HL-2A中性束注入器送气实验

　　为满足HL-2A中性束加热的需求，我们为HL-2A的NBI注入器研制了脉冲送气回路及其控制系统，系统的核心流量控制部件为PEV-1压电晶体阀，主要是根据气压测量结果调整压电阀电源输出脉冲电压波形来控制压电阀的流导。为克服了压电阀性能参数离散，对不同离子源的送气回路进行了单独标定。送气实验结果表明，金属离子源放电室气压控制精度达到了0.05Pa，通过调整不同压电阀电源输出波形，减小了束线4 个离子源送气回路之间相互影响，得到了平稳的离子源工作气压。

　　正文：在磁约束受控核聚变实验装置中，中性束注入是加热和驱动等离子体最有效方法之一。通过国际合作，在HL-2A托卡马克装置上我们成功研制了1MW的中性束注入（NBI）加热系统，该系统主要由一条配备4个离子源注入束线及其配套的束线电源、控制、测量和数据采集等子系统组成。

　　离子源调试实验表明，离子源的工作气压直接影响离子源等离子体放电性能和弧放电效率。离子源放电室的气压调节范围为0.1～0.8Pa，控制精度为0.05Pa，气压稳定脉冲宽度在100mS～3S范围内连续可调。为满足HL-2A装置的NBI工程调试及注入物理实验需求，我们为NBI系统研制了送气回路及其控制系统。

　　在离子源脉冲送气回路中，送气气压控制阀通常可以采用电磁阀或者是压电阀。与电磁阀相比，压电晶体阀由于抗干扰能力强，控制电源输出电压精度高，可精确控制气压的大小，而且重复性好，因此在气路设计中我们选择了压电阀作为气压的控制部件。文章第2 部分给出了送气回路和控制系统；第3部分给出了气压控制原理；第4部分给出了送气实验结果；最后对送气系统及其主要实验结果进行了总结。

1、气路及其控制

1.1、送气回路

　　离子源及中性化室送气回路包括：压电晶体阀、专门的气阀电源、电源控制系统、气体流量计、气罐以及数据采集系统，示意图如图1所示。其中，压电阀为美国MAXTEK公司生产的PEV-1型，基本参数为：开启时间2ms，工作电压0~120V；气体流量计为美国ALICAT公司生产， 测量范围0~3SLPM，模拟输出为0~5V；整个中性束束线共有4个离子源，对应4套送气回路，其中氢气发生器和储气罐共用一套。图中只给出对应一个离子源的送气回路。

1.氢气发生器2.气罐3、5、15、17.截止阀4.气压计6.气体流量计7.压电阀8.针阀9.离子源及真空室10.薄膜规11.压电阀电源12.数据采集及控制系统13.闸板阀14、16.分子泵18.机械泵

图1 单个离子源送气回路示意图

1.2、控制系统

图2 控制系统回路框图

　　HL-2A中性束系统的送气控制系统主要由电源输出波形编辑器，时序检测和控制服务器，PCI918AD转换器，PCL728DA转换器，真空薄膜规组成。工作原理是：由PC机图形化软件编辑并存储压电阀电源控制波形，然后时序检测和控制服务器调用波形存储文件并通过通讯端口控制PCL728DA板卡的DA输出通道，在0~5V 范围内输出与波形编辑软件显示一致的模拟输出脉冲波形，输出控制电信号经过VF/FV光纤隔离转换控制位于不同高压平台的压电阀电源，压电阀电源将控制信号放大25倍输出控制压电阀，通过在0.001~13Pa范围内线性度较好的薄膜规获得对应真空气压的电压信号， 并且同样经过VF/FV光纤隔离转换输入到PCI918AD采集卡。

　　在PC时序检测和控制服务器终端显示电源控制波形和真空气压波形，如果真空气压波形不满足预置要求，在输出波形编辑器中调整控制电压波形，通常两三次循环后就能在一定误差范围内满足预置要求。控制回路框图如图2 所示。