CN112927820A - 一种nnbi正负离子束偏及离子吞噬一体化结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种NNBI正负离子束偏及离子吞噬一体化结构，它包括结构框架，二极铁轭电磁体及磁路结构，离子吞噬结构及中性束传输通道，磁路结构，二极磁体励磁线圈，励磁线圈无磁不锈钢密封盒，励磁线圈空心绕线，励磁线圈励磁线进出密封管，离子吞噬器冷却水进水主管，离子吞噬器冷却水出水主管，负离子束吞噬前板，负离子束吞噬底板，负离子束吞噬后板，正离子束吞噬前板，正离子束吞噬顶板，正离子束吞噬后板，束传输通道右侧板，束传输通道左侧板。其有益效果在于：该一体化偏转和吞噬结构简化了高粒子能量的束偏转和吞噬结构制作难度，减小了正负离子偏转磁体和离子吞噬器的束截获率，特别是极大地降低了大型磁体和偏转结构的安装难度。
Description
技术领域
本发明属于磁约束聚变堆点火加热用的基于负离子源的高功率中性束注入(NNBI)加热技术领域，具体涉及加热束线中性化后未中性化的残留负离子束，负离子中性化过程中电荷交换形成的正离子束偏转和吞噬结构。
背景技术
基于负离子源的中性束注入(NNBI)加热和电流驱动是未来聚变实验堆、工程堆以及示范堆必不可少的点火加热手段。负离子束中性化后残留的未中性化的负离子束，以及负离子中性化过程中电荷交换产生的正离子束必须偏转和吞噬，否则离子束伴随着中性束传输到NNBI注入漂移管道时，在磁约束磁场作用下偏转产生杂质，影响主机磁约束等离子体性能，并且增加注入窗口漂移管道的热负荷，导致系统安全性能下降。正负离子束的偏转可以采用磁偏转和电偏转，两种偏转方式各有优缺点。磁偏转技术成熟，耗能小，是目前运行的磁约束装置NBI和NNBI加热束线中最常用的偏转方式。
NNBI注入器中，粒子能量超过200keV的负离子束经过中性化室后，约20％的负离子未中性化，同时产生20％的同样能量的正离子束(正负离子具体份额与中性化室气靶厚度相关)。偏转离子束需要采用水冷结构的吞噬器吸收，多离子源引出束汇聚方式的NBI注入器中，离子吞噬器与偏转磁体是分离结构，需要单独在注入器真空室里安装偏转磁体和离子吞噬器。考虑基于负离子源的离子束中性化后的离子为正负两种离子，两种离子束磁偏转方向相反，采用独立的离子吞噬器需要两套独立的主动水冷吞噬结构，以及水冷吞噬器对应的两套独立的冷却水回路和支撑结构。
为研制HL-2M装置基于负离子源的NNBI加热束线，高功率准稳态负离子源测试平台以及未来聚变堆NNBI加热束线中的正负离子束偏转磁体和吞噬器，我们发明了一种利用水冷励磁线圈的两极铁轭磁体，偏转正负离子束±90°，磁极偏转及磁屏蔽上下固定主动水冷结构的离子吞噬结构，形成离子偏转和吞噬一体化的结构，满足NNBI加热束线运行中必须的离子偏转和吞噬功能，满足NNBI系统稳定运行。
发明内容
本发明的目的是提供一种NNBI正负离子束偏及离子吞噬一体化结构，适用于大型磁约束实验装置包括聚变堆量级装置的单个离子源，或者双离子源汇聚注入的高功率NNBI加热束线的残留负离子束，正离子束偏转和吞噬。
本发明的技术方案如下：一种NNBI正负离子束偏及离子吞噬一体化结构，它包括结构框架，二极铁轭电磁体及磁路结构，离子吞噬结构及中性束传输通道，磁路结构，二极磁体励磁线圈，励磁线圈无磁不锈钢密封盒，励磁线圈空心绕线，励磁线圈励磁线进出密封管，离子吞噬器冷却水进水主管，离子吞噬器冷却水出水主管，负离子束吞噬前板，负离子束吞噬底板，负离子束吞噬后板，正离子束吞噬前板，正离子束吞噬顶板，正离子束吞噬后板，束传输通道右侧板，束传输通道左侧板，支撑板，水排支撑板，吊装杆，真空密封法兰和吊装环。
所述的结构框架为上下两层的结构。
所述的结构框架内分别设置二极铁轭电磁体及磁路结构和离子吞噬结构及中性束传输通道。
