CN114245558B - 一种角箍缩等离子体放电线圈的加固封装装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种角箍缩等离子体放电线圈的加固封装装置，包括圆筒，所述圆筒由两个对称的半圆筒拼接固定而成，所述圆筒的内壁沿着轴向方形成有螺旋凹槽，所述螺旋凹槽用于嵌套安装螺线管线圈，所述螺旋凹槽与所述螺线管线圈的螺距相同。本发明还涉及一种角箍缩等离子体靶加固封装方法，基于所述的角箍缩等离子体靶加固封装装置，包括步骤：将筒体拆分为两个所述半圆筒，将所述螺线管线圈嵌套安装在所述两个半圆筒内，再将两个所述半圆筒拼装固定，所述螺线管线圈的每匝对应嵌入一个所述螺旋凹槽，所述螺旋凹槽对应的侧壁用于对相邻两匝线圈进行限位，有效解决在大脉冲电流放电条件下，螺线管线圈向内箍缩与相互匝间晃动的定向运动现象，防止造成结构损坏与电路短路的风险。

Description

一种角箍缩等离子体放电线圈的加固封装装置及方法

技术领域

本发明属于角箍缩等离子体设备领域，尤其涉及一种角箍缩等离子体放电线圈的加固封装装置及方法。

背景技术

角箍缩等离子体设备是实验室开展离子束与等离子体相互作用研究的一个重要实验载体。其机械主体为一个固定尺寸的螺线管线圈，脉冲电流按照线圈回路进行放电，在线圈内部轴线会感生出一个非常强的磁场，内部填充的气体会在磁压的作用下电离，形成等离子体状态。

然而在角箍缩等离子体放电过程中，存在一个重要安全的问题，即脉冲电流引起的螺线管线圈在强电磁力作用下向内部箍缩运动，同时相邻两匝的线圈间也会出现剧烈晃动，这两种定向运动力的带下随着脉冲电流的升高而急剧增加。当其数值超过机械结构的固定上限后，造成该线圈机械结构损坏，引起放电回路短路和角箍缩等离子体设备的损毁。

因此需要对该设备中的放电线圈进行紧密固定，线圈各匝间绝缘良好，预防高压加载与脉冲回路放电中的击穿现象。

发明内容

针对上述问题，本发明的第一目的是提供一种角箍缩等离子体放电线圈的加固封装装置，以解决角箍缩在对气体进行电离的过程中所产生的剧烈晃动，导致的机械结构损坏以及放电回路短路的问题。本发明的另一个目的是提供一种角箍缩等离子体放电线圈加固封装方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种角箍缩等离子体放电线圈的加固封装装置，包括圆筒，所述圆筒由两个对称的半圆筒拼接固定而成，所述圆筒的内壁沿着轴向形成有螺旋凹槽，所述螺旋凹槽用于嵌套安装螺线管线圈，所述螺旋凹槽与所述螺线管线圈的螺距相同。

进一步地，所述圆筒为采用聚四氟乙烯制成。

进一步地，所述圆筒上沿着轴向方向间隔开设有若干个第一固定孔，所述第一固定孔开设在所述螺旋凹槽对应的壁面上，所述螺线管线圈上开设有与所述第一固定孔一一对应的第二固定孔，所述第一固定孔和对应的所述第二固定孔对齐，对齐的所述第一固定孔和第二固定孔内用于插入螺丝以固定连接所述螺线管线圈和圆筒。

