一种基于孔型引出离子源的注入器设计程序技术领域
本发明属于磁约束聚变装置高功率中性束注入(NBI)加热系统物理结构设
计方法技术领域，具体涉及磁约束聚变工程中的中性束注入(NBI)加热系统注
入器概念设计分析程序包。
背景技术
中性束注入(NBI)用以加热磁约束等离子体，是提高离子温度或者电子温度
的最有效方法之一，同时NBI也用来驱动等离子体电流并且控制等离子体性能。
NBI注入器研制需要与磁约束实验装置及其实验需求相匹配，不同的装置需要
设计不同的NBI注入器。注入器的设计主要包括：注入参数的选择，几何布置
分析计算，部件的数值模拟，注入器加工工艺分析，注入器概念设计和工程设
计。中国环流器HL-2A装置正在进行升级改造，按照升级改造后的中国环流器
HL-2M装置的物理目标，需要研制3条新的NBI束线，每条NBI加热束线功率
达到5MW。
中国环流器HL-1M装置的NBI加热系统注入器是从俄罗斯引进的，由于注
入器与装置不匹配，NBI加热实验不成功。中国环流器HL-2A装置的NBI加热
束线注入器是从德国IPP研究所引进的，是专门为中国环流器HL-2A装置主机
研制的，NBI加热束线与主机匹配，在NBI加热条件下取得了许多前沿的物理
结果。怎样设计与对应装置结构和物理实验目标相匹配的NBI加热束线注入器
至关重要。需要首先系统考虑磁约束聚变实验装置的周边空间条件，NBI注入
窗口尺寸，等离子体尺寸及等离子体密度，确定NBI加热束线的基本参数，束
的几何尺寸，粒子能量，束功率，中性化效率。
为了使设计的新注入器与对应的托卡马克装置，如中国环流器HL-2A，中
国环流器HL-2M托卡马克装置相匹配，亟需研制一种基于孔型引出离子源的注
入器设计程序，应用于磁约束聚变装置中注入器的设计。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于孔型引出离子源的注入器设计程
序，为HL-2A，HL-2M等托卡马克装置布局和概念设计中性束注入加热束线的核
心设备—注入器提供分析计算程序包。
为了实现这一目的，本发明采取的技术方案是：
一种基于孔型引出离子源的注入器设计程序，应用于磁约束聚变装置中注
入器的设计，包括以下方面：
(1)界面设计
注入器设计程序的人机交互界面模块包括4个界面：NBI注入窗口和电极孔
分布计算界面、等离子体发生器和引出束成分分析界面、孔引出4离子源束几
何计算程序界面、注入器关键部件几何分析界面；
上述4个界面都由脚本语言编写，每个界面都分别包括参数输入区，参数输
出区和图形显示区；根据参数输入区中的输入参数进行计算，得到参数输出区
的输出参数；
(2)NBI注入窗口和电极孔分布计算界面
(2.1)界面基本区域
(2.1.1)在该界面中，图形显示区包括三部分，分别是：
HL-2M的设计水冷引出电极的孔分布示意图；
HL-2A的非水冷引出电极的孔分布示意图；
HL-2M的NBI注入窗口的几何参数示意图；在HL-2M的NBI注入窗口的几何
参数示意图中，几何参数包括注入角、束宽度、倾斜角、捕获长度；
(2.1.2)参数输入区包括三部分，分别是：
HL-2M的设计水冷引出电极的初始几何参数：引出电流大小、电极的初始透
明率、引出电流的初始密度、电极形状、电极水平半径、电极孔半径、水冷管
直径、水冷管布置方向；
HL-2A的非水冷引出电极的初始几何参数：引出电流、电极透明率、引出面
积、电极孔半径、引出电极半径、电极孔间距；
HL-2M的基本工程设计参数：托克马克装置内壁半径、托克马克装置外壁半
径、托克马克装置的大半径、托克马克装置的小半径、NBI注入窗口的深度、NBI
注入窗口的倾斜角、托克马克装置的等离子体密度、TF线圈宽度、NBI注入窗
口的宽度、NBI束的倾斜角、NBI能量、TF线圈数量、窗口角度、NBI束的类型；
