CN115762951B - 一种用于产生过滤磁场的介入式稀疏回旋线圈结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于产生过滤磁场的介入式稀疏回旋线圈结构，属于聚变中性束注入负离子源领域。针对负离子源中传统方法存在的问题：磁场分布范围大，扩散至激励区和引出区，影响等离子体激发和负离子束流引出；磁场位型难以调控，无法获得满意的磁场分布；励磁效率不高，需要很大的激励电流。本发明提出了一种介入式稀疏线圈，其产生的过滤磁场限制在扩展腔内，不会扩散到负离子源的激励区和引出区，不会影响等离子体的激发和引出。线圈结构紧凑，通过改变线圈的匝数、结构，可以获得所希望的磁场位型；通过改变线圈电流的大小，可以方便地调整过滤磁场的幅度；产生过滤磁场区域小，更加高效，无需很大的励磁电流，降低电源成本。

Description

一种用于产生过滤磁场的介入式稀疏回旋线圈结构

技术领域

本发明属于聚变中性束注入负离子源领域，更具体地，涉及一种大功率负离子源过滤磁场产生装置。

背景技术

大功率负离子源是新一代大型受控磁约束核聚变装置中性束注入系统的核心部件(示意图如图1所示，包括激励器1、等离子体2、扩展腔3、永磁体4、等离子体栅极5、引出栅极6、接地极7、进气孔8、射频天线9、喷铯装置10、过滤磁场11、引出束流12)。过滤磁场是获得高密度负离子束的关键技术。等离子体在激励器中被激发，进入扩展腔，到达等离子体栅极。处于激发态的H原子和H⁺离子与覆铯的等离子体栅极碰撞，以一定的几率转化为H^-离子。H^-离子与等离子体中的电子碰撞，很容易受到破坏重新转化为H原子和H⁺离子。为了减少H^-离子的损失，提高引出H^-离子束流的密度，必须降低等离子体栅极附近的电子温度和电子密度。在扩展腔设置横向的过滤磁场，电子在过滤磁场的作用下进行回旋运动，可以延长电子的运动轨迹，增加电子与中性气体分子的碰撞几率，电子能量传递给中性气体，自身温度降低，从而增大负离子的产额，减少负离子的损失。

目前广泛使用的产生过滤磁场的方法有两种：永磁体方法和在等离子体栅极通电流的方法。永磁体方法是在扩展腔外部安装永磁体来产生过滤磁场。由于永磁体不耐高温，不能承受等离子轰击，故通常将永磁体设置在扩展腔外部。该方法产生的磁场稳定、简便易行。在等离子体栅极通电流也可以产生过滤磁场，磁场大小可以通过改变电流来调整。

起初，人们研制的负离子源体积较小(离子源半径10cm，引出面积在几个cm^2以下)，产生过滤磁场最方便的办法就是采用永磁体，这种方法简单易行，成本低廉。随着负离子源的体积越来越大(半径超过1m，引出面积达到m^2量级)，永磁体方法已经无法适用，就提出了利用等离子体栅极通电流的方法产生过滤磁场。这种方法不需要改变离子源的整体结构(但是需对等离子体栅极做一些特殊处理，如需要采取电绝缘、在栅极板上挖槽以改善电流分布等)，也是比较方便的，一经提出很快就被大型负离子源普遍采用，显著推进了大型负离子源的研发。但是，栅极板通电流的方法产生过滤磁场，磁场的位型受限于栅极板的形状，不方便进行优化；电流回路的布置也对磁场分布产生影响。永磁体产生的磁场和栅极电流产生的磁场，由于磁场分布范围宽，都会扩散至等激励区和引出区，对等离子体的激发和负离子束流的引出产生不利影响。进入激励器的磁场严重影响等离子体的激发，甚至可能导致激发失败；进入引出区的磁场则对束流动力学产生不好的影响。过滤磁场的优化一直是大型负离子源研制的关键技术难题。

