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2021年 第41卷 第s2期    刊出日期：2021-11-15

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HL-2M 装置供电系统研制

宣伟民, 王英翘, 李华俊, 彭建飞, 李维斌, 李 青, HL-M研制团队

2021, 41(s2):  437-442.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.2021s2001

摘要 ( )   PDF (72149KB) ( )  

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为满足 HL-2M 装置的供电需求，须配套建设相应的供电系统。通过仿真计算 HL-2M 装置的总体供 电需求，考虑到 HL-2A 装置现有的供电系统设备，提出了兼顾 HL-2A 和 HL-2M 装置供电需求的总体配置方案。介绍了国内首台 300MVA 立式交流脉冲发电机组、磁体电源、高压电源和电源控制系统的研制情况。


HL-2M 装置 300MVA 脉冲发电机组的设计

彭建飞, 宣伟民, 将宝钢, 魏玉国, 李华俊, 王海兵, 王英翘

2021, 41(s2):  443-448.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.2021s2001

摘要 ( )   PDF (46831KB) ( )  

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为了满足 HL-2M 装置的供电需求，建造了一套额定功率 300MVA、额定释能 1350MJ 的脉冲发电机
组。通过对机组卧式和立式两种方案的前期设计和对比分析，确定机组采取轴系稳定性更高的立式无单独飞轮方
案。机组由六相凸极同步发电机和同轴的 8500kW 异步电动机组成，为国内首台采取立式结构的大功率脉冲发电
机组。其技术设计主要包括机组结构设计和发电机电磁设计等内容，并通过机组等效模型对其启动和放电动态过
程进行了模拟仿真研究。研究结果显示，设计的机组在 15min 内能启机到额定转速 498rpm，发电机电磁参数能
满足 HL-2M 装置的特殊负载放电要求。机组的前期设计和技术设计为机组成功研制打下了良好基础，建立的仿
真模型可以作为后期机组运行控制策略研究的辅助工具。 



300MVA 脉冲发电机组滑差调节起动装置的设计及研制

王海兵, 宣伟民, 彭建飞, 李华俊, 陈 勇, 徐丽荣, 胡浩天, 何金成, HL-M研制团队

2021, 41(s2):  449-452.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.2021s2003

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300MVA 脉冲发电机是中国 HL-2M 装置的主要供电电源，为了能够满足放电要求，对脉冲发电机
组的起动装置滑差调节器进行了研究。基于绕线异步电动机的电气特性，采用电动机转子外接液体电阻的的方式
起动机组。计算了在采用不同电流起动时液体电阻的大小以及起动时间，计算了电阻碱液流量及容量以及冷却水
流量。根据恒电流起动方式提出了控制策略。确定了滑差调节器的液阻大小、碱液箱容积、碱液流量以及冷却水
流量。对三相液体电阻值进行了测量及调整，以确保机组起动时电动机电流波动很小。调试结果表明，设计的滑
差调节装置是可行的，可以为大功率高压电动机滑差调节装置的设计提供参考。


300MVA 脉冲发电机高压变频器调速装置设计及调试

王海兵, 宣伟民, 李华俊, 彭建飞, 何金成, 胡浩天, 陈 勇, 康 莉, HL-M 研制团队

2021, 41(s2):  453-456.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.2021s2004

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HL-2M 装置 300MVA 脉冲发电机组的调速装置高压变频器主要由输入和输出部分、功率单元、控
制部分组成。对高压变频器进行了调试及试验运行。试验表明其输入谐波含量小，输出波形也是完美正弦波，启
动到工作转速的时间为 16min，再加速时间未超过 5min，能够满足实验放电要求。根据调试情况对空载电流及转
子时间常数进行了优化，在空载电流为 300A、转子时间常数为 1.34s 时，其性能为最优。


HL-2M 装置的 300MVA 发电机组保护装置

康 莉, 胡浩天, 徐丽荣, 李华俊, 李维斌, 任 岷

2021, 41(s2):  457-460.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.2021s2005

