NBI离子源等离子体发生器电源系统
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在引出系统，经过高压加速极、负 高压抑制极和接地极，引出高能离子 束.
离子源等离子体发生器电源系统
➢ 离子源是中性束注入器的核心部件，在受控核聚变应用 的离子源是强流、大功率、长脉冲甚至稳态运行的。
➢ 作为离子源头部等离子体发生器的电源系统主要是灯丝 电源、磁场电源、进气气阀电源和弧电源.
离子源灯丝电源
没有阴极预加热的电流与电压波形
采用阴极预加热电流方式的波形
灯丝极性的不同接法：
• 直热阴极型式中阴极灯丝的不同接法，其电流分布也是不同的。
• 设灯丝正极电流为If，弧电源电流Ia ，假设弧流沿整个灯丝路径是均匀分布的， 那么依据连接方式可以分别计算出在公共负极引线上的电流为：
(a) If+Ia；
(b)If-Ia； (c) If+Ia/2和If-Ia/2。
磁铁线圈； ▪ 8、二号阳极进气孔； ▪ 9、会切磁场永磁体
NBI供电系统由灯丝电源、磁场电源、弧电源、进气气阀 电源、加速极正高压电源、抑制极负高压电源和偏转磁场电 源等组成。
HT-7 NBI供电电源系统的主要参数
Supply
Voltage(V) Current(A) Duration(s) Regulation(%) Ripple(%)
0-10
1
1
Bending
Magnet
气阀电源
0-150
0-1
0-1
1
1
Gas Valve
离子源三电极电极结构
HT-7 NBI系统采用了22cm双潘宁 型离子源，其工作原理是由灯丝发射 热电子，在阴极与中间电极之间的腔 体内震荡，使工作气体电离，建立起 阴极区等离子体；再利用阳极电场将 阴极区等离子体中的电子引出至二号 阳极所围真空室内；这些电子在一号 阳极、二号阳极和加速极之间的电场 作用下，电离该区域的工作气体，建 立阳极区等离子体。
1R11 + 1P2 A 1R12
1R14
1X2 灯丝负 1V3 1RV1
1R15
1X3 灯丝正
电压反馈
电流反馈 灯丝电压灯丝电流
1V58
1V5
1R17
1R16
1V4
稳流放大输入
灯丝电源基本电路
灯丝预加热电流调整电路 • 金属钨丝有较高的正温度系数，其冷态、热态电阻相差可达十倍左右；
钨阴极达到热平衡稳定发射热电子的时间，一般约需5秒以上，灯丝 才达到稳定的热电子发射状态； • 所以，采用电流预加热电路，预先计算维持时间，这样能够确保加热 灯丝迅速达到工作温度，并且延长将其使用寿命。 • 预先加热电流取平均每根灯丝40±10A为宜，这样当灯丝电流工作在 450A程度时，在脉宽100～2000ms的时间内能够保持稳定的平顶。
1X1
1R1 1R2 1R3 1V1
1C1 1C2 1C3
+
1R4 1R5 1R6
1C4 1C5 1C6
1C7 1R8
1V7 1V110
1L1 1R7
1V2
1V61
1C10
1V60
1R19
1C9 1V59
1V6 1R18
1R70
1C8
1R9 1P3 V
+
1V57 1R21 1V8 1R20
1R10
1R13
NBI离子源等离子体发生器电源系统
刘智民，胡纯栋，刘胜，韩筱璞，李军，王绍虎
中国科学院等离子体物理研究所 中性束注入加热课题组
HT-7超导托卡马克中性束注入器（NBI）为单台离子源大功率脉冲注 入器，采用22cm双潘宁离子源，是在原PLT装置的NBI基础上建立起来的， 注入器设计能量45keV，流强60A，脉宽100～300ms，注入功率700kW。
• 可见，灯丝的不同接法在负极引线上的电流分配是差别很大的。所以，通过 经常更换灯丝连接方式，也可以极大地提高灯丝的使用寿命。
(a)
(b)
(c)
离子源磁场电源
离子源螺线管线圈磁场对阴极产生的电子流起到轴向磁压缩作用，磁 场电源向螺线管线圈提供6V、80A、10s的恒流源，稳流精度±1％。
离子源约束磁场线圈结构，是由20匝外径12mm紫铜管环绕制成，围 绕在离子源放电室外围，紫铜管内通以循环去离子水冷却，计算线圈阻 值约为40mΩ。
灯丝电源作用是将离子源内钨阴极加热到足够温度发射热电子，从
灯丝寿命和工作温度的关系证明，灯丝的温度最好不要超过2800K； 灯丝温度在2300K以下阴极基本上没有发射电子的能力； 灯丝温度