(2.1.3)参数输出区包括两部分，分别是：
HL-2M的设计水冷引出电极的用于分析计算的几何参数：引出电极的面积、
引出电极的半高、水平方向的电极孔数、电极的透明率、竖直方向的电极孔间
距、水平方向的电极孔间距、半高方向的电极孔数、束密度、总孔数；
HL-2M的NBI加热系统的可行性参数：NBI注入角、最大NBI束宽度、沿注
入方向的等离子体边界到等离子体中心之间的距离、捕获长度、注入窗口边界
到等离子体中心之间的距离、注入窗口在托克马克装置中的相对坐标；
(2.2)该界面与其他界面之间的联系按钮
在脚本语言程序中输入主程序名称，进入程序第一个运行界面——NBI注入
窗口和电极孔分布计算界面，其它三个运行界面通过设置在NBI注入窗口和电
极孔分布计算界面上的命令按钮给出，在其它三个运行界面中都设置一个返回
按钮返回到第一个运行界面；三个命令按钮分别是等离子体发生器和引出束成
分分析界面按钮、孔引出4离子源束几何计算程序界面按钮、注入器关键部件
几何分析界面按钮；
(3)程序计算流程
(3.1)根据NBI注入窗口和电极孔分布计算界面中参数输入区中HL-2M的
基本工程设计参数计算右侧输出区的HL-2M的NBI加热系统的可行性参数及其
对应的图形显示；
(3.2)根据NBI注入窗口和电极孔分布计算界面中参数输入区中HL-2M的
设计水冷引出电极的初始几何参数和HL-2A中非水冷引出电极的初始几何参数
计算设计水冷引出电极的用于分析计算的几何参数以及图形显示区中对应的设
计水冷引出电极的孔分布示意图、非水冷引出电极的孔分布示意图；
(3.3)在NBI注入窗口和电极孔分布计算界面中，通过点击等离子体发生
器和引出束成分分析界面按钮，进入等离子体发生器和引出束成分分析界面；
(3.4)在等离子体发生器和引出束成分分析界面中包括参数输入区、参数
输出区和图形显示区；
(3.4.1)参数输入区包括两部分，分别是：
左侧输入区，包括离子源初始设计参数：引出电压、弧放电效率、放电室内
壁磁极磁场强度、会切磁极间隙宽度、放电室深度、放电室灯丝间隙、灯丝直
径、等离子体的初始电子温度、等离子体的初始离子温度、放电室的等离子体
密度；
右侧输入区，包括气靶厚度和NBI束参数：NBI束的离子能量、中性化气靶
厚度、等离子中H1的比例、等离子中H2的比例、漂移管道的气靶厚度、不同
氢族图形输出选择参数；
(3.4.2)参数输出区包括两部分，分别是：
左侧输出区，包括离子源实际输出参数：放电室水平方向的腔体宽度、放电
室垂直方向的高度、会切磁极数量、放电室腔体体积、等离子体体积、放电室
腔体的内壁面积、磁极损失面积、灯丝数量、离子损失面积、离子源引出束流
密度、放电电流、引出束功率、0℃和3000K下的灯丝并联电阻、灯丝电流、等
离子体质子比；
右侧输出区，包括束成分和中性化效率参数：全能H1原子的比例、全能H2
分子的比例、半能H1原子的比例、三分之一能量的H1原子的比例、三分之二
能量的H2分子的比例、中性化效率；全能H1离子的比例、全能H2的比例、全
能H3离子的比例、半能H1离子的比例、三分之一能量的H1离子的比例、三分
之二能量的H2的比例；
(3.4.3)图形显示区包括四部分，分别是：
等离子体密度对应质子比的关系示意图；
不同氢族的中性化气靶厚度和离子成分的比例示意图；
不同的中性化气靶厚度下对应中性化效率的示意图；
不同的漂移管道的气靶厚度下对应的再电离损失示意图；
(3.5)在NBI注入窗口和电极孔分布计算界面中，点击进入孔引出4离子
源束几何计算程序界面的按钮有两个，分别为进入需要设计的H2-M的水冷引出
电极的离子源束几何计算程序界面按钮，进入需要设计的H2-A的非水冷引出电
极的离子源束几何计算程序界面按钮；
(3.5.1)在NBI注入窗口和电极孔分布计算界面中点击进入需要设计的H2-M
