CN108521709A - 基于托卡马克装置实现高流强电子加速的方法 - Google Patents

基于托卡马克装置实现高流强电子加速的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于托卡马克装置实现高流强电子加速的方法，包括开启托卡马克装置形成稳定的等离子体电流；托卡马克中央控制系统在预设的时间点，向已形成稳定的等离子体电流的等离子体内注入气体，形成高流强电子束的内容，更进一步地，还在形成高流强电子束后，间隔预设的监测时间监测所述高流强电子束是否偏离平衡位置，当偏离平衡位置时，托卡马克中央控制系统导通极向场线圈产生磁场，将所述高流强电子束拉回平衡位置。采用本发明的方法实现的电子束流强最高可达兆安量级，比目前的电子直线加速器的电子流强高108量级。该方法基于托卡马克装置，通过大量气体注入即可实现流强极高的电子束，无需多级加速结构，控制方法简单。

Description

基于托卡马克装置实现高流强电子加速的方法
技术领域
本发明电子加速技术领域，具体而言，是涉及基于托卡马克装置实现高流强电子加速的方法。
背景技术
电子加速器的应用领域非常广，可覆盖到物理、化学、生物、医学、能源、材料、国防等各种领域，可被用于基础研究、高新技术的研发以及工业化生产应用中，与国民经济联系紧密。电子加速器的基本原理是电子在电场中受到电场力的作用被加速，加速后的电子速度甚至可达到光速量级，具有很高的能量。加速器产生的粒子的能量愈高，就愈能观测更小层次的物质结构，如原子、原子核、核子(质子、中子、电子等)和夸克，尺度从10-10米到10-18米。因此为了实现微观物质结构的探索，电子加速器的能量需求越来越高，因而，需要不断提高电子束流强。
电子加速器按照加速电场和轨道形态主要可分为直流高压式加速器，电磁感应式加速器，直线谐振式加速器和回旋谐振加速器。目前条件下基于高能量强流的电子加速器的研究主要集中在直线加速器方向，主要是因为其具有束流强度高、能量可逐节增加且电子可以从零速开始加速的优点。甚至于为了使电子加速至更高的能量，采用直线加速器作为注入器，同步加速器作为增强器，二者相结合，实现电子能量的放大。电子直线加速器属于直线谐振式加速器，主要利用高微波功率在行波或驻波加速结构中建立纵向电场而实现对电子束进行加速的目的。我国的第一台电子同步辐射装置坐落在中国科技大学，其主体设备是一台能量为800MeV、平均流强为300mA的电子储存环，用一台能量800MeV的电子直线加速器作注入器。上海光源的电子加速器包括一台150MeV电子直线加速器，一台周长180m的3.5GeV增强器。但是，目前的电子直线加速器的电子流强大小都在毫安量级，因而不能实现更为有效的高能电子的加速。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题，提供了一种基于托卡马克装置实现高流强电子加速的方法，该方法利用托卡马克装置解决了现有的电子直线加速器的电子流强在毫安量级，不能实现更为有效的高能电子的加速的技术问题。
为达到上述技术目的，本发明采取的技术方案是：
基于托卡马克装置实现高流强电子加速的方法，包括：开启托卡马克装置形成稳定的等离子体电流；
托卡马克中央控制系统在预设的时间点，向已形成稳定的等离子体电流的等离子体内注入高核电荷数Z的杂质气体，形成高流强电子束。
进一步地，要求1所述的基于托卡马克装置实现高流强电子加速的方法，其特征在于，在形成高流强电子束后，还间隔预设的监测时间监测所述高流强电子束是否偏离平衡位置，当偏离平衡位置时，托卡马克中央控制系统导通极向场线圈产生磁场，将所述高流强电子束拉回平衡位置。
进一步地，所述高核电荷数Z的杂质气体中混合有低核电荷数Z杂质气体。
进一步地，所述高核电荷数Z的杂质气体装载在气体注入装置中，所述气体注入装置安装在托卡马克真空室外的任意环向或极向位置，所述气体注入装置的第一开关阀的触发控制端连接到托卡马克中央控制系统。
