EAST中性束注入器稳态偏转磁铁的参数设计与估算研究

梁立振,赵祥学,王 艳,胡纯栋,韦江龙,谢远来

(中科院等离子体物理研究所，安徽合肥230031)

EAST中性束注入器稳态偏转磁铁的参数设计与估算研究

梁立振,赵祥学,王 艳,胡纯栋,韦江龙,谢远来

(中科院等离子体物理研究所，安徽合肥230031)

中性束注入器偏转磁铁是剥离束流中剩余离子的关键设备，它与剩余离子吞食器等内部部件构成了中性束注入器的束偏转系统。束偏转系统的性能对中性束注入器束流的品质及其束传输效率发挥着重要作用。本文根据EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak，EAST)中性束注入器对束偏转系统的要求，对其偏转磁铁各性能参数进行了估算。为中性束注入器设计了一台用以剩余离子180°偏转的偏转磁铁。该偏转磁铁采用H型二极电磁铁结构；其磁极端面设计为138cm×47cm的圆角矩形结构；其线圈设计为每侧2饼，每饼2层，每层8根的串联结构,导线选用外方内圆空心铜导体，以满足偏转磁铁稳态运行的需要。该设计的偏转磁铁在370A励磁电流条件下，可提供80keV氘离子束偏转所需的磁场。实验测试结果显示：500A励磁电流稳态运行条件下，偏转磁铁线圈冷却水温升约21.5℃，该设计结构的偏转磁铁满足EAST中性束注入器满参数稳态运行和未来运行参数逐步提高的需要。

中性束； 偏转系统； 电磁铁； 束流品质

中性束注入加热是托卡马克磁约束核聚变研究重要的外部加热手段。它重点用于直接加热离子和输入环向动量，在无感电流驱动和聚变加料方面占也有重要地位，是实现高约束等离子体最重要的手段。随着磁约束核聚变研究的不断深入，中性束注入加热成为托卡马克等离子体高参数、稳态运行必不可少的辅助加热手段[1-3]。将事先加速到很高能量的离子束变成高能中性粒子束，然后再注入等离子体中；高能中性粒子通过跟背景等离子体碰撞变成高能离子而被捕获，再经过库仑碰撞而热化，同时将能量传递给电子和离子，从而达到给等离子体整体加热的目的，这个过程就称为中性束注入加热(Neutral Beam Injection Heating，NBIH)。

偏转磁铁是中性束注入器将束流中剩余离子剥离束通道的核心设备。它的工作性能对束流品质的好坏有着决定性的作用，并对中性束注入器及聚变实验装置的安全运行具有重要意义[4]。目前，在运行的中性束注入器都工作在脉冲模式。因此，其偏转磁铁也工作在脉冲状态下。本文以第二条中性束束线(4MW, 80keV，100s,70A)为例[5]，对偏转磁铁的相关参数进行了设计讨论，并对磁体线圈稳态运行能力进行了估算。为了满足EAST中性束注入器未来发展需要，结合第一套中性束注入器研制经验，我们优化了偏转磁体的冷却结构，使其具备了稳态工作的能力。

1 偏转磁铁的设计要求

一般来说，进入偏转磁铁中的高能离子的能量至少有3个成分，即全能量(与加速电极能量相对应)、1/2能量和1/3能量。在偏转系统内各种能量成分的离子都应该完全剥离束流通道，对于尺寸为12cm×48cm 且采用沿长边180°偏转的EAST中性束注入器来说，1/3能量离子偏转半径不应小于24cm。此时，全能量离子的偏转半径约为42cm。束流中各能量成分的离子偏转过程如图1所示。

图1 偏转磁铁工作过程示意图Fig.1 Schematic diagram of the deflection magnets

对中性束注入器来说，为了满足束流引出、束流中性化和抑制束流的再电离损失，装置运行时需要在束流通道中维持一定的真空梯度，且其动态平衡压力约10-2Pa[6-8]。对EAST中性束注入器来说，其真空室内主要抽气设备分别以桶状和片状分布在注入器的第一、三段。同时，整个注入器真空系统设计的辅助抽气接口安排在偏转磁铁安装所在的第二段真空室上。那么这就要求磁体所在位置导流系数应尽可能大，以保证注入器漂移段内真空抽速足够大。由于偏转磁铁工作中，磁体线圈将产生一定的热量。为了满足稳态运行的需要，偏转磁铁线圈需利用冷却系统将其产生的热量及时带走。

2 偏转磁铁的设计与参数估算

EAST中性束注入器一条束线具有两个束流通道，且两束流以8o40′的夹角向会聚方向传输。同时，对比C型、H型、WF型、框型二极电磁铁的优缺点,考虑剩余离子180°偏转的要求。鉴于H型二极电磁铁具有场型对称，适合于高场区工作的特点，EAST中性束注入器偏转磁铁采用组合H型二极电磁铁设计结构较为合适。即两个束流通道分别具有独立的H型偏转磁铁，两偏转磁铁共享一个边铁轭，其结构如图2所示。