的水冷引出电极的离子源束几何计算程序界面按钮
(3.5.1.1)在需要设计的H2-M的水冷引出电极的离子源束几何计算程序界
面中：参数输入区为输入NBI参数：4个离子源的小孔束发散角和总的束功率、
离子源布局参数、需要计算的位置距离离子源引出面纵向位置之间的距离参数；
参数输出区为输出NBI参数：4个离子源的总束发散角、1/e半宽度、最大
功率密度、最大功率密度位置；总的4个离子源的最大功率密度、水平方向焦
距和垂直方向焦距；
图形显示区：每个离子源的束功率分布示意图；4个离子源的总的束功率分
布示意图；
(3.5.1.2)在需要设计的H2-M的水冷引出电极的离子源束几何计算程序界
面中，通过点击注入器关键部件几何分析界面按钮，进入注入器关键部件几何
分析界面；
在注入器关键部件几何分析界面中，参数输入区包括两部分：
总的NBI束参数输入区：包括束电流大小、束能量大小、小孔引出束的发散
角、离子类型、离子比例；
关键部件的参数输入区：包括中性化室、偏转磁体、束边缘刮削器、量热靶、
注入漂移管道的几何参数；
参数输出区为不同关键部件的几何参数、输出功率、损失功率比例；
图形显示区为不同关键部件的束功率密度分布示意图；
(3.5.2)在NBI注入窗口和电极孔分布计算界面中点击进入需要设计的H2-A
的非水冷引出电极的离子源束几何计算程序界面按钮；
(3.5.2.1)在需要设计的H2-A的非水冷引出电极的离子源束几何计算程序
界面中：参数输入区为输入NBI参数：4个离子源的小孔束发散角和总的束功率、
离子源布局参数、需要计算的位置距离离子源引出面纵向位置之间的距离参数；
参数输出区为输出NBI参数：4个离子源的总束发散角、1/e半宽度、最大
功率密度、最大功率密度位置；总的4个离子源的最大功率密度、水平方向焦
距和垂直方向焦距；
图形显示区：每个离子源的束功率分布示意图；4个离子源的总的束功率分
布示意图；
(3.5.2.2)在需要设计的H2-A的非水冷引出电极的离子源束几何计算程序
界面中，通过点击注入器关键部件几何分析界面按钮，进入注入器关键部件几
何分析界面；
在注入器关键部件几何分析界面中，参数输入区包括两部分：
总的NBI束参数输入区：包括束电流大小、束能量大小、小孔引出束的发散
角、离子类型、离子比例；
关键部件的参数输入区：包括中性化室、偏转磁体、束边缘刮削器、量热靶、
注入漂移管道的几何参数；
参数输出区为不同关键部件的几何参数、输出功率、损失功率比例。
进一步的，如上所述的一种基于孔型引出离子源的注入器设计程序，4个界
面都由脚本语言Matlab编写。
本发明技术方案的有益效果在于：
(1)通过实验结果验证后，用此程序包完成了HL-2M装置第1条5MW-NBI
加热束线NB注入器的初步概念设计和核心部件布局，为最终的注入器研制提供
了基本数据。
(2)该程序可以直接用于概念设计其它大中型托卡马克实验装置的NBI加
热束线核心设备，包括桶式热阴极离子源，还可以用此程序包概念设计磁约束
实验装置的诊断中性束注入器。
(3)通过扩展高能负离子束在中性气体中的粒子转换物理模型后，该程序
可以用于将来聚变工程实验堆的NBI加热束线核心设备的概念设计。
附图说明
图1为NBI引出电极和注入窗口界面；
图2为等离子体发生器和引出束成分分析界面；
图3为孔引出4离子源束几何计算程序界面；
图4为注入器关键部件几何分析界面。
具体实施方式
下面通过附图和具体实施例对本发明技术方案进行进一步详细说明。
本发明一种基于孔型引出离子源的注入器设计程序，应用于磁约束聚变装
置中注入器的设计，包括以下方面：
(1)界面设计
注入器设计程序的人机交互界面模块包括4个界面：NBI注入窗口和电极孔
分布计算界面、等离子体发生器和引出束成分分析界面、孔引出4离子源束几
何计算程序界面、注入器关键部件几何分析界面；
