兆瓦级强流离子源长脉冲运行分析及实验研究

谢亚红 刘 胜 蒋才超 潘军军 许永建 赵远哲崔庆龙 谢远来 胡纯栋

（中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所 合肥 230031）

磁约束聚变能是未来最有希望解决能源问题的途径之一。为了实现聚变反应，聚变等离子体需要达到上亿度的高温，为此，除了欧姆加热外，聚变等离子体还需要强大的辅助加热。中性束注入系统是重要的聚变等离子体辅助加热手段之一。随着磁约束聚变能研究的发展，对中性束注入系统的要求越来越高，朝着高能量（MeV）、高功率（几十兆瓦）和长脉冲（几十秒到小时量级）的方向发展［1-3］。强流离子源主要用于产生高密度等离子体，并引出其中的离子形成具有一定束能量和光学特性的离子束，是中性束注入系统的核心部件。强流离子源能达到的参数基本决定了中性束注入系统的性能，为此首先需要实现强流离子源的长脉冲稳定运行。在强流离子源运行过程中，不可避免的出现加速器电极打火等故障态，从而中止离子源的运行。鉴于强流离子源在运行过程中容易出现打火的现象，开展了离子源打火的因素分析，研制了强流离子源打火再起的自调整技术，从而在离子源打火后经过毫秒量级的调整后能继续离子束的引出，为强流离子源的长脉冲稳定运行提供技术支持和经验积累。

1 热阴极强流离子源

强流离子源采用传统的热阴极桶式离子源［4-6］，其结构示意图如图1所示。离子源通过加热阴极灯丝发射初始电子，在阴极灯丝和弧室之间加载弧电压，利用弧电压产生的电场引出和加速电子，高能电子通过电离实验气体产生等离子体。针对大面积离子源，在放电室周围安装永久磁体形成会切约束磁场，约束等离子体以形成大面积均匀的等离子体［7-8］。离子源加速器采用四电极结构，包括了等离子体电极、梯度电极、抑制电极和地电极［9-11］。加速器为缝型引出电极，引出截面为100 mm×480 mm，电极透明度达到0.6。在离子源运行过程中，为了保障离子源处于良好的束流光学，需要等离子体参数和加速器各电极上加载的电压参数匹配，从而使引出束的束散角最小［12-13］。

图1 强流离子源结构示意图Fig.1 Schematic view of high current ion source

束聚焦类似于膜孔透镜原理［12］，对于缝形的孔栏，膜孔的焦距为：

式中：V是孔栏的电压；E1和E2分别是孔栏左边和右边的场强。对于引出系统的第一电极，与等离子体接触，等离子体中电子和离子向电极运动，并形成鞘层。鞘层的形成即决定了其电场E1的大小。电极右边的电场E2由第二电极和第二电极间的电位差决定，可通过调节两电极间的电位差来调节引出束的焦距，从而控制引出束流的散角。在一定的引出电压下，不同等离子体密度下有过聚焦、平行束和发散三种典型状态［10，14］，如图2所示。

图2 四电极加速器三种典型束引出状态Fig.2 Three typical envelopes of beam extraction for tetrode accelerator

在热阴极离子源运行过程中，由于阴极灯丝的自加热和高能反向电子进入放电室会引起等离子体密度的增加［15］，从而导致具有良好束流光学的束光学参数的失配，部分引出离子会轰击到加速器电极上，最终引起电极打火而终止运行［16］。针对该问题已经研制了基于等离子体密度的实时反馈系统，利用等离子体密度实时反馈控制弧电源的电压输入，从而控制获得稳定的等离子体放电，控制离子源运行处于最佳运行区［17-18］。

在高功率长脉冲运行过程中，离子源依然会受到诸多因素的影响，包括阴极灯丝提供初始电子的稳定性、实时反馈运行对等离子体运行的稳定性、长时间下引出区等离子体的密度均匀性和稳定性、加速器高压电源系统的稳定性（直接决定加速器各电极之间的电场稳定性）、真空系统的稳定性和长时间运行下的热流部件的稳定性和外界的干扰等，离子源的运行参数依然会出现变化，因此，强流离子源仍然会出现打火情况（主要表现形式），从而终止离子源的运行，强流离子源的长脉冲稳定运行依然有极大的挑战［19-20］。

2 基于打火再起的强流离子源长脉冲运行技术

针对离子源出现打火的情况，分析了强流离子源的运行特性，提出了基于打火再起的强流离子源自调整方法。该方法的基本原理是对离子源运行关键参数进行实时监测，发现异常情况后（主要表现形式是打火，或关键参数的增加或降低）立刻关闭正负高压和弧电源输出，终止离子束的引出，从而避免对加速器电极的伤害，随后在几十毫秒重新产生等离子体，在百毫秒内重新启动正负高压，继续进行束的引出和加速，通过自调整恢复离子源处于稳定的状态，从而延长离子束的引出。针对热阴极大功率离子源，前期已经开展了基于打火再起的自调整方面的研制工作，并且获得了单次再起的自调整运行，有效的延长强流离子源的运行脉宽，初步验证了该方法的可行性［21-22］。

