离子源等离子体发生器电源系统ASIPP

ASIPPNBI离子源等离子体发生器电源系统刘智民，胡纯栋，刘胜，韩筱璞，李军，王绍虎中国科学院等离子体物理研究所中性束注入加热课题组ASIPPIonSourceIonDumpsCryopumpCalorimeterBendingMagnetTurbomolecularpumpvalveTokamakHT-7超导托卡马克中性束注入器（NBI）为单台离子源大功率脉冲注入器，采用22cm双潘宁离子源，是在原PLT装置的NBI基础上建立起来的，注入器设计能量45keV，流强60A，脉宽100～300ms，注入功率700kW。ASIPPNBI双潘宁离子源结构示意图1、阴极灯丝柱；2、中间电极；3、一号阳极；4、二号阳极；5、引出栅电极；6、阴极区进气孔；7、磁铁线圈；8、二号阳极进气孔；9、会切磁场永磁体ASIPPNBI供电系统由灯丝电源、磁场电源、弧电源、进气气阀电源、加速极正高压电源、抑制极负高压电源和偏转磁场电源等组成。ASIPPHT-7NBI供电电源系统的主要参数SupplyVoltage(V)Current(A)Duration(s)Regulation(%)Ripple(%)灯丝电源Filament0-150-5000-60011弧电源Arc0-1500-10000-0.533源磁场电源SourceMagnet0-60-1000-6011加速极电源Accel0-500000-600-0.315负高压电源Deccl0-50000-80-0.311偏转磁场电源BendingMagnet0-500-5000-1011气阀电源GasValve0-1500-10-111ASIPP离子源三电极电极结构HT-7NBI系统采用了22cm双潘宁型离子源，其工作原理是由灯丝发射热电子，在阴极与中间电极之间的腔体内震荡，使工作气体电离，建立起阴极区等离子体；再利用阳极电场将阴极区等离子体中的电子引出至二号阳极所围真空室内；这些电子在一号阳极、二号阳极和加速极之间的电场作用下，电离该区域的工作气体，建立阳极区等离子体。在引出系统，经过高压加速极、负高压抑制极和接地极，引出高能离子束.ASIPP离子源是中性束注入器的核心部件，在受控核聚变应用的离子源是强流、大功率、长脉冲甚至稳态运行的。作为离子源头部等离子体发生器的电源系统主要是灯丝电源、磁场电源、进气气阀电源和弧电源.离子源等离子体发生器电源系统ASIPP2.32.42.52.62.72.82.93.001234567891011121314151617181920J/(A.cm-2)T/103K灯丝电源作用是将离子源内钨阴极加热到足够温度发射热电子，从灯丝寿命和工作温度的关系证明，灯丝的温度最好不要超过2800K；灯丝温度在2300K以下阴极基本上没有发射电子的能力；灯丝温度过高，灯丝柱部件往往有电子发射，造成在灯丝盖板上镀出金属膜层，其它部件是否会熔化,支撑部件是否会发射电子而造成不利影响，灯丝电流大于100A时，接触点电流密度大，灯丝很容易烧断。离子源灯丝的理论参数为：灯丝直径0.12cm，阴极负载电压为15V时，加热电流从70A变化到100A。离子源灯丝电源ASIPP灯丝电源基本参数：电源主电路由整流模块,大功率晶体管串联调整,电感电容滤波单元组成:•输出直流电压0-15V，•输出直流电流0-500A，•电流稳定度±1%，•输出纹波±1%,•阴极负载采用4根直径1.2mm的并联钨阴极，或者氧化物阴极；•设定过流保护500A。1L11C71R81V21V1101V611V601V591R701R211R191R181V11V581R201R171V81V571V61V51R161V71R121R101R111V4V1P31V31C8稳流放大输入1R91C91C10+A1P2灯丝负灯丝正1R61R51R41C41C51C61R31R21R11C11C21C31R71R151R131R141RV1++1X11X21X3灯丝电流灯丝电压电压反馈电流反馈灯丝电源基本电路ASIPP灯丝预加热电流调整电路•金属钨丝有较高的正温度系数，其冷态、热态电阻相差可达十倍左右；钨阴极达到热平衡稳定发射热电子的时间，一般约需5秒以上，灯丝才达到稳定的热电子发射状态；•所以，采用电流预加热电路，预先计算维持时间，这样能够确保加热灯丝迅速达到工作温度，并且延长将其使用寿命。•预先加热电流取平均每根灯丝40±10A为宜，这样当灯丝电流工作在450A程度时，在脉宽100～2000ms的时间内能够保持稳定的平顶。没有阴极预加热的电流与电压波形采用阴极预加热电流方式的波形ASIPP灯丝极性的不同接法：•直热阴极型式中阴极灯丝的不同接法，其电流分布也是不同的。•设灯丝正极电流为If，弧电源电流Ia，假设弧流沿整个灯丝路径是均匀分布的，那么依据连接方式可以分别计算出在公共负极引线上的电流为：(a)If+Ia；(b)If-Ia；(c)If+Ia/2和If-Ia/2。•可见，灯丝的不同接法在负极引线上的电流分配是差别很大的。所以，通过经常更换灯丝连接方式，也可以极大地提高灯丝的使用寿命。(a)(b)(c)ASIPP离子源磁场电源离子源螺线管线圈磁场对阴极产生的电子流起到轴向磁压缩作用，磁场电源向螺线管线圈提供6V、80A、10s的恒流源，稳流精度±1％。