CN213635396U - 一种洛伦兹力驱动的高速等离子体注入装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种洛伦兹力驱动的高速等离子体注入装置，由圆筒状的外电极、中间电极和内电极同轴嵌套而成，包括螺线管、快速充气阀、等离子体击穿区域、成形区、加速区、压缩区和漂移管。本实用新型采用两级电容放电，能将更多的电能转化为等离子体的动能或用来压缩等离子体得到更高的密度。本实用新型产生的环形等离子体同时具有环向磁场和极向磁场，称为紧凑环等离子体，属于球马克的一种。该环形等离子体在预压缩区中可以驰豫到密度更高(～10²²m^‑3)且结构更加紧凑的状态，从而能在很强的电磁力的加速作用下达到很大的速度(～100km/s)。

Description

一种洛伦兹力驱动的高速等离子体注入装置

技术领域

本实用新型涉及电离气体注入装置的技术领域，特别涉及一种洛伦兹力驱动的高速等离子体燃料注入装置。

背景技术

环形磁约束等离子体实验装置(如托卡马克)的运行需要外界补充燃料，传统的燃料注入技术包括弹丸注入、超声分子束注入和补充送气等，它们对燃料粒子的注入速度通常为小于10km/s。由于托卡马克的温度很高达到千万度以上(1千电子伏)，上述技术注入的燃料粒子定向速度较低，在注入穿透过程中会很快消融，只能沉积到反应的边界区域。特别对于大型的托卡马克，如在建的国际热核聚变实验堆(ITER)以及筹备的中国聚变工程实验堆 (CFETR)，它们的温度更高达到一亿度(10千电子伏)，纵向约束磁场强度更大，但是对燃料注入深度的要求却更高，因而上述几种注入技术在目前的注入速度下难以到达实验装置的芯部，无法实现加料要求。

传统的等离子体枪技术利用电磁洛伦兹力来加速等离子体，但由于等离子体成形和加速过程只有一次放电加速，等离子体团出射速度较低。另外工作气体被击穿形成环形等离子体后会立刻被电磁力加速并喷射出去，导致等离子体的结构被拉长，密度较低，甚至破裂成几段，该技术通常只用于材料表面改性和镀膜。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题为：提供一种洛伦兹力驱动的高速等离子体注入装置，主要解决在磁约束聚变等离子体反应堆的燃料注入过程中实现强磁场条件下向中心区域加料的问题。

本实用新型采用的技术方案为：一种洛伦兹力驱动的高速等离子体注入装置，包括内电极支撑管，加速场阴极法兰，加速场阳极法兰，第二绝缘体，电缆线压块，成形场阴极法兰，成形场阳极法兰，第一绝缘体，绝缘套管，真空泵接口，不锈钢外壳，快速充气阀，中间电极筒，螺线管，螺线管支座，成形区外壳，中间电极端筒，第三绝缘体，预压缩区外壳，预压缩区锥体，固定杆，磁探针窗口，玻璃窗口，加速区外壳，加速区内筒，压缩区外壳，压缩区锥体，盖帽，漂移管，支座和支撑架。其中，

不锈钢外壳、成形区外壳、预压缩区外壳、加速区外壳、压缩区外壳和漂移管之间通过法兰环固定和压紧，共同作为装置的外电极并接地；中间电极端筒焊接在中间电极筒的右端，共同作为装置的中间电极；预压缩区锥体、加速区内筒、压缩区锥体和盖帽相互嵌套，共同作为装置的内电极。不锈钢外壳的左端焊接有环形的成形场阳极法兰，中间电极筒的左侧焊接有环形的成形场阴极法兰，两个法兰压紧在环形的第一绝缘体上并用对穿的16根长螺栓固定，使得中间电极与外电极保持同轴。16根长螺栓套在绝缘套管内，螺栓的一端通过螺母与成形场阴极法兰电接触，另一端因位于套管的内部，与成形场阳极法兰绝缘。内电极左侧的预压缩区锥体嵌套在内电极支撑管右端的台阶柱上。固定杆左端通过螺纹旋紧在内电极支撑管的右端，固定杆右端的圆柱压紧在压缩区锥体上，使得相互嵌套的预压缩区锥体、加速区内筒和压缩区锥体之间压紧，并使预压缩区锥体压紧在内电极支撑管右侧的台阶柱上。盖帽旋紧在固定杆右端圆柱的外螺纹上。内电极支撑管的大部分是中空的，以减少重量。内电极支撑管的左侧焊接有环形的加速场阴极法兰，中间电极筒最左端还焊接有环形的加速场阳极法兰，两个法兰压紧在环形的第二绝缘体上并用螺栓固定。内电极支撑管的右侧通过第三绝缘体固定在中间电极端筒内，使得内电极与中间电极同轴，从而外、中、内三个电极保持同轴。

