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中性束注入(Neutral Beam Injection)加热是磁约束核聚变装置上四种主要辅助加热手段之一,偏转系统是实现束流中性化的关键设备,它的设计与运行关系到中性束注入器装置的安全和工作效率。本论文分析了磁偏转系统的工作原理,研究了束流在偏转系统内的传输特性,发展了偏转系统束流传输的蒙特卡罗模拟程序,从而完成了EAST中性束注入器偏转磁体的物理设计和仿真分析及性能测试。
根据偏转系统工作原理,分析了束流在偏转系统传输的基本过程和特点,归纳了偏转系统内粒子所涉及的六类60种反应,并为其碰撞截面的计算开发了相关程序。通过对中性束注入器工作空间的仿真分析,获得了弥散磁场在偏转磁体区域的分布结果,建立了弥散磁场分布的数学模型:当EAST运行在其设计参数下时,单零和双零磁场位形下其弥散磁场在偏转磁体区的强度分别约为110Gs-190Gs和110Gs-170Gs。根据均匀发射面、高斯束模型获得了束流强度在偏转系统入口的分布表达式。
基于上述分析所得到的物理模型、数学模型,开发了偏转系统束流传输模拟程序。模拟结果显示:在偏转系统内,束流离子主要沉积在离子吞食器上;束流在传输过程中大约有7.39％的粒子将会发生非弹性碰撞;在这些发生碰撞的粒子中,66.74%的粒子由带电粒子转变为中性粒子,32.86%的粒子则由电中性变为带电粒子,剩余0.40%的粒子由碰撞前的正离子变为碰撞后的负离子。那些电荷状态发生变化的粒子由于受到磁场影响或者失去磁场的作用而导致其运动轨迹将发生较大的改变,大多数粒子不能按照其进入偏转系统时的状态到达离子吞食器或者穿越偏转系统到达功率测量靶,而是沉积在偏转系统的热防护部件上。
结合模拟程序结果,根据偏转磁体工作环境和使用要求,从设计任务、理论依据、物理参数设计三方面进行了EAST中性束注入器偏转磁体的物理设计。本工作设计的偏转磁体采用H型二极铁结构,线圈使用64匝外方内圆水冷却导线。该偏转磁体可以提供可调节的均匀磁场以满足50～80keV束流偏转的需要。为了满足其屏蔽EAST弥散磁场和真空压力梯度分布的要求,在偏转磁体束流入口一侧设计安装40根磁屏蔽棒。
根据物理设计的要求,完善并优化了偏转磁体主要部件之线圈、铁轭和磁屏蔽棒主要结构的工程设计,并在Ansoft软件中建立静磁仿真分析模型,对偏转磁体的性能进行了仿真分析。同时,利用线性霍尔元件和悬浮线法标定了偏转磁体的相关参数,测试结果显示:偏转磁体的励磁系数约1.072,当励磁电流为250～480A时,磁体可以在磁极间隙内产生大约933～1791Gs的均匀偏转磁场,实验结果与仿真结果符合较好。