上述4个界面都由脚本语言编写，每个界面都分别包括参数输入区，参数输
出区和图形显示区；根据参数输入区中的输入参数进行计算，得到参数输出区
的输出参数；
在本实施里中，开发平台为MATLANB平台，采用脚本语言编制了NBI工
程分析计算程序，包括窗口几何规划程序，引出电极分布计算程序，离子源计
算程序，束成分以及中性化效率计算程序，束几何布局，功率密度分布计算以
及注入器主要部件的分析计算程序。
通过MATLAB脚本语言编制的人机交互界面调整注入器核心部件的基本布
局和尺寸，根据输入参数分析计算注入器设计必须的几何布局参数，束功率传
输效率，部件截获束功率等参数。根据设计结果，结合ANSYS，CST软件完成
注入器的概念设计。
程序界面均直接由脚本语言编写，运行非常简单，只需运行Matlab，然后在
命令窗口输入NBIcao，按Enter键后出现程序第一个运行界面，即NBI注入窗
口和电极孔分布计算界面，功能界面分为三部分，参数输入区，参数输出区和
图形显示区，其它运行界面由界面上放置的命令按钮给出。
(2)NBI注入窗口和电极孔分布计算界面
(2.1)界面基本区域
(2.1.1)在该界面中，图形显示区包括三部分，分别是：
HL-2M的设计水冷引出电极的孔分布示意图；
HL-2A的非水冷引出电极的孔分布示意图；
HL-2M的NBI注入窗口的几何参数示意图；在HL-2M的NBI注入窗口的几何
参数示意图中，几何参数包括注入角、束宽度、倾斜角、捕获长度；
(2.1.2)参数输入区包括三部分，分别是：
HL-2M的设计水冷引出电极的初始几何参数：引出电流大小、电极的初始透
明率、引出电流的初始密度、电极形状、电极水平半径、电极孔半径、水冷管
直径、水冷管布置方向；
HL-2A的非水冷引出电极的初始几何参数：引出电流、电极透明率、引出面
积、电极孔半径、引出电极半径、电极孔间距；
HL-2M的基本工程设计参数：托克马克装置内壁半径、托克马克装置外壁半
径、托克马克装置的大半径、托克马克装置的小半径、NBI注入窗口的深度、NBI
注入窗口的倾斜角、托克马克装置的等离子体密度、TF线圈宽度、NBI注入窗
口的宽度、NBI束的倾斜角、NBI能量、TF线圈数量、窗口角度、NBI束的类型；
(2.1.3)参数输出区包括两部分，分别是：
HL-2M的设计水冷引出电极的用于分析计算的几何参数：引出电极的面积、
引出电极的半高、水平方向的电极孔数、电极的透明率、竖直方向的电极孔间
距、水平方向的电极孔间距、半高方向的电极孔数、束密度、总孔数；
HL-2M的NBI加热系统的可行性参数：NBI注入角、最大NBI束宽度、沿注
入方向的等离子体边界到等离子体中心之间的距离、捕获长度、注入窗口边界
到等离子体中心之间的距离、注入窗口在托克马克装置中的相对坐标；
(2.2)该界面与其他界面之间的联系按钮
在脚本语言程序中输入主程序名称，进入程序第一个运行界面——NBI注入
窗口和电极孔分布计算界面，其它三个运行界面通过设置在NBI注入窗口和电
极孔分布计算界面上的命令按钮给出，在其它三个运行界面中都设置一个返回
按钮返回到第一个运行界面；三个命令按钮分别是等离子体发生器和引出束成
分分析界面按钮、孔引出4离子源束几何计算程序界面按钮、注入器关键部件
几何分析界面按钮；
(3)程序计算流程
(3.1)根据NBI注入窗口和电极孔分布计算界面中参数输入区中HL-2M的
基本工程设计参数计算右侧输出区的HL-2M的NBI加热系统的可行性参数及其
对应的图形显示；
(3.2)根据NBI注入窗口和电极孔分布计算界面中参数输入区中HL-2M的
设计水冷引出电极的初始几何参数和HL-2A中非水冷引出电极的初始几何参数
计算设计水冷引出电极的用于分析计算的几何参数以及图形显示区中对应的设
计水冷引出电极的孔分布示意图、非水冷引出电极的孔分布示意图；
