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1. NBI ASIPP HT-7 DNB引出束测量与准直系统 刘智民1，李军1，刘胜1，蒋才超1，韩筱璞1，谢俊2，于玲2，胡纯栋1 （1.中国科学院等离子体物理研究所，合肥230031; 2.合肥工业大学机械与汽车工程学院，合肥230009) 2 装置结构与实验方法 HT-7托卡马克DNB束线装置通过功率测量靶对引出束功率及束密度分布进行测量，图1中当移开功率测量靶而关闭准直靶，则可以在进行束能量测量的同时，结合光学窗口进行束成份的光谱测量。DNB准直系统的靶板位于漂移管道内，它的中心与漂移管道的中心线设计为精确重合，由它测量的束线功率密度剖面分布情况可以准确反映束线准直状况。调试运行中根据功率测量靶和准直靶对束流分布的测量结果，来进行进一步的对比分析；如果束线准直情况较差，可以利用离子源调节机构调整离子源在水平和垂直方向的位置，使功率密度聚焦位于漂移管道中心线上，以获得优化的束密度剖面。 根据热力学原理计算了束流截止板允许的最大热流量，应等于板表面处于融化临界状态时的热流量；当束流截止板上注入额定最大功率为150kW,脉冲宽度为100ms的粒子束流时，计算得出的平均热流量密度远远小于最大热流量密度，故在束流的轰击下截止板面不会因能量过大而出现融化。设计的束流功率测量靶截止板为面积150mm×180mm的铜质板，厚度为6mm，质量为1.37kg，靶板上正交分布着13只采样铜柱及热电偶，见图2。 束流准直靶的热截止板为半径58mm的圆形紫铜板，厚度10mm，板上正交分布10只采样铜柱及热电偶，如图3所示。束流密度分布是通过测量沿束斑径向呈正交十字形分布位置的采样铜柱的温升，来得出束流截止靶上的束密度剖面分布。 摘 要：介绍了HT-7托卡马克诊断中性束DNB装置引出束流测量系统及束线准直系统。DNB束流测量及准直系统应用于束线的调试运行，以获得注入托卡马克诊断中性粒子束流的功率及其分布，从而对DNB引出束流进行有效的调整和优化。DNB束流测量及准直系统采用热截止法计算束流的功率值，并且根据功率测量靶和准直靶对束流分布进行对比分析，基于此对DNB束线系统进行了准直调整，获得了优化的束密度剖面。 关键词：HT-7托卡马克；DNB；束流测量；束线准直 1 引言 诊断中性束注入（Diagnostic Neutral Beam，DNB）装置是HT－7托卡马克上一项重要的诊断设备，其原理是利用中性化的高能脉冲粒子束线轰击托卡马克内部高温等离子体，通过电荷复合交换光谱（CXRS）来测量高温等离子体的离子温度分布等多项参数。DNB功率测量及准直系统用于测量DNB束流功率大小及束流密度剖面分布，依据测量结果对DNB束线进行调整，使得束线的品质得到进一步优化，有利于开展对托卡马克运行参数的物理诊断。 系统根据热力学原理设计出铜质的热惯性靶做为引出束流截止靶，使高能脉冲束流打到一个大质量导体上以承载热量，利用正交分布的采样铜柱上K型热电偶传感器测量出温度变化值。该系统设计了两套束流截止靶板和它们之间的束流漂移管道，以便研究对DNB引出束流进行功率测量及束线准直，并且通过在漂移管道上的光学窗口，利用OMA光谱仪测量引出束流的成分。 在数据测量方面设计了双路切换开关电路，实现远程操控对功率靶和准直靶测量信号的分时数据采集和处理系统，利用PLC脉冲触发信号同步启动系统，基于SENSORAY公司Model2600系列智能模块建立了分布式热电偶信号采集和处理网络，通过标准五类电缆将热电偶采集模块转换的数字量经过以太网通讯主模块直接传递到总线上，构成一个Client/Server（客户机/服务器）架构的基于以太网的数据测量系统。 1－真空室 1－主真空室 2－热截止靶 2－测量靶 3－热电偶 3－测温热电偶 4－冷却水管 4－光学窗口 5－波纹管 5－测量线通道 6－气缸 6－汽缸 7－活塞 图 2 功率测量靶示意图 图3　准直靶装置示意图 1－进气口； 2－离子源弧室； 3－引出电极； 4－主真空室； 5－偏转磁铁； 6－离子吞食器； 7－漂移管道； 8－功率靶； 9－光学窗口； 10－准直靶。 图1DNB 装置系统示意图 数据采集及测量系统采用了实时工业输入输出Sensoray2600系列网络智能模块，该模块系列基于以太网以客户/服务器为体系结构，各模块可以采用现场分布式结构，之间用标准五类电缆连接，其中主模块作为四个通道的连续通信服务器，并带有十六个智能输入输出端口的网关。主模块运用星形拓扑结构确保输入输出模块在网络中正常工作，每个输入输出端口通信电路用光纤隔离，以削除接地回路问题。