摘要 ( )   PDF (13530KB) ( )  

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为保证 HL-2M 装置的 300MVA 立式发电机组的安全运行，需要对其设置保护装置。针对机组自身
特性，保护装置为发电机的多分支绕组采用了完全裂相横差保护、完全纵差保护和零序电流型横差保护。基于机
组脉冲工作模式，保护装置采用了快速频率跟踪算法实现频率变化时对发电机组的电压电流快速跟踪测量。实验
证明该保护装置满足机组的安全运行要求。 


HL-2M 装置磁场电源逻辑保护系统

韩艾玻, 陈宇红, 王英翘, 李维斌, 王雅丽, 姚列英, 邵 葵

2021, 41(s2):  461-466.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.2021s2006

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为了保障 HL-2M 装置磁场电源的供电安全，其逻辑保护系统设计了 4 级保护机制，分别在主机线
圈、电源变流器、整流变压器、交流开关柜设置保护检测器件，按保护等级确定逻辑保护策略。通过 HL-2M 装
置放电实验，验证了逻辑保护系统的可行性和稳定性。


磁场电源在 HL-2M 装置初始等离子体放电中的应用

李维斌, 陈宇红, 王雅丽, 郑 雪, 任青华, 吴 一, 韩艾玻, 王英翘, 宣伟民

2021, 41(s2):  467-471.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.2021s2007

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磁场电源是 HL-2M 装置初始等离子体放电的重要组成部分，它关系到 HL-2M 装置零场的建立，等
离子体的击穿和维持及位形控制。为实现初始等离子体放电所需的供电电压和电流，对磁场电源从主回路、控制、
测量和保护分别作了相应的调整。在此基础上进行了大量的工程调试，确保了磁场电源的控制和保护等性能达到
初始等离子体放电的需求。在磁场电源运行中，电源控制性能和输出参数的一致性、纹波质量等都有显著提高。
介绍了磁场电源在调试及 HL-2M 装置初始放电中的应用。


HL-2M 装置初始等离子体放电磁场电源实时控制系统设计

任青华, 李维斌, 王雅丽, 王英翘, 陈宇宏, 韩艾玻, 吴 一, 郑 雪

2021, 41(s2):  472-476.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.2021s2008

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为满足 HL-2M 装置初始等离子体放电参数的需求，根据磁场电源的主回路拓扑结构设计了一套实
时控制系统。系统硬件架构基于 NI PXI 与 CompactRIO 控制器，采用基于共享内存网络的千兆光纤网络传输数据，
并在本地将中控传输的控制数据处理为对应的触发脉冲，具备很强的实时性与准确性。经过首次等离子体放电实
验的验证，磁场电源实时控制系统可完全满足首次等离子体放电的需求。


HL-2M 装置电子回旋共振加热高压电源系统的研制

毛晓惠, 李 青, 宣伟民, 王英翘, 夏于洋, 李春林

2021, 41(s2):  477-481.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.2021s2009

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为满足 HL-2M 装置电子回旋共振加热、低杂波电流驱动、中性束注入等二级加热系统的需要，设
计了多套基于脉冲步进技术的大功率高压电源，为速调管、回旋管及中性束、离子源等提供高压。重点针对一套
用于电子回旋系统的高压电源进行了分析。该高压电源设计了多副边绕组的高压隔离变压器、全固态高压调制器
和电源控制系统，并得出了适合本电源控制的控制算法，易于调整高压的输出幅值以及高压的上升下降时间。最
后给出实验结果，以验证电源的保护能力、电源控制算法的可操作性及实用性。试验证明，此套电源不仅满足对
负载的快速保护的要求，其电源工作的稳定度等其它参数也满足设计要求。 


HL-2M 低杂波电流驱动系统研制 

白兴宇, 卢 波, 曾 浩, 王 超, 梁 军, 陈娅莉, 王洁琼, 冯 鲲

2021, 41(s2):  482-488.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.2021s2010

