CN208284244U - 一种静电约束聚变装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型实施例提供一种静电约束聚变装置，涉及核聚变技术领域，能够解决现有技术中绝缘筒的表面无法很好的模拟球对称电场分布的问题，以及解决绝缘筒容易发生火花放电的问题。所述静电约束聚变装置包括球状的空心阳极，以及设置在阳极内部的球状的阴极，阴极与阳极同心，阴极上连接有伸出阳极的阴极金属引线，阴极金属引线上套设有绝缘筒；绝缘筒为圆台状或棱台状；阳极上具有开口，绝缘筒的小端穿过阳极开口与阴极接触；绝缘筒的大端与阳极开口的边缘接触；绝缘筒对应的圆锥或棱锥的顶点位于阳极的球心；绝缘筒的筒壁的电阻率为1Ωm～109Ωm。本实用新型用于静电约束聚变装置。

Description

一种静电约束聚变装置
技术领域
本实用新型涉及核聚变技术领域，尤其涉及一种静电约束聚变装置。
背景技术
静电约束聚变是利用阴阳极之间的高压静电场，将氘或氚等阳离子约束在阴极附近并且获得较高的能量，从而离子与离子之间能够发生碰撞引起聚变反应。现有的静电约束聚变装置一般如图1所示，包括球形的阳极01和设置在阳极01内部、且与阳极01同心的球形网状阴极02，阴极金属引线03连接到阴极02上并穿出阳极01，阴极金属引线03用于向中心的阴极02施加高压。
由于阳极01和阴极02是同心球形结构，阴阳极之间加上高压后会形成球对称静电场，然而球对称电场的电势分布是由外至内渐变的，而阴极金属引线03却与阴极02同电势，所以阴极金属引线03会破坏球对称电场。现有技术中一般会给阴极金属引线03上套设一个直筒状的绝缘筒04，利用装置工作时，阴阳极之间的带电粒子与绝缘筒04外表面碰撞来给绝缘筒04外表充电，改变绝缘筒04外表电势分布，使之趋于球对称电场的电势分布。然而由于带电粒子充电的程度并不受控制，在实际应用时，绝缘筒04外表的电势分布一般如图1所示，即绝缘筒04外表的电势分布并不符合球对称电场的电势分布，其中，图1中阴极02与阳极01之间的曲线为等电势线。这样不仅容易造成绝缘筒04火花放电的干扰，还会使得静电约束聚变装置的阴阳极之间的球对称电场分布受到破坏，从而导致阳离子在靠近阴极金属引线03附近受到电场偏转而偏离汇心运动，进而影响整体的反应速率。
实用新型内容
本实用新型的实施例提供一种静电约束聚变装置，不仅能够解决现有技术中绝缘筒的表面无法很好的模拟球对称电场分布的问题，还能解决绝缘筒容易发生火花放电的问题。
为达到上述目的，本实用新型的实施例采用如下技术方案：
本实用新型实施例提供一种静电约束聚变装置，包括球状的空心阳极，以及设置在所述阳极内部的球状的阴极，所述阴极与所述阳极同心，所述阴极上连接有伸出所述阳极的阴极金属引线，
所述阴极金属引线上套设有绝缘筒；所述绝缘筒为圆台状或棱台状；
所述阳极上具有开口，所述绝缘筒的小端穿过所述阳极开口与所述阴极接触；所述绝缘筒的大端与所述阳极开口的边缘接触；
所述绝缘筒对应的圆锥或棱锥的顶点位于所述阳极的球心；
所述绝缘筒的筒壁的电阻率为1Ωm～109Ωm。
可选的，所述绝缘筒为圆台状，所述绝缘筒对应的圆锥的顶角为10°～50°。
可选的，所述绝缘筒小端的端部与所述阴极之间夹设有金属薄片或隔热片。
可选的，所述金属薄片或所述隔热片厚度小于所述绝缘筒小端的端面直径的十分之一。
可选的，所述阴极金属引线与所述绝缘筒的筒壁内表面之间存在间隙；
所述间隙内填充有耐高温的绝缘材料。
可选的，所述绝缘筒的筒壁的电阻率为103Ωm～108Ωm。
可选的，所述绝缘筒的筒壁耐受的高温区间为800℃～2800℃。
可选的，沿所述阳极的径向方向由外向内，所述绝缘筒的筒壁的耐受温度逐渐升高。
可选的，所述绝缘筒的大端卡接在所述阳极开口处。