不锈钢外壳与中间电极筒之间区域的右侧是击穿形成等离子体的区域；成形区外壳与中间电极端筒之间以及与预压缩区锥体左侧的柱面之间的区域称为成形区；预压缩区外壳与预压缩区锥体的锥面之间的区域称为预压缩区；加速区外壳与加速区内筒之间的区域称为加速区。压缩区外壳与压缩区锥体、盖帽之间的区域称为压缩区。为抑制等离子体成形、压缩和加速过程中的磁场扩散行为，外电极的成形区外壳、预压缩区外壳、加速区外壳、压缩区外壳以及内电极的预压缩区锥体、加速区内筒、压缩区锥体的材料均为电阻率很小的无氧铜。而焊接在不锈钢中间电极筒右端的中间电极端筒的材料仍为不锈钢，但是中间电极端筒的壁厚较厚(14mm)，以抑制紧凑环等离子体磁场的扩散。

成形场阳极法兰和成形场阴极法兰分别连接成形场电源的正负极，加速场阳极法兰和加速场阴极法兰分别连接加速场电源的正负极。4个法兰上都有沿环向均匀分布的16个接线槽，通过电缆线压块分别压紧同轴电缆线的铜编织层和铜芯，来与电源连接。成形场阴极法兰和加速场阳极法兰都焊接在中间电极筒上，因而加速场电源的正极与成形场电源的负极等电位。在放电的初始时刻，内电极相对于中间电极以及中间电极相对于外电极都是负电压。

在不锈钢外壳的右侧沿环向均匀分布有8个快速充气阀，这些气阀同时进气，使得放电击穿前，工作气体在快速充气阀入口附近扩散均匀。不锈钢外壳的中段下方通过真空泵接口与抽气系统连接。整个外电极通过一组高强度的塑料支座固定在支撑架上并保持水平。支撑架的面板也是绝缘塑料，支撑架的各个金属框架之间也通过塑料板隔开，防止放电的大电流在金属框架间感应出回路电流。

用于产生偏斜磁场的螺线管缠绕在螺线管支柱上，螺线管支柱固定在中间电极筒与内电极支撑管之间的区域。螺线管的铜线直径为2mm，缠绕长度为73cm，共缠绕344圈。螺线管所在区域两端的第二绝缘体和第三绝缘体将螺线管区域密封。螺线管外表面与中间电极筒内侧有一定间隙，在螺线管外表面缠绕绝缘胶带，并在螺线管区域内充入SF₆气体，避免中间电极筒向螺线管放电。螺线管的两根引线由焊接在中间电极筒左侧的两个细管道引出，其他的细管道分别用于监测气压和充放SF₆气体。

首先从真空泵接口抽气，在外电极和中间电极、外电极和内电极之间形成高真空的通道 (～10^-5Pa)。在放电形成等离子体之前，给螺线管通电，螺线管右侧产生的磁场扩散穿过中间电极筒抵达不锈钢外壳的表面，在同轴的两个电极之间形成偏斜磁场。由于中间电极筒的材料是不锈钢且壁厚只有4mm，磁场扩散时间小于1ms。通过选取合适的电源参数，使得螺线管磁场的衰减时间达到几个毫秒，这样在等离子体产生和加速的时间范围内(<100μs)，可以认为螺线管磁场是恒定不变的。螺线管通电的1.4ms后，由安装在不锈钢外壳上的一组快速充气阀在瞬间喷入少量工作气体，当气体在不锈钢外壳和中间电极筒之间扩散一段时间后(约400μs)，不锈钢外壳左端的成形场阳极法兰和中间电极筒左侧的成形场阴极法兰与成形场电源导通，成形场电容放电，放电电流主要沿着螺线管产生的偏斜磁场所在区域击穿气体形成环状的等离子体，成形场阳极法兰接地，成形场阴极法兰是负的高电压(0～-10kV)。