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HL-2M 装置的 LHCD 系统已经完成了包括 2MW 波源、2MW 传输线和 4MW 天线的工程研制，该
系统参数指标为 3.7GHz/2MW/3s，使用 4 只 TH2103C1 型速调管。建成了 4 条 500kW 功率容量的传输线，研制
了 1 套 4MW 功率容量的低杂波天线，并完成了与系统配套的电源、微波源、传输部件、控保系统以及水冷、真
空、测量采集等辅助系统的研制。


HL-2M 装置 NBI 加热系统规划及束线研究进展 

曹建勇, 魏会领, 耿少飞, HL-M装置NBI研制组

2021, 41(s2):  489-494.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.2021s2011

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为满足 HL-2M 装置高约束模式及高参数实验需求，HL-2M 装置规划 3 条中性束注入(NBI)加热束线，
NBI 加热功率为 15MW。第 1 和第 2 条束线是基于正离子源的 NBI 加热束线，根据中后期高参数实验状态确定第
3 条束线采用正离子源或者负离子源。本文简要介绍了 HL-2M 装置的加热束线布局和系统设计概念，综述了基于
4 套 80kV/45A/5s 离子源的 5MW-NBI 中性束加热束线的设计参数及研制进展。在物理和工程可行性简要分析基
础上，给出了采用 2 套 200kV/12.5A/10s 热阴极负离子源的 2.5MW-NBI 束线的概念设计、工程设计及技术研究进
展。 


HL-2M 装置电子回旋共振加热及电流驱动系统设计与研制进展

黄 梅, 王 贺, 张 峰, 陈罡宇, 梁 军, 王洁琼, 叶际若, 饶 军, 宋绍栋, 等离子体波加热团队

2021, 41(s2):  495-499.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.2021s2012

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根据 HL-2M 装置物理实验加热的需求，完成了总功率为 8MW 的电子回旋共振加热及电流驱动
(ECRH/ECCD)系统设计，开展了波源、传输及天线等关键部件研制。8MW ECRH/ECCD 系统，由 8 套 105GHz/ 
1MW/3s 波源系统、8 条内径为 63.5mm 的真空传输线及三套极向实时可控的发射天线构成。目前，已完成
ECRH/ECCD 系统关键部件研制及其相关的桌面与高功率性能测试。测试结果表明，微波源回旋管输出微波功率
达到1MW/3s，在真空度为 10^‒2Pa 的过模波纹圆波导传输线中能低耗稳定传输，发射天线极向全量程角度转动响
应时间在 50ms 以内。 


HL-2M 装置磁测量系统设计及初始放电实验结果 

张均钊, 季小全, 孙腾飞, 梁绍勇, 王 傲, 李佳鲜, 杨青巍

2021, 41(s2):  500-504.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.2021s2013

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介绍了 HL-2M 装置上满足等离子体放电的磁测量系统的物理设计，主要包括磁探针、磁通环以及
电流测量系统的设计。通过 HL-2M 装置典型的放电位形参数对磁探针的极向布局、有效面积，磁通环的极向布
局以及测量等离子体电流的罗氏圈互感值进行了初步设计。目前，HL-2M 装置已经完成初始等离子体放电。各个
子系统均能达到其测量目标。 


HL-2M 装置磁测量积分器设计

崔步天, 季小全, 孙腾飞, 梁绍勇, 张均钊, 王 傲

2021, 41(s2):  505-509.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.2021s2014

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在核聚变实验中, 积分器是还原微分信号的基本手段，低漂移积分器系统的研制是托卡马克实验中
的重要环节。介绍了用于 HL-2M 装置磁测量的低漂移积分器系统。通过模拟与数字补偿相结合的方法减小漂移，
提高了信号间的测量精度。性能测试显示，积分器输出漂移小于 2mV/15s，积分时间常数精度优于 0.3%。该积分
器应用于 HL-2M 装置实验，满足磁测量系统的测量需要。