离子源的自调整运行方法中，对引起离子源打火的关键参数的分析非常重要。热阴极强流离子源在运行过程中，有诸多因素可以影响离子源的稳定运行，根据对离子源损伤的严重性对不同参数进行了风险等级分类，其中高风险参数造成的离子源打火，必须中止运行不继续束引出，如电源整流侧出现故障、进气或抽气故障，说明设备本身故障，重新运行后恢复的可能性较小或无法短时间恢复，离子源在这种情况下无法正常运行，或者运行后的束流光学较差，对电极的损伤极大，因此必须中止离子源的运行。对于其他一些情况，如弧过流、高压过流（打火）、抑制电极过流、连锁信号受到干扰等可以在中止离子源运行后重新束的引出，从而延长束的脉宽。打火再起的控制逻辑关系如图3所示。

图3 打火再起逻辑关系图Fig.3 Logic diagram of beam re-turn on

结合物理分析与工程实验测试初步结果开展了再起时序投入对等离子体产生与匹配引出影响分析，优化了打火再起的时序控制方案（如图4所示），即离子源运行参数出现异常（如打火）后，迅速关断离子源的运行，并利用连锁保护系统进行离子源运行状态巡检，判定是否具备再起条件，若巡检通过则弧电源启动（考虑等离子体放电的连续性和弧电源的响应时间，弧电源再起时间最小可以设置20 ms），等离子体迅速建立，待等离子体稳定后正负高压电源再启动，最终实现离子束的再次引出。

图4 优化后的打火再起时序关系图Fig.4 Control logic for beam re-turn on of ion source after optimization

3 基于打火再起的离子源运行自调整实验结果与分析

在离子源运行及故障态分析的基础上，对离子源的控制系统、连锁保护系统和电源系统进行优化升级并进行了测试，具备在离子源出现异常后短时间内重新运行的条件，其中控制系统根据需要可以给各被控系统发送故障复位及运行指令；各电源系统等具备关断后接受故障复位并在几十毫秒后可重新输出；连锁保护的故障锁存可接受控制系统的复位并进入巡检等等。考虑离子源的安全，首先进行模拟故障下的空载系统测试，测试了电源系统、连锁保护和控制系统是否可以在故障能按照既定逻辑关系和时序重新运行，完成后进行单次打火情况下的自调整束引出实验，逐步拓展多次运行异常下的离子源束引出拓展实验。经过测试和优化，打火再起系统运行稳定性逐步提高，实现了兆瓦级强流离子源的多次打火再起运行，典型的实验结果如图5所示。

图5 基于打火再起的离子源长脉冲运行典型波形图Fig.5 The typical waveform of long pulse operation with beam re-turn on technology

从图5 可以看出，离子源在运行过程中出现了三次“打火”的情况，如果在没有“打火再起”技术支持的情况下，离子源的运行脉宽将在8.5 s 左右（第一次打火处），而离子源在基于“打火再起”的自调整技术下，阴极灯丝继续运行，关闭弧电源输出和正负高压输出，在80 ms 后控制系统给故障电源复位并巡检各设备的状态，随后发送电源重新输出的指令，弧电源首先输出以产生等离子体，在300 ms后正负高压输出重新引出离子束，从而达到持续引出离子束的目的。在典型炮中，离子源在运行过程中经历了3 次打火再起，最终完成设定的27 s 离子束的引出，达到既定的运行脉宽。

长脉冲运行对束流的连续性也有一定的要求，但打火再起受电源重新启动、缓冲器重新工作以及打火对离子源造成影响的恢复时间等因素的影响，很难在极短的时间再次引出离子束。在现有测试平台开展了最短测试时间为80 ms，后续也将根据整个系统的状态继续开展优化工作，尽量降低打火再起的时间间隔。

4 结语

经过对强流离子源的运行特性分析和运行优化，研制了基于“打火再起”的离子源运行长脉冲运行自调整技术，当连锁保护系统检测到异常运行时对故障信号进行分析，满足离子源重新运行的条件时，控制系统给故障设备发送故障复位指令和重新启动运行脉冲时序，继续进行离子束的引出。该技术在兆瓦级热阴极强流离子源上进行了测试，成功的进行了多次“打火再起”下的运行测试，获得了束功率兆瓦级的几十秒离子束引出，验证了基于“打火再起”的离子源运行自调整技术的可行性和可靠性，为高功率中性束注入系统的长脉冲运行提供技术支持和经验积累，助力国家磁约束聚变能研究。

作者贡献声明谢亚红：负责研究的提出及设计、数据的收集和整理、文章的起草和最终版本的修订；刘胜：负责实验的组织和实施；蒋才超：负责电源控制系统的优化和运行；潘军军：负责头部电源的改造和运行；许永建：负责实验诊断；赵远哲：负责控制系统优化；崔庆龙：负责控制系统优化和实验运行；谢远来：负责束传输系统运行及实验协调；胡纯栋：负责技术指导。