一、装置简介
MPS-LD (Multiple Plasma Simulation Linear Device) 装置是由桑超峰教授带领团队自主设计建造的大型直线等离子体实验装置，于2022年完成建造。
图1 MPS-LD直线等离子体实验装置
二、研究方向
1. MPS-LD装置定位于多方位研究磁约束核聚变的关键物理问题，包括：
n 等离子体-材料相互作用研究，如粒子再循环、靶板位形影响、材料辐照和测试等；
n 等离子体源（如螺旋波）的相关技术和物理，并开展离子回旋共振加热和电子加热的理论和技术；
n 开展相关数值模拟，理论和实验相互验证，进一步推辐照损伤、燃料滞留；
n 边界等离子体物理问题研究，如等离子体脱靶、原子分子物理的理解，开发准确的模拟程序。
2. 大功率电推进技术
n MPS-LD拥有可变的强磁场线圈、高功率螺旋波等离子体源、高功率离子回旋加热系统，提供了研究/测试VASIMR中高功率螺旋波源和离子回旋加热的良好平台。
三、MPS-LD装置主要系统
1. 磁体线圈及电源系统
MPS-LD装置采用两组共11个线圈产生磁场，其中小线圈S1共8柄，大线圈S2共3柄。磁场强度可调，灵活度高。轴心磁场强度最高达0.4 T，可针对放电及具体实验需求，构建会切、磁镜等其他磁场位形。
图2 MPS-LD装置S1 & S2线圈
图3 MPS-LD装置均匀磁场位形
每个线圈配备了单独的直流电源系统，电流的大小和方向可调。
n S1线圈电源：每台输出电压调节范围：0～80 V，输出电流可调节范围：0～625 A。
n S2线圈电源：每台输出电压调节范围：0～120 V，输出电流可调节范围：0～833 A。
电源系统总功率超过400 kW，具有完善的保护功能和冷却能力。可以通过远程控制，进行电流等参数的调节。
图4 MPS-LD装置磁体线圈电源系统
2. 真空系统
MPS-LD装置的真空腔体分为等离子源室、辅助加热室、靶室、材料分析与交换室。等离子源室（φ370 mm×682 mm）主要用于中性气体注入以及等离子体的产生；辅助加热室（φ370 mm×1008 mm）用于等离子体的温度、密度以及分布测量，并为等离子体诊断方法和等离子体辅助加热技术提供测试平台；靶室（φ370 mm×296 mm &φ570 mm×939 mm）主要用于等离子体-材料相互作用、边界等离子体物理等实验研究；材料分析与交换室主要用于靶材的更换以及分析。
主腔体通过3台抽速为2200 L/s的分子泵，前级共用1台抽速为1250 L/s的机械泵组成真空抽气系统。应用差分抽气保证真空度可达1e-5 Pa。近60个各型圆形及方窗口，可扩展多种等离子体诊断和加热手段。采用双层水冷的冷却方式，有效缓解放电过程真空腔体承受的热流。
图5 MPS-LD装置真空系统
靶室的真空送样装置可通过下述设计满足特定物理需求：
Ø 可更改样品位置：推送杆电动传送样品，可伸缩、移动距离1650 mm，到达行程可控---研究燃料滞留、粒子再循环；
Ø 水冷样品台，可调节样品温度---靶板冷却；
Ø 可加载0～300 V直流负偏压---加速辐照粒子能量，研究较高能量粒子注入效应；
Ø 靶台角度可调节，可进行上下角度变换（上下角度变化范围30°），靶台可承重12 Kg---不同粒子流入射角度及部件辐照研究；
Ø 靶台采用压盖形式，易于安装、固定靶材
图6 MPS-LD装置靶室系统
3. 等离子体源
MPS-LD装置等离子体源可更换。目前使用自主研制的最大功率6 kW的Helical天线的螺旋波源进行放电，已获得稳态螺旋波放电，最高密度达到1019 m-3量级。
图7. MPS-LD装置螺旋波源不同功率放电演化
4. 冷却系统
为了确保装置长时间稳态放电，同时防止线圈冷却水被污染，设计了两套独立冷却循环系统，使用去离子水进行冷却。
n 线圈冷却：水箱(5000 L)去离子水，经制冷机(制冷量 210 kW)降温进入各个线圈。
n 真空室、源、泵组冷却：制冷量 10 kW冷水机。
图8 MPS-LD装置冷却系统
5. 控制系统
MPS-LD装置配备远程的操作控制系统和监测系统，实现了对系统各用电设备的控制，具有报警保护功能；具有断水、断气、真空系统过载保护功能；电路系统设有短路保护、过热、断电保护等。同时可以实现实时数据采集、显示，数据远程传输。
图9 MPS-LD装置监控及各系统远控画面
6. 诊断系统
n 探针系统：实现不同位置的电子温度和密度的测量
n 红外相机：测量样品温度，获得入射能流
n 发射光谱：等离子体成分测量
n ICCD高速相机：放电过程演化
图10 探针诊断系统
相关论文
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