当期目录

2023年 第43卷 第4期    刊出日期：2023-12-15

上一期   

核聚变工程

中性束离子源实验平台 80kV/50A/20ms 高压电源设计分析与优化

万银祥, 魏会领, 耿少飞, 余珮炫, 周博文, 罗怀宇, 杨宪福, 黎 明, 张锦涛, 周红霞, 曹建勇

2023, 43(4):  373-379.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202304001

摘要 ( )   PDF (4110KB) ( )  

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

高压电源是中性束加热用离子源束流引出的关键设备，其运行参数和性能直接决定引出束粒子能量 和离子源引出效率。为了进一步提高中性束离子源实验平台高压运行参数和性能，重新优化设计并研制了 80kV/50A 高压电源的所有模块。首先介绍了 80kV/50A 高压模块电源的主电路拓扑结构和电源模块，运用仿真软件对高压电源主回路进行了充放电、打火保护仿真，仿真结果符合设计要求。最后，通过调试实验发现了电源模块存在空间绝缘不足、整流桥击穿、触发控制不响应等问题，进行了分析优化改进，完成了 80kV/50A 高压模块电源的升级研制。

基于深度学习的 HL-2A 装置 ELM 实时控制系统的研制

李宜轩, 夏 凡, 杨宗谕, 龚新文, 陈程远, 肖国梁, 朱晓博

2023, 43(4):  380-385.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202304002

摘要 ( )   PDF (2914KB) ( )  

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

利用 HL-2A 装置已开发的基于深度学习的边缘局域模 (ELM)识别算法和超声分子束注入(SMBI)等 ELM 缓解设备组成了一个 ELM 实时识别和控制系统。该系统实时采集相关的输入数据，通过神经网络计算分析， 输出识别信号，当检测到存在连续 ELM 时，触发 SMBI 以缓解 ELM。在 HL-2A 装置放电实验期间对 ELM 实时控制系统进行了测试，识别效果明显，在 1ms 控制周期中，达到了 ELM 的实时缓解与控制。 

CFETR 超临界 CO₂锂铅双冷包层第一壁热工水力学分析

余 毅, 马学斌, 蒋科成, 伍秋染, 陈 磊, 刘松林

2023, 43(4):  386-391.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202304003

摘要 ( )   PDF (2184KB) ( )  

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

基于 CFETR 超临界 CO₂锂铅双冷包层基本结构，对超临界二氧化碳冷却第一壁方案进行了热工水力学分析。采用计算流体力学(CFD)的方法，通过限定第一壁最高温度，分析了流道间距、壁面粗糙度、流道尺寸和内壁面热流密度对驱动功率、出口温度和内壁面温度的影响，并与氦冷方案进行了比较，为后续包层结构设计提供参考。结果表明，减小流道间距、增大壁面粗糙度可以获得更好的冷却性能。增大流道极向尺寸可以有效降低驱动功率，而增大流道径向尺寸可以有效降低内壁面温度。考虑第一壁与增殖区换热后，内壁面最高温度会有较大提升。此外，超临界二氧化碳冷却第一壁所需的驱动功率小于氦气的驱动功率。

偏滤器微纳表面冷却通道的过冷流动沸腾数值模拟

刘 晋, 周展如, 黄生洪, 叶民友

2023, 43(4):  392-401.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202304004

摘要 ( )   PDF (2914KB) ( )  

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

为模拟偏滤器水冷模块微纳米结构化表面的传热特性，结合微纳表面可视化微观观察实验数据，在 现有气泡参数模型的基础上，对接触角、气泡脱离直径、气泡脱离频率、汽化核心密度等参数模型进行修改，提 出可模拟微纳表面过冷流动沸腾传热效果的计算模型。用该模型对压力为 4MPa、速度为 10m·s^-1 、进口温度为 423K 的偏滤器水冷结构中的过冷流动沸腾进行计算，得到常规水冷通道与微纳表面水冷通道各结构的温度与气相体积 分布。计算结果表明，微纳表面的平均传热系数提高约一倍；在无氧铜与铬锆铜的许用温度范围内，微纳表面通 道偏滤器承受的稳态热流密度可达 14MW·m^-2 。

HL-3 装置强场侧低杂波天线的波谱设计

左 览, 白兴宇, 卢 波, 梁 军

2023, 43(4):  402-406.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202304005

摘要 ( )   PDF (2607KB) ( )  

