长脉冲强流离子源引出电极的冷却及加工工艺研究

According future long plush high power ion source requirements, the large multi-aperture electrodes which geometrical size refer to the ion source for HL-2M Neutral beam injector will be researched, and it mainly consists of cooling technology and machining technics in this program. Firstly thermal-stress numerical simulation and analysis for 55kV, 45A ,4s ion source extraction system are performed with finite element method (ANSYS Program). Then the ion beam divergency due to electrode deformation is analyzed. According the calculated results, the machining technics are investigated domestically and internationally, and the 1/2 antetype electrodes are procuced and tested.This program shows its advanced technology in the electrodes manufacture and ion beam divergency characteristic analyses due to thermal deformation. the technology realization will offer the reference for RF ion source, and will be the key step to long pulse high power ion source.

离子源电极是离子源的关键部件，直接影响引出束的流强、束光学性能和运行脉冲宽度。针对大功率长脉冲中性束注入系统离子源电极的特殊电极结构和高热负荷特性，开展基于瞬时冷却方式的四电极系统的冷却技术的相关研究。主要包括，通过利用大型有限元分析软件ANSYS对强流离子源电极系统的结构进行热应力计算与分析，然后对电极热变形及其对离子束发散特性的影响进行分析研究，最后调研国内专业厂家，对电极与绝缘质之间的焊接与密封工艺进行研究。最终将该技术应用到一套兆瓦级瞬态主动冷却方式的电极系统部件，其中束能量55keV,束流45A，脉冲宽度4秒，并对其1/2原型进行加工与性能测试。本项目在国内首次提出对电极热变形对离子束光学特性的影响进行分析，首次对长脉冲电极系统的加工工艺进行研究，这些技术的突破将为未来先进的稳态RF离子源提供技术基础，同时也是我国自主研发长脉冲强流离子源技术最为关键的一步。

按照项目任务书中的研究计划，首先利用大型有限元分析软件ANSYS，开展了有关长脉冲强功率离子源电极系统冷却技术相关的理论计算与分析，通过分析得知引出区域为420mm长140mm宽，厚度为3.5mm的电极在水流速6m/s冷却水瞬时水冷的情况下可承受的最高热负荷72千瓦。同时还分析了热变形对离子束发散特性的影响，得知电极弹性热变形会降低离子束引出时的最佳导流系数。如果在引出区域的热变形小于0.2mm，且分布比较均匀，导流系数有所降低，但不会影响离子束的正常引出。如果热变形为不规则变形，比如局部热变形，这将导致引出场强不均匀，可能导致离子束无法正常引出而关断保护。.随后开展了1/2模型水冷电极系统的加工工艺研究，主要包括水冷无氧铜电极的电铸加工工艺，水冷钼电极的真空扩散焊工艺，水冷钼电极及无氧铜电极的深孔钻加工工艺等三种工艺的试制研究。通过试制研究得知电铸工艺中电铸无氧铜层的致密性还需要进一步提高，同时该工艺无法适用于钼水冷电极；真空扩散焊接成本高，成品率低，而深孔钻工艺加工成型的水冷电极可靠性较好。针对大尺寸电极法兰与绝缘质之间的密封连接工艺也进行了两种工艺的试制研究，当绝缘质为环氧材料时，环氧与法兰之间采用的是粘接工艺，该粘接工艺精度较难以控制，粘接后不能进行再次装配公差修整；当绝缘质为PEEK材料时，采用的是传统的氟橡胶O型密封圈进行真空密封，工艺简单，并且装配后可以再次进行装配公差修正,装配精度较高。 .根据已掌握的上述工艺，最终研制成功一套大尺寸多孔型瞬时水冷电极系统。该电极系统由四层电极及其支撑法兰与绝缘腔组成，每层电极共有564个主直径为7mm离子束引出孔，每排离子束引出孔之间有一个直径为2mm的瞬时水冷通道,水水冷管道采用深孔钻工艺加工成型。法兰与PEEK绝缘质通过O型氟橡胶密封圈进行真空密封。该电极系统目前运行参数为：氢离子束束能67keV, 束流参数27A, 离子束功率接近设计指标55 keV,束流45A。由于受到电容性高压电源脉冲宽度的影响，目前工作脉冲宽度100ms，当该电极系统采用先进的主动水冷技术，该系统具备4s运行的能力。 .由此本项目按照研制计划，顺利完成了项目研制任务，并实现了主要研究目标。为我国以后开展圆孔型长脉冲电极系统的研制打下了基础，尤其是为以后开展先进的大功率射频负离子源长脉冲电极系统提供了技术参考。