进一步地，所述极向场线圈包括串联连接的中心螺管及极向线圈，所述中心螺管垂直于托卡马克真空室的极向场方向设置，所述极向线圈安装在托卡马克真空室的环向位置，所述极向场线圈包括第二开关阀，所述第二开关阀的触发控制端连接到托卡马克中央控制系统；所述中心螺管通电后形成垂直场控制等离子体的垂直位移，所述极向线圈通电后形成水平场控制等离子体的水平位移
进一步地，所述第一开关阀的动作时间为毫秒量级。
进一步地，所述第二开关阀为电力电子开关阀，所述第二开关阀的动作时间小于0.1ms。
进一步地，所述预设的监测时间为1ms。
本发明的工作原理是：在托卡马克装置中形成稳定的等离子体电流后，通过注入高核电荷数Z的杂质气体，杂质气体分子与等离子体相互作用，使得等离子体温度急剧下降、电阻率上升，从而导致等离子体中换电压的急剧上升，最终形成强流电子束。极向场线圈通过电流产生磁场控制强流电子束的水平和垂直位置，避免其撞壁造成电子损失，从而能延长强流电子束的持续时间。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明所述的基于托卡马克装置的强流电子加速方法，可以作为电子加速器实现强流电子束的一种新方法。同时，该方法实现的电子束流强最高可达兆安量级，比目前的电子直线加速器的电子流强高108量级。该方法基于托卡马克装置，通过大量气体注入即可实现流强极高的电子束，无需多级加速结构，控制方法简单。
附图说明
本发明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，在附图中：
图1为本发明实施例1所述的气体注入装置的安装结构示意图；
图2为本发明实施例2所述的极向场线圈的安装结构立体图；
图3为本发明实施例2所述的极向场线圈的安装结构平面图；
图4为本发明高流强电子束的产生示意图；
图5为本发明实施例2的工作流程示意图。
图中，1-真空室，2-等离子体，3-工作腔，4-第一开关阀，5-连通管道，6-托卡马克中央控制系统，7-第二开关阀，8-极向场线圈，8a-螺线管，8b-极向线圈。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及具体实施例，对本申请作进一步地详细说明，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
实施例1
请参照图1及图4，本发明的基于托卡马克装置实现高流强电子加速的方法，包括以下步骤：
首先，在托卡马克装置上预先安装气体注入装置，该气体注入装置安装在托卡马克真空室1外的任意环向或极向位置，气体注入装置可以为一个或多个，该气体注入装置具有工作腔3、连通管道5和第一开关阀4，连通管道5一端连接工作腔3另一端连接到真空室1内，该第一开关阀4的触发控制端连接到托卡马克中央控制系统6，受托卡马克中央控制系统6控制从而关闭或开启气体经由工作腔3向连通管道5的通道，当第一开关阀4开启时，工作腔3内的气体经由连通管道5进入托卡马克真空室1，当第一开关阀4关闭时，工作腔3内的气体无法经由连通管道5进入托卡马克真空室1内。
然后，开启托卡马克装置形成稳定的等离子体2电流；本实施例以托卡马克等离子体2密度为1×1019m-3，磁场为1.8T，等离子体2电流为200kA进行说明，此条件是满足等离子体2稳定运行的基本条件。
接着，托卡马克中央控制系统6在预设的时间点，向已形成稳定的等离子体2电流的等离子体2内注入高核电荷数Z的杂质气体，形成高流强电子束。具体的形成过程是：进入等离子体2内的气体与等离子体2相互作用，使得等离子体2温度急剧下降，温度的下降伴随着等离子体2电阻率的上升，从而形成极强的环电压，该环电压高达100V/m，该环电压加速电子，最终形成高流强电子束，产生的电子束流强高达120kA。该预设的时间电根据等离子体2的运行情况而进行预设，例如托卡马克装置在2017年11月10日上午10点开启，稳定的等离子体2电流在2017年11月10日上午10点45分运行，预设的时间点为2017年11月10日上午11点，则达到该时刻时，托卡马克中央控制系统6控制第一开关阀4开启，高核电荷数Z的杂质气体从气体注入装置中进入等离子体2，高核电荷数Z的杂质气体可以是He、Ne、Ar、He/Ar混合气体。具体而言，托卡马克控制系统通过控制第一开关阀4开启时间的长短从而控制进入等离子体2内杂质气体的粒子数，开启时间长，则进入等离子体2内的杂质粒子数多，开启时间短，则进入等离子体2内的杂质粒子数少。
