CN109729633B - 直线型磁约束等离子体装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及直线型等离子体装置技术领域，具体公开了一种直线型磁约束等离子体装置。该装置包括离子源、环形磁体、真空室以及换样装置，其中，离子源、真空室以及换样装置顺序连接，并在真空室外环绕安装有若干个环形磁体；环形磁体包括不同内径的环形磁体环绕安装在真空室外侧，使磁体距真空室中轴线距离尽量小，真空室内磁场强度满足要求的前提下使磁体功率尽量小。该装置中真空室通过锥孔体分隔成三级，进行差分抽气，可降低抽气负载；磁体充分利用了法兰的间隙，并通过独立调节各个磁体的电流，可产生高强度低波纹度的磁场，充分地约束等离子体，在真空室轴线上的磁场强度达到2000高斯，波纹度小于1％。

Description

直线型磁约束等离子体装置
技术领域
本发明属于直线型等离子体装置技术领域，具体涉及一种直线型磁约束等离子体装置。
背景技术
发展实用化的聚变反应堆，相关技术涉及等离子体稳态约束、部件寿命、聚变产物(粒子与热)的输运与利用、燃料循环/增殖和反应堆系统的经济性/安全性等多方面。这些问题全都与一个关键问题紧密相关，即等离子体与材料相互作用(PMI)。现有的托卡马克装置进行面向等离子体材料的测试研究具有较大的局限性，一是不具备中子辐照条件，二是边缘等离子体的参数与DEMO乃至聚变堆的实际工况有一定差距。而直线等离子体装置则具有很好的可测量性、参数可控性和稳定运行特性，可以很有效地模拟等离子体边缘与壁材料的相互作用情况，且其等离子体种类和密度等都可以得到良好的控制，很容易实现长脉冲或稳态放电，且造价较低。因此可以建造直线等离子体装置进行PMI研究。国内近年建造了几套直线等离子体装置，如中科院合肥等离子体所及兰州化物所各建造了一套等离子体通量达1020-1021/m2·s的直线等离子体装置，主要针对氢同位素等气体的滞留研究；北京航空航天大学的STEP装置标称等离子体参数跨度较大，达1019～1023/m2.s目前主要用于教学与基础实验；四川大学720所的装置据称等离子体通量可达1022～1023/m2.s，主要针对液态金属的PMI研究，比较超前；浙江大学最近调试成功一台直线等离子体装置，用于支撑等离子体理论的研究。
这些装置的建造及成功运行均证实了直线等离子体装置的建造已具有较成熟的技术基础。但是这些装置的窗口比较少，只能支持一些基本的诊断，对于等离子体与材料相互作用的在线检测及边界等离子体输运研究帮助十分有限。
发明内容
本发明的目的在于提供一种直线型磁约束等离子体装置，解决现有的直线型等离子体实验装置窗口少，只能支持基本的诊断，无法实施综合性等离子体与材料相互作用实验的缺陷。
本发明的技术方案如下：一种直线型等离子体装置，该装置包括离子源、环形磁体、真空室以及换样装置，其中，离子源、真空室以及换样装置顺序连接，并在真空室外环绕安装有若干个环形磁体；环形磁体包括不同内径的环形磁体环绕安装在真空室外侧，使磁体距真空室中轴线距离尽量小，真空室内磁场强度满足要求的前提下使磁体功率尽量小。
所述的真空室包括等离子体源室、等离子体诊断室以及靶室，其中，等离子体源室、等离子体诊断室以及靶室顺序连接，并在等离子体源室、等离子体诊断室以及靶室上开有若干个圆形法兰和方形法兰，并在靶室中靠近等离子体诊断室的连接端处开有若干个斜向法兰。
所述的等离子体源室和等离子体诊断室为直径相同且相对较小的圆柱筒结构，靶室为直径相对较大的阶梯圆柱筒结构。