HL-2M 装置 CO2 色散干涉仪研制

王浩西, 李永高, 李 远, 文若楠, 易 江, 王再宏, 石中兵, 周 艳

2021, 41(s2):  510-515.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.2021s2015

摘要 ( )   PDF (1854KB) ( )  

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研制了一套新型 CO₂ 激光色散干涉仪用于 HL-2M 装置初始放电期间的电子密度测量。该系统采用
基于激光倍频的色散测量原理，能够消除机械振动产生的相位误差。该系统使用全新的调相式信号调制，研发了
相应的数据采集/处理/上传系统。根据实验测量结果表明，CO₂ 激光色散干涉仪和微波干涉仪测量曲线基本一致，
色散干涉仪系统的测量精度约为 2×10¹⁷m⁻³，密度测量上限能达到 10²¹m⁻³。


HL-2M 等离子体辐射量热计系统的研制

高金明, 董云波, 邓 玮, 卢 杰, 刘 仪, 苗祥淦

2021, 41(s2):  516-521.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.2021s2016

摘要 ( )   PDF (64029KB) ( )  

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HL-2M 装置辐射量热计系统采用 16 通道光电二极管阵列作为探测器，11 个探测器阵列，共有 176
个探测通道，被设计在同一个小截面内，交叉覆盖上下偏滤器、等离子体边缘和等离子体芯部区域。数值模拟结
果显示，根据这种视线布局能够精确地估算出等离子体的总辐射功率；运用相关层析反演方法能够重建出等离子
体辐射功率密度的分布特征。在 HL-2M 初始等离子体放电中，根据中平面的探测器阵列对等离子体辐射特征进
行了初步的实验分析。


HL-2M 装置软 X 射线阵列系统前置放大器设计

董云波, 刘 仪, 付炳忠, 高金明, 董冠岐, 邓 玮

2021, 41(s2):  522-526.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.2021s2017

摘要 ( )   PDF (27945KB) ( )  

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系统地介绍了 HL-2M 装置上软 X 射线阵列系统的工程概念设计、组成部分、关键工艺和技术研制
等。根据 HL-2M 装置的特点(如高温烘烤，真空室空间不足等)，在该系统前置放大器设计中采用了很低的失调电
压和超低的偏置电流的高速宽带放大电路来降低暗电流和噪声，使得系统适用于较长距离传输的光电前置放大场
合，从而首次实现了前置放大器外置于真空室的安装布局。该放大器将大大增强整套软 X 射线阵列系统在高温烘
烤条件下的可靠性。 


HL-2M 真空紫外光谱初始诊断系统研制

张 凯, 郑典麟, 董春凤, 孙 平, 冯 雷, 石中兵

2021, 41(s2):  527-532.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.2021s2018

摘要 ( )   PDF (44035KB) ( )  

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基于 Seya-Namioka 结构 200mm 焦距可换光栅，研制了 HL-2M 真空紫外(VUV)光谱诊断光谱仪。该
系统在 300~3000Å 的真空紫外光谱范围具有较高的探测效率，时间分辨优于 1µs。经过结构设计、光谱标定和安
装调试，单通道 VUV 光谱仪已成功安装在 HL-2M 装置中平面窗口。在 HL-2M 装置初始放电实验中，利用该系
统测量到 C、O、N 等杂质的多条特征谱线，展现出优秀的信噪比和高灵敏度。 


HL-2M 装置固态亚毫米波干涉系统研制

邓维楚, 石中兵, 施培万, 杨曾辰

2021, 41(s2):  533-537.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.2021s2019

摘要 ( )   PDF (2153KB) ( )  

