CN105873345A - 一种对等离子体进行快慢束分离的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对等离子体进行快慢束分离的系统，其用于截断一全等离子体通道中的慢束等离子体束，全等离子体通道包括公共等离子体通道、截断器通道、快等离子体通道和溜槽线圈，公共等离子体通道、截断器通道、快等离子体通道和溜槽线圈均设有第一纵向线圈，多个第一纵向线圈在截断器通道的中心轴线上产生的磁感应强度为B₁，其包括：纵向线圈模块、横向线圈模块和脉冲电源模块，纵向线圈模块包括两个第二纵向线圈，两个第二纵向线圈在截断器通道的中心轴线上产生的磁感应强度为B₂；横向线圈模块包括两个横向线圈，两个横向线圈产生与B₂方向垂直的磁感应强度B₃；脉冲电源模块用于为两个第二纵向线圈和两个横向线圈供电。

Description

一种对等离子体进行快慢束分离的系统及方法

技术领域

本发明涉及等离子体磁约束领域，具体而言，涉及一种对等离子体进行快慢束分离的系统及方法，实现了对能量较低的慢束等离子体束的截断。

背景技术

随着化石能源日渐枯竭，人类更加迫切寻找可持续使用的新能源。聚变能作为一种理想能源，具有对环境污染小、燃料储量丰富等优点。目前，安全利用聚变能主要希望通过受控惯性约束核聚变和受控磁约束核聚变实现。受控磁约束核聚变是研究热点，多极磁阱装置即为一种受控磁约束核聚变的实验装置。

多极磁阱磁约束装置作为非托卡马克型受控热核聚变等离子体磁约束的初极研究装置，与托卡马克、仿星器等磁约束装置相比，具有结构简单、体积小、成本低、能自动抑制等离子体的互换不稳定性等优点。通过多组同轴线圈和支架系统构成的多极磁阱系统将等离子体约束在磁阱系统产生的弱磁场区域，以便达到发生核聚变反应的条件，为后续研究做准备。

目前，为使能量一致的等离子体进入多极磁阱中，等离子体枪产生的等离子体需要经过全等离子体通道进行输运和筛选。全等离子体通道包括公共等离子体通道、截断器系统、快等离子体通道和溜槽线圈。由于等离子体枪产生的等离子体能量不均匀，导致了等离子体束中有快束等离子体和慢束等离子体，如果不对慢束等离子体进行截断，快束等离子体进入磁阱后，慢束等离子体对磁阱的冲击，会对磁阱的约束效果及参数的测量产生严重干扰。

因此，如何对等离子体束中的慢束等离子体进行截断，以提高等离子体束能量的一致性以及后续实验效果，是本领域技术人员需要解决的一大问题。

发明内容

本发明提供了一种对等离子体进行快慢束分离的系统，用以截断等离子体束中的能量较低的慢束等离子体束。

为了达到上述目的，本发明提供了一种对等离子体进行快慢束分离的系统，其用于截断一全等离子体通道中的慢束等离子体束，所述全等离子体通道包括公共等离子体通道、截断器通道、快等离子体通道和溜槽线圈，对等离子体进行快慢束分离的系统设在截断器通道中，公共等离子体通道、截断器通道、快等离子体通道和溜槽线圈均设有第一纵向线圈，多个第一纵向线圈均为环状、相互平行并通有顺时针方向电流I₁，多个第一纵向线圈在截断器通道的中心轴线上产生的磁感应强度为B₁，其包括：纵向线圈模块、横向线圈模块和脉冲电源模块，其中：

所述纵向线圈模块包括两个第二纵向线圈，两个第二纵向线圈均与多个第一纵向线圈共轴平行并通有逆时针方向电流I₂，两个第二纵向线圈在截断器通道的中心轴线上产生的磁感应强度为B₂，B₂与B₁大小相等且方向相反；

所述横向线圈模块包括两个横向线圈，两个横向线圈的轴线均与截断器通道的轴线垂直并通有电流I₃，两个横向线圈以截断器通道的轴线为对称轴对称，两个横向线圈产生与B₂方向垂直的磁感应强度B₃，慢束等离子体束进入截断器通道后，在磁感应强度B₃的作用下运动方向发生偏转并在进入快等离子体通道之前被截断；

