射频负离子源引出电源控制和采集系统设计

中性束注入系统是磁约束核聚变研究中重要的等离子体加热、电流驱动和等离子体控制的手段之一。射频负离子源因其中性化效率高、使用寿命长，成为中性束发展的必然选择。引出电源负责在离子源引出电极与等离子体电极间形成一定的电势差，从而将负离子从等离子体发生器中引出。引出电源输出精度、投放时刻、上升时间和稳定性将直接关系到负离子束的匹配引出及恒定负离子束流的维持。本文设计了一套射频负离子源引出电源控制和采集系统，实现对引出电源高精度输出控制和关键参数的实时采集。测试结果表明引出电源控制和采集系统满足射频负离子源实验需求。

中性束注入(Neutral Beam Injection, NBI)作为托卡马克核聚变装置四种辅助加热手段中加热效率最高、物理机制最清楚的加热方式，在国际和国内的磁约束核聚变装置上得到广泛应用[1] [2] [3]。为满足未来大型磁约束聚变装置对高能量、高功率和稳态中性束注入系统的需求，世界上磁约束聚变领域的主要研究单位均启动了大功率强流负离子源的研发工作。ITER 和CFETR 中性束注入加热系统均将采用MeV 量级的射频负离子源，在中国科学院等离子体物理研究所正在开展射频负离子源样机的研制。

大功率射频负离子源由产生大面积、稳定、均匀的高密度等离子体的等离子体发生器和用于引出等离子体中负离子并加速形成束的束引出系统组成。引出电源负责在引出电极与等离子体电极间形成一定的电势差，从而将负离子从等离子体发生器中引出。引出电源输出精度和稳定性将直接影响引出负离子的束流光学特性。

同时， 由于大功率负离子源相比正离子源具有负离子分布面积较大、密度较低的特点， 其对于负离子束的稳定、可靠引出提出了比正离子束引出更高的要求，故需通过对束引出过程引出电源进行高精度输出控制、电压闭环反馈控制和电压快速切断控制，保障引出电源高精度、稳态运行，从而实现大功率负离子束的高效、聚焦、稳态、可靠引出。因此射频负离子源的稳定可靠运行对引出电源提出性能稳定、高可靠性、纹波小、动态性能好等要求。

根据引出电源性能需求，结合引出电源(16 kV/20A)建设成本和电压等级，引出电源结构设计采用安全、可靠、高效、低谐波的PSM (Pulse Step Modulation)结构，由8 台PSM 100 V/20A 模块和19 台PSM 800 V/20A 模块串联组成[4] [5] [6]。为保证大功率负离子束稳定、高效、聚焦引出，要求引出电源输出电压纹波小于1%、调整精度为100 V；同时，为保障大功率负离子束引出时具有良好而稳定的离子光学特性，要求引出电源与加速电源系统匹配工作，根据加速电源上升时间小于80 ms 的设计指标，引出电源电压上升时间设计为50 us~100 ms，且可调。因此本文针对射频负离子源束引出控制需求开展了引出电源控制和采集系统研究，包括引出电源控制和采集系统总体设计、硬件设计、软件设计、及相关性能测试。