所述的二极铁轭电磁体及磁路结构包括磁路结构，磁路结构上设置有二极磁体励磁线圈，二极磁体励磁线圈与励磁线圈励磁线进出密封管连接，二极磁体励磁线圈内设置有励磁线圈无磁不锈钢密封盒和励磁线圈空心绕线。
所述的离子吞噬器冷却水进水主管和离子吞噬器冷却水出水主管设置在结构框架的下层空间。
所述的正离子束吞噬前板与正离子束吞噬顶板连接，正离子束吞噬顶板与正离子束吞噬后板连接，负离子束吞噬前板与负离子束吞噬底板连接，负离子束吞噬底板与负离子束吞噬后板连接，负离子束吞噬前板、负离子束吞噬底板、负离子束吞噬后板、正离子束吞噬前板、正离子束吞噬顶板、正离子束吞噬后板、束传输通道右侧板和束传输通道左侧板构成密闭空间。
所述的支撑板、水排支撑板和真空密封法兰构成结构框架的底部、中间隔层和顶部，水排支撑板和真空密封法兰之间连接吊装杆。
所述的真空密封法兰的顶部设置吊装环。
本发明的有益效果在于：为基于负离子源的中性束加热束线或者离子源测试平台提供了正负离子束的偏转和吞噬一体化结构，适用于大型磁约束实验装置包括聚变堆量级装置的单个离子源，或者双离子源汇聚注入的高功率NNBI加热束线的残留负离子束，正离子束偏转和吞噬。该一体化偏转和吞噬结构简化了高粒子能量的束偏转和吞噬结构制作难度，减小了正负离子偏转磁体和离子吞噬器的束截获率，特别是极大地降低了大型磁体和偏转结构的安装难度。
附图说明
图1为本发明所提供的一种NNBI正负离子束偏及离子吞噬一体化结构的结构框架示意图；
图2为二极铁轭磁体示意图；
图3为励磁线圈示意图；
图4为离子吞噬板冷却水路及吞噬结构示意图；
图5为是磁体及离子吞噬器一体化支撑、磁路及磁屏蔽的安装结构示意图。
图中，1结构框架，2二极铁轭电磁体及磁路结构，3离子吞噬结构及中性束传输通道，4磁路结构，5二极磁体励磁线圈，6励磁线圈无磁不锈钢密封盒，7励磁线圈空心绕线，8励磁线圈励磁线进出密封管，9离子吞噬器冷却水进水主管，10离子吞噬器冷却水出水主管，11负离子束吞噬前板，12负离子束吞噬底板，13负离子束吞噬后板，14正离子束吞噬前板，15正离子束吞噬顶板，16正离子束吞噬后板，17束传输通道右侧板，18束传输通道左侧板，19支撑板，20水排支撑板，21吊装杆，22真空密封法兰，23吊装环。
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。
本发明的目的是为HL-2M装置基于负离子源的中性束注入(NNBI)加热束线，以及高功率准稳态负离子源测试平台提供一种正负离子偏转和吞噬一体化结构，用于偏转和吞噬中性化后残留的负离子束以及中性化过程中生成的正离子束。为实现上述目的，对大面积负离子束进行了详细的偏转磁场计算和轨迹模拟分析，模拟计算表明，束偏转90°节省空间，而且束在传输方向的磁极中心离开磁极后束发散，进入吞噬器。偏转后的发散束导致轰击吞噬器靶板的束功率密度降低，满足主动水冷热交换需求。
偏转磁场采用传统的二极铁轭偏转磁体，并将磁轭、磁屏蔽及磁路结构合为一体。磁体励磁线圈采用矩形截面的空心铜管绕制，线圈匝数以及截面和水冷通道管尺寸由最大偏转磁场和稳态励磁电流决定。为消除线圈绝缘层材料的高放气率对注入器或测试平台真空室真空性能的影响，线圈放置在真空密封的无磁奥氏体不锈钢焊接的线圈盒中。偏转磁体铁轭采用工业纯铁，线圈除偏转场外的其它4面均采用了纯铁磁屏蔽结构，这种结构使距离磁体1米空间外的磁场小于10高斯。
为进一步减小轰击离子吞噬板的束功率密度，离子吞噬器采用矩形缸结构。矩形缸采用U字形水冷结构板和水冷侧板组成矩形腔结构的正负吞噬器，缸深度与离子束斑的半高度接近，减小轰击的最高束功率密度。正离子束吞噬腔置于二极磁体顶部，负离子束吞噬腔置于二极磁体底部。U字形水冷结构采用3张深孔钻工艺制作的无氧铜板组成，水道尺寸由水流量和水压力和稳定温升来确定。侧板(束通道两侧)采用水管盘绕焊接方式。
