离子源等离子体发生器电源系统ASIPP
分段式的大功率远程等离子体源系统设计
分段式的大功率远程等离子体源系统设计DOI ：10.19557/ki.1001-9944.2024.05.007薛家祥1，马财钰1，王一统1，金礼2（1.华南理工大学机械与汽车工程学院，广州510640；2.贵州民族大学物理与机电工程学院，贵阳550000）摘要：目前远程等离子体源系统普遍存在输出功率低、系统负载适应范围窄和生成等离子体浓度不稳定等问题，该文基于对TCP 型腔体的放电模式和负载特性分析，提出一种分段式的大功率远程等离子体源系统，改进的功率电路提高了电源输出功率，分离的点火回路简化了电路设计并提高自由度，分段的控制策略极大程度的提高了系统负载适应范围，可电离多种气体和更宽范围气体流量。
通过实际样机测试，验证了此系统方案设计的可行性，为等离子体电源设计提供了参考价值。
关键词：远程等离子体源；电感耦合；TCP ；控制策略中图分类号：TN86文献标识码：A文章编号：１００１鄄９９４４（２０24）05鄄００30鄄０4Design of Segmented High Power Remote Plasma Source SystemXUE Jiaxiang 1，MA Caiyu 1，WANG Yitong 1，JIN Li 2（1.School of Mechanical and Automobile Engineering ，South China University of Technology ，Guangzhou 510640，China ；2.School of Physics and Mechatronics Engineering ，Guizhou Minzu University ，Guiyang 550000，China ）Abstract ：Existing remote plasma source systems generally have problems such as low output power ，narrow system load adaptation range and unstable plasma concentration.Based on the analysis of discharge mode and load charac 鄄teristics of TCP cavity ，this paper proposes a segmented high 鄄power remote plasma source system.The improved pow 鄄er circuit improves the output power of the power supply.The separated ignition circuit simplifies the circuit design and improves the degree of freedom ，and the segmented control strategy greatly improves the system load adaptation range ，which can ionize a variety of gases and a wider range of gas flow.The feasibility of the system design is ver 鄄ified by the actual prototype test ，which provides a reference value for the design of plasma power supply.Key words ：remote plasma source ；inductive coupling ；TCP ；control strategy收稿日期：2023-12-01；修订日期：2024-03-20基金项目：国家自然科学基金资助项目（51875213）；广东省自然科学基金项目（2214050007061）；贵州省省级科技计划项目（ZK[2022]198）；贵州省高等学校教学内容和课程体系改革项目（2021083）作者简介：薛家祥（1962—），男，博士，教授，博士生导师，研究方向为光伏新能源、数字化电源及智能控制。
离子源等离子体发生器电源系统ASIPPPPT课件
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ASIPP
谢谢各位！
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(b)If-Ia； (c) If+Ia/2和If-Ia/2。
• 可见，灯丝的不同接法在负极引线上的电流分配是差别很大的。所以，通过 经常更换灯丝连接方式，也可以极大地提高灯丝的使用寿命。
(a)
(b) .
(c)
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ASIPP
离子源磁场电源
离子源螺线管线圈磁场对阴极产生的电子流起到轴向磁压缩作用，磁 场电源向螺线管线圈提供6V、80A、10s的恒流源，稳流精度±1％。
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ASIPP
离子源弧电源
离子源弧电源为产生高密度、大面积均匀稳定的等离子体提供能量。离子源弧 电源设计采用了三相整流加IGBT脉宽调制的方案，电源主回路由三相可控桥式整 流模块（容量2000A），LC滤波组件（100µH、1000A电感器和250V、1.2µF电 容器）， IGBT脉冲开关（Semikron公司1803GB122-3D，额定参数 1800A/1200V，工作频率为10-20KHz），以及取样、放大、驱动和保护电路组成.