图2 偏转磁铁结构示意图及其磁路分布Fig.2 Deflecting magnet structure diagram and the magnetic circuit distribution

2.1 偏转磁铁参数的设计

EAST中性束注入器的偏转磁铁利用带电粒子在横向匀强磁场中运动时受到的洛伦兹力将束流中的氘离子偏离束流通道。根据全能量离子偏转不小于42cm的设计要求，利用带电粒子在磁场中运动学方程，可以给出不同能量的离子所需要的偏转磁场的强度如图3所示。同时，考虑偏转半径在一定的条件下可调，且满足束线未来100keV运行的需要，磁场强度保留20%的可调空间，偏转磁铁磁场最大强度不小于0.19T。

图3 氘离子能量和中心磁场强度的关系Fig.3 Relationship between deuterium ion energy and the center magnetic field strength

当束流在偏转磁铁内传输时，由于离子间的碰撞、入射离子横向速度分量的存在以及偏转磁铁入口场的影响，束流中的部分离子将碰撞到磁极间隙的内壁上。同时，磁极间距离过大将使偏转磁铁带来不必要的更大范围的入口场。为满足偏转磁铁防护的需要，考虑工程实施的可行性，设计磁极防护屏高度为1cm。那么，磁极间距离应设计为20cm。

由上文叙述可知，偏转磁铁内束流的运动半径取为rm=42cm。根据经验公式:

(1)

式中：ξ——磁极利用系数；

R——磁极端部半径，cm。

磁极利用系数一般取0.78～0.91。那么，设计磁极端部半径应在46.1～53.8cm。由于本偏转磁铁设计为90°入射，90°出射，180°偏转，那么磁极端面设计为矩形结构，同时考虑离子偏转半径调整的需要，磁极端面设计为138cm×47cm的圆角矩形。

2.2 偏转磁铁线圈参数的设计

由安培环路定律知

∮H·dl=NI

(2)

其中，N为线圈匝数；I为线圈中电流，单位为A。NI为励磁安匝数，那么它可以由下式给出:

NI=

(3)

式中：μ0——真空磁导率；

μiron——磁铁铁芯的磁导率。

当磁铁铁芯不饱和时，μiron近似为常数。一般来说，铁芯材料的磁导率在2000H/m 以上，甚至更高；而真空磁导率仅仅为μ0=4π×10-7H/m。因此，在铁芯结构的电磁铁中μiron≫μ0，那么上式可以简化为：

NI≈LairB/μ0

(4)

其中，B的单位为Wb/m2；Lair的单位为m；同时,1 Wb/m2=1T=104Gs。在二极磁铁中，磁铁气隙的大小Lair就是两磁极间的距离g。由于以上计算忽略了磁铁铁芯的贡献，引入励磁系数f后，上式可以简化为：

NI=0.8fgB

(5)

式中：f——励磁系数；

g——气隙高度,cm；

B——中心磁感应强度, Gs。

其中，励磁系数一般取1.05～1.1。根据前文分析，对于EAST中性束注入器的偏转磁铁来说，它的磁场强度和磁极间距离分别为：1900Gs，20cm。那么，设计电磁铁的安匝数为：31920～33440。根据电工学手册外水冷导线电流密度取3A/mm2，内水冷导线电流密度取10A/mm2。将前文计算的电流安匝数取为33500，那么导线外水冷和内水冷的情况下，线圈的截面面积分别为11166mm2、3350mm2。结合偏转磁铁安装空间和装置稳态运行的要求，偏转磁铁线圈采用内水冷导线绕制。结合工程实践的实际情况，线圈导线选用9.3mm×9.3mm×D6.5mm 的空心导体。根据前面计算结果，偏转磁铁线圈总匝数为：

(6)

那么，取励磁线圈匝数为64匝；根据二极磁体对称设计的原则，将其设计为每侧2饼，每饼2层，每层8根的串联结构。

2.3 偏转磁铁线圈水冷参数的设计

根据公式(5)，取励磁系数为1.075，可得线圈电流约为500A，符合空心水冷线圈导线的载流能力要求。根据磁场空间的设计要求，偏转磁铁单侧线圈的导线长度大约为125m，那么，单侧线圈的电阻约为46.3mΩ。根据线圈设计结构，每个束流通道的偏转磁铁的线圈采用串联结构。那么，每条束流通道上线圈的发热功率为：

P=I2R=11.575 kW

(7)

对于处于真空系统的线圈来说，沉积在上面的热量需要冷却水带走。线圈自身热负荷约为12kW。根据冷却水温升不大于25 ℃的设计要求。那么偏转磁铁需要的冷却水流量为：

(8)

对内径为6.5mm的导线来说，冷却水如要达到此流量，其流速约3.5m/s，那么线圈两端供水压力约需1.5MPa。然而，中性束注入器其他部件的设计水冷压力为0.7 MPa，这为系统的兼容性带来了不便。为了优化线圈的冷却能力，在考虑工程造价和可行性的基础上，增加线圈冷却水抽头的方案被采用。增加线圈冷却水抽头后，磁体线圈每两层有一对冷却水进出口，经估算在0.6MPa冷却水压力下，该线圈可满足稳态运行的需要。当EAST-NBI处于稳态运行情况时，可以认为单位时间内线圈励磁电流产生的热量与单位时间内冷却水带走的热量相等，根据热平衡方程：