优选地，该高核电荷数Z的杂质气体还混合有低核电荷数Z的杂质气体，该低核电荷数Z的杂质气体也可以是He、Ne、Ar、He/Ar混合气体，其中高核电荷数Z的杂质气体与低高核电荷数Z的杂质气体的配比可以是配比为7:3或8:2。
本实施方式中产生的电子束流强大小与托卡马克装置结构大小有关，装置越大，等离子体2电流越高，产生的电子束流强越高。
实施例2
请参照图2、图3及图5，本发明的基于托卡马克装置实现高流强电子加速的方法，包括以下步骤：
首先，在托卡马克装置上预先安装气体注入装置，该气体注入装置安装在托卡马克真空室1外的任意环向或极向位置，气体注入装置可以为一个或多个，该气体注入装置具有工作腔3、连通管道5和第一开关阀4，连通管道5一端连接工作腔3另一端连接到真空室1内，该第一开关阀4的触发控制端连接到托卡马克中央控制系统6，受托卡马克中央控制系统6控制从而关闭或开启气体经由工作腔3向连通管道5的通道，当第一开关阀4开启时，工作腔3内的气体经由连通管道5进入托卡马克真空室1，当第一开关阀4关闭时，工作腔3内的气体无法经由连通管道5进入托卡马克真空室1内，其中，第一开关阀4的动作时间为毫秒量级，优选地动作时间小于0.5ms，该第一开关阀4为电力电子开关。该极向场线圈8包括串联连接的中心螺管8a及极向线圈8b，中心螺管8a垂直于托卡马克真空室1的极向场方向设置，极向线圈8b安装在托卡马克装置的环向位置，本实施例中，中心螺管8a及极向线圈8b均安装在托卡马克真空室1外面，其中极向线圈8b包括至少2匝线圈，极向场线圈8包括第二开关阀7，第二开关阀7的触发控制端连接到托卡马克中央控制系统6；第二开关阀7开启后，中心螺管8a及极向线圈8b导通产生磁场，该磁场与等离子电流形成电磁力，在该作用力下可调节等离子体2的水平和垂直位移，其中，第二开关阀7为电力电子开关阀，第二开关阀7的动作时间小于0.1ms。
然后，开启托卡马克装置形成稳定的等离子体2电流。本实施例以托卡马克等离子体2密度为1×1019m-3，磁场为1.8T，等离子体2电流为200kA进行说明，此条件是满足等离子体2稳定运行的基本条件。
接着，托卡马克中央控制系统6在预设的时间点，向已形成稳定的等离子体2电流的等离子体2内注入高核电荷数Z的杂质气体，形成高流强电子束。具体的形成过程是：进入等离子体2内的杂质气体与等离子体2相互作用，使得等离子体2温度急剧下降，从而导致等离子体2电阻率的急剧上升，等离子体2电流可在1ms时间内快速下降，此时电流的快速变化感应出极强的环电压，该环电压为等离子体2电流与电阻的乘积，可高达100V/m，该环电压加速电子，最终形成高流强电子束，产生的电子束流强高达120kA。该预设的时间电根据等离子体2的运行情况而进行预设，例如托卡马克装置在2017年12月11日上午9点开启，稳定的等离子体2电流在2017年12月11日上午10点45分运行，预设的时间点为2017年12月11日上午12点，则达到该时刻时，托卡马克中央控制系统6控制第一开关阀4开启，气体从气体注入装置中进入等离子体2。具体而言，该气体可以是高核电荷数Z的杂质气体，也可以是高核电荷数Z杂质气体与低核电荷数Z杂质气体的混合气体。
紧接着，在形成高流强电子束后，间隔预设的监测时间监测高流强电子束是否偏离平衡位置，当偏离平衡位置时，托卡马克中央控制系统6导通极向场线圈8产生磁场，将高流强电子束拉回平衡位置。在本实施方式中，监测高流强电子束是否偏离平衡位置具体是采用托卡马克中央控制系统6中本身具有的电流反馈调节系统，当电流反馈调节系统测量高流强电子束的电流变小时，则表示高流强电子束偏离平衡位置。具体而言，该预设的监测时间为1ms，即每隔1ms托卡马克中央控制系统6测量高流强电子束的电流一次，实现强流电子束的平衡位置的实时反馈控制。
