CN112002440A - 一种用于更换直线等离子体源的装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于更换直线等离子体源的装置，属于直线等离子体装置应用技术领域。这种用于更换直线等离子体源的装置采用等离子体源通过连接法兰与真空室法兰连接，在等离子体源上设有可移动的磁体线圈。连接法兰采用A型法兰、B型法兰或C型法兰。Helical型螺旋波等离子体源通过A型法兰与真空室法兰连接，蚊香型螺旋波等离子体源通过B型法兰与真空室法兰连接，六硼化镧等离子体源通过C型法兰与真空室法兰连接。通过不同的法兰接口可以连接不同的等离子体源，分别调节每种等离子体源所需要的最优磁场环境，从而快速方便的更换等离子体源，根据需求创造不同的等离子体环境。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于更换直线等离子体源的装置，属于直线等离子体装置应用技术领域。
背景技术
核聚变能被视为人类未来的主要能源，托卡马克是最有可能实现可控核聚变的装置，因此成为世界范围内受控核聚变研究的重心。托卡马克为实现稳态长时间放电，则芯部产生的能量和粒子必须通过刮削层最终沉积到偏滤器靶板。而偏滤器是托卡马克中等离子体与中性粒子、等离子体与材料发生相互作用、能量辐射的主要部件，将直接关系到聚变装置的寿命。因此，偏滤器等离子体以及等离子体与壁材料相互作用已经成为未来聚变堆的稳定运行面临的最大问题。人们需要理解偏滤器能量辐射机理、等离子体与壁材料发生的主要反应，以及其对材料和等离子体的分别影响，这就需要在具有托卡马克的等离子体环境中开展深入研究。
现有的托卡马克装置距离聚变堆所要求的稳态长脉冲放电尚有巨大差距，同时由于托卡马克自身运行昂贵、以及诊断手段的限制，很难深入开展不同实验条件下的偏滤器等离子体物理机理和等离子体与壁材料相互作用研究。直线等离子体装置是一种实验室装置，通过构建稳态磁场，在真空环境中将等离子体源产生的等离子体束缚在磁场中，形成稳态等离子体束，从而构建类似偏滤器等离子体的环境，以在实验室开展偏滤器物理相关研究。
偏滤器等离子体包含非常复杂的物理问题，如原子分子碰撞辐射，等离子体脱靶，杂质输运，材料辐照损伤，燃料滞留等，这些不同物理问题，所需要的等离子体环境并不相同。对于等离子体脱靶、等离子体输运、等离子体加料，需要高密度、大体积等离子体源，可以选取螺旋波等离子体源。而研究材料辐照损伤、燃料滞留问题，需要高束流密度、长时间稳态等离子体束，其对于等离子体温度和束斑大小要求较低，可以采用六硼化镧阴极等离子体源。国内现有直线装置均只能采取一种等离子体源开展较为单一的物理问题，这就导致无法在同一直线装置系统的全方面研究偏滤器关键物理问题。因此，直线等离子体装置具有快捷、方便的可更换等离子体源对于解决上述问题尤为重要，既可以充分利用磁场和真空室开展全方位偏滤器物理研究，又避免额外建造不同装置所需要的技术及成本。
除此之外，在磁约束核聚变研究领域，产生不同参数的等离子体束也有广泛应用，例如推进器研究，等离子体材料表面改性研究等，这也需要在真空或者磁场环境具有不同的等离子体源。本发明将针对这些具体需求，通过灵活更换等离子体源，产生多种等离子体环境。
发明内容
针对现有直线等离子体装置仅具有单一等离子体源，无法系统研究偏滤器等离子体相关科学问题的局限，本发明的目的在于提供一种用于更换直线等离子体源的装置，该装置能方便、快捷的更换等离子体源，使得直线等离子体装置变为多等离子体平台，便于开展不同物理问题研究。
本发明的技术方案为：一种用于更换直线等离子体源的装置，它包括与真空室固定连接的真空室法兰，它还包括等离子体源，所述等离子体源通过连接法兰与真空室法兰连接，在等离子体源上设有可移动的磁体线圈，磁体线圈采用单独供电，电流为600A时，单个线圈的最大功率为37.33kw。
所述连接法兰采用A型法兰、B型法兰或C型法兰；等离子体源采用Helical型螺旋波等离子体源、蚊香型螺旋波等离子体源或六硼化镧等离子体源，Helical型螺旋波等离子体源通过A型法兰与真空室法兰连接，蚊香型螺旋波等离子体源通过B型法兰与真空室法兰连接，六硼化镧等离子体源通过C型法兰与真空室法兰连接。