I2R=cpmΔt

(9)

式中：I——线圈通过的电流，单位为A；

R——线圈的总电阻，单位为Ω；

cp——冷却水的比热容，单位为J/(kg·K)；

m——冷却水的质量流量，单位为kg/s;

Δt——冷却水的进出水温度差，单位为℃。

根据公式(9)和偏转磁铁稳态运行参数，可计算得到线圈冷却水出口温升为21.1 ℃。

3 偏转磁铁的测试结果

为了确定偏转磁铁励磁线圈的性能，EAST中性束注入器偏转磁铁在中性束综合测试台开展了相关测试。首先，偏转磁铁的线圈按照实际工况要求连接到冷却水系统，并分别测量了供水压力由0.25MPa增加至0.65MPa情况下冷却水流量大小，其测试结果如表1。

表1 线圈冷却水压力和流量测量Table 1 Coil cooling water pressure Vs flow rate measurement

为了确定线圈冷却性能，利用水流热量计系统对偏转磁铁的线圈在运行电流500A的情况下进行了长脉冲测试，其运行时间分别为100s，130s，200s，500s，1000s，测试结果如图4所示。从图4可以看出，当通电时间大于500s时，线圈冷却水的温升基本保持不变；此时，冷却水温升约21.5℃。这说明：励磁电流的热功率与单位时间内冷却水带走的热量达到动态平衡，冷却水温升保持不变，这也与理论计算结果符合得很好。

图4 长脉冲时冷却水进出水口温度差Fig.4 The cooling water inlet and outlet temperature difference during long pulse operation

为了确定偏转磁铁的励磁性能，在不同通电电流情况下，分别测量了偏转磁铁磁隙中9个不同位置的磁场强度，并取其平均值作为该励磁电流情况下偏转磁铁的磁场强度。表2分别给出了偏转磁铁两个磁隙的测量结果。可见，偏转磁铁左右两个束通道具有较好的一致性，且其励磁系数约为1.065，符合磁体工程实践设计要求。图5给出了磁隙中平面上磁场的分布情况，在磁极区域内形成了较好的匀场区。

图5 偏转磁铁磁隙中平面上磁场分布Fig.5 The magnetic field distribution on the mid-plane of deflection magnet gap

4 结论

根据EAST中性束注入器的要求，设计了满足其稳态运行需要的偏转磁铁。该偏转磁铁采用H型二级铁结构，分别对应两个离子源形成独立的匀强磁场。其线圈采用选用外方内圆的空心导体，并根据二极磁体对称设计的原则，将其设计为每侧2饼，每饼2层，每层8根的串联结构。为了满足稳态运行需要，其线圈采用了每两层一对冷却水抽头的结构，经测试该结构满足偏转磁铁在500A励磁电流条件下稳态运行的需要，磁体冷却水温升约21.5℃。

表2 磁极中心磁场强度与电流关系Table 2 Relationship between magnetic field strength of the magnetic pole center and the coil current

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Parameter design and estimation of deflectionmagnet for EAST neutral beam injector

LIANG Li-zhen, ZHAO Xiang-xue, WANG Yan,HU Chun-dong, WEI Jiang-long, XIE Yuan-lai

( Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Science, Hefei of Anhui Prov. 230031, China)

The deflection magnet is the key equipment for residual ion separating form the beam passage in neutral beam injector (NBI). The magnet and the ion dump composing the deflection system of neutral beam injector. Performance of beam deflection system plays an important role for beam quality and beam transmission efficiency. According to requirements of deflection system of EAST-NBI, parameters of deflection magnet were estimated. The deflection magnet is designed for residual ion separating with 180 degrees. The H-type two-pole electromagnet structure is employed for deflection magnet. Its design is a rounded rectangle magnetic pole at the dimension of 138cm×47cm. Coil of deflection magnet is designed with two units for each side, each unit has two layers and every layer includes 8 circles. The wire is chosen as quadrate hollow copper conductor, which will meet the needs of steady-state operation of the deflection magnet. The design of the deflection magnet with 370A excitation current will provide a magnetic field to deflect 80keV deuterium ions. Experimental results show: under steady-state operating with 500A excitation current conditions, the temperature rise of cooling water of deflection magnet coil is about 21.5 ℃. The designed deflection magnet can meet the requirement of steady-state operation at full parameters and also fulfill the requirement of operating parameters gradually increase in the future.

Neutral beam；Deflection system；Electromagnet；Beam quality；

2016-02-11

国家自然科学基金(项目号：11075183)；973国家磁约束核聚变能发展研究专项(项目号：2013GB101000);中国科学院等离子体物理研究所所基金(项目号：DSJJ-14-JC07)

梁立振(1984—)，男，山东兖州人，副研究员，博士，现从事中性束注入加热方面研究

TL48

A

0258-0918(2016)05-0634-06