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

为研究高参数等离子体的低杂波可近性，基于 HL-3 装置设计了一套位于强场侧的低杂波天线。利 用 ALOHA 代码对强场侧的天线进行模拟分析，针对只有一个单元的 PAM 天线，分别对其子波导数量、有源/无 源子波导的高度、宽度和壁厚等参数进行模拟，得到了天线的最佳结构和尺寸。最终优化后的天线发射参数为： 波谱中心的平行折射率 N_||为 2.25，天线的反射系数小于 2%，方向性系数大于 0.59。 

大面积负离子束源磁过滤器的设计及实验研究 

谢亚红, 谢俊炜, 韦江龙, 顾玉明, 蒋才超, 潘军军, 许永建, 谢远来, 胡纯栋

2023, 43(4):  407-411.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202304006

摘要 ( )   PDF (3905KB) ( )  

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

中性束注入是磁约束核聚变能研究中重要的辅助加热手段。大面积负离子源是中性束注入系统的核心部件。在负离子源工作过程中，负离子的电子结合能非常小(约 0.75eV)，极易被高能电子破坏。为此需要设计过滤磁场降低电子温度，减少负离子的损失，同时也可以减少伴随引出的电子。根据大面积负离子束源的机械结构，分别设计了永磁体产生过滤磁场和利用等离子体电极(PG)电流产生磁场两种磁过滤器结构；通过有限元算法对产生的过滤磁场进行模拟分析和优化，完成了大面积负离子束源过滤磁场的研制。在负离子束源测试平台开展实验测试，引出区电子温度从 5eV 降至 1eV。这个结果初步验证了大面积负离子束源的过滤磁场的性能，为大面积负离子束源的研制提供了支持。

高温超导环形螺旋导体的磁化损耗研究

罗荣华, 刘 健, 羊新胜, 赵 勇

2023, 43(4):  412-417.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202304007

摘要 ( )   PDF (1908KB) ( )  

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

针对高温超导线圈的基本结构单元环形螺旋导体，通过仿真计算分析其磁化损耗特性。首先通过实验和仿真验证了三维 T-A 法的可靠性，研究了不同的环中心圆半径、不同的圆管半径下磁化损耗特性。研究结果表明，随着环中心圆半径的增大，环形螺旋导体的磁化损耗逐渐增加；随着圆管半径的增大，环形螺旋导体的磁化损耗逐渐减小。

基于 PWM 整流器的大功率等离子体点火电源 

何 敏, 于子泉, 贾忠琪, 孟繁星, 朱 超

2023, 43(4):  418-423.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202304008

摘要 ( )   PDF (2228KB) ( )  

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

对大功率等离子体点火电源中脉宽调制(PWM)整流参数和控制环进行了设计，提升了 PWM 整流输出电压抗负载扰动能力，实验验证了所提方案的有效性。

托卡马克遥操作多功能重载机械臂旋转关节救援机构研究 

白晓伟, 姚达毛

2023, 43(4):  424-428.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202304009

摘要 ( )   PDF (4133KB) ( )  

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

以多功能重载机械臂中的关键旋转关节潜在的故障为对象，开展关节救援机构的研究。分析了该关 节救援机构的概念设计，针对可能的故障提出了一种切实可行的救援机构设计方案。按照简洁、模块化的设计原则，综合考虑救援机构概念设计、救援工况需求和旋转关节内部的空间布局，设计了以救援减速箱机构和电机抱 闸开启机构为主体的关节救援机构，同时明确了该关节的救援操作流程。

等离子体物理

局部反磁剪切位形下高能量粒子模的线性不稳定性分析

李 漫, 王先驱, 苏 祥, 许宇鸿, 程 钧, 刘海峰, 黄 捷, 张 欣, 刘 海, 唐昌建

2023, 43(4):  429-435.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202304010

摘要 ( )   PDF (2419KB) ( )  

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

在 HL-2A 装置等离子体放电参数下，模拟研究了局部反磁剪切位形时(存在具有同一安全因子值的 多个有理面时)高能量粒子(EP)激发的 m/n=2/1 的高能量粒子模(EPM)，并给出了含有 EP 驱动和环耦合效应的 m/n>1 模式的本征值方程。通过数值求解本征值方程，计算了径向模结构，并模拟了 EPM 增长率和模频率对于 EP 比压(β_h)的依赖关系。计算结果表明，局部反磁剪切位形下捕获 EP 可以驱动全域的 EPM 不稳定性，其特征类 似于 m/n=2/1 类鱼骨模，这为相关实验提供了理论解释。通过研究 EP 参数对模式的影响，发现随着粒子径向分布的平化，模式趋于稳定；当束注入能量增加时，强的阿尔芬连续谱阻尼将导致不稳定性增长率的减小。