考虑正负离子偏转和吞噬结构的安装，真空密封等，本发明将离子束吞噬矩形缸置于二极磁体顶部和底部，底部和顶部可以吞噬偏转负离子束和偏转正离子束，根据励磁电流方向(决定偏转磁场方向)确定上下吞噬缸吞噬的正负电荷的离子束。每个离子吞噬缸的U字形结构采用前后分别进出，侧面水冷板左右分别进出，进出水管在顶部离子吞噬缸由分水排和合水排汇集，由主进水管和主出水管连接分水排和合水排，冷却水进出主管道通过真空密封穿过磁体真空密封和安装法兰。
如图1所示，一种NNBI正负离子束偏及离子吞噬一体化结构包括4部分，二极铁轭偏转磁体及磁屏蔽和磁路、正负离子吞噬器、吞噬器冷却水水路和磁体、吞噬器及水路连接和真空密封结构。
一种NNBI正负离子束偏及离子吞噬一体化结构具体包括结构框架1，二极铁轭电磁体及磁路结构2，离子吞噬结构及中性束传输通道3，磁路结构4，二极磁体励磁线圈5，励磁线圈无磁不锈钢密封盒6，励磁线圈空心绕线7，励磁线圈励磁线进出密封管8，离子吞噬器冷却水进水主管9，离子吞噬器冷却水出水主管10，负离子束吞噬前板11，负离子束吞噬底板12，负离子束吞噬后板13，正离子束吞噬前板14，正离子束吞噬顶板15，正离子束吞噬后板16，束传输通道右侧板17，束传输通道左侧板18，支撑板19，水排支撑板20，吊装杆21，真空密封法兰22和吊装环23；结构框架1为上下两层的结构，其内分别设置二极铁轭电磁体及磁路结构2和离子吞噬结构及中性束传输通道3，二极铁轭电磁体及磁路结构2包括磁路结构4，磁路结构4上设置有二极磁体励磁线圈5，二极磁体励磁线圈5与励磁线圈励磁线进出密封管8连接，二极磁体励磁线圈5内设置有励磁线圈无磁不锈钢密封盒6和励磁线圈空心绕线7，离子吞噬器冷却水进水主管9和离子吞噬器冷却水出水主管10设置在结构框架1的下层空间，正离子束吞噬前板14与正离子束吞噬顶板15连接，正离子束吞噬顶板15与正离子束吞噬后板16连接，负离子束吞噬前板11与负离子束吞噬底板12连接，负离子束吞噬底板12与负离子束吞噬后板13连接，负离子束吞噬前板11、负离子束吞噬底板12、负离子束吞噬后板13、正离子束吞噬前板14、正离子束吞噬顶板15、正离子束吞噬后板16、束传输通道右侧板17和束传输通道左侧板18构成密闭空间；支撑板19、水排支撑板20和真空密封法兰22构成结构框架1的底部、中间隔层和顶部，20水排支撑板和真空密封法兰22之间连接吊装杆21，真空密封法兰22的顶部设置吊装环23。
正负离子束偏转90°对应的偏转磁场大小与需要偏转的离子能量相关，二极磁体的偏转磁场由两个线圈励磁电流确定，励磁电流大小随偏转离子能量调节。负离子束中性化过程中残留负离子束与中性化过程中生成的正离子束偏转方向相反，负离子束向下偏转90°，正离子束向上偏转90°。离子吞噬器的长宽与磁体的束偏转尺寸一致，为保证离子吞噬板的热负荷功率密度≤1kW/cm2，吞噬器深度不小于束斑半高度，使得偏转后的束发散后轰击到离子吞噬板。
图2和图3中，二极磁体采用铁轭结构，铁轭材料为热处理后的工业纯铁DT4，线圈嵌入铁轭中。线圈采用水冷空心矩形纯铜管绕制，匝间缠绕绝缘材料，为减小匝间绝缘树脂(或聚酰亚胺)放气率高对注入器真空影响，将线圈绕组密封在一个奥氏体316L的不锈钢盒中，线圈通过励磁线导管穿过安装和真空密封法兰，线圈绕组内部处于大气。密封后的线圈嵌入固定在真空条件下的铁轭内。
图4中，正负离子吞噬器分为上下两部分，每部分分别由U字形主动水冷无氧铜板和两侧无氧铜板组成。U字形板采用板内布置密集水道的冷却方式，密集水道采用并联方式，进出主水道由板边缘提供，底板主水道从中部分离，也就是分别从前端和后端两进两出。前端主水道与U字形前板的主水道串接，后端主水道与U字形后板串接。离子吞噬器侧板的热负荷相对组成U字形的三个板低，冷却水采用外侧壁焊接方式，对应每个板每个吞噬器一进一出。正负离子吞噬器合计水路8进8出，水路在吞噬器上边的板汇总并固定，汇总后的主水路氚过安装和真空密封法兰。
