活水“源头”，时时逐新——记中性束注入团队离子源发展组

刘玲（十三室）

　　长脉冲（稳态）运行射频离子源是大功率中性束系统研制的关键方向之一。离子源作为中性束注入系统的源头和核心部件，其性能很大程度上决定了系统所能达到的指标，为了EAST-NBI的长脉冲运行，更是为了发展未来聚变装置的中性束注入系统，射频离子源都是必须要攻克的难关。

　　基于对中性束注入关键技术路线的前瞻性考虑，2015年在胡纯栋主任的大力支持下，中性束注入研究室离子源发展组正式成立，谢亚红副研究员担任组长，并在机械设计、电源、引出系统、匹配、真空、诊断、控制等方面配备了全室最强人力，形成了一个以谢亚红为核心的射频离子源技术攻坚堡垒。

　　谢亚红副研究员是中性束注入团队离子源领域的领军人物，从研究生时代开始，一直致力于MW级强流离子源关键物理及工程问题研究。近年来，作为国家大科学工程和科技部“ITER973”项目的科研骨干，在强流离子源物理设计、离子源起弧放电与束引出特性分析、朗缪尔探针测量、基于弧功率调节的离子源反馈运行、离子源调试锻炼及物理运行等方面组织开展了深入的研究，研制的4MW强流离子源成功应用于EAST中性束注入系统中，为中性束注入系统运行提供了稳定、可靠的强流离子束。十年磨一剑，十年艰难的科研工作已经把一个青涩的小伙子磨砺成了国内离子源领域的栋梁之才！

　　在谢亚红副研究员的带领下，离子源发展组先后成功研制了单激励器射频离子源、大面积跑道型射频离子源、完成了射频负离子源引出系统加速器结构设计和组装、搭建了射频离子源综合测试平台，并在射频离子源诊断、水冷结构设计、射频离子源电源方面均取得突破性进展。2017年12月14日，首次成功开展了大面积跑道型射频离子源放电实验，这支年轻的队伍已经在国内射频离子源研制方面处于领先地位。

　　2018年开年以来，离子源发展组以射频离子源长脉冲等离子体放电作为首要任务。射频离子源的长脉冲等离子体放电之路可谓是荆棘丛生、举步维艰。千秒量级的等离子体放电使离子源关键部件的冷却面临极为严峻的挑战。射频驱动器的法拉第屏蔽沉积了约40%的射频功率，为了能做到主动冷却，需要在有限的机械尺寸上设计有效的冷却水路，同时不影响射频功率的馈入。通过与合肥科烨电物理设备有限公司的工程师们进行设计方案沟通和工艺交流，优化了水路设计和焊接工艺，开展了工艺探索和样机研制，并在实践中不断摸索，经历了一次次失败，排除了一个个不可能的方案，胜利的曙光也就冉冉升起，最终成功解决了离子源的冷却问题。

　　功率耦合是射频离子源研制的又一大难题。由于等离子体负载阻抗会随着功率和进气等因素的变化而不同，必须设计合理的功率耦合系统才能获得射频离子源稳定的等离子体放电。假若功率耦合系统设计不合理，射频功率源所发出的射频功率会形成反射，对射频功率源和离子源其他部件造成损坏。蒋才超，也是中性束团队最年轻的副研，毅然决然扛起“功率耦合”攻坚的大旗，先后采用了理论计算和计算机仿真来解射频离子源功率耦合的问题，最终在射频离子源测试台上通过大量的实验测试，分析了射频离子源阻抗随各种因素下变化趋势，设计研制了国内首台大功率高隔离等级射频隔离变压器，优化完善了阻抗匹配结构，最终实现了大功率射频离子源的稳定等离子体放电。

　　打退“拦路虎”后，在真空、电源、控制、诊断等子系统的配合下，离子源发展组开展了历时数月的射频离子源调试实验。期间适逢EAST年度运行实验，离子源发展组的成员都是EAST-NBI运行人员兼各子系统运行维护人员。在此期间，EAST-NBI运行实验与射频离子源调试实验同时开展、齐头并进。EAST-NBI运行实验是两班轮流值守，射频离子源的调试又丝毫放松不得，离子源发展组的成员们既要完成EAST-NBI运行的要求，开展各子系统检查维护、实验运行，又要配合射频离子源调试需求，提供必要的技术支持。他们每天在2-2射频离子源测试台、2-2控制室、EAST控制大厅和NBI控制室之间奔波往返，随时准备处理各种突发状况，他们笑称自己是“革命一块砖，哪里需要哪里搬”。就这样，离子源发展组在开展了射频等离子体放电和射频功率沉积方面诸多的物理和实验研究后，通过数月的射频离子源调试实验，在射频离子源测试平台上实现了35kW@1000s稳定的射频等离子体放电，千秒量级射频离子源的研制成功为长脉冲中性束注入系统的研制奠定了坚实的基础。