进一步地，还包括若干根加强筋，每个所述加强筋均通过所述螺丝固定在所述圆筒的外侧壁上。

进一步地，还包括环氧耐高压灌封胶或聚四氟乙烯条，用于填充所述螺线管线圈与所述螺旋凹槽的侧壁之间形成的间隙。

进一步地，还包括支撑框架，所述支撑框架包括两个间隔设置的支撑板，两个所述支撑板之间固定连接，两个所述支撑板分别用于支撑和固定所述圆筒的两端。

进一步地，所述支撑框架为采用聚甲醛材料制成。

第二发明，本发明还提供了一种角箍缩等离子体放电线圈的加固封装方法，基于所述的角箍缩等离子体放电线圈的加固封装装置，其特征在于，包括步骤：

将所述螺线管线圈嵌套安装在所述两个半圆筒内，再将两个所述半圆筒拼装固定，所述螺线管线圈嵌入所述螺旋凹槽内，所述螺旋凹槽对应的侧壁用于对相邻两匝线圈进行限位。

进一步地，还包括步骤：采用环氧耐高压灌封胶或聚四氟乙烯条对所述螺线管线圈与所述螺旋凹槽的侧壁之间形成的间隙进行进一步的填充。

进一步地，还包括步骤：

在所述圆筒两端利用支撑框架连接以及将支撑框架与下部平台相连，将圆筒举升和调整到所需的空间位置。

利用光学诊断装置，对角箍缩等离子体靶内部放电过程中的等离子体状态进行诊断。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

通过绝缘外筒提供牢固支撑与固定点；螺线管线圈内嵌，利用多组螺丝将线圈与外筒第一步固定；

在螺丝固定位置处加装加强筋实现第二步固定；

利用绝缘树脂填充内部缝隙，最终实现极高强度的机械固定方式；

同时由于放电螺线管线圈与外部环境处于完全隔离状态，大大提升了其安全性。在固定封装同时，在外筒180度径向方向设计有对穿圆孔阵列，其直径与光纤探头尺寸耦合，在充分满足各种诊断设备需求的同时，对整体固定系统与绝缘不造成影响。

附图说明

图1是螺线管线圈的一实施例的结构示意图；

图2是角箍缩等离子体放电线圈的加固封装装置的一实施例的结构示意图；

图3是角箍缩等离子体放电线圈的加固封装装置与螺线管线圈装配的一实施例的结构示意图；

图4是角箍缩等离子体放电线圈的加固封装装置匹配对穿诊断接口一实施例的结构示意图；

图5是利用脉冲电流测量仪与光电探头对封装后的角箍缩等离子体靶测试结果；

图6是利用激光干涉诊断装置对内部的等离子体密度连续性诊断结果

附图中各标记表示如下：

1-圆筒、2-螺旋凹槽、3-第一固定孔、4-螺线管线圈、5-第二固定孔、6-支撑框架、7-加强筋、8-诊断孔。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明的实施例提供了一种角箍缩等离子体放电线圈的加固封装装置，能够有效解决在大脉冲电流放电条件下，螺线管线圈向内箍缩与相互匝间晃动的定向运动现象，防止造成结构损坏与电路短路的风险。

所述角箍缩等离子体放电线圈的加固封装装置包括圆筒1，所述圆筒1由两个对称的半圆筒拼接固定而成，所述圆筒1的内壁沿着轴向方形成有螺旋凹槽2，所述螺旋凹槽2用于嵌套安装螺线管线圈4，所述螺旋凹槽2与所述螺线管线圈4的螺距相同。

将所述圆筒1设计为由两个半圆筒拼接固定而成，是为了方便将所述螺线管线圈4嵌套安装在所述螺旋凹槽2内。在使用时，将两个所述半圆筒拆开，再从所述螺线管线圈4的两侧嵌套安装所述螺线管线圈4，以使所述螺线管线圈4能完全贴合在所述螺旋凹槽2内，然后再对两个所述半圆筒进行固定连接。

所述螺线管线圈4为采用T2紫铜制备而成，所述螺线管线圈4优选采用厚度为4mm，宽度40mm铜条绕制，所述螺线管线圈4的内径为220mm，匝数为5匝。

所述圆筒1优选采用耐高压的聚四氟乙烯制备而成，所述圆筒1的壁厚优选为15mm，所述螺旋凹槽2的螺距与所述螺线管线圈4的螺距相同，所述螺旋凹槽2的宽度为42mm，在安装时所述螺线管线圈4的每一匝能够与对应的螺旋凹槽2完全贴合。

本发明中通过将螺线管线圈4套设在螺旋凹槽2内，进而实现螺线管线圈4的第一步固定，达到内部高压与周围环境的空间隔离，耐压≥100kV。

进一步地，所述螺旋管线圈4的上、下、左和右四个位置沿着轴向方向等间距开设有5个第二固定孔5，每匝所述线圈对应开设有一个所述第二固定孔5，相邻两个所述第二固定孔5之间的间距等于多数螺线管线圈4的螺距。相应的，所述圆筒1的上、下、左和右四个位置沿着轴向方向等间距间隔开设有5个第一固定孔3，所述第一固定孔3开设在螺旋凹槽2的侧壁位置。所述第一固定孔3和第二固定孔5一一对应，所述第一固定孔3和对应的所述第二固定孔5对齐，对齐的所述第一固定孔3和第二固定孔5内用于插入螺丝进行固定。

