CN112151196A - 一种具有三棱柱反射阵列的气体靶中性化器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于磁约束聚变技术，具体为一种具有三棱柱反射阵列的气体靶中性化器。包括截面为矩形的中性化管道、设于中性化管道内的三棱柱反射阵列、纯铁屏蔽罩，三棱柱反射框围绕一圈的冷却水管；中性化管道底部设有送气结构，向中性化管道内输送中性化气体。设计三棱柱反射框，其能够反射气体分子，根据分子流特性，气体只和器壁发生碰撞，且碰撞后的发射角和入射无关，发射角满足余弦定理，因此反射框使得分子碰撞后尽可能多的停留在中性化器中，达到增加气体密度的效果。
Description
技术领域
本发明属于磁约束聚变技术，具体涉及一种气体靶中性化器结构。
背景技术
中性束注入加热是受控核聚变实验中有效的辅助加热方式，气体在放电室中电离形成等离子体，而后被引出-加速系统引出形成离子束流，经中性化器和气体靶碰撞反应后转化为中性粒子束流，注入到托卡马克中心等离子体，起到加热作用。
中性束注入器是个差分抽气系统，放电室未被电离的气体会顺流至中性化器，形成初始气体靶，离子束通过中性化器时，离子束和气体靶碰撞反应，俘获或剥离电子转化为中性粒子，但并非所有的离子都会转化为中性粒子，不同能量的离子束流在气体靶中都有最大的中性化效率，实现离子束的最大中性化效率是提高中性束注入功率的有效途径。
当初始气体靶厚不足时，离子束的中性化效率达不到最大中性化效率，此时需要在中性化器的适当位置添加补充送气以增加气体靶厚，特别是对能量较高的负离子束流而言，添加的补充送气可能是顺流气体量的数倍，这些气体都将作为中性束注入器的气体负载进入真空室，将增加主泵的负载和再电离损失几率，甚至破坏托卡马克等离子体，因此在工程上通常取离子束最大中性化效率的95％为最佳中性化效率，此时所需的气体靶厚为最佳气体靶厚。根据离子束的能量和正负极性来确定中性化器中最佳气体靶厚度，由离子源放电参数确定未电离的顺流气体流量，不足的部分则通过补充送气使气体靶厚达到最佳气体靶厚。
气体靶中性化器因其结构简单，运行成本低等优点成为大多数中性束注入器的首选中性化器，某型号聚变装置的中性束注入器也选择气体靶中性化器。在某型号聚变装置中，需要实现最佳气体靶厚，同时减少束线气体负载，屏蔽托卡马克杂散场对中性化器离子束流传输轨迹的影响，因此需要设计一种适配的新型气体靶中性化器。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有三棱柱反射阵列的气体靶中性化器，能够达到最佳气体靶厚，同时减少束线气体负载。
本发明的技术方案如下：
一种具有三棱柱反射阵列的气体靶中性化器，包括截面为矩形的中性化管道、设于中性化管道内由若干个三棱柱反射框组成的三棱柱反射阵列、设于中性化管道外部的纯铁屏蔽罩，以及沿着每个三棱柱反射框围绕一圈的冷却水管；所述的冷却水管的进水口和出水口全部穿过中性化管道和纯铁屏蔽罩；所述的三棱柱反射框平行且等间距放置；所述的中性化管道底部设有送气结构，向中性化管道内输送中性化气体。
所述的三棱柱反射框由四段截面为直角三角形的三棱柱焊接组成。
所述的直角三角形为60°角的直角三角形，所述的三棱柱反射框中由截面直角短边所在侧面与中性化管道侧壁接触，并且垂直于离子束流方向，截面斜边所在侧面的外法线方向偏向中性化管道入口方向。
所述的送气结构包括穿过纯铁屏蔽罩下方并和中性化管道焊接的安装套管和设于安装套管内的同轴的送气管，安装套管下端为螺帽，送气管穿过纯铁屏蔽罩和中性化管道伸入到中性化管道包围形成的离子束流动空间内。
所述的送气管的送气端设有偏转段，偏转方向朝向离子束流动入口。
所述的偏转段的长径比为1～5。
所述的偏转段的偏转角度为140～160°。
所述的冷却水管的直径为6～8mm。
所述的螺帽和安装套管通过密封圈密封连接。