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发展了一套固态亚毫米波外差干涉系统和一种基于全相位快速傅里叶变换(apFFT)的相位处理方法用
于测量 HL-2M 初始等离子体电子密度。该系统采用平面型二极管倍频技术对低频的锁相微波源进行高次倍频以
产生功率大于 0.1MW、频率 306.9GHz 的探测波。基于 apFFT 的相位处理数值算法可以从原始信号中提取相位信
息，缓解由可能的高水平密度扰动导致的相位跳变。系统的固有时间分辨率为 5μs，电子密度测量范围在
10¹⁶~10²⁰m⁻³。在 HL-2M 装置首次实验期间，该系统被安装在中平面上，利用装置内壁反射实现干涉测量，成功
测量了线平均电子密度。 


HL-2M 装置扫频 ECE 测量系统研制

方凯锐, 杨曾辰, 石中兵, 余 鑫, 佟瑞海, 蒋 敏, HL-M 研制团队

2021, 41(s2):  538-543.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.2021s2020

摘要 ( )   PDF (46491KB) ( )  

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为了测量 HL-2M 装置中的电子温度剖面分布，研制了一套扫频电子回旋辐射(SECE)系统。该系统
能够测量装置中心纵场大小在 1.4~2.2T 时的等离子体电子温度。采用扫频外差接收的方式，径向空间分辨达到
2.5cm，时间分辨达到 1ms。接收机前端的准光学系统采用两级金属反射镜的配置，系统能够接收的最小极向光
斑的直径为 1.5cm（波数 k_θ<4.2rad·cm^-1）。系统的频带范围覆盖 33~110GHz，采用 VCO 作为本振源，双边带混频
输出中频信号。后端首次采用高性能对数检波器解调中频，能直接对-70dBm 的微弱信号进行检测，输入-输出工
作区间的动态范围达到 45dB 以上。在实验期间，成功测量到了等离子体中电子逃逸以及回旋辐射产生的信号。


HL-2M 装置宽谱段光谱诊断系统研制

魏彦玲, 刘 亮, 何小斐, 何小雪, 张 能

2021, 41(s2):  544-548.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.2021s2021

摘要 ( )   PDF (2695KB) ( )  

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HL-2M 装置宽谱段光谱诊断系统由采集光学、石英光纤和集成式光栅光谱仪构成，工作波段为
300~1100nm，可实现对工作气体(氢及其同位素)和内在杂质(碳、铁、氧等)线辐射的同步监测。通过将 5 台紧凑
型光谱仪并联形成集成式光栅光谱仪，可在保证宽谱段覆盖的同时实现较好的光谱分辨(0.04~0.19nm⋅pixel⁻¹)。目
前系统具有一个空间通道，最优时间分辨为 1.05ms，常规采样时间为 20ms。在 HL-2M 装置初始等离子体放电
实验期间，利用该套系统识别出氢等离子体的主要杂质为碳和氧，并对不同粒子的辐射特性进行了初步分析。


HL-2M 装置初始放电可见光辐射测量系统 

何小斐, 刘 亮, 何小雪, 张 能, 魏彦玲

2021, 41(s2):  549-552.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.2021s2022

摘要 ( )   PDF (2433KB) ( )  

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HL-2M 装置初始放电实验期间采用了一套 8 通道可见光辐射测量系统，4 个通道用于测量 Hα辐射，
其余分别测量 HeⅡ线、CⅢ线、OⅤ线和轫致辐射。该系统采用新型的雪崩放大二极管(APD)模块和光电倍增管
(PMT)模块作为光探测器，这些新型的探测器由于集成度高、供电方式简单而使得整个系统的后端具有体积小、
操作简单及可靠性强等优点。在 HL-2M 装置初始放电期间，该系统为控制运行人员提供了基本的等离子体信息。


HL-2M 装置时序控制与数据采集系统设计

任磊磊, 罗萃文, 刘攀乐, 周 建, 樊明杰, 韩 倩

2021, 41(s2):  553-558.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.2021s2023