当在不锈钢外壳和中间电极筒之间放电形成环状的等离子体后，流过中间电极筒的电流会在外电极和中间电极之间感应出环向磁场，该环向磁场与径向的击穿电流接近垂直，产生沿轴向(即水平方向)的洛伦兹力将等离子体向右推出，并拖曳螺线管产生的偏斜磁场随等离子体一起前进，进入成形区外壳和中间电极端筒之间狭长的磁通限制区域。当等离子体从该区域右侧逸出进入成形区外壳和预压缩区锥体左侧柱面之间的区域时，由于等离子体通道内半径突然减小，等离子体拖曳的磁场与螺线管磁场发生断联，磁重联后形成等离子体的极向磁场，这样同时具有环向磁场和极向磁场的紧凑环等离子体形成。等紧凑环等离子体驰豫到相对稳定的状态后，内电极支撑管左端的加速场阴极法兰和中间电极筒左端的加速场阳极法兰与加速场电源导通，加速场电容放电，在内电极与外电极之间产生电流。该电流与环向磁场耦合产生洛伦兹力，继续推着紧凑环等离子体向右依次通过预压缩区、加速区和压缩区，最终，紧凑环等离子体在惯性的作用下通过漂移管注入靶装置。预压缩区用来将紧凑环等离子体适当压缩，使其驰豫到一个密度更高、结构更加紧凑和稳定的状态。加速区的作用是进一步加速紧凑环等离子体，使其达到更高的速度。终端压缩区用来进一步压缩紧凑环等离子体，使其可以穿过靶装置的窗口。

在加速区外壳的两端均开有磁探针窗口和玻璃窗口。磁探针窗口用于安装磁探针，测量紧凑环等离子体表面的磁场，对穿的玻璃窗口用于测量电子弦平均密度。加速区两端玻璃窗口的间距为20cm，结合两端玻璃窗口处测得的密度峰值的时间差，可以得到紧凑环等离子体经过加速区的平均速度。

本实用新型与现有技术相比的优点为：

传统等离子体枪只有一次放电过程，在该过程中，放电电流既需要击穿气体形成环状等离子体，又用来加速该等离子体，难以达到高速。本实用新型采用两级电容放电，分别是击穿、成形过程中的成形场电源放电和压缩、加速过程的加速场电源放电。在相同的电路参数下，两级电容放电能将更多的电能转化为等离子体的动能或用来压缩等离子体得到更高的密度。

传统等离子体枪中，等离子体形成后会立刻被洛伦兹力加速推出，导致等离子体被拉长，平均密度较低，甚至破裂成几个部分。本实用新型通过螺线管在等离子体成形区域预先产生一个背景偏斜磁场，当成形场放电电流超过一个阈值时，等离子体才可以克服偏斜场的阻力向前运动进入预压缩区，并拖曳偏斜磁场使其磁重联为等离子体的极向磁场。同时具有环向磁场和极向磁场的等离子体在预压缩区中可以驰豫到密度更高(～10²²m^-3)且结构更加紧凑和稳定的状态，从而能在进一步的加速过程中不易破裂，保持相对完整的结构，维持了核心区域的较高密度。

综上，相比传统等离子体枪以及其他等离子体注入技术，本实用新型产生的等离子体具有更高的密度(10²¹-10²²m^-3)和更快的速度(～100km/s)，即具有更大的定向动能密度，从而能克服靶装置(如大型tokamak)的强磁场排斥作用注入到芯部区域。