所述A型法兰包含内层法兰、石英玻璃环和外层法兰，内层法兰通过石英玻璃环连接外层法兰，外层法兰采用多个均布法兰螺栓连接真空室法兰，内层法兰的内孔与插入真空室中的第一等离子放电管的外圆之间设有氟橡胶密封圈；所述真空室的底部设有第一充气孔。
所述B型法兰包含石英玻璃和法兰，石英玻璃固定在法兰的內侧，法兰（3b2）外侧采用多个均布法兰螺栓连接真空室法兰，法兰的內孔与端部顶在石英玻璃上的第二等离子放电管的外圆之间设有氟橡胶密封圈；所述真空室的底部设有第一充气孔。
所述C型法兰直接设置在空心筒状阳极的端部，且C型法兰采用多个均布法兰螺栓连接真空室法兰，C型法兰的内孔与空心筒状阳极的外圆之间设有氟橡胶密封圈。
本发明的有益效果：这种用于更换直线等离子体源的装置采用等离子体源通过连接法兰与真空室法兰连接，在等离子体源上设有可移动的磁体线圈。连接法兰采用A型法兰、B型法兰或C型法兰；Helical型螺旋波等离子体源通过A型法兰与真空室法兰连接，蚊香型螺旋波等离子体源通过B型法兰与真空室法兰连接，六硼化镧等离子体源通过C型法兰与真空室法兰连接。通过不同的法兰接口可以连接不同的等离子体源，分别调节每种等离子体源所需要的最优磁场环境，从而快速方便的更换等离子体源，根据需求创造不同的等离子体环境。
附图说明
图1是Helical型天线螺旋波等离子体源连接真空室接口的结构示意图。
图2是蚊香型天线螺旋波等离子体源连接真空室接口的结构示意图。
图3是六硼化镧阴极等离子体源连接真空室接口的结构示意图。
图4是Helical型天线螺旋波等离子体源获得的等离子体密度随着磁场强度的变化图。
图中：1、真空室，1a、第一充气孔，2、真空室法兰，2a、法兰螺栓，3a、A型法兰，3a1、内层法兰，3a2、石英玻璃环，3a3、外层法兰，3b、B型法兰，3b1、石英玻璃，3b2、法兰， 3c、C型法兰，4、氟橡胶密封圈，4a、连接螺栓，5、磁体线圈，6、Helical型螺旋波等离子体源，6a、第一等离子放电管，6b、螺旋型天线，6c、第二充气孔，7、蚊香型螺旋波等离子体源，7a、第二等离子放电管，7b、蚊香型天线，8、六硼化镧等离子体源，8a、空心筒状阳极，8b、阴极，8c、钨加热丝，8d、第三充气孔。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
图1-3示出了用于更换等离子体源连接真空室接口的结构示意图，这种用于更换直线等离子体源的装置包括与真空室1固定连接的真空室法兰2和等离子体源，等离子体源通过连接法兰与真空室法兰2连接，在等离子体源上设有可移动的磁体线圈5，磁体线圈5采用单独供电，电流为600A时，单个线圈的最大功率为37.33kw；
连接法兰采用A型法兰3a、B型法兰3b或C型法兰3c；等离子体源采用Helical型螺旋波等离子体源6、蚊香型螺旋波等离子体源7或六硼化镧等离子体源8，Helical型螺旋波等离子体源6通过A型法兰3b与真空室法兰2连接，蚊香型螺旋波等离子体源7通过B型法兰3a与真空室法兰2连接，六硼化镧等离子体源8通过C型法兰3c与真空室法兰2连接。
实施例1
A型法兰3a包含内层法兰3a1、石英玻璃环3a2和外层法兰3a3，内层法兰3a1通过石英玻璃环3a2连接外层法兰3a3，外层法兰3a3采用40个均布法兰螺栓2a连接真空室法兰2。
A型法兰3a包含内径为150mm、外径为402mm的内层法兰3a1和内径为400mm、外径为445mm的外层法兰3a3。Helical型螺旋波等离子体源6包含第一等离子放电管6a和螺旋型天线6b，螺旋型天线6b套设在第一等离子放电管6a的外壁上，第一等离子放电管6a的一端穿过内层法兰3a1插入真空室1的内部，另一端设有第二充气孔6c，第一等离子放电管6a和内层法兰3a1间通过氟橡胶密封圈4密封；真空室1的底部设有第一充气孔1a。
实施例2
B型法兰3b包含石英玻璃3b1和法兰3b2，石英玻璃3b1固定在法兰3b2的內孔中，法兰3b2外侧采用40个均布法兰螺栓2a连接真空室法兰2。
B型法兰3b包含石英玻璃3b1和内径为400mm、外径为445mm的B型法兰3b2，石英玻璃3b1设置在B型法兰3b2的内孔中。蚊香型螺旋波等离子体源7包含第二等离子放电管7a和蚊香型天线7b，法兰3b2的內孔与端部顶在石英玻璃3b1上的第二等离子放电管7a的外圆之间设有氟橡胶密封圈4，另一端连接蚊香型天线7b；真空室1的底部设有第一充气孔1a。
