會切場離子源放電參數(shù)的變化對放電特性的影蟍1]

1、會切場離子源放電參數(shù)的變化對放電特性的影響核聚變與等離子體物理 2009年第29卷 第一期中性束注入（NBI）是加熱Tokamak等離子體的重要手段之一。在2007年7月到12月的調(diào)試實(shí)驗(yàn)中，單個離子源的最大引出束流達(dá)到24A，最高離子束功率達(dá)到0.8MW。在2008年1月進(jìn)行的HL-2A的中性束注入實(shí)驗(yàn)中，單條束線安裝了兩個桶式離子源，其引出束能量為28keV,引出總離子流達(dá)，離子束功率600kW。在中性束注入期間，等離子儲能（W_E），熱輻射測量（Prad_07）,電子回旋測量（MECE）,軟X射線測量（SX）等診斷信號有明顯變化。中性粒子分析器（NPA）顯示等離子體離子溫度由400eV上

2、升到1000eV。為了得到更高的加熱功率，對離子源放電特性的研究是完善和提高源的性能的非常重要且不可缺少的工作。本文針對這一目的對離子源放電參數(shù)變化對弧放電特性的影響進(jìn)行了一些研究和總結(jié)。1離子源及放電參數(shù)測量方法HL-2A會切場離子源為圓桶形，放電室內(nèi)部直徑26cm，深度24cm。放電室頂端法蘭布置有燈絲及送氣設(shè)施，另一端接引出電極，引出區(qū)域直徑17.4cm。燈絲法蘭布置有9根燈絲陰極，每根燈絲采用長15cm,直徑為的鎢絲。燈絲支架由鉬桿加工而成，鉬桿一端供插入燈絲用，另一端為M8螺桿，旋入法蘭上的可閥電極。放電室側(cè)壁均勻裝有36列釤鈷永磁體，磁體截面為長方形,長208mm, 寬6mm,厚1

3、0mm，磁極表面離放電室內(nèi)表面為，源端面法蘭放置18列磁鐵，呈放射形排列。對于放電參數(shù)的測量，我們采用了磁平衡式霍爾電流傳感器來測量燈絲電流以及弧電流，用分壓電阻測量燈絲電壓以及弧電壓。對于放電室的氣壓。在等離子體診斷方面，我們采用了靜電探針。靜電探針處于負(fù)偏壓狀態(tài)，相對于放電室壁（陽極）的偏置電壓為-100V-120V，用來測量等離子體的飽和離子流密度。2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析在離子源弧放電過程中主要的放電參數(shù)有：工作氣體（氫氣）的氣壓，總的燈絲加熱電流，弧電流,弧電壓和飽和離子流密度等。在一定的條件下，某些參數(shù)的變化將引起弧放電特性的改變。2.1 源腔氣壓變化對弧電壓的影響保持弧電流，燈絲加熱電流

4、不變，當(dāng)增加源腔氣壓的時候，可以觀測到，弧電壓會隨著氣壓的增大而減小，如圖1所示。圖1 弧電壓與氣壓的關(guān)系考慮到一束速度為v,密度為的電子沿某一方向注入氣體，氣體原子的密度為,對電離過程而言，每一個原子的電子電離截面為，電子的截面積可以忽略，同時氣體的密度不大，可以忽略氣體原子截面的重疊，則時間單位體積內(nèi)電子與氣體發(fā)生電離碰撞的個數(shù)為：可以看出，當(dāng)增加氣壓時會隨著氣壓的升高而增大。因?yàn)榛‰妷捍蟛糠旨釉诹穗p鞘層之間，電子經(jīng)過雙鞘層通過加速得到能量，其速度與弧電壓的關(guān)系式為：其中，為弧電壓，和為電子電荷和質(zhì)量。要保持時間內(nèi)與氣體發(fā)生電離碰撞的電子數(shù)不變，就要靠減小弧電壓來減小電子速度。所以，在保持