图5中，二极磁体铁轭与同时具备离子吞噬器支撑，磁屏蔽及二极磁体磁路功能板连接，汇总水管固定板之间采用两端螺杆固定法兰的连接方式。U字形前后吞噬板与二极磁体铁轭采用螺杆固定，上下U字形吞噬结构的中间板分别与顶部汇总水管固定板和底部支撑板采用螺杆固定。真空密封法兰采用4根吊装杆与法兰连接，吊装杆与法兰的连接结构考虑了安装调节间隙。法兰顶部固定吊环，用于一体化磁体和吞噬器的吊装。
上面对本发明的实施例作了详细说明，上述实施方式为本发明的最优实施例，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化，比如正负离子吞噬器可以根据励磁电流方向互换，线圈匝数，励磁电流根据偏转离子能量确定。
Claims (8)
1.一种NNBI正负离子束偏及离子吞噬一体化结构，其特征在于：它包括结构框架(1)，二极铁轭电磁体及磁路结构(2)，离子吞噬结构及中性束传输通道(3)，磁路结构(4)，二极磁体励磁线圈(5)，励磁线圈无磁不锈钢密封盒(6)，励磁线圈空心绕线(7)，励磁线圈励磁线进出密封管(8)，离子吞噬器冷却水进水主管(9)，离子吞噬器冷却水出水主管(10)，负离子束吞噬前板(11)，负离子束吞噬底板(12)，负离子束吞噬后板(13)，正离子束吞噬前板(14)，正离子束吞噬顶板(15)，正离子束吞噬后板(16)，束传输通道右侧板(17)，束传输通道左侧板(18)，支撑板(19)，水排支撑板(20)，吊装杆(21)，真空密封法兰(22)和吊装环(23)。
2.如权利要求1所述的一种NNBI正负离子束偏及离子吞噬一体化结构，其特征在于：所述的结构框架(1)为上下两层的结构。
3.如权利要求2所述的一种NNBI正负离子束偏及离子吞噬一体化结构，其特征在于：所述的结构框架(1)内分别设置二极铁轭电磁体及磁路结构(2)和离子吞噬结构及中性束传输通道(3)。
4.如权利要求3所述的一种NNBI正负离子束偏及离子吞噬一体化结构，其特征在于：所述的二极铁轭电磁体及磁路结构(2)包括磁路结构(4)，磁路结构(4)上设置有二极磁体励磁线圈(5)，二极磁体励磁线圈(5)与励磁线圈励磁线进出密封管(8)连接，二极磁体励磁线圈(5)内设置有励磁线圈无磁不锈钢密封盒(6)和励磁线圈空心绕线(7)。
5.如权利要求1所述的一种NNBI正负离子束偏及离子吞噬一体化结构，其特征在于：所述的离子吞噬器冷却水进水主管(9)和离子吞噬器冷却水出水主管(10)设置在结构框架(1)的下层空间。
6.如权利要求1所述的一种NNBI正负离子束偏及离子吞噬一体化结构，其特征在于：所述的正离子束吞噬前板(14)与正离子束吞噬顶板(15)连接，正离子束吞噬顶板(15)与正离子束吞噬后板(16)连接，负离子束吞噬前板(11)与负离子束吞噬底板(12)连接，负离子束吞噬底板(12)与负离子束吞噬后板(13)连接，负离子束吞噬前板(11)、负离子束吞噬底板(12)、负离子束吞噬后板(13)、正离子束吞噬前板(14)、正离子束吞噬顶板(15)、正离子束吞噬后板(16)、束传输通道右侧板(17)和束传输通道左侧板(18)构成密闭空间。
7.如权利要求1所述的一种NNBI正负离子束偏及离子吞噬一体化结构，其特征在于：所述的支撑板(19)、水排支撑板(20)和真空密封法兰(22)构成结构框架(1)的底部、中间隔层和顶部，(20)水排支撑板和真空密封法兰(22)之间连接吊装杆(21)。
8.如权利要求7所述的一种NNBI正负离子束偏及离子吞噬一体化结构，其特征在于：所述的真空密封法兰(22)的顶部设置吊装环(23)。
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