实施例3
C型法兰3c直接设置在六硼化镧等离子体源放电管的端部，C型法兰3c采用40个均布法兰螺栓2a连接真空室法兰2。
六硼化镧等离子体源包含空心筒状阳极8a、钨加热丝8b和阴极8c，阴极8c设置在空心筒状阳极8a的内部，钨加热丝8b的一端插入空心筒状阳极8a内连接阴极8c，另一端连接电源，C型法兰3c套在空心筒状阳极8a的端部，空心筒状阳极8a的底部设有第三充气孔8d，C型法兰3c的内孔与空心筒状阳极8a的外圆之间设有氟橡胶密封圈4。
本发明为在线性装置上快速、便捷、合理的更换等离子体源，并达到最佳的耦合效果，产生满足不同需求的等离子体环境。整个可更换等离子体源设计实施更换等离子体源过程如下：
使用螺旋形天线的Helical型螺旋波等离子体源6时，通过A型法兰3b与真空室法兰2连接，即把真空室法兰2与A型法兰3a通过外侧法兰3a3上的微型螺栓孔连接起来。Helical型螺旋波等离子体源6的第一等离子放电管6a穿过内层法兰3a1，伸入到真空室1中，实现等离子体源与真空室相连接，相连接部分的氟橡胶密封圈保证装置气密性。磁场线圈采用线性装置已有磁场系统，提供均匀的轴向磁场，起着约束电子的作用，同时也是螺旋波得以传播的必要条件。我们发现螺旋波放电的电源功率耦合率严重依赖于磁场强度，图4示出了Helical型螺旋波等离子体源获得的等离子体密度随着磁场强度的变化图，从图中可以看出，存在一个最佳的功率耦合对应的磁场强度，因此需要使得磁场与其相匹配，方能获得期望参数。通过调节磁体线圈5的电流或移动磁体线圈5的位置，产生轴心为1000高斯的均匀磁场，接着给螺旋形天线6b通入电流，会产生螺旋波，通过朗道阻尼的方式加热电子，当其传播时能使大面积的电子得到加热，第一等离子放电管6a便可以在真空室1中产生大口、高密度、高温度的等离子体。产生的等离子体密度强烈依赖于磁场强度，所以螺旋波等离子体源设计的最大优势即是针对螺旋波等离子体源需要，直接使用装置线圈，调节等离子体源区线圈位置和电流，最优化磁场强度，实现最高密度等离子体。通过调节施加在螺旋形天线6b上的电源功率，也可以更改等离子体密度。此时，可开展一般性的偏滤器脱靶、原子分子物理过程、等离子体输运以及等离子体加料测试。
使用蚊香型天线的蚊香型螺旋波等离子体源7（如图2所示）时，通过B型法兰3b与真空室法兰2连接，即把真空室法兰2与B型法兰3b通过微型螺栓孔连接起来。将第二等离子放电管7a压于B型法兰的3b的石英玻璃3b1上，实现等离子体源与真空室相连接，二者之间的氟橡胶密封圈4保证装置气密性，蚊香型螺旋波等离子体源7可以直接产生等离子体进入真空室1中。调节磁体线圈5的位置和线圈中电流的大小，使其具有均匀磁场，同时轴心磁场强度高于1000高斯，从而使得功率耦合率最高。接着在给蚊香形天线7b通电，然后通过第一充气口1a冲入放电气体（氘气，氦气，氩气等），则可以获得同样电源下最高密度、最高温度、可调节束斑的等离子体。通过调节施加在蚊香形天线7b上的电源功率，可以更改等离子体密度。此时，可开展对束斑直径有要求的偏滤器脱靶、原子分子物理过程、等离子体输运以及等离子体加料测试。
使用六硼化镧等离子体源8（图3所示）开展实验，其阴极用作电子发射器，呈圆盘状，不锈钢制成的空心筒状阳极固定在距阴极前面板170mm处，阴极是由钨加热丝加热，通过C型法兰3c与真空室法兰2连接，即将六硼化镧等离子体源8处的C型法兰3c直接与真空室法兰2利用连接螺栓2a连接，实现六硼化镧等离子体源8与真空室1相连接，两个法兰之间装有氟橡胶密封圈4保证装置气密性。通过调节磁体线圈5的电流或移动磁体线圈5的位置，使空心筒状阳极8a处的磁场约为阴极8c处的两倍，增加钨加热丝8b的功率，将六硼化镧阴极加热到1700℃发射电子流，放电气体（氘气，氦气，氩气等）通过第三充气口8d进入空心筒状阳极8a所围成的腔中，在六硼化镧阴极8c与不锈钢空心筒状阳极8a之间施加弧电压来电离气体引起雪崩效应产生低温、高束流密度、小束斑、长时间稳态等离子体。通过调节钨加热丝8b及等离子体源的功率，可以更改等离子体密度。此时，可开展材料辐照损伤、燃料滞留研究。