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基于 FPGA 和 IEEE1588PTPv2 协议设计了 HL-2M 装置时序控制系统，用于在精准时刻为测控系统
提供触发。数据采集系统采用客户端/服务端双模式管理。在 HL-2M 装置初始等离子体放电实验中测试结果表明，
时序控制和采集系统具有纳秒级精度触发，实时性强，数据传输速度快，稳定可靠，方便部署和管理的特点，满
足 HL-2M 等离子体放电实验的应用需求。


HL-2M 实验网络与数据管理系统的设计与实现

潘 卫, 兰荆涛, 潘 莉, 张 刚, 彭媛媛, 曲成海, 梁 军, 李欣怡, 赵 丽

2021, 41(s2):  559-565.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.2021s2024

摘要 ( )   PDF (86523KB) ( )  

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HL-2M 网络与数据管理包含了实验网络系统、数据存储与备份系统，以及实验数据库与实验信息管
理系统等。实验网络系统是装置运行的支持骨架，为各子系统提供互联通道和信号传输能力；数据存储与备份系
统为托卡马克实验提供数据的存储管理与容灾备份服务；实验数据库系统为元数据与科学数据提供了高效的检
索、访问与管理；实验信息管理系统为装置各子系统提供了参数配置管理、运行日志记录与运行值守管理，实现
了实验运行管理信息化，提高了实验运行效率。


HL-2M 实验数据分析与实时显示系统的设计与实现 

潘 莉, 潘 卫, 李永革, 张 鑫, 兰荆涛, 曲成海, 罗萃文, 韩 倩, 梁 军

2021, 41(s2):  566-571.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.2021s2025

摘要 ( )   PDF (48253KB) ( )  

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HL-2M 实验数据分析系统提供了强大的远程信号处理计算和信息检索功能，系统采用先进的多层架
构，实现了所获即所需的数据远程传输，具有局域网和广域网的广泛应用。实时显示系统基于负载均衡的任务划
分，将数据处理和显示划分为多个任务、部署在多台计算机上；系统跟炮运行，能够自动、高效实时处理上千道
信号，并在多个大屏幕实时显示几百道关键信号曲线。


HL-2M 初始放电位形及波形设计

李佳鲜, 张锦华, 李 波, 宋 啸, 王 硕, 薛 雷, 郑国尧, HL-M 研制团队

2021, 41(s2):  572-578.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.2021s2026

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参考文献 | 相关文章 | 计量指标

利用 EFIT 设计了可用于 HL-2M 初始放电的圆截面限制器位形以及偏滤器位形；设计了满足放电击
穿条件要求(零场区域平均杂散磁场应不超过 20G)的零场位形。综合分析放电过程伏秒数消耗及真空室涡流的影
响，使用 PF8 线圈电流补偿真空室涡流产生的杂散磁场，设计了等离子体电流 200kA 的限制器位形及偏滤器位形
的自洽的放电波形。将该放电波形作为放电调试的参考波形，成功实现了限制器位形的初始放电实验。 


HL-2M 装置运行控制技术初步研究

李 波, 宋显明, 周 建, 宋 啸, 季小全, 夏 凡, 张锦华, 郑国尧, HL-M 研制团队

2021, 41(s2):  579-584.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.2021s2027

摘要 ( )   PDF (67246KB) ( )  

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重点介绍了 HL-2M 装置的运行技术和初步的等离子体控制实验结果，包括等离子体放电方案设计、
线圈电流控制、击穿阶段零场匹配和等离子体电流以及位移的控制。为了降低放电运行风险，HL-2M 装置初始放
电采用了简化的放电方案，通过整定 PID 参数实现了线圈电流控制，在击穿阶段获得了 10V 以上的环电压和较大
范围的零场区域，成功实现等离子体击穿。最后，投入了等离子体电流和水平位移反馈控制算法，成功将等离子
体放电脉宽提升至 200ms 以上，且维持 I_p≥100kA 的时间超过了 100ms，上述结果表明 HL-2M 装置运行控制技术
得到了初步的检验。