附图说明

图1为本实用新型一种洛伦兹力驱动的高速等离子体注入装置。

图2为工作气体为氦气时的典型放电波形图。

图3为工作气体为氢气时的典型放电波形图。

图中附图标记含义为：1-内电极支撑管。2-加速场阴极法兰。3-加速场阳极法兰。4-第二绝缘体。5-电缆线压块。6-成形场阴极法兰。7-成形场阳极法兰。8-第一绝缘体。9-绝缘套管。10-真空泵接口。11-不锈钢外壳。12-快速充气阀。13-中间电极筒。14-螺线管。15-螺线管支座。16-成形区外壳。17-中间电极端筒。18-第三绝缘体。19-预压缩区外壳。20-预压缩区锥体。21-固定杆。22-磁探针窗口。23-玻璃窗口。24-加速区外壳。25-加速区内筒。26- 压缩区外壳。27-压缩区锥体。28-盖帽。29-漂移管。30-支座。31-支撑架。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本实用新型。

如图1所示，本实用新型一种洛伦兹力驱动的高速等离子体注入装置，包括：内电极支撑管1，加速场阴极法兰2，加速场阳极法兰3，第二绝缘体4，电缆线压块5，成形场阴极法兰6，成形场阳极法兰7，第一绝缘体8，绝缘套管9，真空泵接口10，不锈钢外壳11，快速充气阀12，中间电极筒13，螺线管14，螺线管支座15，成形区外壳16，中间电极端筒 17，第三绝缘体18，预压缩区外壳19，预压缩区锥体20，固定杆21，磁探针窗口22，玻璃窗口23，加速区外壳24，加速区内筒25，压缩区外壳26，压缩区锥体27，盖帽28，漂移管29，支座30和支撑架31。其中：

不锈钢外壳11、成形区外壳16、预压缩区外壳19、加速区外壳24、压缩区外壳26 和漂移管29之间通过法兰环固定和压紧，共同作为装置的外电极并接地；中间电极端筒17焊接在中间电极筒13的右端，共同作为装置的中间电极；预压缩区锥体20、加速区内筒25、压缩区锥体27和盖帽28相互嵌套，共同作为装置的内电极。不锈钢外壳 11的左端焊接有环形的成形场阳极法兰7，中间电极筒13的左侧焊接有环形的成形场阴极法兰6，两个法兰压紧在环形的第一绝缘体8上并用对穿的16根长螺栓固定，使得中间电极与外电极保持同轴。16根长螺栓套在绝缘套管9内，螺栓的一端通过螺母与成形场阴极法兰6电接触，另一端因位于绝缘套管9的内部，与成形场阳极法兰7绝缘。内电极左侧的预压缩区锥体20嵌套在内电极支撑管1右端的台阶柱上。固定杆21左端通过螺纹旋紧在内电极支撑管1的右端，固定杆21右端的圆柱压紧在压缩区锥体27上，使得相互嵌套的预压缩区锥体20、加速区内筒25和压缩区锥体27之间压紧，并使预压缩区锥体20压紧在内电极支撑管1右侧的台阶柱上。盖帽28旋紧在固定杆21右端圆柱的外螺纹上。内电极支撑管1的大部分是中空的，以减少重量。内电极支撑管1的左侧焊接有环形的加速场阴极法兰2，中间电极筒最左端还焊接有环形的加速场阳极法兰 3，两个法兰压紧在环形的第二绝缘体4上并用螺栓固定。内电极支撑管1的右侧通过第三绝缘体18固定在中间电极端筒17内，使得内电极与中间电极同轴，从而外、中、内三个电极保持同轴。

不锈钢外壳11与中间电极筒13之间区域的右侧是击穿形成等离子体的区域；成形区外壳16与中间电极端筒17之间以及与预压缩区锥体20左侧的柱面之间的区域称为成形区；预压缩区外壳19与预压缩区锥体20的锥面之间的区域称为预压缩区；加速区外壳24与加速区内筒25之间的区域称为加速区；压缩区外壳26与压缩区锥体27、盖帽28之间的区域称为压缩区。为抑制等离子体成形、压缩和加速过程中的磁场扩散行为，外电极的成形区外壳16、预压缩区外壳19、加速区外壳24、压缩区外壳26以及内电极的预压缩区锥体20、加速区内筒25、压缩区锥体27的材料均为电阻率很小的无氧铜。而焊接在不锈钢中间电极筒13右端的中间电极端筒17的材料仍为不锈钢，但是中间电极端筒17的壁厚较厚(14mm)，以抑制紧凑环等离子体磁场的扩散。