所述的三棱柱反射阵列中相邻三棱柱反射框之间的间距为100～120mm。
本发明的显著效果如下：
为实现最佳靶厚同时将气体负载最小化，设计三棱柱反射框，其能够反射气体分子，根据分子流特性，气体只和器壁发生碰撞，且碰撞后的发射角和入射无关，发射角满足余弦定理，因此反射框使得分子碰撞后尽可能多的停留在中性化器中，达到增加气体密度的效果。
为确保离子束通道大小，固定设计反射框的高度，调整反射面的角度与束流方向成60°角，使得顺流气体形成的气体靶厚达到最大值。
通过结构相同的三棱柱反射框构成反射阵列，设计每个反射框间距，增加反射几率。
顺流气体形成的初始气体靶厚不足时，需要添加补充送气增加气体靶厚。将棱柱横截面设计为60°角的直角三角形，截面直角短边所在侧面与中性化管道侧壁接触，并且垂直于束流方向，截面斜边所在侧面的外法线方向偏向中性化管道入口方向。四根结构相同的三棱柱围成一个反射框，其短直角边所在的侧面分别与中性化管道侧壁对齐。设置多个三棱柱反射框组成的阵列增加反射几率。
送气管上端设计偏转段，限制偏转段的长径比，相同中性化送气流量得到的气体线密度最大，中性化送气增加气体靶厚增加。
中性化器中的离子束是带电离子流，微弱的电磁场都将使其传输轨迹发生偏转而打到其他部件上，托卡马克的杂散场在中性化器的距离仍有百高斯量级，因此在整个中性化器外设置一个纯铁的屏蔽罩，考虑到边缘效应，将屏蔽罩长度大于中性化器长度。屏蔽罩有效地得屏蔽了托卡马克杂散场对中性化器离子束流传输轨迹的影响，屏蔽罩延长段则避免了杂散场的边缘效应。
由于空间电荷效应，特别是正离子束流电流密度大，导致束流存在一定的发散角，这些束流边缘的离子将主要打到三棱柱反射框上，部分打到器壁上，因此在每个三棱柱反射框上设置一定直径范围的冷却水管。
附图说明
图1为具有三棱柱反射框阵列的气体靶中性化器示意图；
图2为三棱柱反射阵列示意图；
图3为中性化器垂直剖面示意图；
图4为三棱柱反射框及冷却水管示意图；
图5为送气结构位置及离子束流方向示意图；
图6为送气结构示意图；
图7为送气管偏转段示意图；
图中：1.三棱柱反射框；2.纯铁屏蔽罩；3.中性化管道；4.送气结构；5.主进水管；6.主回水管；7.冷却水管；8.送气管；9.偏转段；10.螺帽；11.安装套管；12.密封圈。
具体实施方式
下面通过附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1和图2所示的中性化器结构，其包括若干个三棱柱反射框1组成的三棱柱反射阵列，这些三棱柱反射框1平行且等间距放置，每个三棱柱反射框1上沿着三棱柱反射框1围绕一圈冷却水管7，组成阵列后，每个冷却水管7的进水口朝向同一方向，每个出水口朝向同一方向。三棱柱反射阵列外部为中性化管道3，中性化管道3外部为纯铁屏蔽罩2，上述冷却水管7的进水口和出水口全部穿过中性化管道3和纯铁屏蔽罩2，之后所有进水口与安装在纯铁屏蔽罩2外部的主进水管5连通，所有出水口与安装在纯铁屏蔽罩2外部的主回水管6连通，主进水管5和主回水管6平行安装。
整个三棱柱反射阵列位于截面为矩形的中性化管道3中，所述的中性化管道3由上下两部分螺钉连接组成，这样便于拆卸。三棱柱反射框1采用点焊的方式固定在中性化管道3中，位于末端的三棱柱反射框1后表面与中性化管道3的末端对齐。由中性化管道3包围的空间为离子束流动的空间。
中性化管道3外部包裹纯铁屏蔽罩2，纯铁屏蔽罩1同样可以制成上下两部分，利用螺钉连接，这样便于拆卸。
在中性化管道3和纯铁屏蔽罩2底部安装补充送气机构4。
如图3所示，中性化管道3的一端加工法兰结构，该端作为入口，另一端作为出口。在长度方向，纯铁屏蔽罩2超出中性化管道3的出口端，超出值为90～120mm，优选100mm，目的是为了屏蔽托卡马克杂散场对带电离子传输轨迹的影响。
如图4和图5所示，三棱柱反射框1由四段截面为直角三角形的三棱柱焊接组成。冷却水管7安装在三棱柱反射框1上。