所述脉冲电源模块与所述纵向线圈模块和所述横向线圈模块连接，用于为两个第二纵向线圈和两个横向线圈供电。

在本发明的一实施例中，第二纵向线圈为半径为65mm的铜质线圈。

在本发明的一实施例中，第二纵向线圈的匝数为15匝且截面积为10mm²。

在本发明的一实施例中，两个第二纵向线圈之间的距离为35mm，并且两个第二纵向线圈分别与距离其最近的第一纵向线圈之间的距离为10mm。

在本发明的一实施例中，横向线圈为半径为55mm的铜质线圈。

在本发明的一实施例中，横向线圈的匝数为10匝且截面积为10mm²。

在本发明的一实施例中，两个横向线圈之间的距离为150mm。

为了达到上述目的，本发明还提供了一种利用上述对等离子体进行快慢束分离的系统进行的对等离子体进行快慢束分离的方法，其包括以下步骤：

S1：等离子体枪与全等离子体通道之间的距离为L₀，以等离子体枪开始发射等离子体的时间为计时零点t₀，等离子体束中慢速等离子体束的运动速度为v_s，快束等离子体束的运动速度为v_f，慢束等离子体束通过L₀所需的时间为T_s0，快束等离子体束通过L₀所需时间为T_f0，其中，

$T_{s0}=\frac{L_0}{v_s},$

$T_{f0}=\frac{L_0}{v_f};$

S2：t₀时刻后，启动脉冲电源模块为两个第二纵向线圈和两个横向线圈供电；

S3：公共等离子体通道的长度为L₁，慢束等离子体束通过L₁的时间为T_s1，快束等离子体束通过L₁的时间为T_f1，其中，

$T_{s1}=\frac{L_1}{v_s},$

$T_{f1}=\frac{L_1}{v_f};$

S4：截断器通道的长度为L₂，快束等离子体束通过L₂的时间为T_f2，慢束等离子体束到达截断器通道后，被截断器通道完全截断所需的时间为T_s2，其中，

$T_{s2}=\frac{L_2}{v_s},$

$T_{f2}=\frac{L_2}{v_f};$

S5：在等离子体枪产生等离子体后，为了保证能够完全将慢束等离子体束截断，需要在快束等离子体束通过截断器通道后启动对等离子体进行快慢束分离的系统，启动时刻t_pc满足以下条件：

t_pc＝T_f0+T_f1+T_f2；

S6：对等离子体进行快慢束分离的系统的工作时间为T_c，以将全部慢束等离子体束截断，T_c满足以下条件：

T_c＞T_s0+T_s1+T_s2-T_f0-T_f1-T_f2。

本发明提供的对等离子体进行快慢束分离的系统能够实现对慢束等离子体束的完全截断，从而提高等离子体束能量的一致性，进而能够保证后续实验效果，具有很强的应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为全等离子体通道的示意图；

图2为本发明一实施例的对等离子体进行快慢束分离的系统的示意图。

附图标记说明：11-公共等离子体通道；12-截断器通道；13-快等离子体通道；14-溜槽线圈；21-纵向线圈模块；22-横向线圈模块；23-脉冲电源模块；A-全等离子体通道。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为全等离子体通道的示意图，图2为本发明一实施例的对等离子体进行快慢束分离的系统的示意图。如图所示，本发明提供的对等离子体进行快慢束分离的系统用于截断一全等离子体通道A中的慢束等离子体束，全等离子体通道A包括公共等离子体通道11、截断器通道12、快等离子体通道13和溜槽线圈14，对等离子体进行快慢束分离的系统设在截断器通道12中，公共等离子体通道11、截断器通道12、快等离子体通道13和溜槽线圈14均设有第一纵向线圈，多个第一纵向线圈均为环状、相互平行并通有顺时针方向电流I₁，多个第一纵向线圈在截断器通道的中心轴线上产生的磁感应强度为B₁，其包括：纵向线圈模块21、横向线圈模块22和脉冲电源模块23，其中：