因此本发明中通过第一固定孔3和第二固定孔5的设置，以及采用螺丝连接所述螺线管线圈4和圆筒1的方式以实现第二步的固定，进一步提高了内部高压和周围环境的空间隔离。

进一步的，为了对提高所述圆筒1和螺线管线圈4之间的连接强度，角箍缩等离子体靶放电线圈加固封装装置还包括四根加强筋7，四根所述加强筋7分别位于四排所述第一固定孔3所在位置处，并通过所述螺丝将所述螺线管线圈4、圆筒1以及加强筋7进行固定连接，以实现对第二步固定的进一步加强。

其中所述加强筋7优选采用环氧板材料制成。

在所述圆筒1的内部，对线圈与内凸起螺旋线间的缝隙，首先利用1mm厚度聚四氟乙烯条(图中未示出)进行填充，再使用环氧耐高压灌封胶对小的缝隙进行填充，实现螺线管线圈4与聚四氟乙烯圆筒1的无缝连接，将线圈与外部空间完全隔离，并达到线圈的第三步固定。

如图4所示，在所述圆筒1的外壁上相对的位置开设有两排相对设置的诊断孔8，两排所述诊断孔8均为通孔，两排所述诊断孔8与所述第一固定孔3沿着轴线方向呈夹角设计，优选第一排诊断孔设置在上排第二固定孔向右偏转45°角的位置，第二诊断孔设置在下排固定孔向左偏转45°角位置。所述诊断孔的直径优选为9mm，数目为8对。所述诊断孔用来对内部不同空间位置处的等离子体状态开展诊断。

所述角箍缩等离子体靶放电线圈的加固封装装置还包括支撑框架6，所述支撑框架包括两个间隔设置的支撑板，两个所述支撑板之间固定连接，两个所述支撑板分别用于支撑和固定所述圆筒的两端。所述支撑框架6为采用聚甲醛材料制成，其具有较强的刚性及加工性同时兼具绝缘性，实现承载圆筒1以及螺线管线圈4通电后产生的强磁场应力，两个所述支撑板的后度优选为30mm。

本发明的第二个实施例还提供了一种上述角箍缩等离子体靶加固封装方法，包括步骤：

S1、将筒体1拆分为两个所述半圆筒，将所述螺线管线圈4嵌套安装在所述两个半圆筒内，再将两个所述半圆筒拼装固定，所述螺线管线圈4的每匝对应嵌入一个所述螺旋凹槽2，所述螺旋凹槽2对应的侧壁用于对相邻两匝线圈进行限位。

S2、通过螺丝将所述加强筋7固定安装在所述圆筒1的侧壁上，并将所述圆筒1和螺线管线圈4进行固定连接。

S3、采用聚四氟乙烯条对每匝线圈与螺旋凹槽2的侧壁之间的间隙进行填充。

S4、采用环氧耐高压灌封胶对所述间隙进行进一步的填充。

S5、在所述圆筒1两端利用支撑框架6连接以及将支撑框架6与下部平台相连，将圆筒1举升和调整到所需的空间位置。

S5、利用光学诊断装置，对角箍缩等离子体靶内部放电过程中的等离子体状态进行诊断。

如图5所示，基于上述角箍缩等离子体设备的安全正常运行，在通电压为10kV、20kV等多种条件下，分别开展了放电测试，过程中均无短路放电现象，整体结构坚实稳固，支架无晃动现象。在10kV电压与60Pa初始气压，内部填充H₂条件下，采用高带宽光电探测器获得到的该角箍缩等离子体放电线圈加固封装装置发出的光随时间的快速演化图像，其中1通道为放电过程中的脉冲电流波形，其峰值接近100kA；据此结果，可发现该角箍缩等离子体状态出现在第八个半波位置。在脉冲放电过程中，利用快速相机获得了等离子体装置的发光瞬间照片，可以看到透过聚四氟乙烯圆筒，发出高强度的光，并照亮的靶区。