ASIPP
NBI离子源等离子体发生器电源系统
刘智民，胡纯栋，刘胜，韩筱璞，李军，王绍虎
中国科学院等离子体物理研究所 中性束注入加热课题组
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1
ASIPP
HT-7超导托卡马克中性束注入器（NBI）为单台离子源大功率脉冲注 入器，采用22cm双潘宁离子源，是在原PLT装置的NBI基础上建立起来的， 注入器设计能量45keV，流强60A，脉宽100～300ms，注入功率700kW。
主要工作参数：
阀门阈值电压为40VDC， 正常工作电压为50-100VDC 输出直流方波电压范围为U＝0～120V 预置阀值电压U1≈40V， 方波由脉冲周期≤2ms的脉冲串组成.
离子源灯丝电源ASIPP
20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10
9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
2 .3 2 .4 2 .5 2 .6 2 .7 2 .8 2 .9 3 .0
T /1 0 3K
在引出系统，经过高压加速极、负高压抑制极和接地 极，引出高能离子束.
ASIPP
离子源等离子体发生器电源系统
➢ 离子源是中性束注入器的核心部件，在受控核聚变应用的离子源是强流、大功率、长脉冲甚至稳 态运行的。
➢ 作为离子源头部等离子体发生器的电源系统主要是灯丝电源、磁场电源、进气气阀电源和弧电源.
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J / ( A) . c m
ASIPP
灯丝电源基本参数： 电源主电路由整流模块, 大功率晶体管串联调整, 电感电容滤波单元组成: • 输出直流电压 0-15V， • 输出直流电流 0-500A， • 电流稳定度 ±1%， • 输出纹波 ±1%, • 阴极负载 采用4根直径1.2mm的并联钨阴极，或者氧化物阴极； • 设定过流保护<500A。
0-10
1
1
Bending
Magnet
气阀电源
0-150
0-1
0-1
1
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Gas Valve
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离子源三电极电极结构
HT-7 NBI系统采用了22cm双潘宁型离子源，其工作 原理是由灯丝发射热电子，在阴极与中间电极之间的 腔体内震荡，使工作气体电离，建立起阴极区等离子 体；再利用阳极电场将阴极区等离子体中的电子引出 至二号阳极所围真空室内；这些电子在一号阳极、二 号阳极和加速极之间的电场作用下，电离该区域的工 作气体，建立阳极区等离子体。
等离子质谱仪ICPMS招标参数
等离子质谱仪技术要求数量：1台/套1.仪器应用要求本仪器要求能适用于应用领域广泛的各种样品的元素分析、同位素分析和元素形态分析任务，满足环保、食品、地质、金属、生物样品、化工材料分析等等。
2.仪器工作环境2.1工作环境温度：15-30℃.2.2工作环境湿度：< 80% (无冷凝)2.3电源：单相200-240V ，50 Hz3. 仪器规格要求:3.1 仪器硬件;3.1.1 雾化器：高效率同心雾化器，提供最佳的雾化效率。
3.1.2 雾化室：小体积的撞击球或旋流型雾化室，死体积小，低记忆效应, 带半导体制冷装置，对雾化室制冷控温，用于精确控制雾化室温度，消除由于实验室条件的波动所引起的任何漂移，并提升仪器长期的稳定性。
3.1.4 接口：拥有两种不同类型的接口技术，接口具有良好的耐高基体盐分能力，较低的干扰水平，以及较长的使用寿命和较低的清洗频率。
3.1.5接口口径足够大，以便耐样品溶液所含的基体。
截取锥口径必须>0.6 mm，从而保证长期分析高盐样品的稳定性，满足高通量分析与大进样量的要求。