成形场阳极法兰7和成形场阴极法兰6分别连接成形场电源的正负极。加速场阳极法兰3和加速场阴极法兰2分别连接加速场电源的正负极。4个法兰上都有沿环向均匀分布的16个接线槽，通过电缆线压块5分别压紧同轴电缆线的铜编织层和铜芯，来与电源连接。成形场阴极法兰6和加速场阳极法兰3都焊接在中间电极筒上13，因而加速场电源的正极与成形场电源的负极等电位。在放电的初始时刻，内电极相对于中间电极以及中间电极相对于外电极都是负电压。

在不锈钢外壳11的右侧沿环向均匀分布有8个快速充气阀12，这些气阀同时进气，使得放电击穿前，工作气体在快速充气阀12入口附近扩散均匀。不锈钢外壳11的中段下方通过真空泵接口10与抽气系统连接。整个外电极通过一组高强度的塑料支座30固定在支撑架31上并保持水平。支撑架31的面板也是绝缘塑料，支撑架31的各个金属框架之间也通过塑料板隔开，防止放电的大电流在金属框架间感应出回路电流。

用于产生偏斜磁场的螺线管14缠绕在螺线管支座15上，螺线管支座15固定在中间电极筒13与内电极支撑管1之间的区域。螺线管14的铜线直径为2mm，缠绕长度为73cm，共缠绕344圈。螺线管14所在区域两端的第二绝缘体4和第三绝缘体18将螺线管14区域密封。螺线管14外表面与中间电极筒13内侧有一定间隙，在螺线管14外表面缠绕绝缘胶带，并在螺线管14区域内充入SF₆气体，避免中间电极筒13向螺线管14放电。螺线管14 的两根引线由焊接在中间电极筒13左侧的两个细管道引出，其他的细管道分别用于监测气压和充放SF₆气体。

本装置的运行原理如下：

首先从真空泵接口10抽气，在外电极和中间电极、外电极和内电极之间形成高真空的通道(～10^-5Pa)。在放电形成等离子体之前，给螺线管14通电，螺线管14右侧产生磁场扩散穿过中间电极筒13抵达不锈钢外壳11的表面，在同轴的两个电极之间形成偏斜磁场。由于中间电极筒13的材料是不锈钢且壁厚只有4mm，磁场扩散时间小于1ms。通过选取合适的电源参数，使得螺线管14磁场的衰减时间达到几个毫秒，这样在等离子体产生和加速的时间范围内(<100μs)，可以认为螺线管14磁场是恒定不变的。螺线管14通电的1.4ms 后，由安装在不锈钢外壳11上的一组快速充气阀12在瞬间喷入少量工作气体，当气体在不锈钢外壳11和中间电极筒13之间扩散一段时间后(约400μs)，不锈钢外壳11左端的成形场阳极法兰7和中间电极筒13左侧的成形场阴极法兰6与成形场电源导通，成形场电容放电，放电电流主要沿着螺线管14产生的偏斜磁场所在区域击穿气体形成环状的等离子体。成形场阳极法兰7接地，成形场阴极法兰6是负的高电压(0～-10kV)。

当在不锈钢外壳11和中间电极筒13之间放电形成环状的等离子体后，流过中间电极筒 13的电流会在外电极和中间电极之间感应出环向磁场，该环向磁场与径向的击穿电流接近垂直，产生沿轴向(即水平方向)的洛伦兹力将等离子体向右推出，并拖曳螺线管14产生的偏斜磁场随等离子体一起前进，进入成形区外壳16和中间电极端筒17之间狭长的磁通限制区域。当等离子体从该区域右侧逸出进入成形区外壳16和预压缩区锥体20左侧柱面之间的区域时，由于等离子体通道内半径突然减小，等离子体拖曳的磁场与螺线管14磁场发生断联，磁重联后形成等离子体的极向磁场，这样同时具有环向磁场和极向磁场的紧凑环等离子体形成。等紧凑环等离子体驰豫到相对稳定的状态后，内电极支撑管1左端的加速场阴极法兰2和中间电极筒13左端的加速场阳极法兰3与加速场电源导通，加速场电容放电，在内电极与外电极之间产生电流。该电流与环向磁场耦合产生洛伦兹力，继续推着紧凑环等离子体向右依次通过预压缩区、加速区和压缩区，最终，紧凑环等离子体在惯性的作用下通过漂移管注入靶装置。预压缩区用来将紧凑环等离子体适当压缩，使其驰豫到一个密度更高、结构更加紧凑和稳定的状态。加速区的作用是进一步加速紧凑环等离子体，使其达到更高的速度。终端压缩区用来进一步压缩紧凑环等离子体，使其可以穿过靶装置的窗口。