过高，灯丝柱部件往往有电子发射，造成在灯丝盖板上镀出金属膜层， 其它部件是否会熔化,支撑部件是否会发射电子而造成不利影响，灯丝 电流大于100 A时，接触点电流密度大，灯丝很容易烧断。
根据离子源约束磁场线圈的性能要求， 磁场电源采用了三相整流电路稳流电源 的基本电路：
输入电压 三相380V， 输出直流电压 0～12V， 输出直流电流 0～100A， 电流稳定度 <±1%。
-2
J / ( A) . c m
灯丝电源基本参数：
电源主电路由整流模块, 大功率晶体管串联调整, 电感电容滤波单元组成:
• 输出直流电压 0-15V， • 输出直流电流 0-500A， • 电流稳定度 ±1%， • 输出纹波 ±1%, • 阴极负载 采用4根直径1.2mm的并联钨阴极，或者氧化物阴极； • 设定过流保护<500A。
灯丝电源
0-15
0-500
0-600
1
1
Filament
弧电源
0-150
0-1000
0-0.5
3
3
Arc
源磁场电源
0-6
0-100
0-60
1
1
Source
Magnet
加速极电源
0-50000
0-60
0-0.3
1
5
Accel
负高压电源
0-5000
0-8
0-0.3
1
1
Deccl
偏转磁场电源ຫໍສະໝຸດ Baidu
0-50
0-500
离子源灯丝的理论参数为：灯丝直径0.12cm，阴极负载电压为15V时， 加热电流从70A变化到100A。
20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10
9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
2 .3 2 .4 2 .5 2 .6 2 .7 2 .8 2 .9 3 .0
T /1 0 3K
valve
Ion Source
Cryopump Bending Magnet
Tokamak
Turbomolecular pump
Ion Dumps Calorimeter
NBI双潘宁离子源结构示意图
▪ 1、阴极灯丝柱； ▪ 2、中间电极； ▪ 3、一号阳极； ▪ 4、二号阳极； ▪ 5、引出栅电极； ▪ 6、阴极区进气孔；7、
离子源等离子体发生器电源系统
➢ 离子源是中性束注入器的核心部件，在受控核聚变应用 的离子源是强流、大功率、长脉冲甚至稳态运行的。
➢ 作为离子源头部等离子体发生器的电源系统主要是灯丝 电源、磁场电源、进气气阀电源和弧电源.
离子源灯丝电源
没有阴极预加热的电流与电压波形
采用阴极预加热电流方式的波形
灯丝极性的不同接法：
• 直热阴极型式中阴极灯丝的不同接法，其电流分布也是不同的。
• 设灯丝正极电流为If，弧电源电流Ia ，假设弧流沿整个灯丝路径是均匀分布的， 那么依据连接方式可以分别计算出在公共负极引线上的电流为：
(a) If+Ia；
(b)If-Ia； (c) If+Ia/2和If-Ia/2。
磁铁线圈； ▪ 8、二号阳极进气孔； ▪ 9、会切磁场永磁体
NBI供电系统由灯丝电源、磁场电源、弧电源、进气气阀 电源、加速极正高压电源、抑制极负高压电源和偏转磁场电 源等组成。
HT-7 NBI供电电源系统的主要参数
Supply
Voltage(V) Current(A) Duration(s) Regulation(%) Ripple(%)
0-10
1
1
Bending
Magnet
气阀电源
0-150
0-1
0-1
1
1
Gas Valve
离子源三电极电极结构
HT-7 NBI系统采用了22cm双潘宁 型离子源，其工作原理是由灯丝发射 热电子，在阴极与中间电极之间的腔 体内震荡，使工作气体电离，建立起 阴极区等离子体；再利用阳极电场将 阴极区等离子体中的电子引出至二号 阳极所围真空室内；这些电子在一号 阳极、二号阳极和加速极之间的电场 作用下，电离该区域的工作气体，建 立阳极区等离子体。
1R11 + 1P2 A 1R12
1R14
1X2 灯丝负 1V3 1RV1
1R15
1X3 灯丝正
电压反馈
电流反馈 灯丝电压灯丝电流
1V58
1V5
1R17
1R16
1V4
稳流放大输入
灯丝电源基本电路
灯丝预加热电流调整电路 • 金属钨丝有较高的正温度系数，其冷态、热态电阻相差可达十倍左右；