在此背景下，本发明提出采用介入式稀疏螺旋线圈产生过滤磁场的方法，可以在很大程度上克服上述两种方法的弊端，产生分布区域较为集中、位型容易调控的过滤磁场，是对过滤磁场产生方法的又一次变革，特别适合于大型负离子源的研发。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种大功率负离子源过滤磁场产生装置，其目的在于解决传统方法磁场分布范围大，励磁效率不高；磁场位型难以控制；过滤磁场进入激励区和引出区，对离子源工作和性能产生不利影响的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于产生过滤磁场的介入式稀疏回旋线圈结构，所述稀疏回旋线圈结构安装于负离子源扩展腔内，工作在等离子体内部，用于产生过滤磁场。

进一步地，稀疏回旋线圈采用铜管制作，配套有冷却结构，外表面镀金属膜。

进一步地，稀疏回旋线圈外表面镀钨。

进一步地，稀疏回旋线圈内部通冷却液冷却。

进一步地，所述稀疏回旋线圈为矩形结构。

进一步地，所述矩形结构的长、宽、螺距以及导线半径、匝数、电流大小和具体安装位置根据所用负离子源的参数，包括尺寸、结构、等离子体参数、引出束流参数确定。

本发明还提供了一种大功率负离子源过滤磁场产生方法，包括：

根据负离子源等离子体密度、扩展腔尺寸参数、引出面积大小参数，确定所需过滤磁场位型、激励电流的大小和波形；

根据所需的磁场位型、激励电流的大小和波形，计算稀疏回旋线圈的尺寸参数；

将设计好的稀疏回旋线圈安装在等离子体内部负离子源激励器与等离子体栅极之间，通以直流电流产生过滤磁场。

现有技术采用永磁体或栅极板电流产生过滤磁场，简易方便，但是存在的弊端一直有待解决。本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。

(1)针对负离子源中传统方法磁场位型难以控制的问题，本发明介入式稀疏线圈工作于等离子体内部，通过改变线圈的匝数、结构，可以获得所希望的磁场位型；

(2)针对负离子源中传统方法过滤磁场会扩散至等离子体激发区域和引出区域造成不利影响的问题，本发明产生的过滤磁场分布区域小，不会扩散至激发区和引出区，消除了对等离子体激发和负离子束流引出的不利影响。

(3)本发明装置线圈结构紧凑，产生过滤磁场更加高效，无需很大的励磁电流，降低电源成本。

(4)线圈导线虽然位于等离子体内部，但是导线电流产生的磁场对导线有保护作用，不会发生严重的等离子体轰击损伤。导线表面镀钨，可以进一步减少损伤。

附图说明

图1大功率负离子源装置示意图；

图2稀疏矩形回旋线圈在负离子源中的放置位置及产生的磁场示意图；

图3稀疏矩形回旋线圈的结构示意图；

图4只有两匝的稀疏矩形回旋线圈的简化结构示意图；

图5本发明介入式稀疏回旋线圈产生的过滤磁场与永磁体过滤磁场的场型对比；

1.激励器；2.等离子体；3.扩展腔；4.永磁体；5.等离子体栅极；6.引出栅极；7.接地极；8.进气孔；9.射频天线；10.喷铯装置；11.过滤磁场；12.引出束流；13.本发明中用于产生过滤磁场的稀疏矩形回旋线圈；14.适用于小引出面积负离子源的简化线圈结构；15.永磁体产生的过滤磁场位型；16.介入式稀疏回旋线圈产生的过滤磁场位型。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提出一种大功率负离子源过滤磁场产生装置，采用稀疏回旋线圈，置于负离子源激励器与等离子体栅极之间，通以直流电流产生磁场。负离子源工作时，线圈位于等离子体内部，故称介入式线圈；线圈采用稀疏结构，不会阻挡等离子体的输运。

本发明提出的稀疏回旋线圈13(图2、图3)，用细铜管制作，内部通水冷却，以带走欧姆损耗和等离子体轰击产生的热量；外表面镀钨，以减轻等离子体轰击造成的伤害；线圈通过扩展腔壁上的真空馈通与外部电源相连。由于本身磁场的保护，等离子不会对导线造成很大伤害。