在加速区外壳24的两端均开有磁探针窗口22和玻璃窗口23。磁探针窗口22用于安装磁探针，测量紧凑环等离子体表面的磁场，对穿的玻璃窗口23用于测量电子弦平均密度。加速区两端玻璃窗口的间距为20cm，结合两端玻璃窗口处测得的密度峰值的时间差，可以得到紧凑环等离子体经过加速区的平均速度。

图2为使用氦气作为工作气体进行的一次放电实验。设置成形场放电电压为5kV，加速场放电电压为4kV，成形场电源的电容为64μF，加速场电源的电容为100μF。首先，给螺线管通电产生2mWb的偏斜磁场，等待1600μs后，螺线管磁场处于峰值附近，此时8个气阀同时进气。待气体扩散400μs后，成形场电源放电。图2(a)为成形场放电电流随时间的演化，峰值电流可达80kA。图2(b)为加速场放电电流随时间的演化，峰值电流为30kA。由于加速场电路的总电感要高于成形场电路的总电感，由图2(a)、图2(b)可知加速区电流的震荡周期(约80μs)高于成形区电流的整荡周期(约30μs)。图2(c)为加速区第一个窗口测得的电子弦平均密度，中心处的电子密度接近4×10²¹m^-3。图2(d)、图2(e)分别为加速区2 个窗口处测得的环向磁场强度，由两个窗口的距离(0.2m)和两个磁场波形的时间差(约4μs)，可得等离子体的定向速度达到了50km/s。等离子体沿轴向的长度约为25cm，通过对密度波形的积分，可得单次注入的总粒子数约为9×10¹⁸。

图3为使用氢气作为工作气体的一次放电实验。设置成形场和加速场电源放电电压均为 6kV，成形场和加速场电源的电容分别为64μF和100μ。首先，给螺线管通电产生2.5mWb 的偏斜磁场，等待1600μs后，螺线管磁场处于峰值附近，此时8个气阀同时进气。待气体扩散360μs后，成形场电源放电。图3(a)图为成形场放电电流随时间的演化，峰值电流可达 100kA。图3(b)为加速场放电电流随时间的演化，峰值电流为80kA。图3(c)为加速区第一个玻璃窗口测得的电子弦平均密度，峰值为1.8×10²¹m^-3。图3(d)为加速区第二个玻璃窗口测得的密度，峰值为1.1×10²¹m^-3，由两个窗口的距离(0.2m)和两个磁场波形的时间差(约2μs)，可得等离子体的平均速度达到100km/s。分别计算两个密度波形在半高宽时间内的积分，可得两个窗口处测得粒子数分别为1.0×10¹⁹个和0.94×10¹⁹个，对应的氢等离子体质量分别为16.7μg和15.7μg，传输过程的衰减幅度较小。

Claims (2)

1.一种洛伦兹力驱动的高速等离子体注入装置，其特征在于：包括内电极支撑管(1)，加速场阴极法兰(2)，加速场阳极法兰(3)，第二绝缘体(4)，电缆线压块(5)，成形场阴极法兰(6)，成形场阳极法兰(7)，第一绝缘体(8)，绝缘套管(9)，真空泵接口(10)，不锈钢外壳(11)，快速充气阀(12)，中间电极筒(13)，螺线管(14)，螺线管支座(15)，成形区外壳(16)，中间电极端筒(17)，第三绝缘体(18)，预压缩区外壳(19)，预压缩区锥体(20)，固定杆(21)，磁探针窗口(22)，玻璃窗口(23)，加速区外壳(24)，加速区内筒(25)，压缩区外壳(26)，压缩区锥体(27)，盖帽(28)，漂移管(29)，支座(30)和支撑架(31)，其中，

