Development of Calorimeter Target for Long Pulse High Power Negative Ion Source Test Platform

中性束注入加热效率高，加热效果明显，已广泛应用于磁约束聚变实验装置^[1-3]。随着磁约束聚变装置规模和运行参数的不断提高，基于负离子源、长脉冲、高功率准稳态中性束注入（Neutral Beam Injection, NBI）加热技术已成为国内外磁约束聚变领域研究的热点^[4-6]。

核工业西南物理研究院（Southwest Institute of Physics, SWIP）自20世纪70年代就开始了中性束加热技术研究，先后研制了HL-1M^[7]、HL-2A^[8-10]和HL-3^[11-12]托卡马克装置的中性束加热束线。HL-3托卡马克装置5 MW中性束注入加热束线由SWIP独立设计研制，于2023年7月首次注入加热，取得明显加热效果，助力HL-3托卡马克装置分别实现等离子体电流为500 kA和国内首次1 000 kA条件下的高约束H模放电。2016年，SWIP开始了中性束负离子源技术研究，先后研制了单驱动RF射频负离子源^[13-14]、热阴极弧放电负离子源^[15-16]、热阴极弧放电和RF混合驱动放电负离子源，以及多驱动RF负离子源，负离子束能量达到200 keV，负离子束流达到安培量级。为开展更高参数的负离子源关键技术研究，SWIP正在建设堆量级长脉冲高功率负离子源实验平台。

实验平台的真空室由5个不同功能的真空室组成，负离子束在离子源真空室中产生并加速，经过离子束流诊断真空室后在中性化器真空室与气靶碰撞，部分负离子发生中性化，负离子束转化成负离子束和中性束混合束。进入中性束流诊断真空室后，混合束中的负离子被偏转磁体偏转掉，成为只含中性粒子的中性束，最后进入远红外诊断真空室，长脉冲高功率负离子源实验平台真空室结构如图1所示。

Figure 1.  Vacuum chamber model of calorimeter target for long pulse high power negative ion source test platform

在NBI实验平台和束线上，量热靶用于诊断束截面功率密度分布、中性化效率和束发散角等性能参数，是必不可少的核心部件^[17-18]。量热靶安装在离子束流诊断真空室或中性束流诊断真空室内，分别截获负离子束和中性束，诊断两种束功率密度分布和束发散角以及负离子的中性化效率等。

根据实验平台诊断需求，结合束功率密度分布、束斑尺寸和真空室工程结构，基于Workbench软件对量热靶热负荷的模拟计算分析结果，完成量热靶的工程结构设计。

长脉冲高功率负离子源实验平台在一期建设完成后，可调试的负离子源的最高参数为200 kV/20 A。以西物创新项目中研制的一套热阴极和RF混合放电负离子源为例，负离子加速器电极上束流引出区范围为24 cm×110 cm。当负离子源引出束流参数达到200 kV/20 A时，负离子束功率为4 MW。以负离子中性化效率为60%计算，中性束功率则为2.4 MW。即量热靶进行束流诊断时，直接轰击在量热靶的靶板上束流最大功率为4 MW。为确保束引出时量热靶运行安全，采用自主开发的束功率传输计算代码计算了离引出面3.5 m处的束功率分布情况。束功率传输计算代码采用Matlab脚本，将引出的多个小孔高斯束叠加，计算任意位置处的功率分布，同时高斯束考虑一定的束发散角^[19]。在束发散角为1°的情况下，量热靶前端（距离束引出面3.5 m）束分布情况如图2所示，最高负离子束截面功率密度为1.45 kW/cm²，功率密度大于0.4 kW/cm²的束斑范围是26 cm×114 cm。

Figure 2.  Power density distribution of negative ion beam

综合考虑价格和导热性，采用无氧铜作为量热靶的靶板材料。为增加负离子束轰击面积以降低轰击在靶板上的功率密度，量热靶采用了V字形靶板结构，两个靶板的夹角为36°，单个靶板与束传输方向夹角为18°，如图3所示。采用这种结构能够将最高的功率密度从1.45 kW/cm² 降低为0.54 kW/cm²。两个靶板长度分别为1 070 mm和1 050 mm，右侧靶板稍长，以确保完全截获束流。单个靶板厚度为25 mm，高度为1 800 mm。每个靶板布置了26根通径为12 mm的水道，以便冷却水通过热交换将靶板上的热量带走，防止热量沉积，监测靶板的水流量和进出水温升，可以算出束功率。保证靶板安全运行。在靶板的背面布置热电偶阵，可以实时监测靶板不同位置的温度变化，从而计算截获的功率密度分布、束发散角和中性化效率。

