兆瓦级强流离子源的射频功率馈入特性研究

The RF ion source is the most promising ion source, which can be operated with steady state. When the RF ion source works, the key point is how to transmit and couple the RF power to the plasma with the RF power transmission unit, can keep high coupling efficiency when the plasma parameters changed. This project is plan to combine with the physical analysis, simulation and engineer design methods to analyze the RF power transmit and coupling for the plasma generation on the high power ion source, and design the impedance-matching network and the RF isolation transformer, which can gets high RF coupling efficiency with variable plasma parameters and decreases the reflected RF power. The designed marching network and isolation transformer will be tested and verified based on the EAST-NBI ion source test bed. The function of each components of impedance-matching network and the RF isolation transformer will be analyzed to study and optimize the characteristic of RF power transmission and marching. The high power ion source with high RF power transmission performance can be achieved. This project can promotes the development of high power RF ion source and technology development of neutral beam injector. It is also much important for the R&D of fusion science research.

射频离子源是未来最有可能实现稳态运行的大功率离子源。射频离子源在工作时，关键的问题是如何利用射频功率馈入单元用于将射频功率传输并耦合到等离子体中，并且随着等离子体参数的变化保持较高的耦合效率。本项目研究组拟采用物理分析、仿真计算和工程设计相结合的方法，分析兆瓦级离子源射频功率传输和耦合，设计合适的阻抗匹配网络和高频隔离变压器，可随着等离子体的参数变化保持较高的射频耦合效率，将射频功率最大限度耦合到离子源等离子体，降低射频功率反射。通过在现有实验平台进行实验调试，对所设计的各单元进行验证，同时研究射频功率传输和匹配特性，并进行优化，获得射频传输和耦合性能较佳的大功率射频离子源。本项目的研究对于大功率射频离子源的研发、推动我国中性束注入技术的发展以及提升我国受控核聚变事业的研究水平具有重要意义。

在众多类型离子源中，射频离子源是未来最有可能实现稳态运行的大功率离子源，而为了迎合CFETR和聚变堆对中性束注入长脉冲运行的需求，发展大功率射频离子源关键技术迫在眉睫。射频离子源在工作时，关键的问题是如何利用射频功率馈入单元将射频功率传输并耦合到等离子体中，并且随着等离子体参数的变化保持较高的耦合效率。本项目基于Comsol模拟程序开展了对兆瓦级射频离子源的放电特性仿真分析，并在此基础上，开展了对兆瓦级射频离子源功率馈入系统的设计、分析计算和仿真，确定了其主要参数的取值，基于上述分析计算结果，完成了阻抗匹配网络和射频隔离变压器样机的研制，并在大功率射频离子源测试台上开展了相关的测试实验和优化工作，获得了50kW高功率和35kW/1000s长脉冲稳定的射频等离子体放电，为EAST NBI灯丝离子源替换为适用于长脉冲的射频离子源奠定了基础，同时为后续发展射频负离子源开展了关键技术预研和运行经验的积累。本项目的研究对于大功率射频离子源的研发、推动我国中性束注入技术的发展乃至提升我国受控核聚变事业的研究水平具有重要意义。