5、弧電流不變的情況下，可以觀測到圖1中弧電壓與氣壓的關(guān)系曲線。2.2氣壓的變化對弧放電的穩(wěn)定性的影響根據(jù)穩(wěn)定放電中離子的產(chǎn)生和損失的平衡關(guān)系和雙鞘層穩(wěn)定性條件可以得到：其中，為原初電子占有的體積，為陽極面積，為陰極表面積。該式確定了維持穩(wěn)定放電所需的最低氣壓，低于這個氣壓就很難維持穩(wěn)定放電。在我們的實(shí)驗(yàn)中觀察到，當(dāng)氣壓較低時，存在著一種張弛振蕩現(xiàn)象，這時放電在較大的弧電流較低的弧電壓狀態(tài)與較小的弧電流較高的弧電壓狀態(tài)間來回的振蕩，這種現(xiàn)象叫做“弧荒”。2.3氣壓的變化對弧效率的影響離子源的弧效率的定義為：其中，為引出電流，為弧功率。）后，氣壓的變化對弧效率的影響較小，如圖2所示。圖2氣壓對弧效率

6、的影響在源腔氣壓變化對弧電壓的影響的時候，氣體原子的密度增加，因此離子與氣體原子碰撞的機(jī)會率增加，這有可能造成離子的損失增加。2.4 燈絲電流的變化對弧電流的影響將氣壓限定為左右,當(dāng)增加燈絲電流時，可以觀測到弧電流明顯地隨著燈絲電流增加，如圖3所示。圖3燈絲電流與弧電流的關(guān)系曲線這是因?yàn)殡婋x氫氣所需要的原初電子是靠燈絲加熱電流加熱燈絲產(chǎn)生的。理論上飽和熱電子發(fā)射流密度與發(fā)射體絕對溫度（開）的關(guān)系為:其中，是表面逸出功（電子伏），是波爾茲曼常數(shù)，、分別為電子的質(zhì)量和電荷,是一個常數(shù)。增加燈絲電流會是使燈絲溫度升高，進(jìn)而使燈絲發(fā)射的飽和電子流密度升高，即初級電子密度增大，通過公式，可知，電子束在通

7、過同樣的距離的情況下與氣體電離碰撞的機(jī)會增加，相應(yīng)地弧電流也隨著燈絲電流的增加而變大。當(dāng)燈絲電流增加到約1030的時候，弧電流基本不再隨燈絲電流的增加而變大。這是因?yàn)榇藭r燈絲的工作狀態(tài)由燈絲發(fā)射處于空間電荷限制狀態(tài)，燈絲發(fā)射的原初電子的多少僅由弧電壓決定。2.5陽極面積的變化對飽和離子流密度的影響在離子源實(shí)驗(yàn)中，為保持放電穩(wěn)定，我們曾將等離子體電極與陽極短接過，還將等離子體電極與陽極之間串入不同阻值的電阻實(shí)驗(yàn)過。但是這樣做卻使在相應(yīng)的弧電流下飽和離子流密度降低。如圖9的上下兩條擬合曲線分別給出了在陽極和等離子體極之間的串接電阻分別為20和短接的情況下等離子飽和密度流隨弧電流的變化曲線。可以看到

8、，在陽極和等離子體電極間串接電阻時飽和離子流密度高。圖4弧電流與飽和離子流密度之間的正比關(guān)系這是因?yàn)?，在等離子體電極與陽極短接的情況下，其陽極面積比在懸浮電位下的陽極面積增加，從而會減弱離子源對原初電子的約束。所以會使在相同的弧電流下，接20電阻的飽和等離子密度流要比短接情況下高。2.6弧電流的變化對飽和離子流密度的影響通過觀測弧電流與飽和離子流密度隨時間變化的波形可以看出，在同一個放電過程中弧電流與飽和離子流密度隨時間變化的趨勢基本保持一致，通過多次放電數(shù)據(jù)的擬合可以得到，飽和離子流密度與弧電流還有比較近似的正比關(guān)系，圖4的給出了在陽極和等離子體極之間的串接電阻分別為20和短接的情況下等離子飽和密度流隨弧電流的變化曲線。離子源的引出電流與源的等離子體飽和離子流密度成正比例，因此可以通過測量后者來反映源的引出能力并且可以根據(jù)預(yù)先設(shè)定的引出電流來反推出弧電流強(qiáng)度。因此，在實(shí)驗(yàn)中測定弧電流與飽和離子流密度的關(guān)系是很有意義的。