Figure 3.  V-shaped target plate

靶板的能量传递主要方式是热传导和强制对流换热。利用Workbench模拟靶板的传热过程，可以计算截获束功率时的靶板的温度分布。在Workbench中建立V字形靶板物理分析模型，做以下假设：（1）忽略靶板、真空室等部件通过热辐射传递的能量，忽略靶板与其他连接部件之间通过热传导传递的能量，负离子束的所有能量都被冷却水吸收；（2）忽略材料性能的变化，如温度上升引起的热膨胀等；（3）假设靶板中每个冷却通道的压降相同。以图2所示的负离子束功率密度分布为靶板的输入热负荷，在冷却水流量为80 m³/h条件下进行稳态模拟分析，得到靶板的温度分布如图4所示。靶板的温度分布与负离子束的功率密度分布一致。两个靶板的交界处对应于束斑的中心，靶板的最高温度对应于粒子束负离子束的最高功率密度。

Figure 4.  Temperature distribution of target plates

仿真分析结果表明，在设计参数下，V字形靶板稳态运行时的最高温度为610 ℃，远低于铜的熔点1 083.4 ℃，满足使用要求。

依据前面的物理结构设计和平台真空室内量热靶的安装尺寸，综合量热靶的安装、真空和水冷需求，完成量热靶的工程设计。量热靶的整体外形尺寸为1 590 mm（长）×1 300 mm（宽）×3 990 mm（高），包含可调底座、靶板组件、连接支架、真空室盖板组件和转轴驱动机构，如图5所示。量热靶安装在真空室内部，可调底座置于真空室底部，通过上端的密封法兰与真空室顶部的法兰螺钉拧紧密封。靶板和分水铜管以外的结构均采用316L不锈钢。

Figure 5.  Structural model of calorimeter target

可调底座的作用是在量热靶安装在真空室内部时提供支撑，为了不影响上端的真空法兰密封，可调底座在高度上是可调节的。可调底座和连接支架间装有4组碟簧组件，每组有4对碟簧对合组合。安装时，当量热靶吊装到位后碟簧组件产生一定变形，在上端密封法兰螺钉的紧固作用下碟簧组件能够适当压缩，实现法兰的真空密封，如图6所示。

Figure 6.  Adjustable base and Disc spring assembly

实验平台短脉冲小功率调试运行时，需启用远红外摄像机在远红外诊断真空室进行束流诊断，此时需要将靶板移开，让出中性束传输通道。HL-3托卡马克装置 5 MW-NBI加热束线中采用垂直方向升降方式，将整个量热靶移动到中性束传输通道的上方^[20]。而由于实验平台真空室容积有限，平台量热靶采用旋转方式，切换两个靶板的开合状态，让出中性束传输通道，如图7所示。为精简量热靶结构，两个靶板组件采用独立的进出水道，进出水道为3层管道，内管为进水通道，中间层为真空层，外层为出水通道。两个靶板以自身的进出水管作为旋转轴，在驱动机构作用下，分别反向旋转18°，形成靶板闭合和张开两个状态，通过限位开关实现到位反馈。为了满足3层管道既作为靶板组件的进出水道，又作为靶板的旋转轴的使用要求，其采用了磁流体动态真空密封^[21]。水由分水腔通过分水铜管进入靶板底部，由顶部流出通过分水铜管汇合到合水腔，分水腔和合水腔均与靶板焊接成一体。

Figure 7.  Opening and closing status of target plates

根据现有实验平台真空室结构和引出电极尺寸，计算参数200 kV/20 A下，束发散角为1度时，负离子源束功率密度分布和束斑尺寸。在此基础上采用Workbench软件对无氧铜V字形靶板结构进行热负荷模拟计算，冷却水流量80 m³/h条件下长脉冲满功率运行时靶板的最高温升为610 ℃。量热靶采用磁流体真空密封，实现了V字形靶板结构的开合，靶板背面布置了热电偶阵列实时监测靶板温度。量热靶工程结构紧凑，材料选用满足真空要求，安装尺寸能够兼容离子束流诊断真空室和中性束流诊断真空室，满足实验平台的诊断需求，能够安全运行。