3.1.6 仪器主机ICP部分，配置质量流量计：包括等离子体气，辅助气，雾化气3路质量流量计，尽量没有其余附加的ICP补充气体，以提高操作简便程度，提高分析速度。
3.1.7 离子源：RF发生器频率为27.12 MHz，具有较高的ICP温度，为全固态晶体稳频RF 发生器，频率稳定性< ±0.01%。
3.1.8 真空系统：要求从大气压开始抽至可工作的真空度的时间小于30分钟。
滑动阀关闭后，静态真空度维持在<6×10-8mbar(滑阀关闭)，要求提供证明文件。
3.1.9 离子光学：低背景的离轴四极杆质谱仪系统,要求采用偏转透镜设计。
3.1.10 四极杆材料：纯Mo材料四级杆。
3.1.11质谱仪要求是的免拆洗系统，透镜系统（包括提取透镜和偏转透镜或其它透镜组件以及碰撞反应池）均为免维护清洗，且非消耗品，在使用过程中无需任何定期清洗维护工作。
等离子体法发生器
南京万和测控仪表有限公司与洛阳博耐特工程技术有限公司及西安天立能源环保工程技术有限公司精诚合作，是一个强强联合的实体，在研发和制造上属国内领先地位。
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一、等离子体燃烧器1 、等离子体发生器燃煤原理：随着等离子体电子源在不同工业领域应用和扩展，对它们的物理研究具有特殊意义。
它们尤其在电子束燃煤技术中广泛应用。
在等离子发生器里，利用直流电流将压缩气体电离形成等离子体，在电磁场的作用下该等离子体会稳定定向流动，内含有大量化学活性粒子，如原子、原子团、粒子和电子等，这些粒子正负电荷数值相等，对内为良导体，对外呈中性，其内部有着上万度的高温，用眼睛就可以看见明亮的火炬。
实验室等离子体状态等离子发生器由线圈、阴极、阳极等组成，等离子载体为压缩空气，阴极材料采用具有高导电率、高导热率、耐氧化的金属材料制成，阳极亦由高导电率、高导热率及抗氧化的金属材料制成，它们均采用水冷冷却方式，以承受电弧的高温冲击等离子发生器原理图2、等离子煤粉燃烧器配置：(1) 等离子发生器：产生电功率80～300 Kw的空气等离子体；(2) 直流电源(含整流变压器)：将三相380 VAC或厂变6000VAC电源整流成直流电，用于产生等离子体。
WHDLZ-250型等离子发生器采用直流电源供电，并且该电源经常工作在低电压、大电流输出状态。
因此该电源设计上充分考虑了多种使用工况，具有较大的抗冲击负荷的能力。
(3) 燃烧器：等离子发生器配套使用将点燃煤粉喷进炉膛即一次风管；(4) 控制系统：由PLC、CRT、通信接口和数据总线构成，实现装置的全数字自动控制。
(5) 压缩空气系统：压缩空气是等离子的载体，由空气压缩机、分流器、空气过滤器和电磁阀组成。
(6) 水冷却系统：给等离子发生器、燃烧器冷却，由水箱水磅等组成。
(7) 火焰检测图像探头：用于检测等离子燃烧器工作状态，由摄像机、石英光学传输系统、画面分割器组成。
等离子体点火系统基础讲义
等离子体点火系统基本介绍一．简介1.等离子体基本介绍等离子体是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，常被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。
等离子体是一种很好的导电体。
等离子体内含有大量化学活性的粒子，如原子（C、H、O）、原子团（OH、H2、O2）、离子（O2－、H2－、OH－、O－、H＋）和电子等，可加速热化学转换，促进燃料完全燃烧；等离子体对于煤粉的作用，可比通常情况下提高20% ～80%的挥发份，即等离子体有再造挥发份的效应，这对于点燃低挥发份煤粉强化燃烧有特别的意义。
（与小油枪的优势）2.等离子体点火系统的产生我们公司90上世纪年代是做炉前油系统（油枪，高能点火器，油点火枪，可见光火检，红外火检，FSSS系统）后来开发了图像火焰监视系统。