热电偶的信号接入到2608采样模块经过调理、A/D转换后，通过标准五类电缆以数字量的形式传递到2601以太网通讯主模块的IOM端口，该数据进行UDP（用户数据报协议）封装后，经光纤收发器传递到以太网交换机或直接传递到客户机上，构成一个Client/Server（客户机/服务器）架构的束功率测量系统。 [ 1 ] [ 2 ] 数据采集及测量系统采用了实时工业输入输出Sensoray2600系列网络智能模块，该模块系列基于以太网以客户/服务器为体系结构，各模块可以采用现场分布式结构，之间用标准五类电缆连接，其中主模块作为四个通道的连续通信服务器，并带有十六个智能输入输出端口的网关。主模块运用星形拓扑结构确保输入输出模块在网络中正常工作，每个输入输出端口通信电路用光纤隔离，以削除接地回路问题。热电偶的信号接入到2608采样模块经过调理、A/D转换后，通过标准五类电缆以数字量的形式传递到2601以太网通讯主模块的IOM端口，该数据进行UDP（用户数据报协议）封装后，经光纤收发器传递到以太网交换机或直接传递到客户机上，构成一个Client/Server（客户机/服务器）架构的束功率测量系统， 图4是Client/Server架构的热电偶分布式数据测量系统。 图4 图5 功率靶板冷却水温差曲线 图6(a) 炮号1269和1270在束流 图6(b) 炮号1269和1270在束流 准直靶x轴上的温升分布波形 准直靶y轴上的温升分布波形 当DNB束线引出的高能粒子束流被截止在功率测量靶或者准直靶时，靶面上正交分布的每个直径2mm漏热小孔各对应着一个绝热铜质的采样靶，每个采样靶上装有一只K型镍铬-镍铝热电偶。通过对测量靶板上所有采样靶温升值的采集计算，可以得出引出粒子束流的密度剖面分布。另外，在功率测量靶板上排布了冷却循环水路，通过采用热电偶测量进出水的温差值，可以计算得出引出粒子束流在靶板上截止的热量总能量，进一步换算得出粒子束流的电功率。 3 实验结果与讨论 在DNB系统的典型实验参数运行下，即加速极电压在45kV，引出束流6A，弧流120A，脉宽100ms，在功率测量靶上可以采样得到冷却水的温差值变化，图5所示为炮号61048的离子束引出束流的采样曲线，据此计算出热截止靶板上的功率值约为170kW。理论上计算中性束注入到托卡马克的高能束流功率Pinj，可以表示为加速极引出功率Pext、气体中性化效率fneu、传输效率ηtra和再电离效率ηrei的乘积，即Pinj=Pextfneuηtraηrei。因此，在分析计算热截止靶板上的功率值时必须要考虑引入这些效率值。比如在整个积分计算过程时间中，热截止板上的热辐射散失，以及靶板经由周围的金属支撑件传导的热量等。 图6(a)和(b)给出了较早的两炮1269和1270分别在束流准直靶的x方向和y方向上温升的高斯分布波形，其中炮号1269对应了引出中性束的曲线，而炮号1270则是引出离子束的曲线。可以看出，离子源引出束流在水平方向的对中性略有偏差，但优于束线在垂直方向的对中性，这可以通过束线的准直调整来改善。 但另一方面说明，束流在垂直方向的束发散情况明显好于水平方向，这可能是电极栅缝位移的聚焦效果造成的。通常水平方向和垂直方向的最佳匹配关系难以同时满足，这需要在大量的实验中逐渐调整。同时，根据图中曲线可以计算出DNB气体靶的中性化效率约为55％左右，中性化效率表示了中引出中性化室的中性粒子功率与进入中性化室的离子束功率之比，对实验结果还需要进行大量的数值计算和理论分析。 图7(a) 束线调整后束流在准直靶 图7(b) 束线调整后束流在准直靶 x轴上的温升高斯分布波形 y轴上的温升高斯分布波形 针对上述现象，基于DNB离子源原有的定位和束线光学路径的计算和分析，对离子源的水平位置和垂直位置分别做了细微的精确调整。图7(a)和(b)是在DNB离子源调整后，在准直靶上测量的炮号60903离子束和炮号60989中性束分别在x方向和y方向的温度高斯分布波形。可以发现，经过对DNB离子源位置的精确细微地调整，束流在x方向的分布有明显改善，束径的对中性基本准确。而在y方向束流中心位置虽有一些改善，但还稍许偏向上方。考虑到CXRS诊断测量光谱主要是在x水平方向对束线光路的精度和范围更加敏感，所以没有再在y方向作进一步调整。 4 结论 本文讨论了在HT-7托卡马克诊断中性束DNB装置上，利用热截止靶原理对引出高能粒子束流功率及密度分布的测量研究，并基于功率测量靶和准直测量靶的对照数据，结合光谱测量数据对束线系统进行了准直调节，获得了较好的调整效果。测量系统实现了在高电磁场干扰的实验环境下，分布式热电偶测量与数据传输系统的稳定及可靠地工作。本套DNB诊断系统已经在HT-7托卡马克物理实验中，结合CXRS的光谱测量，获得了托卡马克等离子体的离子温度等诸多参数，今后将在更多的托卡马克物理实验研究中提供这一诊断手段。 [ 3 ] [ 4 ]