其中，监测高流强电子束是否偏离平衡位置的具体方法是：可根据等离子体2受力平衡公式计算高流强电子束在某一特定位置的受力大小，式中，是电子束受到的电磁力大小，是高流强电子束电流密度矢量，是极向场线圈8产生的磁感应强度矢量。极向场线圈8产生的磁感应强度矢量具体可根据毕奥萨伐尔定律计算式中∫L指的是L路径的回路积分，I为极向场线圈8通入电流大小，为极向场线圈8通入电流的微小线电流元素，为电流源指向带球场点的单位矢量，即极向场线圈8电流指向电子束中心位置的单位矢量，r为极向场线圈8电流指向高流强电子束中心位置的距离，u0为真空磁导率，其值为4π×10-7N·A-2。从公式中可以看出，极向场线圈8的电流I大小以及高流强电子束的径向位置r的改变会同时改变高流强电子束的受力大小，因而可以通过该公示具体实现通过调整极向场线圈8电流I的大小，将偏离平衡位置的高流强电子束拉回到平衡位置。
采用以上两个实施例后，利用托卡马克装置实现高流强电子束的产生示意图如图4所示，图4中横轴表示时间，纵轴表示幅度，Iplasma为等离子电流，Vloop为环电压，N为大量气体注入分子数；正常放电情况下，托卡马克装置中等离子体2电流Iplasma达到200kA，环电压Vloop初始状态下为1.5V/m；大量气体注入装置在t1时刻向等离子体2注入大量气体，分子数N为2×1019m-3，等离子体2电流Iplasma从时刻t2快速下降，环电压Vloop则迅速上升到100V/m，等离子体2内电子在此电压下被加速到极高的能量，并通过雪崩倍增效应使得高能电子数量呈指数增长，这些高能电子被磁场约束成为高流强电子束，表现为等离子体2电流Iplasma下降到时刻t3后停止下降，形成了120kA的电流平台。
本实施例叙述的较为具体和详细，也给出了实施例的一些优选措施，但是，该实施例和优选措施并不能作为对本发明的限制，本领域的技术人员看到该方案时，做出的其他变形和等同手段的替换，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于托卡马克装置实现高流强电子加速的方法，其特征在于，
开启托卡马克装置形成稳定的等离子体电流；
托卡马克中央控制系统在预设的时间点，向已形成稳定的等离子体电流的等离子体内注入高核电荷数Z的杂质气体，形成高流强电子束。
2.根据权利要求1所述的基于托卡马克装置实现高流强电子加速的方法，其特征在于，在形成高流强电子束后，还间隔预设的监测时间监测所述高流强电子束是否偏离平衡位置，当偏离平衡位置时，托卡马克中央控制系统导通极向场线圈产生磁场，将所述高流强电子束拉回平衡位置。
3.根据权利要求1所述的基于托卡马克装置实现高流强电子加速的方法，其特征在于：所述高核电荷数Z的杂质气体中混合有低核电荷数Z杂质气体。
4.根据权利要求1所述的基于托卡马克装置实现高流强电子加速的方法，其特征在于，所述高核电荷数Z的杂质气体装载在气体注入装置中，所述气体注入装置安装在托卡马克真空室外的任意环向或极向位置，所述气体注入装置的第一开关阀的触发控制端连接到托卡马克中央控制系统。
5.根据权利要求2所述的基于托卡马克装置实现高流强电子加速的方法，其特征在于，所述极向场线圈包括串联连接的中心螺管及极向线圈，所述中心螺管垂直于托卡马克真空室的极向场方向设置，所述极向线圈安装在托卡马克真空室的环向位置，所述极向场线圈包括第二开关阀，所述第二开关阀的触发控制端连接到托卡马克中央控制系统；所述中心螺管通电后形成垂直场控制等离子体的垂直位移，所述极向线圈通电后形成水平场控制等离子体的水平位移。
6.根据权利要求4所述的基于托卡马克装置实现高流强电子加速的方法，其特征在于：所述第一开关阀的动作时间为毫秒量级。
7.根据权利要求5所述的基于托卡马克装置实现高流强电子加速的方法，其特征在于：所述第二开关阀为电力电子开关阀，所述第二开关阀的动作时间小于0.1ms。
8.根据权利要求2所述的基于托卡马克装置实现高流强电子加速的方法，其特征在于：所述预设的监测时间为1ms。
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