在上世纪90年代末，油价飞速增长，在前人的实验基础上，经过公司大量的工业试验，研制成功的。
在烟台电厂和佳木斯电厂最开始商业应用。
02年率先600MW机组，盘山电厂安装了等离子体点火系统。
同时期国产DCS厂家新华，和利时还在为了600MW级没有业绩而四处奔走，这也体现了公司的高瞻远瞩，每次都抓住了历史赐予我们的机遇。
3.公司的业绩和面临的发展形势公司的无燃油燃煤电站可能继等离子体点火技术之后再次获得国家科技进步奖。
公司的十二五规划，到2015年，实现收入60亿元，利润8亿元。
4.煤质等离子体点火技术是应用在煤粉锅炉的一项技术，不会用来点油，或者天然气，大材小用。
等离子体点火技术目前公司分为常规的发生器和燃烧器以及大功率的发生器和燃烧器。
标准煤质如下：Mar ＜15%，Aad ＜35%，Vad ＞20%，Qnet,ar ＞17000kJ/kg （不包括褐煤）这样的煤质可以使用常规的发生器和燃烧器，不需要公司工业实验。
褐煤，劣质烟煤，贫煤都需要做实验来决定，一般采用大功率的发生器和燃烧器。
下面简要说说煤的分类：煤中的元素组成，一般是指有机物质中的碳（C ）、氢（H ）、氧（O ）、氮（N ）和硫（S ）的含量。
双潘宁离子源等离子体发生器电源系统
速极正高压和抑制极负高压等电源组成 ， 供电
电气连接如图 １ 所示［ 。其 中灯丝电源和弧电 ２ Ｊ
源组成等离子体发 生器 电源系统 ， 为等离子体
收 稿 日期 ：０ ９１－８ ２ ０－２０
中性粒子束注入加热是磁约束等离子体的 有效加 热手 段 ， 已广 泛 应 用 于托 克 马克 等 离子
体 的加 热 中［ 。中性 束 注入 器 （ ｕｒｌ ｅｍ 】 ］ Ｎｅｔ ａ ａＢ
发生器提供电力供应， 等离子体产生原理为： 由 灯 丝发射 的热 电子在 阴极 与 中间 电极 之间 的腔 体内震荡 ， 使工作气体 （ 实验 中使用氢气） 电离 ， 建立起阴极区等离子体， 再利用 阳极 电场将 阴 极 区等离子体 中的电子 引出至二号 阳极 内， 这 些 电 子在 一号 阳极 、 号 阳极 和靶 阴极 之 间的 二
．
５ 大 功 率 晶体 管 分 两 组 并 联 运 行 构 成 ０只
过 输 出 电流取 样 闭 环 控 制 ｉ， 而达 到 稳定 的 ｅ从
了闭环 稳 流 系统 ， 同时作 为灯 丝 电源 正 常 工作
ｉ 出。灯丝电源稳流输 出实验波形如 图 ４ Ｅ 输 所
示。
的开关和快 速保 护开关 ， 其等效 电路及其 输出
蒋才超 刘智 民 ， ， 刘 胜 宋士花 浩 明 ， ， ， 胡纯栋
（． １ 中科院等离子体物理研究所 ， 安徽合肥 ２ ０ ３ ｝ ３０ １ ２ 南京三乐电真空设备 制造有限公司 ， ． 江苏南京 ２ ０ ６ ） １０ １
摘要： 针对强 流双潘宁离子源等 离子 体发生器 电源系统的特殊 要求 ， 介绍 了灯丝 电源和弧 电源的
离子源等离子体发生器电源系统ASIPP课件
输入电路设计
输入电路负责将市电转换成适合逆变电路所需的 直流电压，通过滤波、整流等环节，减小市电波 动对逆变电路的影响。
输出电路设计
输出电路负责将逆变电路输出的高频交流电压转 换成适合等离子体发生器所需的直流电压，通过 滤波、整流等环节，减小高频交流电压的波动和 噪声。
关键技术实现
01 02
逆变控制技术
改进建议
根据测试结果的分析，提 出对ASIPP电源系统的改 进建议，以提高其性能和 可靠性。
04
ASIPP电源系统的应用案例 与效果分析
应用案例一：工业领域的应用
总结词
高效清洁、降低能耗
详细描述
ASIPP电源系统在工业领域中主要用于等离子体的生成和控制，能够高效地处理 工业废弃物，降低能耗，提高生产效率。
采用先进的数字信号处理（DSP）技术，实时监测等离子体发生器的运 行状态，通过调节逆变电路的工作频率和占空比，实现对等离子体发生 器的精确控制。
软开关技术
采用软开关技术，减小逆变电路的开关损耗和电磁干扰，提高电数字信号处理算法