所述的真空室外环绕的环形磁体包括3组不同内径的圆环形磁体，分别为第一组环形磁体、第二组环形磁体以及第三组环形磁体，其中，第一组环形磁体环绕固定在等离子体源室和等离子体诊断室中圆形法兰、方形法兰之间的间隙处；第二组环形磁体环绕固定在等离子体诊断室于靶室的连接处，使其不遮挡靶室端面的斜向法兰；第三组环形磁体环绕固定在靶室中圆形法兰、方形法兰之间的间隙处。
所述的等离子体源室与等离子体诊断室之间，以及等离子体诊断室与靶室之间设有锥孔体；所述锥孔体整体为中心开有圆孔的圆锥型腔体结构，并在锥孔体内外圆锥面形成的腔体中形成冷却流道。
所述的等离子体源室和等离子体诊断室圆柱筒结构的直径为300mm～500mm；所述的靶室一端与等离子体诊断室尺寸匹配连接，靶室另一端圆柱筒结构的直径为800mm～1000mm。
所述的第一组环形磁体包括内径为550mm～650mm、外经为900mm～1100mm的9组磁体；所述的第二组环形磁体包括内径均为480mm～520mm，外经分别为500mm～550mm、700mm～750mm的2组磁体；所述的第三组环形磁体包括内径1100mm～1300mm、外经1700mm～1900mm的4组磁铁。
所述的靶室中靠近等离子体诊断室的连接端处开有10～15个斜向法兰，且每个斜向法兰的轴线与真空室中轴线夹角在20°～30°之间
本发明的显著效果在于：本发明所述的一种直线型磁约束等离子体装置，其真空室通过锥孔体分隔成三级，进行差分抽气，可降低抽气负载；所述锥孔体除了起到差分抽气的作用外，也起到屏蔽扩散的等离子体，维持束斑集中的作用；所述的靶室分为与等离子体诊断室连接的小段和大段，因此在大段与小段的连接端有空间可以布置瞄准靶的斜向法兰，这对于实验过程中靶材料的在线检测有益；所述斜向法兰可安装高能重离子束模拟聚变中子轰击靶材料，造成靶材料的离位损伤，从而进行离位损伤-热-等离子体协同效应的研究；所述斜向法兰可安装红外热像仪，以检测材料表面温度；所述斜向法兰可作为和反应分析以及激光加热设备的入射口和激光诱导击穿检测系统的安装口；所述的磁体充分利用了法兰的间隙，并通过独立调节各个磁体的电流，可产生高强度低波纹度的磁场，充分地约束等离子体，在真空室轴线上的磁场强度达到2000高斯，波纹度小于1％。
附图说明
图1为本发明所述的一种直线型等离子体装置结构示意图；
图2为图1中真空室结构示意图；
图3为本发明所述的一种直线型等离子体装置中锥孔体结构示意图；
图中：1、离子源；2、环形磁体；3、真空室；4、换样装置；5、等离子体源室；6、等离子体诊断室；7、靶室；8、圆形法兰；9、方形法兰；10、斜向法兰；11、圆孔；12、冷却流道。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1～3所示，一种直线型等离子体装置，包括离子源1、环形磁体2、真空室3以及换样装置4，其中，离子源1、真空室3以及换样装置4顺序连接，并在真空室3外环绕安装有若干个环形磁体2；真空室3包括等离子体源室5、等离子体诊断室6以及靶室7，其中，圆柱筒状结构的等离子体源室5、等离子体诊断室6以及靶室7顺序相接，并在相互连接的接缝处安装有锥孔体，其中，锥孔体整体为中心开有圆孔11的圆锥型腔体结构，并在锥孔体内外圆锥面形成的腔体中形成冷却流道12，锥孔体中间的圆孔11直径为80mm～120mm，锥孔体边缘直径与等离子体源室5、等离子体诊断室6、靶室7连接处的直径相匹配；等离子体源室5和等离子体诊断室6为直径300mm～500mm的圆柱筒结构，靶室7为阶梯形圆柱筒结构，其一端直径与等离子体诊断室6连接端部直径匹配，另一端直径为800mm～1000mm；