将三棱柱的横截面设计为60°角的直角三角形，截面直角短边所在侧面与中性化管道侧壁接触，并且垂直于束流方向，截面斜边所在侧面的外法线方向偏向中性化管道入口方向。
如图6所示，送气结构4包括穿过纯铁屏蔽罩2下方并与中性化管道3焊接的安装套管11、安装在安装套管11内的同轴的送气管8，该送气管8穿过纯铁屏蔽罩2和中性化管道3伸入到中性化管道3包围形成的离子束流动空间内。通过螺帽10和安装套管11的螺纹连接调节送气管8的伸入的尺寸，并且通过密封圈12实现密封和位置固定。
如图6和图7所示，送气管8的送气端加工一个优选的偏转角度为150°的偏转段9，偏转方向朝向离子束流动入口，使得中性化送气得到的气体靶厚进一步增加，偏转段9的长径比为1～5。偏转角度的定义是偏转段轴向与离子束流方向的夹角(钝角)。
离子源顺流气体形成的初始气体靶厚不足时，需要添加中性化送气增加气体靶厚。气体入射的空间角同样满足余弦散射定理，赋予入射气体一个初始角度，分子进入中性化器时向入口运动。因此设计了一个倾斜送气管，即偏转段9，送气口轴线方向偏向中性化器入口。通过蒙特卡洛方法计算，当偏转角度为150°时(沿束流方向为0°)，相同中性化送气流量得到的气体线密度最大。
冷却水管7的直径为6～8mm，优选为7mm。
三棱柱反射框1的间距为100～120mm，优选110mm。
Claims (10)
1.一种具有三棱柱反射阵列的气体靶中性化器，其特征在于：包括截面为矩形的中性化管道(3)、设于中性化管道(3)内由若干个三棱柱反射框(1)组成的三棱柱反射阵列、设于中性化管道(3)外部的纯铁屏蔽罩(2)，以及沿着每个三棱柱反射框(1)围绕一圈的冷却水管(7)；所述的冷却水管(7)的进水口和出水口全部穿过中性化管道(3)和纯铁屏蔽罩(2)；所述的三棱柱反射框(1)平行且等间距放置；所述的中性化管道(3)底部设有送气结构(4)，向中性化管道(3)内输送中性化气体。
2.如权利要求1所述的一种具有三棱柱反射框阵列的气体靶中性化器，其特征在于：所述的三棱柱反射框(1)由四段截面为直角三角形的三棱柱焊接组成。
3.如权利要求2所述的一种具有三棱柱反射框阵列的气体靶中性化器，其特征在于：所述的直角三角形为60°角的直角三角形，所述的三棱柱反射框(1)中由截面直角短边所在侧面与中性化管道(3)侧壁接触，并且垂直于离子束流方向，截面斜边所在侧面的外法线方向偏向中性化管道(3)入口方向。
4.如权利要求1所述的一种具有三棱柱反射框阵列的气体靶中性化器，其特征在于：所述的送气结构(4)包括穿过纯铁屏蔽罩(2)下方并和中性化管道(3)焊接的安装套管(11)和设于安装套管(11)内的同轴的送气管(8)，安装套管(11)下端为螺帽(10)，送气管(8)穿过纯铁屏蔽罩(2)和中性化管道(3)伸入到中性化管道(3)包围形成的离子束流动空间内。
5.如权利要求4所述的一种具有三棱柱反射框阵列的气体靶中性化器，其特征在于：所述的送气管(8)的送气端设有偏转段(9)，偏转方向朝向离子束流动入口。
6.如权利要求5所述的一种具有三棱柱反射框阵列的气体靶中性化器，其特征在于：所述的偏转段(9)的长径比为1～5。
7.如权利要求5所述的一种具有三棱柱反射框阵列的气体靶中性化器，其特征在于：所述的偏转段(9)的偏转角度为140～160°。
8.如权利要求5所述的一种具有三棱柱反射框阵列的气体靶中性化器，其特征在于：所述的冷却水管(7)的直径为6～8mm。
9.如权利要求5所述的一种具有三棱柱反射框阵列的气体靶中性化器，其特征在于：所述的螺帽(10)和安装套管(11)通过密封圈(12)密封连接。
10.如权利要求2所述的一种具有三棱柱反射框阵列的气体靶中性化器，其特征在于：所述的三棱柱反射阵列中相邻三棱柱反射框(1)之间的间距为100～120mm。
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