大功率射频负离子源注铯与诊断研究

摘要

大功率射频负离子源是未来大型磁约束聚变反应堆中性束注入（NBI）的核心技术之一。铯在负离子束流的生成与引出中扮演着关键角色，它通过降低栅极板表面逸出功大幅度增加负离子产额，同时减少电子的引出比率，是实现NBI负离子源技术指标的重要保证。本文主要目标是通过对铯的发生与诊断关键技术的研究，为华中科技大学正在建设的大功率射频负离子源实验平台研发一套铯炉装置，为下一步负离子束的引出提供技术支持。本文主要工作包括： （1）完成了铯炉参数计算和结构设计。从铯的物理化学性质出发，对铯炉装置的铯消耗来源进行分析并得到了蒸发速率参数。以该参数为依据，从推导的蒸发速率公式入手进行了铯炉各部分温度分析和关键设计参数计算，从而指导完成了铯炉装置的结构设计。在铯炉结构确定的基础上，基于有限元对铯炉进行热分析，得到了各部分热功率参数，以此为指导完成铯炉的加热设计。 （2）完成了铯炉温度控制系统的研发。从铯炉温度控制需求出发，提出了温度控制方案。以串口通信为基础，完成了基于LABVIEW的上位机和基于单片机的下位机的硬件设计。基于模块化编程，以PWM控制算法为核心，完成了软件设计，并实现了温度采集、数据传输、温度控制、温度数据显示和存储等功能，同时通过实验验证了该多路温度控制系统的可靠性。 （3）选用表面电离检测技术（SID），完成了一套铯炉诊断系统的设计。从SID检测方法的原理出发，研究了SID测量电流与蒸发速率的关系，确定了SID设计参数，完成了喷嘴SID和局部SID的设计，分别用于铯炉蒸发速率和铯空间分布的检测。搭建了铯炉实验平台，完成了铯炉整体组装。

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摘 要

Abstract

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 负离子源中植铯研究现状

1.3 负离子源中铯诊断研究现状

1.4 主要工作和内容安排

2 铯炉理论分析与结构设计

2.1 铯作用机理

2.2 铯消耗分析

2.2.1 铯的物理和化学性质

2.2.2 铯消耗来源

2.2.3 HUST负离子源铯消耗分析

2.3 铯炉蒸发速率与结构设计

2.3.1 蒸发速率分析与计算

2.3.2 铯炉结构设计

2.4 铯炉热分析与热设计

2.4.1 铯炉热仿真理论

2.4.2 铯炉热仿真模型

2.4.3 铯炉热仿真结果

2.4.4 加热器件设计与实现

2.5 本章小结

3 铯炉温度控制系统设计

3.1 温控需求分析

3.2 硬件设计

3.2.1 主要硬件介绍

3.2.2 硬件实现

3.3 软件设计

3.3.1 主控程序模块

3.3.2 温度采集模块

3.3.3 数据收发模块

3.3.4 PWM控制模块

3.3.5 基于LABVIEW的上位机模块

3.4 温控系统调试

3.5 本章小结

4 铯炉诊断系统设计

4.1 SID检测原理

4.2 SID设计

4.2.1 喷嘴SID设计

4.2.2 局部SID设计

4.3 实验平台设计

4.4 本章小结

5 全文总结与展望

5.1 全文总结

5.2 未来工作展望

致 谢

参考文献

附录I 铯炉温度控制部分代码

附录II 作者攻读硕士期间发表论文