本发明提出的稀疏线圈，线圈形状优选为矩形，其尺寸(包括矩形的长、宽、螺距以及导线半径)、匝数、电流大小和具体安装位置根据所用负离子源的参数(包括尺寸、结构、等离子体参数、引出束流参数等)确定。由于目前学界尚缺乏对何为最优过滤磁场的理论解答，上述参数一般通过实验并结合仿真来确定。

本发明介入式稀疏回旋线圈基本原理为毕奥萨伐尔定律，线圈中电流可以在空间中激发磁场，即：

以毕奥萨伐尔定律为基础，可以得到稀疏回旋线圈参数与过滤磁场之间的关系，匝数越多，过滤磁场越集中，但也会阻碍等离子体输运，需要根据实际情况进行设计取舍。

详细设计方案如下所述：

(1)根据等负离子源等离子体密度、扩展腔尺寸参数、引出面积大小等参数，确定所需过滤磁场位型、激励电流的大小和波形，匝数越多，磁场越集中，但太多时会妨碍等离子体输运。由于目前学界尚缺乏对何为最优过滤磁场的理论解答，上述参数可以参考国内外相关研究的一些经验进行初步设计，后期结合实验和仿真做进一步优化。

(2)根据步骤(1)中的参数，初步设计线圈结构。通过电磁场理论以及经验，根据所需的磁场位型、通入的激励电流，初步得到线圈的尺寸参数。进一步通过仿真软件或者有限元仿真计算，调整线圈参数，直到得到所需磁场位型，即可得到所需磁场位型的线圈参数。在初步得到线圈参数后，需要根据负离子源尺寸进行调整，使线圈装置可以安装在扩展腔内部。同时设计冷却方式，本文设计了线圈中空水道，在水道中通入水进行冷却。冷却方式不局限于使用本文中提到的方法，可根据实际需求更改。设计方法不局限于本文中提到的两种方法，也可使用其他的设计方法得到线圈参数。

(3)将设计好的线圈安装在等离子体源中，并根据仿真或实验中产生的磁场效果调整线圈参数，使得产生的磁场符合要求。

当离子源尺寸较小(直径小于30cm)时，可以只用2匝线圈，其结构可以简化为如图4所示的一对矩形线圈，即适用于小引出面积负离子源的简化线圈结构14。

本发明稀疏回旋线圈产生的过滤磁场与永磁体过滤磁场的场型对比见图5所示，15为永磁体产生的过滤磁场位型；16为介入式稀疏回旋线圈产生的过滤磁场位型，可以看到永磁体过滤磁场扩散范围大，不利于场型控制；而本发明稀疏回旋线圈产生的过滤磁场分布被限制在比较集中的区域范围内，可以形成所希望的磁场位型。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于产生过滤磁场的介入式稀疏回旋线圈结构，其特征在于，

所述稀疏回旋线圈结构安装于负离子源扩展腔内，工作在等离子体内部，用于产生过滤磁场；

所述稀疏回旋线圈为矩形结构；

所述矩形结构的长、宽、螺距以及导线半径、匝数、电流大小和具体安装位置根据所用负离子源的参数，包括尺寸、结构、等离子体参数、引出束流参数确定。

2.根据权利要求1所述的一种用于产生过滤磁场的介入式稀疏回旋线圈结构，其特征在于，稀疏回旋线圈采用铜管制作，配套有冷却结构，外表面镀金属膜。

3.根据权利要求2所述的一种用于产生过滤磁场的介入式稀疏回旋线圈结构，其特征在于，稀疏回旋线圈外表面镀钨。

4.根据权利要求2所述的一种用于产生过滤磁场的介入式稀疏回旋线圈结构，其特征在于，稀疏回旋线圈内部通冷却液冷却。

5.一种大功率负离子源过滤磁场产生方法，其特征在于，包括：

根据负离子源等离子体密度、扩展腔尺寸参数、引出面积大小参数，确定所需过滤磁场位型、激励电流的大小和波形；

根据所需的磁场位型、激励电流的大小和波形，计算稀疏回旋线圈的尺寸参数；

将设计好的稀疏回旋线圈安装在等离子体内部负离子源激励器与等离子体栅极之间，通以直流电流产生过滤磁场。