(3.3)在NBI注入窗口和电极孔分布计算界面中，通过点击等离子体发生
器和引出束成分分析界面按钮，进入等离子体发生器和引出束成分分析界面；
(3.4)在等离子体发生器和引出束成分分析界面中包括参数输入区、参数
输出区和图形显示区；
(3.4.1)参数输入区包括两部分，分别是：
左侧输入区，包括离子源初始设计参数：引出电压、弧放电效率、放电室内
壁磁极磁场强度、会切磁极间隙宽度、放电室深度、放电室灯丝间隙、灯丝直
径、等离子体的初始电子温度、等离子体的初始离子温度、放电室的等离子体
密度；
右侧输入区，包括气靶厚度和NBI束参数：NBI束的离子能量、中性化气靶
厚度、等离子中H1的比例、等离子中H2的比例、漂移管道的气靶厚度、不同
氢族图形输出选择参数；
(3.4.2)参数输出区包括两部分，分别是：
左侧输出区，包括离子源实际输出参数：放电室水平方向的腔体宽度、放电
室垂直方向的高度、会切磁极数量、放电室腔体体积、等离子体体积、放电室
腔体的内壁面积、磁极损失面积、灯丝数量、离子损失面积、离子源引出束流
密度、放电电流、引出束功率、0℃和3000K下的灯丝并联电阻、灯丝电流、等
离子体质子比；
右侧输出区，包括束成分和中性化效率参数：全能H1原子的比例、全能H2
分子的比例、半能H1原子的比例、三分之一能量的H1原子的比例、三分之二
能量的H2分子的比例、中性化效率；全能H1离子的比例、全能H2的比例、全
能H3离子的比例、半能H1离子的比例、三分之一能量的H1离子的比例、三分
之二能量的H2的比例；
(3.4.3)图形显示区包括四部分，分别是：
等离子体密度对应质子比的关系示意图；
不同氢族的中性化气靶厚度和离子成分的比例示意图；
不同的中性化气靶厚度下对应中性化效率的示意图；
不同的漂移管道的气靶厚度下对应的再电离损失示意图；
(3.5)在NBI注入窗口和电极孔分布计算界面中，点击进入孔引出4离子
源束几何计算程序界面的按钮有两个，分别为进入需要设计的H2-M的水冷引出
电极的离子源束几何计算程序界面按钮，进入需要设计的H2-A的非水冷引出电
极的离子源束几何计算程序界面按钮；
(3.5.1)在NBI注入窗口和电极孔分布计算界面中点击进入需要设计的H2-M
的水冷引出电极的离子源束几何计算程序界面按钮
(3.5.1.1)在需要设计的H2-M的水冷引出电极的离子源束几何计算程序界
面中：参数输入区为输入NBI参数：4个离子源的小孔束发散角和总的束功率、
离子源布局参数、需要计算的位置距离离子源引出面纵向位置之间的距离参数；
参数输出区为输出NBI参数：4个离子源的总束发散角、1/e半宽度、最大
功率密度、最大功率密度位置；总的4个离子源的最大功率密度、水平方向焦
距和垂直方向焦距；
图形显示区：每个离子源的束功率分布示意图；4个离子源的总的束功率分
布示意图；
(3.5.1.2)在需要设计的H2-M的水冷引出电极的离子源束几何计算程序界
面中，通过点击注入器关键部件几何分析界面按钮，进入注入器关键部件几何
分析界面；
在注入器关键部件几何分析界面中，参数输入区包括两部分：
总的NBI束参数输入区：包括束电流大小、束能量大小、小孔引出束的发散
角、离子类型、离子比例；
关键部件的参数输入区：包括中性化室、偏转磁体、束边缘刮削器、量热靶、
注入漂移管道的几何参数；
参数输出区为不同关键部件的几何参数、输出功率、损失功率比例；
图形显示区为不同关键部件的束功率密度分布示意图；
(3.5.2)在NBI注入窗口和电极孔分布计算界面中点击进入需要设计的H2-A
的非水冷引出电极的离子源束几何计算程序界面按钮；
(3.5.2.1)在需要设计的H2-A的非水冷引出电极的离子源束几何计算程序
界面中：参数输入区为输入NBI参数：4个离子源的小孔束发散角和总的束功率、
离子源布局参数、需要计算的位置距离离子源引出面纵向位置之间的距离参数；