纵向线圈模块21包括两个第二纵向线圈，两个第二纵向线圈均与多个第一纵向线圈共轴平行并通有逆时针方向电流I₂，两个第二纵向线圈在截断器通道的中心轴线上产生的磁感应强度为B₂，B₂与B₁大小相等且方向相反，B₂用于抵消B₁；

横向线圈模块22包括两个横向线圈，两个横向线圈的轴线均与截断器通道的轴线垂直并通有电流I₃，两个横向线圈以截断器通道的轴线为对称轴对称，两个横向线圈产生与B₂方向垂直的磁感应强度B₃，慢束等离子体束进入截断器通道后，在磁感应强度B₃的作用下运动方向发生偏转并在进入快等离子体通道之前被截断；

脉冲电源模块23与纵向线圈模块21和横向线圈模块22连接，用于为两个第二纵向线圈和两个横向线圈供电。

需要说明的是，上述提到的电流I₁、I₂和I₃均不做具体限制，其中，I₂需要根据I₁产生的磁感应强度B₁的大小进行设置，以使B₂能够完全抵消B₁，I₃的大小需要根据等离子体束中等离子体的运动速度进行设置，以使得磁感应强度B₃能够完全将慢束等离子体束完全截断。

在一具体实施例中，第二纵向线圈可以选用为半径为65mm的铜质线圈，匝数可以为15匝且截面积为10mm²。另外，两个第二纵向线圈之间的距离为35mm，并且两个第二纵向线圈分别与距离其最近的第一纵向线圈之间的距离为10mm。

在一具体实施例中，横向线圈可以选用为半径为55mm的铜质线圈，横向线圈的匝数可以为10匝且截面积为10mm²。另外，两个横向线圈之间的距离为150mm。

本发明还提供了一种利用上述对等离子体进行快慢束分离的系统进行的对等离子体进行快慢束分离的方法，其包括以下步骤：

S1：等离子体枪与全等离子体通道之间的距离为L₀，以等离子体枪开始发射等离子体的时间为计时零点t₀，等离子体束中慢速等离子体束的运动速度为v_s，快束等离子体束的运动速度为v_f，慢束等离子体束通过L₀所需的时间为T_s0，快束等离子体束通过L₀所需时间为T_f0，其中，

$T_{s0}=\frac{L_0}{v_s},$

$T_{f0}=\frac{L_0}{v_f};$

S2：t₀时刻后，启动脉冲电源模块为两个第二纵向线圈和两个横向线圈供电，从开始启动脉冲电源模块至产生所需的磁感应强度B₂和B₃的时间即短，甚至可以忽略不计；

S3：公共等离子体通道的长度为L₁，慢束等离子体束通过L₁的时间为T_s1，快束等离子体束通过L₁的时间为T_f1，其中，

$T_{s1}=\frac{L_1}{v_s},$

$T_{fl}=\frac{L_1}{v_f};$

S4：截断器通道的长度为L₂，快束等离子体束通过L₂的时间为T_f2，慢束等离子体束到达截断器通道后，被截断器通道完全截断所需的时间为T_s2，其中，

$T_{s2}=\frac{L_2}{v_s},$

$T_{f2}=\frac{L_2}{v_f};$

S5：在等离子体枪产生等离子体后，为了保证能够完全将慢束等离子体束截断，需要在快束等离子体束通过截断器通道后启动对等离子体进行快慢束分离的系统，启动时刻t_pc满足以下条件：

t_pc＝T_f0+T_f1+T_f2；

S6：对等离子体进行快慢束分离的系统的工作时间为T_c，以将全部慢束等离子体束截断，T_c满足以下条件：

T_c＞T_s0+T_s1+T_s2-T_f0-T_f1-T_f2，也就是说，在快束等离子体束离开截断器通道12后至慢束等离子体束离开截断器通道12之前，对等离子体进行快慢束分离的系统时一直工作的，并且最短工作时间为T_s0+T_s1+T_s2-T_f0-T_f1-T_f2。

