基于束流截止热量计的束功率与分布测量.ppt

刘智民 刘胜 宋士花 韩筱璞 李军 胡纯栋 胡立群 HT-7 DNB诊断组 中国科学院等离子体物理研究所 DNB束流功率测量系统具有的主要作用： 测量引出束流的总功率以及在二维截面上的分布情况 ； 在进行DNB束流调整时，利用束流截止板可以截止束流引出，并且可以保护隔离阀门的安全； 对调试中DNB引出束流的数据进行分析后，可以用来调整和准直束线，使注入的诊断束线质量达到最佳状态； 因此，束截止板热量计法成为对高能粒子束流进行测量和分析方法中一种有效的手段。 测量系统由四种环节组成：敏感元件、变换元件、传送元件和显示元件。 束流截止板上分布有13个采样小铜柱，并用陶瓷与板面隔热且电绝缘，使铜柱的温度受板面的影响很小，板上沿铜柱轴线方向开有2mm直径的束流采样孔，采样铜柱上焊有热电偶，用以测其温度值。 在板面受到束流射线的同时，铜柱通过这些采样孔也接受到一定量的射线热量，这部分热量可以通过采样铜柱的温升反映出来，温度增量通过热电偶测得。 采样测量法通过测量板上一定数量点的功率密度，再拟合出板上的所有点的功率密度，从而积分计算出总功率的大小。 束流密度分布是通过测量沿束斑径向不同位置小靶的温升，可以利用下式来计算出每个小靶上束的热功率， 式中，ΔT为小靶的温升，m为小靶的质量，Cp为小靶的比热，tB为束流脉冲时间。 当束流截止板上漏热小孔的面积为s，根据上式利用小靶的热功率来计算束流截止板的功率密度为 所以，束流截止板上注入功率最大值可以计算为 式中，为所有小靶中取功率密度最大的值，S为截止板的面积。可见，该计算值为实际注入束流功率的最大值。 在该实验炮号82486中，通过测量束流截止板的冷却循环水温差值，得到热电偶测量的束流截止板温升曲线。利用热功率计算原理，对整个热电偶温度变化在时间上进行积分计算，式中，m为截止板的质量；c是铜的比热；ΔT为热电偶的温升； tB为对热电偶的采样积分时间，限于采集时间的限制，采样时间取为60s。根据计算，得到该炮在截止板上注入束流总功率为32kW。 图5 束流截止板冷却循环水温差曲线 结果讨论： 由图3和图4的束流截止板上X轴和Y轴方向采样铜靶的温度值显示出： 该离子源束线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，今后可以通过束线的准直调整来改善。 另一方面可以看出，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。 束功率测量板可以在维持真空度的情况下，在垂直方向上下移动，这样便于在需要测量束流功率时，放下测量板面来垂直拦截束流。 分析两种测量方法得到的束流功率值的差异的可能原因是： 在利用束流密度来计算截止板上束流功率时，工程上估算采取13个取样铜靶中温度最高值作为平均温度值来计算功率密度，这是因为考虑到在取样时刻是该铜柱的瞬时温度最高，但是实际上各个铜柱上达到最高温度点的时间是不一致的。所以，这样的计算方法得到的注入束流总功率会相对偏大。 采用测量束流截止板进出口冷却循环水的温差值，来计算注入束流的总功率方法中，仅计算了冷却水循环带走的能量，而对整个测量积分时间过程中，束流截止板上通过热辐射散失的热量，以及截止板经由周围支撑件传递的热量均没有被计算到。所以，该计算方法得到的截止板上注入束流总功率会相对偏小。 分析实验计算值时可以取上述两个计算值的平均值，作为束流截止板上注入束流总功率的实际值。进一步的实验研究中，还可以通过电荷交换复合光谱(CXRS)的诊断数据，来更精确地验证束流功率及束剖面分布。 谢 谢 各 位！ * NBI * 基于束流截止热量计的束功率与分布测量 1.离子源 2.加速栅极 3.主真空室 4.偏转磁铁 5.离子吸收器 6.功率测量靶 7.漂移管道 8.测量规管 9.低温吸附泵 10.低温泵冷头 11.分子泵 12.机械泵 中性束注入系统结构图 束流功率与分布的采样测量法： 1.主真空室 2.功率测量靶 3.测温元件 4.冷却水管路 5.高压缩比波纹管 6.气缸 7.活塞 8.绝缘绝热片 9.采样铜块 10.热电偶 11.漏热孔 12.信号引出口 功率测量靶装置示意图 K型热电偶信号调理器AD595模块 1.总控计算机 2.PLC可编程控制器