参数输出区为输出NBI参数：4个离子源的总束发散角、1/e半宽度、最大
功率密度、最大功率密度位置；总的4个离子源的最大功率密度、水平方向焦
距和垂直方向焦距；
图形显示区：每个离子源的束功率分布示意图；4个离子源的总的束功率分
布示意图；
(3.5.2.2)在需要设计的H2-A的非水冷引出电极的离子源束几何计算程序
界面中，通过点击注入器关键部件几何分析界面按钮，进入注入器关键部件几
何分析界面；
在注入器关键部件几何分析界面中，参数输入区包括两部分：
总的NBI束参数输入区：包括束电流大小、束能量大小、小孔引出束的发散
角、离子类型、离子比例；
关键部件的参数输入区：包括中性化室、偏转磁体、束边缘刮削器、量热靶、
注入漂移管道的几何参数；
参数输出区为不同关键部件的几何参数、输出功率、损失功率比例。
整个程序计算流程为：①首先计算对应托卡马克装置几何参数的NBI注入窗
口，该窗口数据将为离子源引出区域提供参考数据，包括束宽度，束俘获长度，
注入角等；②根据引出参数计算孔型引出电极的孔分布；③根据孔分布计算束
的功率密度分布，计算等离子体发生器的放电参数以及束质子比；④根据源引
出束的质子比计算束的中性化效率、束成分比例；⑤沿注入方向计算任意位置
的束功率密度分布；⑥计算注入器主要部件的几何参数，束功率密度，束功率
截获比例，先后计算：中性化管道，偏转磁铁，长脉冲量热靶(瞬态量热靶)，
前刮削器，短脉冲量热靶(惯性量热靶)，后刮削器，注入漂移管道。
从程序功能上，程序以几何算法为核心，分析计算了离子源的电极孔分布，
离子源几何结构，注入窗口规划，束中性化及束成分，束功率密度分布，注入
器主要部件的结构分析。尽管程序没有涉及深入的物理模型，包括电磁特性问
题，如离子源的磁位形优化，偏转磁铁的束偏转，离子吞食器，注入器真空特
性和流体热交换问题，但是程序几乎包含了注入器概念设计所关心的大部分数
据，特别是几何布局，束的几何光学等。
图1显示的NBI引出电极和注入窗口界面中，左边为电极孔分布计算，中
间为电极引出孔分布显示区(上为拟设计电极孔分布，下为HL-2A装置NBI离
子源引出电极空分布)，右边为托卡马克装置NBI注入窗口计算和图形显示区。
界面中给出了相应的命令按钮。
图2为等离子体发生器和引出束成分分析界面；单击电极孔分布计算和注
入窗口规划界面中的电极参数输出区左下角的Arc Source按钮，将输出等离子
体发生器和引出束成分分析界面。界面中左半部分为等离子体发生器的操作界
面，右半部分为粒子成分操作界面。另外界面上放置了一个返回按钮，单击此
按钮，界面返回NBI引出电极和注入窗口界面。界面中，左边为会切磁位形结
构等离子体发生器分析计算区，右边为中性气靶中粒子转换特性分析区。
图3为孔引出4离子源束几何计算程序界面；单击NBI引出电极和注入窗
口界面中的按钮HL_2MBeamline或者HL_2ABeamline进入孔引出4离子源束
几何计算程序界面，该界面主要是分析对应离子源引出电极的4个束的几何布
局、束功率分布，束宽度等束参数。受界面空间限制，图形区没有全部显示4
个离子源引出束的1维束功率分布。图形区显示的图共有7个子图，左边底部
的两个子图为，在对应纵向位置z处，1#离子源引出束的x方向和y方向束功
率密度分布，其它1维图分别是2#，3#以及4#离子源引出束的x方向束功率分
布。界面右边的上图为几何汇聚束的3维束功率密度曲面图，下图为等高线图，
等高线的値需要移动鼠标给出。界面右下角放置的一个PLOT按钮，主要是用
于单独显示几何汇聚束的3维束功率密度曲面图和等高线图。界面右上角放置
了两个按钮，最上面按钮Return是返回离子源电极孔分布计算和注入窗口规划
界面的按钮，返回按钮下面的按钮Comp…是用于进入注入器关键部件几何分析
界面。