大功率射频负氢离子源射频系统研究

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1、分类号学号D201177453学校代码10487密级博士学位论文大功率射频负氢离子源射频系统研究学位申请人：岳海昆学科专业：电磁场与微波技术指导教师：樊明武教授答辩日期：2016年1月24日ADissertationSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyinEngineeringResearchontheRFSystemoftheHigh-powerRFBasedNegativeIonSourceatHUSTPh

2、.D.Candidate:YUEHai-kunMajor:ElectromagneticFieldandMicrowaveTechniquesSupervisor:Prof.FANMing-wuHuazhongUniversityofScience&TechnologyWuhan430074,P.R.ChinaJanuary,2016独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出

3、贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日

4、日期：年月日华中科技大学博士学位论文摘要大功率强流离子源是核聚变装置中性束注入系统的核心部件，其中的大功率射频（Radio-frequency,RF）负离子源已成为国际热核聚变实验堆（InternationalThermonuclearExperimentalReactor,ITER）中性束注入系统的参考离子源。2011年起，华中科技大学（HuazhongUniversityofScienceandTechnology,HUST）开展了大功率RF负氢离子源激励器关键技术的研究，目前已经研制了一台大功率RF负氢离子源激励器实验装置

5、（简称“HUST激励器实验装置”）。激励器是离子源的源头，是等离子体产生的地方。在HUST激励器实验装置中，RF系统的作用是为等离子体提供能量。RF系统由RF功率源、传输线、阻抗匹配电路和RF线圈组成。RF功率源的输出功率经传输线和阻抗匹配电路传输至RF线圈，然后由绕在圆筒形激励器外的线圈耦合进等离子体中。本文以RF系统为研究对象，主要研究内容包括：1，实现射频功率至RF线圈的传输；2，研究RF功率与等离子体激发维持的关系；3，探讨在线阻抗匹配调谐的方法。本文将等离子体等效为均匀导电媒质并推导了其有效电导率；借助于有限元法，同时

6、考虑线圈及其周围金属的影响，使用一个简化的2D模型较为准确地计算了激励器等效阻抗的变化范围，这是阻抗匹配电路设计时的主要依据；推导了L型阻抗匹配电路和基于RF变压器阻抗匹配电路的电气要求，从研制成本和有利于工程实现的角度考虑，最终选用了由一个变比3:1的RF变压器、一个串联可调电容和一个并联可调电容组成的变压器型阻抗匹配电路；RF变压器的设计与实现是重点和难点，给出了一种新型结构RF变压器的原理，具有大功率容量和可以灵活调节变比等优点。依据激励器等效阻抗计算结果设计的阻抗匹配电路，将1MHz、20kW的射频功率高效地耦合进了激励

7、器，并成功地激发出了等离子体。I华中科技大学博士学位论文本文开展了等离子体激发实验，全面系统地研究了1kW功率情况下氢等离子体激发与所需RF功率的关系；提出并应用了一种等离子体激发前调谐阻抗匹配电路的工作方式；在一些主要的实验参数中，启动灯丝在最初的等离子体激发中是必需的，气压在10~4Pa之间降低时等离子体激发所需功率将会急剧地增加，线圈匝数在6~10匝之间增加时等离子体激发所需功率将会迅速地降低；以等离子体熄灭与RF功率的关系为依据，提出了一种较高气压（比如2.5Pa）激发、在0.3Pa维持的大功率等离子体工作方式，并得到了

8、实验验证；给出了判定氢等离子体激发主要依据的典型光谱。等离子体激发实验加深了对射频氢离子源的认识和了解，为HUST激励器实验装置的大功率运行做了充分的准备。本文给出了为大功率运行研制的阻抗匹配电路，并研究了等离子体激发后阻抗匹配状态的变化曲线；分析了影响阻抗匹配