中性束强流离子源弧放电控制新技术研究

Neutral beam injection (NBI) is one of the widely used ways to heat magnetically confined plasma. NBI heating plasma has made great progress and obtained highlighted achievement on several large-sized tokamaks and stellarators. The stability of arc discharge of ion source determines the quality of the ion beam extraction, so it is essential to research the control technology for arc discharge of NBI ion source. Utilizing the new designed arc power supply based on technologies of super capacitor energy storage and switching power supply whose working frequency reached 300 kHz, we can study on several control technologies of arc discharge including constant voltage, constant current, constant plasma density, and so on. Using the fast dynamic response of arc power supply, combining proportional-integral control and nonlinear control, we can realize a genuine tracking control on arc current. The researches on the control technology of ion source arc discharge with neutral beam continuous short pulse injection and modulation injection that provide a new experimental means for the physics experiments of the transport process of the tokamak plasma and plasma confinement features etc. Using the new technology of arc current notching to modulate the ion beam of the NBI can reduce the arcing and overcurrent times of the accelerator. These researches will be beneficial to improve the operation stability and injection power of NBI.

中性束注入（NBI）加热是普遍使用的磁约束等离子体辅助加热方式之一。在多个大型托卡马克和仿星器装置上，等离子体的NBI加热取得了令人瞩目的成果。离子源弧放电的稳定性直接决定了束流引出的品质，所以NBI离子源弧放电控制技术的研究十分必要。本项目利用全新设计的基于开关电源和超级电容储能技术的弧电源，其工作频率高达300kHz，研究恒压、恒流和恒等离子密度等多种弧放电控制方法。利用弧电源快速的动态响应，结合比例-积分控制和非线性控制，实现真正意义上的弧电流跟踪控制。研究中性束连续短脉冲注入和调制注入的弧放电控制技术，为托卡马克等离子体的输运过程研究，等离子体约束特性研究等物理实验提供新的实验手段。研究利用新的电流打坑技术实现对NBI离子源束流的调制，可以减少加速器的过流和打火。开展上述研究将有利于提高NBI运行的稳定性和注入功率。

针对本项目的研究目标和研究内容，开展了积极的理论研究和实验验证。一是升级了核工业西南物理研究院HL-2M装置5MW-NBI弧电源的电压和电流采样电路，提高采样精度和抗干扰能力，进一步提高了弧电源的响应速度；修改了现有弧电源的控制程序（对上位机开放PI参数设置权限），研究了PI控制参数对弧放电起弧和打坑过程的控制作用，实现了对弧电流稳定的闭环跟踪控制，提高了弧放电的稳定性和NBI系统的工作效率。二是设计并实现了弧放电的非线性控制方法，在提高弧电流的上升速度的同时限制了弧电流过冲幅度，并实验了弧放电的恒压和恒功率控制；研究了NBI系统的高精度时序电路与保护系统，建立了基于美国国家仪器（NI）公司硬件设备的高精度时序电路与保护系统，实现了NBI的连续短脉冲注入和功率调制注入。三是利用新弧电源工作频率可变的特殊性能，研究了不同的工作频率下，离子源弧放电的稳定性问题，得出了引起离子源弧放电振荡的主要因素不是弧电源的工作频率和控制周期的结论。此外，参与了热阴极负离子源、射频负离子源的一些放电控制实验，主要有大功率射频离子源阻抗特性分析和匹配调谐研究，朗缪尔探针在RF离子源中的扰动研究，NBI电源系统电磁兼容性研究等内容。