电代替H2放电。eeaeeaTnImKTenIA11107 . 3841 (3.2)式中，ne为等离子体密度（cm-3）,Te为电子温度（ev），Ia为放电电流（A） 有效阳极面积应满足 ： eeaeeaTnImKTenIA11107 . 3841
8、反向电子流问题的处理： 尽量降低源的气压； 加厚和成型抑制极； 放电室背极采用导热率高的无氧铜，将其厚度增加到5mm，使冷通道尽量靠近会切线； 对弧流进行反馈控制。 离子源放电参数的计算： 气压对放电特性的影响及气压参数 （略）。 放电电压对放电特性的影响及放电电压参数（略） 等离子体参数和会切磁场参数的计算（略） 灯丝阴极热电子发射电流 （略） 放电电流的计算 （略） 灯丝工作参数计算 （略） 供气率计算 （略）离子源引出系统设计离子源引出系统设计 ： 电极数目。 孔缝形状 。 聚焦方式。 电极引出面积尺寸的确定。 电极参数的确定。 大功率离子源大功率离子源引出引出- -加减加减- -减速四
9、电极系统（两级减速四电极系统（两级加速系统）加速系统）的电极结构示意图的电极结构示意图Vext=V1-V2 Vacc= V2-V3= V2+V3 Vdec= V3-V4=V3 V4=0 电压比=Vacc/ Vext纵横比S=r1/d1=a1/d1间距比f=d2/d1场比=/f发射面的会聚（发散）小束散角：2/1121202/111114 . 053. 011625. 0faaaappdaw 散角的值大于零为会聚，小于零为发散。P为引出间隙的导流系数，P=I/Vext3/2，Po为平面二极管导流系数。AZdadaMep2117211001071. 1294 束散角随导流系数束散角随导流系数P/P
10、0和电压比和电压比的变化：的变化： 孔缝形状孔缝形状 ： 采用缝形结构。0.4的电极透明度，引出面积573cm2 ， 透镜效应 ：=-2a/3d1 空间电荷场 ：Ey=y/0 等离子体密度不均匀造成的束散角： 33.2(a/d1)(ne/ne)聚焦方式 ： 长边（垂直方向）采用电极栅倾角聚焦。倾斜1.53。 短边（水平方向）不聚焦。 电极引出面积尺寸 引出电流55A 引出离子流密度0.24A/cm2 电极透明度0.4 引出面积573cm2 长边尺寸为42.4cm，短边尺寸为13.4cm。电极参数 ：每层电极片分成4块，每块短边缝的长度为13.4cm，长边尺寸分别为10cm,11cm,11cm,
11、10cm。电极材料均为无氧铜，电极冷却采用将冷却水管埋设在电极内的即时冷却束聚焦方式，长边采用倾角聚焦，将每层电极两边两块电极栅朝向轴线倾斜1.53，形成6m的束焦距，短边方向不聚焦。60KeV，55A，2S引出系统电极结构示意和数字模拟 ： 各电极电位分别是60KV，46KV，-2KV，0KV，电压比=3.43，电极间距比f=1.5场比/f=2.29，等离子体电极缝宽3.5mm,共50条缝，有效引出面积234.5cm2,电极透明度为0.4，按0.24A/cm2的引出离子流密度计算，引出离子流56.3A 电极间的绝缘电极间的绝缘 采用环氧玻布板做各电极间的绝缘子。绝缘子与各电极法兰用环氧胶和螺
12、钉在真空中分别固定，以免间隙中有气泡影响真空和绝缘。 根据模拟计算各电极间的电压分别为：u1=60KV; u2=42KV; u3=-2KV; 第一、二和三、四间的有效绝缘长度是2.5cm，第二、三间的有效绝缘长度为10.8cm。采用3240环氧酚醛层压玻璃布板，它的表面电阻率1107M，体电阻率104Mm完全满足绝缘要求。放电室和电极冷却放电室和电极冷却参数名称电压（V）电流（A）脉冲长（秒）产生的量(大卡)灯丝1027001064.53弧流8510502.553.3束能量600005521577.4 冷却水管为20.3的无氧铜管共计54根 水的流速为5.5m/s 泵的压力为1.5106Pa
13、离子源工程设计完成情况：1.等离子体发生器设计已经完成（工程图） 2.加速系统的工程设计已经完成（工程图） 二、涉及中性束系统方面的研究二、涉及中性束系统方面的研究 1. 单束离子束研究 a. 等离子体建立时间和气体密度的关系 b.单离子束引出特性 c.不同能量下的束分布 d.实验结论和问题 2.离子源引出系统工艺研究 3.软磁材料 4.中性束离子偏转磁场的计算和测量 5.桶式等离子体发生器的会切场分布研究 6.IGBT 和 MOSFET串联初探1- 放电室； 2- 灯丝支杆； 3- 送气管； 4- SmCo 永久磁铁； 5- 等离子体栅极； 6- 引出（地）电极； 7-高压石英玻璃绝缘环；
14、8- 固紧绝缘柱； 9- 聚四氟乙烯绝缘片； 10- 灯丝单束离子束研究*等离子体发生器会切磁场的分布图 在中心大约4.5cm区域内的磁场小于15GS，被称为无磁场区。这种结构保证在这个区域内的等离子体足够均匀。放电室壁附近的磁场强度约为2800GS。 放电功率与等离子体的密度0.000.010.020.030.040.050.060.00500.001000.001500.00Arc PowerSaturation Ion CurrentDensity Ji(A/cm2)- 1 001 02 03 04 05 09 7 8 09 8 3 09 8 8 09 9 3 09 9 8 01 0 0
15、 3 01 0 0 8 0t ( u s )0 . 0 0 8 1 P a0 . 0 0 1 8 P a0 . 0 0 1 3 P a0 . 0 3 4 P a0 . 0 7 5 P a等离子体建立时间和气体密度的关系v等离子体的建立时间在28s400s范围变化v真空在8.110-3Pa7.510-2Pa v存在最小上升时间的。气压工作范围（约3.610-3Pa） 等电位和场分布00.050.10.150.20.250.30.350.40.4512345678910 11 12 13 14 15 16Position(mm)Ip(mA)Vacc:1kvVacc:3kvVacc:5kvVacc:
16、7kvvacc:9kvVacc:11kvVacc:13kvVacc:13kvVacc:15kvVacc:16kv离子束在不同能量下的分布情况 研究结果认为离子引出的成束特性与引出电压，即加速区的电场大小有非常密切的关系，即理论上说的ji=jaec时，有最佳分布。 实验结论：1. 对于确定的等离子体密度，只有在能量大于一确定的值后， 才有较好的束特性。2. 等离子的稳定对离子的引出和加速很重要。3. 气体密度对等离子体放电、改善等离子体的建立时间、建立稳定的等离子体和加速离子和电子很重要。软磁材料:1.0840311.084031Bi64.664.6Hi806040200204060801.51
17、0.500.511.5B-H Curve of Aobig2.191885 1051.654974 104ui520.787Hi010203040506005 1041 1051.5 1052 1052.5 105超微晶软磁材料0.4456150.445615Ini354366Mi 140030020010001002003004000.60.40.200.20.40.6B-H Curve of Yibin_EH(A/M)B(T)5.517582 1031.000544 103Mui3546.1Mi 10501001502002503003504001000200030004000500060
18、00permeability of Yibin_EH(A/M)U成都铁氧体0.047470.04747Ini98.199.9Mi 1100 9080706050403020100102030405060708090 1000.060.0480.0360.0240.01200.0120.0240.0360.0480.06B-H Curve of SmallH(A/M)B(T)734.665263.434607Mui98.116.4Mi 110 14.5 19 23.5 28 32.5 37 41.5 46 50.5 55 59.5 64 68.5 73 77.5 82 86.5 91 95.5
19、100080160240320400480560640720800permeability of SmallH(A/M)u普通特氧体中性束离子偏转磁场的计算和测量实验测量和计算对比：电流Im(A)计算值(Gs) 测量(Gs)计算值-测量(Gs)247850790+60178613595+18140482500-18118406420-14桶式等离子体发生器的会切场分布研究050010001500200025000510离壁距离 厘米磁场强度 高斯ByBxv两方面的磁场随径向的变化v等离子体电极附近的高斯等磁曲线 0510152025300102030 051015202530010203005
20、10152025300102030不同平面内15高斯等磁线分布图 （a）Z1=25.5cm （b）Z2=18.5cm （c）Z3=6.25cmRF 离子源调研离子源调研 RF等离子体发生器主要由：大功率RF发生器，高压隔离耦合器，调配器，RF天线，由会切场约束的等离子体放电室，法拉第屏，送气系统、冷却系统等组成。 等离子体的密度（ni）: 1011-1012/cm3(可控) 等离子体的体积约：25cm55cm19cm 等离子体的均匀度（在引出区域）：70KV 脉冲宽度（）：2S大功率RF离子源放电室和电源连接示意需要研究的内容：需要研究的内容：由RF激发的等离子体产生技术等离子体约束技术RF天
21、线技术由RF激发的等离子体特性研究由RF激发的等离子体均匀性研究在高RF功率密度条件下，等离子体发生器涉及的材料研究等离子体诊断和测量系统大功率射频电源系统的研制射频能量的馈送、匹配，高压隔离技术其他相应的研究。最终研制一套等离子体密度在1011-1012/cm3的由RF驱动的大功率等离子体发生器真空系统和送气系统电子束研究的进展电子束研究的进展 电子束密度已经达到了20A/cm2,电子束流达7A，能量达21Kev, 出功率达140KW。束脉宽达0.2ms-6ms, 27mm的地方电子束径为6mm。弄清楚了等离子体电子枪的一些基本特性。如引出密度和电子能量的关系；放电功率与等离子体密度的关系；
22、引出电压与束散角的关系、电极电流的关系；找到了最佳引出条件；气体密度与等离子体建立时间关系等等。为下一步的研究准备了非常重要的实验数据。同时也证明了热阴极等离子体电子枪是可行的，设计是正确的。 电子束轨迹计算024681001020304001020304050600123456789101112131415mmAt 27mmat 37mm 18KV0123456780102030405060mmIe(mA)MovableProbe1MovableProbe2MovableProble3结尾结尾 1. 1.2A NBI设计、2A 离子源的物理设计和工程设计方面的进展。对于离子加速系统的计算、功率部件的传热的计算、离子偏转的轨迹和在各部件上的离子沉积密度、离子传输、中性粒子的再电离以及气体密度在真空中的分布等等工作还需要继续进行。 2.实验研究方面如下工作需要进行：电极冷却研究、单束特性研究、绝缘材料和缓冲器实验等。 3.工艺方面：电极的焊接工艺、精密加工等