HL-2A 环形阿尔芬本征模不稳定性的模拟研究

管敬雨, 柯 锐, 包 健, 陈 伟, 叶民友

2023, 43(4):  436-443.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202304011

摘要 ( )   PDF (11027KB) ( )  

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

为了帮助理解 HL-2A 装置的实验现象，采用本征值程序 GAM 对 HL-2A 实验中环形阿尔芬本征模 (TAE)的线性性质进行了模拟研究，模拟结果与实验结果一致。此外，分析了具有不同安全因子剖面的 TAE 的连续谱、模结构和模频率。对于正常磁剪切，发现芯部( $\sqrt{{{\psi }_{\text{T}}}}$<0.3)的 TAE 的径向模结构由两个相邻的极向谐波组成， 而外区($\sqrt{{{\psi }_{\text{T}}}}$ =0.3~0.9)的 TAE 的径向模结构由 8 个较高的极向谐波组成，这表明磁剪切在极向谐波耦合中起着重 要作用。当安全因子剖面在芯部存在反剪切时，反剪切区域的 TAE 消失，外区的 TAE 的径向宽度变窄。最后， 研究了电子密度剖面对 TAE 的影响，发现 TAE 模频率随电子密度的增加而降低，而模结构对电子密度的变化不敏感。

HL-3 装置电子回旋电流驱动的优化计算 

王 卓, 孙爱萍, 王元震, 李正吉

2023, 43(4):  444-449.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202304012

摘要 ( )   PDF (4313KB) ( )  

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

利用托卡马克集成模拟与实验分析平台(OMFIT)开展了 HL-3 装置 ECCD 驱动效率的研究，分析了 ECCD 系统发射天线在等离子体环向与极向所成的角度、等离子体密度、电子温度和磁场对驱动电流大小和位置 的影响。研究发现，环向角和极向角范围分别为 185°~200°、85°~105°时，ECCD 电流驱动效率比较高，驱动电流 可以覆盖到归一化半径 0.4~0.6。研究还发现，电子温度显著影响 ECCD 电流驱动效率，温度越高驱动电流越大； 在弱场侧磁场强度(1.9~2.2T)越小，驱动电流分布归一化半径越小和驱动电流越大。

EAST 装置高速 VUVI 系统对 ELM 丝状结构的边缘检测

邓荣婧, 陈林飞, 明廷凤, 龙飞飞, 李 邦, 石奇奇, 侯善伟, 高善露, 庄 清, 刘晓菊, 高 翔,

2023, 43(4):  450-456.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202304013

摘要 ( )   PDF (5353KB) ( )  

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

EAST 装置高速真空紫外成像(VUVI)诊断系统是边界局域模(ELM)二维丝状结构研究中的一项重要 诊断设备。受工作环境以及高速采集的影响，VUVI 系统丝状结构原始图像数据的信噪比相对较差。采用块匹配三维滤波(BM3D)算法、背景差分和数学形态学处理的方法对原始数据进行处理。使用 BM3D 算法去除所采集图像的噪声，增加信噪比；使用背景差分法提取丝状结构；采取数学形态学处理图像并获得丝状结构的边缘位置和倾斜角度。模拟与实验数据分析表明，该方法能有效提取 VUVI 诊断获得的丝状结构边缘细节，获得丝状结构倾 斜角等信息，并提高了实验数据的利用率。

基于二次电子发射的中性束剖面诊断系统设计 

於子辰, 陈玉庆, 许永建, 陈丽萍, 刘晓雪, 吴征威, 毛文哲

2023, 43(4):  457-461.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202304014

摘要 ( )   PDF (1680KB) ( )  

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

阐述了 NBI 系统长脉冲束中二次电子的发射原理，分析了束能量与靶表面温度对二次电子发射系数的影响，通过有限元分析模拟建立实际靶板模型进行初步模拟验证，并提出了基于二次电子数据反演的束功率密度 剖面的处理方法，给出了束诊断系统的设计流程图，分析了系统各组成部分和系统整体运行方式，确定了基于二次电子发射束剖面诊断探针设计。