在等离子体源室5、等离子体诊断室6以及靶室7上开有若干个圆形法兰8和方形法兰9，并在靶室7中靠近等离子体诊断室6的连接端处开有10～15个斜向法兰10，且每个斜向法兰10的轴线与真空室中轴线夹角在20°～30°之间；环形磁体2包括3组不同内径的圆环形磁体环绕安装在真空室3中圆形法兰8、方形法兰9之间的间隙处，其中，环绕在靶室7外的第三组环形磁体内径较大，环绕在等离子体源室5和等离子体诊断室6外的第一组环形磁体内径较小，使磁体距真空室3中轴线距离尽量小，在保证真空室3内磁场强度达到要求的前提下使磁体功率尽量小；其中，第一组环形磁体包括内径为550mm～650mm、外经为900mm～1100mm的9组磁体，环绕固定在等离子体源室5和等离子体诊断室6外；第二组环形磁体包括内径均为480mm～520mm，外经分别为500mm～550mm、700mm～750mm的2组磁体，其环绕固定在等离子体诊断室6与靶室7的连接处，使其不遮挡靶室7端面的斜向法兰10；第三组环形磁体包括内径1100mm～1300mm、外经1700mm～1900mm的4组磁铁。

Claims (4)

1.一种直线型等离子体装置，其特征在于：该装置包括离子源、环形磁体、真空室以及换样装置，其中，离子源、真空室以及换样装置顺序连接，并在真空室外环绕安装有若干个环形磁体；环形磁体包括不同内径的环形磁体环绕安装在真空室外侧，使磁体距真空室中轴线距离尽量小，真空室内磁场强度满足要求的前提下使磁体功率尽量小；所述的真空室包括等离子体源室、等离子体诊断室以及靶室，其中，等离子体源室、等离子体诊断室以及靶室顺序连接，并在等离子体源室、等离子体诊断室以及靶室上开有若干个圆形法兰和方形法兰，并在靶室中靠近等离子体诊断室的连接端处开有若干个斜向法兰；所述的等离子体源室和等离子体诊断室为直径相同且相对较小的圆柱筒结构，靶室为直径相对较大的阶梯圆柱筒结构；所述的真空室外环绕的环形磁体包括3组不同内径的圆环形磁体，分别为第一组环形磁体、第二组环形磁体以及第三组环形磁体，其中，第一组环形磁体环绕固定在等离子体源室和等离子体诊断室中圆形法兰、方形法兰之间的间隙处；第二组环形磁体环绕固定在等离子体诊断室于靶室的连接处，使其不遮挡靶室端面的斜向法兰；第三组环形磁体环绕固定在靶室中圆形法兰、方形法兰之间的间隙处；所述的等离子体源室与等离子体诊断室之间，以及等离子体诊断室与靶室之间设有锥孔体；所述锥孔体整体为中心开有圆孔的圆锥型腔体结构，并在锥孔体内外圆锥面形成的腔体中形成冷却流道。
2.根据权利要求1所述的一种直线型等离子体装置，其特征在于：所述的等离子体源室和等离子体诊断室圆柱筒结构的直径为300mm～500mm；所述的靶室一端与等离子体诊断室尺寸匹配连接，靶室另一端圆柱筒结构的直径为800 mm～1000mm。
3.根据权利要求1所述的一种直线型等离子体装置，其特征在于：所述的第一组环形磁体包括内径为550mm～650mm、外经为900mm～1100mm的9组磁体；所述的第二组环形磁体包括内径均为480mm～520mm，外经分别为500mm～550mm、700mm～750mm的2组磁体；所述的第三组环形磁体包括内径1100mm～1300mm、外经1700mm～1900mm的4组磁铁。
4.根据权利要求1所述的一种直线型等离子体装置，其特征在于：所述的靶室中靠近等离子体诊断室的连接端处开有10～15个斜向法兰，且每个斜向法兰的轴线与真空室中轴线夹角在20°～30°之间。
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