离子源约束磁场线圈结构，是由20匝外径12mm紫铜管环绕制成，围绕在离子源放电室外围，紫铜管内通以循环去离子水冷却，计算线圈阻值约为40mΩ。根据离子源约束磁场线圈的性能要求，磁场电源采用了三相整流电路稳流电源的基本电路：输入电压三相380V，输出直流电压0～12V，输出直流电流0～100A，电流稳定度±1%。离子源磁场线圈结构图ASIPP离子源进气气阀电源•气阀电源通过调节PV-10型压电晶体阀门控制工作气体（H2或D2）的流量，脉冲气阀电源输出直流方波电压0～120V，脉冲周期≤2ms的连续脉冲串，调节脉冲幅值和脉宽来改变进气量。•在离子源上采用两套Vecco公司的PV-10型压电晶体阀门。根据压电晶体阀的工作原理，和离子源的进气状态，需要准确测量PV-10压电阀门进气量与阀门电源控制特性之间的关系。主要工作参数：阀门阈值电压为40VDC，正常工作电压为50-100VDC输出直流方波电压范围为U＝0～120V预置阀值电压U1≈40V，方波由脉冲周期≤2ms的脉冲串组成.气阀电源工作波形ASIPP•对PV-10压电晶体阀进气过程的标定根据真空动力学原理，在气体压电阀开启情况下，单位时间内流到真空系统内的气体量为Q，决定于充气系统内的压力值Po，真空室内的压力值Pi，和压电阀的流导Cp：CpPiPoQ)((1)机械泵2XZ-8(2)分子泵(3)插板阀(4)真空室(5)规管DL-3(6)压电阀(7)压电阀电源(8)控制计算机(9)针阀(10)标准小体积容器(11)薄膜规CMR271(12)针阀(13)氢发生器GCD-300(14)多功能真空计TPG256A(15)复合式真空计ASIPP离子源弧电源离子源弧电源为产生高密度、大面积均匀稳定的等离子体提供能量。离子源弧电源设计采用了三相整流加IGBT脉宽调制的方案，电源主回路由三相可控桥式整流模块（容量2000A），LC滤波组件（100µH、1000A电感器和250V、1.2µF电容器），IGBT脉冲开关（Semikron公司1803GB122-3D，额定参数1800A/1200V，工作频率为10-20KHz），以及取样、放大、驱动和保护电路组成.弧电源主要参数：输出直流电压0～150V，输出直流电流0～1000A，电流稳定度±3%，脉冲宽度0.1～0.5s，脉冲上升沿50μs，弧压分断时间100μs，工作周期3～8min。ASIPP离子源弧电源控制系统框图ASIPPMATLAB仿真分析：IGBT驱动信号占空比及上升沿波形，对弧电源输出电压和电流的调节控制.信号周期0.8s占空比η=0.3的输出波形信号周期2s占空比η=0.7的输出波形ASIPP•电源控制方面，通过60kV高压隔离整流变压器，对悬浮在高压电位上的离子源头部各套电源装置供电；•电源的脉冲控制信号通过数字光纤传送，电参数通过多路A/D变换后由光纤传送，到达地电位的主控室计算机控制和数据处理系统；•在总控制台设置电压和电流参数信号，经过幅频转换和光纤传送至高压平台上的各套电源，输出电流和电压的测量信号在高压平台上经过取样运算，经由幅频转换线性光纤传送至总控制台数据采集计算机；•电源运行指令由控制台PLC发出，经过数字光纤上传到各套电源，故障信号、连锁控制信号等经过数字光纤传输到PLC控制计算机。ASIPPNBI束线装置高压隔离控制与数据传输系统ASIPPNBI装置束线主真空室内部设置了设计抽速4×105L/s大抽速低温冷凝泵，在4.2K液氦冷却的冷凝面工作状态下，极限真空度达到10-5－10-6Pa数量级，动态真空度10-3Pa数量级，具备了离子源放电进入到调试高品质稳定弧流的实验条件。离子源阴极使用4根直径1.2mm金属钨丝，获得了稳定的低电流长脉冲放电模式，以及稳定的强弧流短脉冲放电模式。离子源起弧放电实验ASIPP•离子源低电流长脉冲的放电模式炮号为705121和705122的低电流长脉冲起弧放电，参数分别为200A/1300ms和180A/1500ms的高品质弧流波形。ASIPP连续炮号705141、705142、705143、705144的重复性放电波形，放电长脉冲都达到2500ms。这个放电过程中，主要考虑到灯丝热负载很大的因素，以及更长脉冲对设备的影响，故长脉冲放到2500ms范围为止。ASIPP•离子源大电流短脉冲的放电模式炮号705101、705102、705104得到的大电流短脉冲放电模式，弧流强度达到550A，弧流脉宽120ms左右的放电波形。ASIPP炮号705162表现了更高的强弧流短脉冲放电，弧流已达到了600A、脉宽100ms的程度。在该模式下，弧流对离子源进气气压的变化更加敏感，从而极容易出现过流现象；并且进气量调节也很大，已接近了离子源的极限。ASIPPNBI离子源等离子体放电已经进行了大量调试和物理实验，并且结合这些实验结果，研究和分析了灯丝电流、磁场、弧电压、进气量等对弧流品质的影响，并且开展了静电探针进行等离子体离子密度诊断的实验。利用静电探针的饱和离子流信号，反馈控制离子源气阀进气量，达到对放电弧流的维持稳定，获得了长达4秒的低电流长脉冲平稳放电。目前，NBI离子源等离子体发生器电源系统，经过调试运行已基本上达到了设计指标，在离子源起弧放电的实验阶段获得的离子源弧放电参数，将为下一步加速极电源投入运行下，开展中性束引出实验奠定扎实的基础。ASIPP谢谢各位！