钨阴极达到热平衡稳定发射热电子的时间，一般约需5秒以上，灯丝 才达到稳定的热电子发射状态； • 所以，采用电流预加热电路，预先计算维持时间，这样能够确保加热 灯丝迅速达到工作温度，并且延长将其使用寿命。 • 预先加热电流取平均每根灯丝40±10A为宜，这样当灯丝电流工作在 450A程度时，在脉宽100～2000ms的时间内能够保持稳定的平顶。
1X1
1R1 1R2 1R3 1V1
1C1 1C2 1C3
+
1R4 1R5 1R6
1C4 1C5 1C6
1C7 1R8
1V7 1V110
1L1 1R7
1V2
1V61
1C10
1V60
1R19
1C9 1V59
1V6 1R18
1R70
1C8
1R9 1P3 V
+
1V57 1R21 1V8 1R20
1R10
1R13
NBI离子源等离子体发生器电源系统
刘智民，胡纯栋，刘胜，韩筱璞，李军，王绍虎
中国科学院等离子体物理研究所 中性束注入加热课题组
HT-7超导托卡马克中性束注入器（NBI）为单台离子源大功率脉冲注 入器，采用22cm双潘宁离子源，是在原PLT装置的NBI基础上建立起来的， 注入器设计能量45keV，流强60A，脉宽100～300ms，注入功率700kW。
• 可见，灯丝的不同接法在负极引线上的电流分配是差别很大的。所以，通过 经常更换灯丝连接方式，也可以极大地提高灯丝的使用寿命。
(a)
(b)
(c)
离子源磁场电源
离子源螺线管线圈磁场对阴极产生的电子流起到轴向磁压缩作用，磁 场电源向螺线管线圈提供6V、80A、10s的恒流源，稳流精度±1％。
离子源约束磁场线圈结构，是由20匝外径12mm紫铜管环绕制成，围 绕在离子源放电室外围，紫铜管内通以循环去离子水冷却，计算线圈阻 值约为40mΩ。
灯丝电源作用是将离子源内钨阴极加热到足够温度发射热电子，从
灯丝寿命和工作温度的关系证明，灯丝的温度最好不要超过2800K； 灯丝温度在2300K以下阴极基本上没有发射电子的能力； 灯丝温度
过高，灯丝柱部件往往有电子发射，造成在灯丝盖板上镀出金属膜层， 其它部件是否会熔化,支撑部件是否会发射电子而造成不利影响，灯丝 电流大于100 A时，接触点电流密度大，灯丝很容易烧断。
根据离子源约束磁场线圈的性能要求， 磁场电源采用了三相整流电路稳流电源 的基本电路：
输入电压 三相380V， 输出直流电压 0～12V， 输出直流电流 0～100A， 电流稳定度 <±1%。
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J / ( A) . c m
灯丝电源基本参数：
电源主电路由整流模块, 大功率晶体管串联调整, 电感电容滤波单元组成:
• 输出直流电压 0-15V， • 输出直流电流 0-500A， • 电流稳定度 ±1%， • 输出纹波 ±1%, • 阴极负载 采用4根直径1.2mm的并联钨阴极，或者氧化物阴极； • 设定过流保护<500A。
灯丝电源
0-15
0-500
0-600
1
1
Filament
弧电源
0-150
0-1000
0-0.5
3
3
Arc
源磁场电源
0-6
0-100
0-60
1
1
Source
Magnet
加速极电源
0-50000
0-60
0-0.3
1
5
Accel
负高压电源
0-5000
0-8
0-0.3
1
1
Deccl
偏转磁场电源ຫໍສະໝຸດ Baidu
0-50
0-500
离子源灯丝的理论参数为：灯丝直径0.12cm，阴极负载电压为15V时， 加热电流从70A变化到100A。
20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10
9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
2 .3 2 .4 2 .5 2 .6 2 .7 2 .8 2 .9 3 .0
T /1 0 3K
valve
Ion Source
Cryopump Bending Magnet
Tokamak
Turbomolecular pump
Ion Dumps Calorimeter
NBI双潘宁离子源结构示意图
▪ 1、阴极灯丝柱； ▪ 2、中间电极； ▪ 3、一号阳极； ▪ 4、二号阳极； ▪ 5、引出栅电极； ▪ 6、阴极区进气孔；7、