图像边缘检测技术对偏滤器 X 点的识别研究

翟文延, 黄 渊, 高金明, 冯 震, 郭文平, 刘 亮, 刘春华, 侯智培

2023, 43(4):  462-468.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202304015

摘要 ( )   PDF (2009KB) ( )  

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

利用计算机视觉技术，对 HL-2A 偏滤器放电 X 点进行了识别研究。首先根据 HL-2A 偏滤器放电图 的分析需求，基于直观的等离子体标准下单零放电位形下的边缘可见光辐射模型建立了 Canny 边缘检测的处理模 型，主要对图像中等离子体边缘进行了预处理。结合 Harris 角点检测的算法，在提取出图像特征点后，利用多边 形逼近的方式确定了特征点在图像中的坐标值。分别拟合出强、弱场侧的等离子体边界曲线及其渐近线，渐近线 交点近似为 X 点，边界曲线向中心逼近所包围的区域可近似为 X 点存在区域。通过实际的 HL-2A 装置第 37638 次放电偏滤器放电图验证，经过简化条件后，拟合出的 X 点与 EFIT 反演对比误差范围在 3cm 以内。 

激光诱导荧光诊断的波长标定方法的研究 

马铭键, 叶孜崇(Yip Chi-shung), 江 堤, 毛世峰, 张 炜, 靳琛垚, 叶民友

2023, 43(4):  469-476.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202304016

摘要 ( )   PDF (5007KB) ( )  

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

激光诱导荧光作为一种非侵入式的诊断技术，通过激光扫频得到粒子速度分布函数来计算其速度和温度。为得到较高信噪比的粒子速度分布函数，需要对多次采集的数据进行平均处理，这需要标定每次扫频的激光波 长，以确定每次扫频的相同波长范围。为此发展了利用碘分子吸收光谱来进行波长标定的技术。为探究有效的光谱 对齐算法，分别使用最小均方误差法、误差梯度下降算法和卷积神经网络在模拟碘分子吸收光谱数据集上进行了测试。结果显示，最小均方误差法具有很好的对齐精度，且对齐平均误差小于两个采样间隔。利用最小均方误差法对 齐碘分子吸收光谱，对 Ar⁺ 激光诱导荧光实验结果的激光波长进行了标定，平均了多组 Ar⁺ 速度分布函数。相较于利用法布里-珀罗干涉仪共振峰标定以及激光触发曲线标定，通过碘吸收光谱标定得到的离子温度更准确。

气流和外加磁场对负电晕放电特性的影响

张泽力, 孙树伟, 陈佳尧, 钟方川

2023, 43(4):  477-481.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202304017

摘要 ( )   PDF (1569KB) ( )  

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

利用线-筒电晕放电装置，研究了气体流动和外加磁场对负电晕放电的影响。当电压固定时，电晕放电电流随气体流量的增加先快速增大，并到达一个高点后迅速下降，随着流量的进一步上升，放电电流又开始缓慢增加。外加磁场能增加电晕放电的电流，但在高的气体流速下，磁场将降低电晕放电的电流，同时外加磁场增加臭氧的产生，直到温度上升导致它的快速降解。 

不同频率驱动下容性耦合Ar等离子体随气压变化的放电特性

袁强华, 刘珊珊, 殷桂琴, 秦 彪

2023, 43(4):  482-488.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202304018

摘要 ( )   PDF (1661KB) ( )  

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

讨论了在驱动频率分别为 13.56MHz、40.68MHz、94.92MHz 和 100MHz，功率为 40W，气压由 3.3~ 26.6Pa 下的容性耦合 Ar 等离子体的放电特性。利用光谱相对强度法分别诊断了电子激发温度和电子密度。采用 粒子模拟和蒙特卡罗碰撞模型(PIC/MCC)，模拟了上述实验条件下中心处电子密度和电子能量概率分布(EEPF)。 结果表明，在每一个驱动频率下，电子密度均随放电气压的增加而增加，而电子温度则随气压增加而降低。驱动 频率为 13.56MHz 和 40.68MHz 的电子密度随气压变化趋势几乎一致，而 94.92MHz 和 100MHz 的电子温度则随气压变化趋势几乎一致。通过比较 EEPF，电子温度随气压的增加有下降的趋势，与光谱诊断结果基本吻合。

《核聚变与等离子体物理》2023年第43卷总目次

《核聚变与等离子体物理》卷总目次

2023, 43(4):  489-496. 

摘要 ( )   PDF (359KB) ( )  

相关文章 | 计量指标