本实用新型实施例提供的静电约束聚变装置，包括球状的空心阳极，以及设置在阳极内部的球状的阴极，阴极与阳极同心，阴极上连接有伸出阳极的阴极金属引线，阴极金属引线上套设有绝缘筒；绝缘筒为圆台状或棱台状；阳极上具有开口，绝缘筒的小端穿过阳极开口与阴极接触；绝缘筒的大端与阳极开口的边缘接触；绝缘筒对应的圆锥或棱锥的顶点位于阳极的球心；绝缘筒的筒壁的电阻率为1Ωm～109Ωm。相较于现有技术，本实用新型实施例提供的静电约束聚变装置通过将绝缘筒设置为圆台状或棱台状，绝缘筒的小端与阴极接触；绝缘筒的大端与阳极接触，再将绝缘筒对应的圆锥或棱锥的顶点位于阳极的球心，这样可以使得绝缘筒的外表面与阳极径向相切，从而保证阴阳极之间的高压直流电流流经绝缘筒的外表面时，绝缘筒外表面的电场线与绝缘筒外表面相切，这样使得绝缘筒的外表面可以模拟出球对称电场的电势分布，从而保证了阳离子的汇心运动不受影响，进而提升了静电约束聚变装置整体的反应速率；另外，由于绝缘筒外表面起到了导电的作用，这样避免了绝缘筒受到来自真空本身的充放电而发生火花放电现象。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术提供的静电约束聚变装置内阳极和阴极间的电势分布示意图；
图2为本实用新型实施例提供的静电约束聚变装置结构示意图；
图3为本实用新型实施例提供的静电约束聚变装置的阳极和阴极间的电势分布示意图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
本实用新型实施例提供一种静电约束聚变装置，如图2和图3所示，包括球状的空心阳极11，以及设置在阳极11内部的球状的阴极12，阴极12与阳极11同心，阴极12上连接有伸出阳极11的阴极金属引线13，阴极金属引线13上套设有绝缘筒14；绝缘筒14为圆台状或棱台状；阳极11上具有开口，绝缘筒14的小端穿过阳极11开口与阴极12接触；绝缘筒14的大端与阳极11开口的边缘接触；绝缘筒14对应的圆锥或棱锥的顶点位于阳极11的球心；绝缘筒14的筒壁的电阻率为1Ωm～109Ωm。其中，绝缘筒14的端面直径较小的一端为绝缘筒14的小端；端面直径较大的一端为绝缘筒14的大端。
绝缘筒14为圆台状或棱台状表示可以为圆台状，也可以为棱锥台状，本实用新型实施例对此不做限定。较佳的，参考图2所示，绝缘筒14为圆台状，这样绝缘筒14的外表面可以更好的模拟出球对称电场的电势分布，同时也便于加工制作。在实际应用中，绝缘筒14对应的圆锥的顶角α一般为10°～50°。需要说明的是，“绝缘筒14对应的圆锥或棱锥”表示，当绝缘筒14为圆台状时，绝缘筒14对应的圆锥为绝缘筒14补上尖端后的圆锥；当绝缘筒14为棱锥台状时，绝缘筒14对应的棱锥为绝缘筒14补上尖端后的棱锥。
参考图3所示，球对称电场沿径向的电势降为：
其中，V0为阴阳极之间的电势差，E0为阴极表面的电场强度，r1为阳极的半径，r2为阴极的半径，L为到阴极中心的距离。
绝缘筒14上沿径向的电势降为：
其中，I为绝缘筒上流经的直流电流，Ω为绝缘筒筒壁对应的空间角，ρ为绝缘筒的电阻率，L为径向上的任一位置到阴极中心的距离。
由上式可见，dV1仅与径向上的距离L有关，而与dV2相关的参数包括电流I、电阻率ρ、径向上的距离L和绝缘筒14的横截面S对应的空间角Ω。如果要沿径向的任意位置处都有dV1＝dV2，唯一的考虑是将dV2中的I*ρ/Ω做为一个固定常数，其方法主要包括：方法1，假定电流I、电阻率ρ均为常数，横截面S对应的空间角Ω也为一个常数，即绝缘筒14使用圆台状或棱台状结构；方法2，假定电流I和空间角Ω均为常数，沿径向调整电阻率ρ的大小，即调整绝缘筒14的材料沿径向的变化；方法3，绝缘筒14不使用圆台状或棱台状结构，即绝缘筒14的表面与径向不相切，这时候表面会额外往真空方向进行充放电，导致电流I不恒定，此种情况下可以让电阻率ρ和横截面S对应的空间角Ω一块随着电流I调整。综上可知，方法1实施起来相对要简单很多。无论何种办法，其共同的本质在于调整绝缘筒14表面电势分布满足球对称电场的电势分布。
