大功率射頻負(fù)氫離子源射頻系統(tǒng)研究.pdf

1、大功率強(qiáng)流離子源是核聚變裝置中性束注入系統(tǒng)的核心部件，其中的大功率射頻（Radio-frequency,RF）負(fù)離子源已成為國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（International Thermonuclear Experimental Reactor,ITER）中性束注入系統(tǒng)的參考離子源。2011年起，華中科技大學(xué)（Huazhong University of Science and Technology,HUST）開展了大功率RF負(fù)氫離子源激勵(lì)

2、器關(guān)鍵技術(shù)的研究，目前已經(jīng)研制了一臺(tái)大功率RF負(fù)氫離子源激勵(lì)器實(shí)驗(yàn)裝置（簡(jiǎn)稱“HUST激勵(lì)器實(shí)驗(yàn)裝置”）。激勵(lì)器是離子源的源頭，是等離子體產(chǎn)生的地方。
　　在HUST激勵(lì)器實(shí)驗(yàn)裝置中，RF系統(tǒng)的作用是為等離子體提供能量。RF系統(tǒng)由RF功率源、傳輸線、阻抗匹配電路和RF線圈組成。RF功率源的輸出功率經(jīng)傳輸線和阻抗匹配電路傳輸至RF線圈，然后由繞在圓筒形激勵(lì)器外的線圈耦合進(jìn)等離子體中。
　　本文以RF系統(tǒng)為研究對(duì)象，主要研究?jī)?nèi)容

3、包括：
　　1，實(shí)現(xiàn)射頻功率至RF線圈的傳輸；
　　2，研究RF功率與等離子體激發(fā)維持的關(guān)系；
　　3，探討在線阻抗匹配調(diào)諧的方法。
　　本文將等離子體等效為均勻?qū)щ娒劫|(zhì)并推導(dǎo)了其有效電導(dǎo)率；借助于有限元法，同時(shí)考慮線圈及其周圍金屬的影響，使用一個(gè)簡(jiǎn)化的2D模型較為準(zhǔn)確地計(jì)算了激勵(lì)器等效阻抗的變化范圍，這是阻抗匹配電路設(shè)計(jì)時(shí)的主要依據(jù)；推導(dǎo)了L型阻抗匹配電路和基于RF變壓器阻抗匹配電路的電氣要求，從研制成本和有利

4、于工程實(shí)現(xiàn)的角度考慮，最終選用了由一個(gè)變比3:1的RF變壓器、一個(gè)串聯(lián)可調(diào)電容和一個(gè)并聯(lián)可調(diào)電容組成的變壓器型阻抗匹配電路；RF變壓器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是重點(diǎn)和難點(diǎn)，給出了一種新型結(jié)構(gòu)RF變壓器的原理，具有大功率容量和可以靈活調(diào)節(jié)變比等優(yōu)點(diǎn)。依據(jù)激勵(lì)器等效阻抗計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)的阻抗匹配電路，將1MHz、20kW的射頻功率高效地耦合進(jìn)了激勵(lì)器，并成功地激發(fā)出了等離子體。
　　本文開展了等離子體激發(fā)實(shí)驗(yàn)，全面系統(tǒng)地研究了1kW功率情況下氫等離子

5、體激發(fā)與所需RF功率的關(guān)系；提出并應(yīng)用了一種等離子體激發(fā)前調(diào)諧阻抗匹配電路的工作方式；在一些主要的實(shí)驗(yàn)參數(shù)中，啟動(dòng)燈絲在最初的等離子體激發(fā)中是必需的，氣壓在10~4Pa之間降低時(shí)等離子體激發(fā)所需功率將會(huì)急劇地增加，線圈匝數(shù)在6~10匝之間增加時(shí)等離子體激發(fā)所需功率將會(huì)迅速地降低；以等離子體熄滅與RF功率的關(guān)系為依據(jù)，提出了一種較高氣壓（比如2.5Pa）激發(fā)、在0.3Pa維持的大功率等離子體工作方式，并得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；給出了判定氫等離子體

6、激發(fā)主要依據(jù)的典型光譜。等離子體激發(fā)實(shí)驗(yàn)加深了對(duì)射頻氫離子源的認(rèn)識(shí)和了解，為HUST激勵(lì)器實(shí)驗(yàn)裝置的大功率運(yùn)行做了充分的準(zhǔn)備。
　　本文給出了為大功率運(yùn)行研制的阻抗匹配電路，并研究了等離子體激發(fā)后阻抗匹配狀態(tài)的變化曲線；分析了影響阻抗匹配狀態(tài)的五個(gè)參數(shù)，其中工作頻率、激勵(lì)器等效電感和串聯(lián)電容是關(guān)鍵參數(shù)；依據(jù)上述實(shí)驗(yàn)和討論的結(jié)果，探討并提出了一種在線協(xié)同調(diào)節(jié)工作頻率和并聯(lián)電容以再次實(shí)現(xiàn)阻抗匹配調(diào)諧或者明顯地改善阻抗匹配狀態(tài)的方法。<