NBI离子源等离子体发生器电源系统.
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Cryopump
valve
Ion Source Bending Magnet Tokamak
Turbomolecular pump
Ion Dumps Calorimeter
ASIPP
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、 磁铁线圈； 8、二号阳极进气孔； 9、会切磁场永磁体
ASIPP
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。
ASIPP
HT-7 NBI供电电源系统的主要参数
Supply 灯丝电源 Filament 弧电源 Arc 源磁场电源 Source Magnet 加速极电源 Accel 负高压电源 Deccl Voltage(V) 0-15 0-150 0-6 Current(A) 0-500 0-1000 0-100 Duration(s) 0-600 0-0.5 0-60 Regulation(%) 1 3 1 Ripple(%) 1 3 1
0-50000 0-5000
0-60 0-8
0-0.3 0-0.3
1 1
5 1
偏转磁场电源 Bending Magnet 气阀电源 Gas Valve
0-50
0-500
0-10
1
1
0-150
0-1
0-1
1
1
ASIPP
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。 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.
1R 1 1R 2 1R 3 1X1 1V1
1C 1 1C 2 1C 3 1R 10
1X2
灯丝负
1R 13 1R V1
1C 7 +
1R 8
1V7
1C 8
1R 9
+
V
1P3
1V3
1V110 1R 4 1R 5 1R 6 1C 4 1C 5 1L1 1C 6 1R 7 1V2 1C 10 1V60 1R 19 1V61
•
(a)
(b)
(c)
ASIPP
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。 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%。
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
J/(A.cm )
Байду номын сангаас-2
T/10 K
3
ASIPP
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。
ASIPP
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.
ASIPP
离子源灯丝电源 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。 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。
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
ASIPP
• • 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。 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。
ASIPP
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
ASIPP
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。
1R 70
1R 11 1P2
1R 14 +
1V57
A
1R 21
1R 12
1R 15
1X3
灯丝正
1V8
1R 20
1C 9
1V6
1V59
1R 18
电压反馈
电流反馈
灯丝电压
灯丝电流
1V5 1R 17
1V58
1V4 1R 16
灯丝电源基本电路
稳流放大输入
ASIPP
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。
valve
Ion Source Bending Magnet Tokamak
Turbomolecular pump
Ion Dumps Calorimeter
ASIPP
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、 磁铁线圈； 8、二号阳极进气孔； 9、会切磁场永磁体
ASIPP
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。
ASIPP
HT-7 NBI供电电源系统的主要参数
Supply 灯丝电源 Filament 弧电源 Arc 源磁场电源 Source Magnet 加速极电源 Accel 负高压电源 Deccl Voltage(V) 0-15 0-150 0-6 Current(A) 0-500 0-1000 0-100 Duration(s) 0-600 0-0.5 0-60 Regulation(%) 1 3 1 Ripple(%) 1 3 1
0-50000 0-5000
0-60 0-8
0-0.3 0-0.3
1 1
5 1
偏转磁场电源 Bending Magnet 气阀电源 Gas Valve
0-50
0-500
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0-150
0-1
0-1
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1
ASIPP
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。 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.
1R 1 1R 2 1R 3 1X1 1V1
1C 1 1C 2 1C 3 1R 10
1X2
灯丝负
1R 13 1R V1
1C 7 +
1R 8
1V7
1C 8
1R 9
+
V
1P3
1V3
1V110 1R 4 1R 5 1R 6 1C 4 1C 5 1L1 1C 6 1R 7 1V2 1C 10 1V60 1R 19 1V61
•
(a)
(b)
(c)
ASIPP
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。 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%。
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
J/(A.cm )
Байду номын сангаас-2
T/10 K
3
ASIPP
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。
ASIPP
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.
ASIPP
离子源灯丝电源 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。 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。
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
ASIPP
• • 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。 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。
ASIPP
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
ASIPP
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。
1R 70
1R 11 1P2
1R 14 +
1V57
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1R 21
1R 12
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灯丝正
1V8
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1C 9
1V6
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1R 18
电压反馈
电流反馈
灯丝电压
灯丝电流
1V5 1R 17
1V58
1V4 1R 16
灯丝电源基本电路
稳流放大输入
ASIPP
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。