采用高效的数字信号处理算法，实时处理等离子体发生器的反馈信号，
应用效果分析：优势与挑战
优势
ASIPP电源系统具有高效、稳定、安全等优点，能够满足不 同领域的应用需求。
挑战
随着应用的深入，对ASIPP电源系统的性能和稳定性要求也 越来越高，需要不断进行技术升级和创新。
05
结论与展望
总结与评价
总结
离子源等离子体发生器电源系统ASIPP课 件是一个全面、深入的教程，涵盖了离 子源等离子体发生器的基本原理、设计、 应用和优化等方面的知识。通过该课件 的学习，学员可以获得对离子源等离子 体发生器电源系统的深入理解和技术掌握。
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1R 1 11 1C 2 1C 3 1R 10
1X2
灯丝负
1R 13 1R V1
1C 7 +
1R 8
1V7
1C 8
1R 9
+
V
1P3
1V3
1V110 1R 4 1R 5 1R 6 1C 4 1C 5 1L1 1C 6 1R 7 1V2 1C 10 1V60 1R 19 1V61
1R 70
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1R 14 +
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A
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灯丝正
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电压反馈
电流反馈
灯丝电压
灯丝电流
1V5 1R 17
1V58
1V4 1R 16
灯丝电源基本电路
稳流放大输入
ASIPP
灯丝预加热电流调整电路 • 金属钨丝有较高的正温度系数，其冷态、热态电阻相差可达十倍左右； 钨阴极达到热平衡稳定发射热电子的时间，一般约需5 秒以上，灯丝 才达到稳定的热电子发射状态； • 所以，采用电流预加热电路，预先计算维持时间，这样能够确保加热 灯丝迅速达到工作温度，并且延长将其使用寿命。 • 预先加热电流取平均每根灯丝40±10A为宜，这样当灯丝电流工作在 450A程度时，在脉宽100～2000ms的时间内能够保持稳定的平顶。
没有阴极预加热的电流与电压波形
采用阴极预加热电流方式的波形
ASIPP
• • 灯丝极性的不同接法： 直热阴极型式中阴极灯丝的不同接法，其电流分布也是不同的。 设灯丝正极电流为If，弧电源电流Ia ，假设弧流沿整个灯丝路径是均匀分布的， 那么依据连接方式可以分别计算出在公共负极引线上的电流为： (a) If+Ia； (b)If-Ia； (c) If+Ia/2和If-Ia/2。 可见，灯丝的不同接法在负极引线上的电流分配是差别很大的。所以，通过 经常更换灯丝连接方式，也可以极大地提高灯丝的使用寿命。
20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.0
J/(A.cm )
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T/10 K
3
ASIPP
灯丝电源基本参数：
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电源主电路由整流模块, 大功率晶体管串联调整, 电感电容滤波单元组成: 输出直流电压 0-15V， 输出直流电流 0-500A， 电流稳定度 ±1%， 输出纹波 ±1%, 阴极负载 采用4根直径1.2mm的并联钨阴极，或者氧化物阴极； 设定过流保护<500A。
ASIPP
NBI供电系统由灯丝电源、磁场电源、弧电源、进气气阀 电源、加速极正高压电源、抑制极负高压电源和偏转磁场电 源等组成。
ASIPP
HT-7 NBI供电电源系统的主要参数
