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EAST NBI离子源长脉冲运行关键问题研究取得进展
2019-12-04 |作者:韦江龙

灯丝-弧正离子源是EAST NBI系统最核心的部件,也是EAST NBI系统实现高功率长脉冲运行的关键部件。为此,我室离子源课题组一直致力于提升EAST NBI正离子源的高功率长脉冲运行能力,相继开展了针对电极系统热负荷、反向电子沉积、气体放电效率等关键问题的理论模拟和实验研究。相关研究成果于近期发表在受控核聚变领域权威期刊《Plasma Physics and Controlled Fusion》上。
通过耦合流体-热-结构力学分析,评估验证了离子源电极系统的机械和冷却设计。即使在工况异常的超高热沉积条件下,电极系统的冷却水温升和表面最高温度均能在1秒以内达到平衡。电极座内部安装导流板能够有效地平均每根电极管的水流速度。电极座支撑设计切缝结构和波纹管,能够有效降低电极管焊接处的应力。最终,使得电极的热变形达到设计要求。
通过数值模拟反向电子的运行轨迹,分析判断得出离子源背板的烧蚀痕迹与其中间的约束磁体密切相关。该列磁体在背板附近形成的帐篷型会切磁场,导致反向电子的沉积过于集中。为此,初步的解决方案是移除背板的中间磁体,尽管背板上沉积的总功率会有所增加,但功率密度得到大幅降低。
通过数值模拟灯丝发射电子的运动轨迹,研究了拆除背板中间磁体对等离子体约束性能的影响。通过实验数据分析,验证了拆除中间磁场后,离子源弧效率和质子比均有所降低。这为离子源的进一步升级优化指明了方向。
文章第一作者为韦江龙博士,通讯作者为谢亚红副研究员和胡纯栋研究员。相关工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。
论文链接:Key issues for the filament-arc ion source of EAST neutral beam injector toward high-power and long-pulse operation, Plasma Phys. Control. Fusion 62 (2020) 025004 (13pp),https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6587/ab5293
反向电子在离子源背板上的打击点分布图(有中间磁体vs无中间磁体)
灯丝发射电子在离子源内部分布图和沉积位置统计(有中间磁体vs无中间磁体)
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