本发明提供的对等离子体进行快慢束分离的系统能够实现对慢束等离子体束的完全截断，从而提高等离子体束能量的一致性，进而能够保证后续实验效果，具有很强的应用价值。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种对等离子体进行快慢束分离的系统，其用于截断一全等离子体通道中的慢束等离子体束，所述全等离子体通道包括公共等离子体通道、截断器通道、快等离子体通道和溜槽线圈，对等离子体进行快慢束分离的系统设在截断器通道中，公共等离子体通道、截断器通道、快等离子体通道和溜槽线圈均设有第一纵线向圈，多个第一纵向线圈均为环状、相互平行并通有顺时针方向电流I₁，多个第一纵向线圈在截断器通道的中心轴线上产生的磁感应强度为B₁，其特征在于，包括：纵向线圈模块、横向线圈模块和脉冲电源模块，其中：

所述纵向线圈模块包括两个第二纵向线圈，两个第二纵向线圈均与多个第一纵向线圈共轴平行并通有逆时针方向电流I₂，两个第二纵向线圈在截断器通道的中心轴线上产生的磁感应强度为B₂，B₂与B₁大小相等且方向相反；

所述横向线圈模块包括两个横向线圈，两个横向线圈的轴线均与截断器通道的轴线垂直并通有电流I₃，两个横向线圈以截断器通道的轴线为对称轴对称，两个横向线圈产生与B₂方向垂直的磁感应强度B₃，慢束等离子体束进入截断器通道后，在磁感应强度B₃的作用下运动方向发生偏转并在进入快等离子体通道之前被截断；

所述脉冲电源模块与所述纵向线圈模块和所述横向线圈模块连接，用于为两个第二纵向线圈和两个横向线圈供电。

2.根据权利要求1所述的对等离子体进行快慢束分离的系统，其特征在于，第二纵向线圈为半径为65mm的铜质线圈。

3.根据权利要求1所述的对等离子体进行快慢束分离的系统，其特征在于，第二纵向线圈的匝数为15匝且截面积为10mm²。

4.根据权利要求1所述的对等离子体进行快慢束分离的系统，其特征在于，两个第二纵向线圈之间的距离为35mm，并且两个第二纵向线圈分别与距离其最近的第一纵线向圈之间的距离为10mm。

5.根据权利要求1所述的对等离子体进行快慢束分离的系统，其特征在于，横向线圈为半径为55mm的铜质线圈。

6.根据权利要求1所述的对等离子体进行快慢束分离的系统，其特征在于，横向线圈的匝数为10匝且截面积为10mm²。

7.根据权利要求1所述的对等离子体进行快慢束分离的系统，其特征在于，两个横向线圈之间的距离为150mm。

8.一种利用权利要求1～7任一项所述的对等离子体进行快慢束分离的系统进行的对等离子体进行快慢束分离的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：等离子体枪与全等离子体通道之间的距离为L₀，以等离子体枪开始发射等离子体的时间为计时零点t₀，等离子体束中慢速等离子体束的运动速度为v_s，快束等离子体束的运动速度为v_f，慢束等离子体束通过L₀所需的时间为T_s0，快束等离子体束通过L₀所需时间为T_f0，其中，

$T_{s0}=\frac{L_0}{v_s},$

$T_{f0}=\frac{L_0}{v_f};$

S2：t₀时刻后，启动脉冲电源模块为两个第二纵向线圈和两个横向线圈供电；

S3：公共等离子体通道的长度为L₁，慢束等离子体束通过L₁的时间为T_s1，快束等离子体束通过L₁的时间为T_f1，其中，

$T_{s1}=\frac{L_1}{v_s},$

$T_{f1}=\frac{L_1}{v_f};$

S4：截断器通道的长度为L₂，快束等离子体束通过L₂的时间为T_f2，慢束等离子体束到达截断器通道后，被截断器通道完全截断所需的时间为T_s2，其中，

$T_{s2}=\frac{L_2}{v_s},$

$T_{f2}=\frac{L_2}{v_f};$

S5：在等离子体枪产生等离子体后，为了保证能够完全将慢束等离子体束截断，需要在快束等离子体束通过截断器通道后启动对等离子体进行快慢束分离的系统，启动时刻t_pc满足以下条件：

t_pc＝T_f0+T_f1+T_f2；

S6：对等离子体进行快慢束分离的系统的工作时间为T_c，以将全部慢束等离子体束截断，T_c满足以下条件：

T_c＞T_s0+T_s1+T_s2-T_f0-T_f1-T_f2。