Supply 灯丝电源 Filament 弧电源 Arc 源磁场电源 Source Magnet 加速极电源 Accel 负高压电源 Deccl Voltage(V) 0-15 0-150 0-6 Current(A) 0-500 0-1000 0-100 Duration(s) 0-600 0-0.5 0-60 Regulation(%) 1 3 1 Ripple(%) 1 3 1
Cryopump
valve
Ion Source Bending Magnet Tokamak
Turbomolecular pump
Ion Dumps Calorimeter
ASIPP
NBI双潘宁离子源结构示意图
1、阴极灯丝柱； 2、中间电极； 3、一号阳极； 4、二号阳极； 5、引出栅电极； 6、阴极区进气孔；7、 磁铁线圈； 8、二号阳极进气孔； 9、会切磁场永磁体
0-50000 0-5000
0-60 0-8
0-0.3 0-0.3
1 1
5 1
偏转磁场电源 Bending Magnet 气阀电源 Gas Valve
0-50
0-500
0-10
1
1
0-150
0-1
0-1
1
1
ASIPP
离子源三电极电极结构
HT-7 NBI系统采用了22cm双潘宁型 离子源，其工作原理是由灯丝发射热 电子，在阴极与中间电极之间的腔体 内震荡，使工作气体电离，建立起阴 极区等离子体；再利用阳极电场将阴 极区等离子体中的电子引出至二号阳 极所围真空室内；这些电子在一号阳 极、二号阳极和加速极之间的电场作 用下，电离该区域的工作气体，建立 阳极区等离子体。 在引出系统，经过高压加速极、负 高压抑制极和接地极，引出高能离子 束.
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离子源等离子体发生器电源系统
离子源是中性束注入器的核心部件，在受控核聚变应用 的离子源是强流、大功率、长脉冲甚至稳态运行的。 作为离子源头部等离子体发生器的电源系统主要是灯丝 电源、磁场电源、进气气阀电源和弧电源.
ASIPP
离子源灯丝电源 灯丝电源作用是将离子源内钨阴极加热到足够温度发射热电子，从 灯丝寿命和工作温度的关系证明，灯丝的温度最好不要超过2800K； 灯丝温度在2300K以下阴极基本上没有发射电子的能力； 灯丝温度 过高，灯丝柱部件往往有电子发射，造成在灯丝盖板上镀出金属膜层， 其它部件是否会熔化,支撑部件是否会发射电子而造成不利影响，灯丝 电流大于100 A时，接触点电流密度大，灯丝很容易烧断。 离子源灯丝的理论参数为：灯丝直径0.12cm，阴极负载电压为15V时， 加热电流从70A变化到100A。
ASIPP
NBI离子源等离子体发生器电源系统
刘智民，胡纯栋，刘胜，韩筱璞，李军，王绍虎
中国科学院等离子体物理研究所 中性束注入加热课题组
ASIPP
HT-7超导托卡马克中性束注入器（NBI）为单台离子源大功率脉冲注 入器，采用22cm双潘宁离子源，是在原PLT装置的NBI基础上建立起来的， 注入器设计能量45keV，流强60A，脉宽100～300ms，注入功率700kW。
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(c)
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离子源磁场电源
离子源螺线管线圈磁场对阴极产生的电子流起到轴向磁压缩作用，磁 场电源向螺线管线圈提供6V、80A、10s的恒流源，稳流精度±1％。 离子源约束磁场线圈结构，是由20匝外径12mm紫铜管环绕制成，围 绕在离子源放电室外围，紫铜管内通以循环去离子水冷却，计算线圈阻 值约为40mΩ。 根据离子源约束磁场线圈的性能要求， 磁场电源采用了三相整流电路稳流电源 的基本电路： 输入电压 三相380V， 输出直流电压 0～12V， 输出直流电流 0～100A， 电流稳定度 <±1%。