需要说明的是，上述方法1是在理想情况下的结果，实际需要根据直流模拟和传热学模拟相互耦合，并还需要考虑绝缘筒14材料的电阻率随温度的变化等因素，才能得到绝缘筒14合适的横截面变化。但如果不是十分精确地要求球对称电场，可以简单的直接采用方法1。此外实际上真空对于绝缘筒的充放电是无法避免的，电流I并不能维持为恒定值，如果电流I足够大，使得真空对绝缘筒14的充放电影响足够小，电流I也可以近似为恒定值。但从高压负载承受能力和欧姆发热考虑，电流I不适合设置过大，只需要选择合适的值即可
这样一来，本实用新型实施例提供的静电约束聚变装置通过将绝缘筒设置为圆台状或棱台状，绝缘筒的小端与阴极接触；绝缘筒的大端与阳极接触，再将绝缘筒对应的圆锥或棱锥的顶点位于阳极的球心，这样可以使得绝缘筒的外表面与阳极径向相切，从而保证阴阳极之间的高压直流电流流经绝缘筒的外表面时，绝缘筒外表面的电场线与绝缘筒外表面相切，这样使得绝缘筒的外表面可以模拟出球对称电场的电势分布，从而保证了阳离子的汇心运动不受影响，进而提升了静电约束聚变装置整体的反应速率；另外，由于绝缘筒外表面起到了导电的作用，这样避免了绝缘筒受到来自真空本身的充放电而发生火花放电现象。
对于绝缘筒14与阴极12接触的地方，若是直接接触，则绝缘筒14要承受来自阴极12正常工作时的高温，因而绝缘筒14应选择耐高温材料制作，一般情况下绝缘筒14的筒壁需要耐受的高温区间为800℃～2800℃；若是不直接接触，可以在绝缘筒14小端的端部与阴极12之间夹设金属薄片或隔热片，设置金属薄片可以防止阳离子轰击绝缘筒小端的端部，设置隔热片可以避免绝缘筒前端被阴极高温烧灼。在实际应用时，所述金属薄片或所述隔热片厚度一般小于绝缘筒14小端的端面直径的十分之一。
需要说明的是，绝缘筒14与阴极12要注意保持紧密的接触，以防止形成过大的接触电阻，影响装置的直流电势分布。
参考图2所示，绝缘筒14的大端卡接在阳极11开口处。
对于绝缘筒14与阳极11接触的地方，若绝缘筒14不外伸，阳极11开口处可设置用于绝缘筒14卡接的卡接结构，并设置防止真空泄露的法兰。若绝缘筒14外伸，也需要保证绝缘筒14与阳极11的充分接触，无接触电阻形成。因而无论哪种情况，均需要绝缘筒14大端要封闭或者内部空间填充无间隙的耐高温电阻材料，以防真空泄露。
进一步的，阴极金属引线13与绝缘筒14的筒壁内表面之间存在间隙；所述间隙内填充有耐高温的绝缘材料。这样可以阻止流经绝缘筒14的外表面的直流电流在绝缘筒14中心的阴极金属引线13上存在分量。其中，填充的耐高温的绝缘材料的耐高温区间一般为800℃～2800℃之间，电阻率大于109Ωm。
所述间隙可以是圆锥形、长方形、楔形等，本实用新型实施例对此不做限定。为了绝缘筒14外表面的电势分布相对于阴极金属引线13的轴对称性，较佳的，所述间隙为圆锥形。
绝缘筒14的筒壁材质可以选择电阻率在10Ωm～109Ωm的材料。筒壁材质的厚度根据电阻率来调整，保证筒壁在圆台或棱台两端的整体电阻在合适的范围，以使得流经筒壁的电流I不至于过大，对高压电源负载过大；也不至于太小，对球对称电场的形成不利并容易引起火花放电。一般情况下，绝缘筒14的筒壁的电阻率选择在103Ωm～108Ωm之间即可满足要求。
在实际应用时，对于绝缘筒14的筒壁材料最好选用耐高温(800℃-2800℃)，且低温到高温过程中电阻率变化不大的材料，以方便模拟调整绝缘筒14的形状。