如图6所示，采用在线激光干涉诊断方法，穿过圆筒180度对向的诊断孔8，对角箍缩等离子体内部等离子体密度进行了诊断，该诊断出的等离子体密度变化连续性好，同放电过程中的规律以及光学诊断得到的结果可以互相符合，无中断或阶跃性变化，可再次证明我们的角箍缩等离子体设备固定方式紧固、可靠。

诊断得到的等离子体密度整个过程图像连续无中断，说明整个放电过程该激光光路与等离子体装置位置无相对移动，该固定方式具备较高的稳定性。

本发明中通过绝缘外筒提供牢固支撑与固定点；螺线管线圈4内嵌，利用多组螺丝将线圈4与外筒1第一步固定；在螺丝固定位置处加装加强筋7实现第二步固定；利用绝缘树脂填充内部缝隙，最终实现极高强度的机械固定方式；同时由于放电螺线管线圈与外部环境处于完全隔离状态，大大提升了其安全性。在固定封装同时，在外筒180度径向方向设计有对穿圆孔阵列，其直径与光纤探头尺寸耦合，在充分满足各种诊断设备需求的同时，对整体固定系统与绝缘不造成影响。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，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精神和范围。

Claims (10)

1.一种角箍缩等离子体放电线圈的加固封装装置，其特征在于，包括圆筒，所述圆筒由两个对称的半圆筒拼接固定而成，所述圆筒的内壁沿着轴向形成有螺旋凹槽，所述螺旋凹槽用于嵌套安装螺线管线圈，所述螺旋凹槽与所述螺线管线圈的螺距相同。

2.根据权利要求1所述的角箍缩等离子体放电线圈的加固封装装置，其特征在于，所述圆筒为采用聚四氟乙烯制成。

3.根据权利要求1所述的角箍缩等离子体放电线圈的加固封装装置，其特征在于，所述圆筒上沿着轴向方向间隔开设有若干个第一固定孔，所述第一固定孔开设在所述螺旋凹槽对应的壁面上，所述螺线管线圈上开设有与所述第一固定孔一一对应的第二固定孔，所述第一固定孔和对应的所述第二固定孔对齐，对齐的所述第一固定孔和第二固定孔内用于插入螺丝以固定连接所述螺线管线圈和圆筒。

4.根据权利要求3所述的角箍缩等离子体放电线圈的加固封装装置，其特征在于，还包括若干根加强筋，每个所述加强筋均通过所述螺丝固定在所述圆筒的外侧壁上。

5.根据权利要求1所述的角箍缩等离子体放电线圈的加固封装装置，其特征在于，还包括环氧耐高压灌封胶或聚四氟乙烯条，用于填充所述螺线管线圈与所述螺旋凹槽的侧壁之间形成的间隙。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的角箍缩等离子体放电线圈的加固封装装置，其特征在于，还包括支撑框架，所述支撑框架包括两个间隔设置的支撑板，两个所述支撑板之间固定连接，两个所述支撑板分别用于支撑和固定所述圆筒的两端。

7.根据权利要求6所述的角箍缩等离子体放电线圈的加固封装装置，其特征在于，所述支撑框架为采用聚甲醛材料制成。

8.一种角箍缩等离子体放电线圈的加固封装方法，基于权利要求1～7中任一项所述的角箍缩等离子体放电线圈的加固封装装置，其特征在于，包括步骤：

将所述螺线管线圈嵌套安装在所述两个半圆筒内，再将两个所述半圆筒拼装固定，所述螺线管线圈嵌入所述螺旋凹槽内，所述螺旋凹槽对应的侧壁用于对相邻两匝线圈进行限位。

9.根据权利要求8所述的角箍缩等离子体放电线圈的加固封装方法，其特征在于，还包括步骤：采用环氧耐高压灌封胶或聚四氟乙烯条对所述螺线管线圈与所述螺旋凹槽的侧壁之间形成的间隙进行进一步的填充。

10.根据权利要求9所述的角箍缩等离子体放电线圈的加固封装方法，其特征在于，还包括步骤：

在所述圆筒两端利用支撑框架连接以及将支撑框架与下部平台相连，将圆筒举升和调整到所需的空间位置；

利用光学诊断装置，对角箍缩等离子体靶内部放电过程中的等离子体状态进行诊断。