除了以上三种等离子体源，本发明也可以应用更多其它的等离子体源，如在需要高能量瞬态等离子体时，在法兰上安装等离子体炮，同时源区磁场降至最低。所提供的多种等离子体环境可以但不仅限于应用在磁约束核聚变领域。在工业和科研领域以及其它领域，例如可以应用于材料表面改性、等离子体推进器等。尤其是对于配合大的真空腔室，可以应用于整个部件的辐照测试。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制。尽管参照前述各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：其对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (4)
1.一种用于更换直线等离子体源的装置，它包括与真空室（1）固定连接的真空室法兰（2），其特征是：它还包括等离子体源，所述等离子体源通过连接法兰与真空室法兰（2）连接，在等离子体源上设有可移动的磁体线圈（5），磁体线圈（5）采用单独供电，电流为600A时，单个线圈的最大功率为37.33kw；
所述连接法兰采用A型法兰（3a）、B型法兰（3b）或C型法兰（3c）；等离子体源采用Helical型螺旋波等离子体源（6）、蚊香型螺旋波等离子体源（7）或六硼化镧等离子体源（8），Helical型螺旋波等离子体源（6）通过A型法兰（3b）与真空室法兰（2）连接，蚊香型螺旋波等离子体源（7）通过B型法兰（3a）与真空室法兰（2）连接，六硼化镧等离子体源（8）通过C型法兰（3c）与真空室法兰（2）连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于更换直线等离子体源的装置，其特征是：所述A型法兰（3a）包含内层法兰（3a1）、石英玻璃环（3a2）和外层法兰（3a3），内层法兰（3a1）通过石英玻璃环（3a2）连接外层法兰（3a3），外层法兰（3a3）采用多个均布法兰螺栓（2a）连接真空室法兰（2），内层法兰（3a1）的内孔与插入真空室（1）中的第一等离子放电管（6a）的外圆之间设有氟橡胶密封圈（4）；所述真空室（1）的底部设有第一充气孔（1a）。
3.根据权利要求1所述的一种用于更换直线等离子体源的装置，其特征是：所述B型法兰（3b）包含石英玻璃（3b1）和法兰（3b2），石英玻璃（3b1）固定在法兰（3b2）的內侧，法兰（3b2）外侧采用多个均布法兰螺栓（2a）连接真空室法兰（2），法兰（3b2）的內孔与端部顶在石英玻璃（3b1）上的第二等离子放电管（7a）的外圆之间设有氟橡胶密封圈（4）；所述真空室（1）的底部设有第一充气孔（1a）。
4.根据权利要求1所述的一种用于更换直线等离子体源的装置，其特征是：所述C型法兰（3c）直接设置在空心筒状阳极（8a）的端部，且C型法兰（3c）采用多个均布法兰螺栓（2a）连接真空室法兰（2），C型法兰（3c）的内孔与空心筒状阳极（8a）的外圆之间设有氟橡胶密封圈（4）。
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| CN202011096553.3A Pending CN112002440A (zh) | 2020-10-14 | 2020-10-14 | 一种用于更换直线等离子体源的装置 |
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| CN (1) | CN112002440A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117711643A (zh) * | 2023-10-30 | 2024-03-15 | 深圳大学 | 一种深大磁环的湍流输运实验装置 |
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-
2020
- 2020-10-14 CN CN202011096553.3A patent/CN112002440A/zh active Pending
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