进一步的，沿阳极11的径向方向由外向内，绝缘筒14的筒壁的耐受温度逐渐升高。示例的，绝缘筒14跟阴极12接触的地方可以使用特别耐高温(最高耐受温度2800℃)的氮化硼，远离阴极12的地方使用不那么耐高温的半导体电阻材料。
本实用新型实施例提供的静电约束聚变装置，包括球状的空心阳极，以及设置在阳极内部的球状的阴极，阴极与阳极同心，阴极上连接有伸出阳极的阴极金属引线，阴极金属引线上套设有绝缘筒；绝缘筒为圆台状或棱台状；阳极上具有开口，绝缘筒的小端穿过阳极开口与阴极接触；绝缘筒的大端与阳极开口的边缘接触；绝缘筒对应的圆锥或棱锥的顶点位于阳极的球心；绝缘筒的筒壁的电阻率为1Ωm～109Ωm。相较于现有技术，本实用新型实施例提供的静电约束聚变装置通过将绝缘筒设置为圆台状或棱台状，绝缘筒的小端与阴极接触；绝缘筒的大端与阳极接触，再将绝缘筒对应的圆锥或棱锥的顶点位于阳极的球心，这样可以使得绝缘筒的外表面与阳极径向相切，从而保证阴阳极之间的高压直流电流流经绝缘筒的外表面时，绝缘筒外表面的电场线与绝缘筒外表面相切，这样使得绝缘筒的外表面可以模拟出球对称电场的电势分布，从而保证了阳离子的汇心运动不受影响，进而提升了静电约束聚变装置整体的反应速率；另外，由于绝缘筒外表面起到了导电的作用，这样避免了绝缘筒受到来自真空本身的充放电而发生火花放电现象。
以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种静电约束聚变装置，包括球状的空心阳极，以及设置在所述阳极内部的球状的阴极，所述阴极与所述阳极同心，所述阴极上连接有伸出所述阳极的阴极金属引线，其特征在于，
所述阴极金属引线上套设有绝缘筒；所述绝缘筒为圆台状或棱台状；
所述阳极上具有开口，所述绝缘筒的小端穿过所述阳极开口与所述阴极接触；所述绝缘筒的大端与所述阳极开口的边缘接触；
所述绝缘筒对应的圆锥或棱锥的顶点位于所述阳极的球心；
所述绝缘筒的筒壁的电阻率为1Ωm～109Ωm。
2.根据权利要求1所述的静电约束聚变装置，其特征在于，所述绝缘筒为圆台状，所述绝缘筒对应的圆锥的顶角为10°～50°。
3.根据权利要求2所述的静电约束聚变装置，其特征在于，所述绝缘筒小端的端部与所述阴极之间夹设有金属薄片或隔热片。
4.根据权利要求3所述的静电约束聚变装置，其特征在于，所述金属薄片或所述隔热片厚度小于所述绝缘筒小端的端面直径的十分之一。
5.根据权利要求1所述的静电约束聚变装置，其特征在于，所述阴极金属引线与所述绝缘筒的筒壁内表面之间存在间隙；
所述间隙内填充有耐高温的绝缘材料。
6.根据权利要求1所述的静电约束聚变装置，其特征在于，所述绝缘筒的筒壁的电阻率为103Ωm～108Ωm。
7.根据权利要求1所述的静电约束聚变装置，其特征在于，所述绝缘筒的筒壁耐受的高温区间为800℃～2800℃。
8.根据权利要求7所述的静电约束聚变装置，其特征在于，沿所述阳极的径向方向由外向内，所述绝缘筒的筒壁的耐受温度逐渐升高。
9.根据权利要求1所述的静电约束聚变装置，其特征在于，所述绝缘筒的大端卡接在所述阳极开口处。
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CN111243765A (zh) * 2019-03-04 2020-06-05 中国原子能科学研究院 一种内离子源惯性静电约束聚变装置
RU2736311C1 (ru) * 2019-12-17 2020-11-13 Виктор Сергеевич Клёнов Устройство для удержания заряженных частиц

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