大功率射频负离子源等离子体激发与检测技术研究

摘要

中性束注入（NBI）是磁约束核聚变装置中等离子体辅助加热的主要手段之一。基于负离子源的NBI系统因其在离子束能达到1MeV时仍然具有很高的中性化效率，被认为是未来大型磁约束核聚变装置的必然选择。大功率射频负离子源由于可长期无维护运行、结构简单等优点，于2007被国际热核聚变实验堆（ITER）计划选为参考离子源，近年来成为国际上聚变领域的研究热点。2011年，华中科技大学（HUST）在科技部ITER计划专项支持下，开展了“ITER高频负离子源激励器的关键技术与工程”研究，探索在低射频频率、低气压、大功率条件下的等离子体激发机理和技术，目前已初步建成了一个射频负离子源激励器实验平台（以下简称HUST源）。 在低射频频率、低气压和大功率条件下的等离子体激发相对于常规的感性耦合等离子体（ICP）源难度更大，其中射频功率的利用效率成为一个突出的问题。本文以HUST源为研究对象，围绕射频功率的利用效率问题，重点关注线圈-等离子体射频功率耦合机理、在线阻抗匹配、射频功率与阻抗在线检测、等离子体参数诊断以及离子源控制等理论与工程问题。主要研究内容包括： （1）线圈-等离子体射频功率耦合特性分析 采用解析模型和有限元模型对激励器线圈和等离子体之间的射频功率耦合特性进行了系统研究。探讨了等离子体参数、工作参数对于激励器阻抗和功率耦合效率的影响规律，为激励器的工作频率和气压的选择提供了依据。建立了包含法拉第屏蔽的激励器三维有限元模型，通过电磁场仿真分析，揭示了法拉第屏蔽抑制线圈-等离子体容性耦合的作用。 （2）在线射频阻抗匹配研究 面向大功率射频等离子体应用的工程实际，首次提出了频率和电容组合调节的在线阻抗匹配策略和自适应匹配算法。在线阻抗匹配策略以满足匹配应用要求、频率调节优先、减少调节电容为目标，通过跟踪阻抗变化可针对性地提供更快速有效的在线匹配调节方案。自适应匹配算法对常规的变量轮换法和梯度下降法进行综合和改进,在阻抗未知时，仅依据反射率自主选取匹配策略和优化匹配参数，相对于常规算法有效提高了自适应匹配速度和稳定性。 （3）射频功率、阻抗在线检测系统研制 研制了一套离子源运行时的激励器阻抗和功率在线检测装置。采用电容分压器和印制电路板（PCB）型罗氏线圈电流互感器对激励器线圈上的高频高电压、大电流取样，通过纯模拟信号处理的方法获取阻抗、功率等电参数。通过小功率（＜1kW）射频功率、阻抗在线检测实验，证明该系统具有较高的测量精度。 （4）射频等离子体朗缪尔探针诊断系统研制 针对大功率射频负离子源等离子体诊断，研制了具备高集成度和自动化程度的射频朗缪尔探针诊断系统。在扼流圈射频补偿的基础上增加补偿电极，降低了低频率下射频补偿的难度。通过自主开发的等离子体参数解读程序快速处理探针数据，自动获取等离子体参数，并研究了基于不同电子和离子收集理论的探针数据解读算法。 （5）控制系统设计与实现 离子源控制系统以PAC（Programmable Automation Controller，可编程自动化控制器）作为主控制器，采用分布式硬件架构和基于事件驱动+消息队列状态机+生产者/消费者模式的混合程序设计模式进行开发。系统结构紧凑，稳定可靠，扩展性强，顺利实现了HUST源射频等离子体激发与维持。 （6）HUST源实验测试研究 介绍了目前在HUST源实验平台上开展的实验和测试结果，包括工作参数检测、射频等离子体诊断和高压电源调试实验。 本文工作为HUST源射频等离子体激发和检测提供了完整的技术实现手段并获得了丰富的离子源运行经验，也为后续开展完整射频负离子源研究奠定了基础。

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摘 要

ABSTRACT

目 录

1 绪 论

1.1.2 中性束注入

1.2 大功率射频负离子源工作原理

1.3 大功率射频负离子源研究现状

1.4 HUST射频负离子源激励器实验装置

1.5 射频等离子体激发、检测技术的研究意义

1.6 本文的研究内容及创新点

1.6.1 论文主要研究内容

1.6.2 论文主要创新点

2 射频等离子体功率耦合特性分析

2.2 等离子体射频功率耦合与基本特征量

2.2.2 等离子体电导率

2.2.3 等离子体趋肤深度

2.2.4 随机加热与随机加热频率

2.2.5 等效碰撞频率

2.3 射频功率耦合解析模型

2.4 有限元模型

2.5 两种模型对比

2.5.2 激励器阻抗和功率耦合效率

2.6 工作参数对功率耦合效率的影响

2.6.2 工作频率的影响

2.7 法拉第屏蔽的作用

2.8 本章小结

3 在线射频阻抗匹配研究

3.2 阻抗匹配电路

3.3 匹配参数与匹配状态

3.3.2 频率与匹配状态

3.4 在线阻抗匹配策略

3.4.2 仅调节频率

3.4.3 电容频率组合调节

3.5 自适应匹配问题建模

3.6 常规自适应匹配算法

3.6.3 存在的问题

3.7 改良自适应匹配算法

3.7.1 算法设计

3.7.2 算例仿真与讨论

3.8 本章小结

4 射频功率与阻抗在线检测

4.2 系统总体方案

4.3 PCB型罗氏线圈电流互感器

4.3.2 PCB型罗氏线圈的结构与电磁参数

4.3.3 PCB型罗氏线圈电流互感器建模

4.3.4 PCB型罗氏线圈电流互感器的设计

4.4 电容分压器

4.5 信号处理和数据采集单元

4.6 系统实现、调试与实验

4.6.1 负载电压电流取样校准实验

4.6.2 信号处理单元参数校准实验

4.6.3 阻抗、功率在线检测实验

4.7 本章小结

5 射频等离子体朗缪尔探针诊断

5.2 朗缪尔探针基本理论

5.2.1 I-V曲线与等离子体参数

5.2.2 离子收集理论

5.2.3 射频振荡与射频补偿

5.3 探针传感头结构设计

5.4 射频补偿滤波器

5.5 电控单元

5.5.2 探针阵列

5.6 数据处理

5.6.2 I-V曲线数字滤波

5.6.3 等离子体参数解读

5.7 系统实现、分析与讨论

5.8 本章小结

6 控制系统设计与实现

6.2 控制系统任务需求

6.3 系统总体架构设计

6.3.1 硬件架构

6.3.2 软件架构

6.4 控制策略与具体方案

6.4.2 气体供应

6.4.3 高频机控制

6.4.4 高压系统控制及保护

6.4.5 其它子系统控制

6.5 系统实现

6.6 本章小结

7 实验与测试

7.2 功率和气压检测

7.3 等离子体诊断实验

7.3.1 功率的影响

7.3.3 轴向分布

7.3.4 不确定度分析

7.4 高压电源调试

7.5 本章小结

8 总结与展望

8.1 论文总结

8.2 未来工作展望

致 谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表的主要论文