不锈钢外壳(11)、成形区外壳(16)、预压缩区外壳(19)、加速区外壳(24)、压缩区外壳(26)和漂移管(29)之间通过法兰环固定和压紧，共同作为装置的外电极并接地；中间电极端筒(17)焊接在中间电极筒(13)的右端，共同作为装置的中间电极；预压缩区锥体(20)、加速区内筒(25)、压缩区锥体(27)和盖帽(28)相互嵌套，共同作为装置的内电极；不锈钢外壳(11)的左端焊接有环形的成形场阳极法兰(7)，中间电极筒(13)的左侧焊接有环形的成形场阴极法兰(6)，两个法兰压紧在环形的第一绝缘体(8)上并用对穿的16根长螺栓固定，使得中间电极与外电极保持同轴；16根长螺栓套在绝缘套管(9)内，螺栓的一端通过螺母与成形场阴极法兰(6)电接触，另一端因位于绝缘套管(9)的内部，与成形场阳极法兰(7)绝缘；内电极左侧的预压缩区锥体(20)嵌套在内电极支撑管(1)右端的台阶柱上；固定杆(21)左端通过螺纹旋紧在内电极支撑管(1)的右端，固定杆(21)右端的圆柱压紧在压缩区锥体(27)上，使得相互嵌套的预压缩区锥体(20)、加速区内筒(25)和压缩区锥体(27)之间压紧，并使预压缩区锥体(20)压紧在内电极支撑管(1)右侧的台阶柱上；盖帽(28)旋紧在固定杆(21)右端圆柱的外螺纹上；内电极支撑管(1)的大部分是中空的，以减少重量；内电极支撑管(1)的左侧焊接有环形的加速场阴极法兰(2)，中间电极筒最左端还焊接有环形的加速场阳极法兰(3)，两个法兰压紧在环形的第二绝缘体(4)上并用螺栓固定；内电极支撑管(1)的右侧通过第三绝缘体(18)固定在中间电极端筒(17)内，使得内电极与中间电极同轴，从而外、中、内三个电极保持同轴；

不锈钢外壳(11)与中间电极筒(13)之间区域的右侧是击穿形成等离子体的区域；成形区外壳(16)与中间电极端筒(17)之间以及与预压缩区锥体(20)左侧的柱面之间的区域称为成形区；预压缩区外壳(19)与预压缩区锥体(20)的锥面之间的区域称为预压缩区；加速区外壳(24)与加速区内筒(25)之间的区域称为加速区；压缩区外壳(26)与压缩区锥体(27)、盖帽(28)之间的区域称为压缩区；为抑制等离子体成形、压缩和加速过程中的磁场扩散行为，外电极的成形区外壳(16)、预压缩区外壳(19)、加速区外壳(24)、压缩区外壳(26)以及内电极的预压缩区锥体(20)、加速区内筒(25)、压缩区锥体(27)的材料均为电阻率很小的无氧铜；而焊接在不锈钢中间电极筒(13)右端的中间电极端筒(17)的材料仍为不锈钢，但是中间电极端筒(17)的壁厚较厚(14mm)，以抑制紧凑环等离子体磁场的扩散；

成形场阳极法兰(7)和成形场阴极法兰(6)分别连接成形场电源的正负极；加速场阳极法兰(3)和加速场阴极法兰(2)分别连接加速场电源的正负极；4个法兰上都有沿环向均匀分布的16个接线槽，通过电缆线压块(5)分别压紧同轴电缆线的铜编织层和铜芯，来与电源连接；成形场阴极法兰(6)和加速场阳极法兰(3)都焊接在中间电极筒上(13)，因而加速场电源的正极与成形场电源的负极等电位；在放电的初始时刻，内电极相对于中间电极以及中间电极相对于外电极都是负电压；

在不锈钢外壳(11)的右侧沿环向均匀分布有8个快速充气阀(12)，这些气阀同时进气，使得放电击穿前，工作气体在快速充气阀(12)入口附近扩散均匀；不锈钢外壳(11)的中段下方通过真空泵接口(10)与抽气系统连接；整个外电极通过一组高强度的塑料支座(30)固定在支撑架(31)上并保持水平；支撑架(31)的面板也是绝缘塑料，支撑架(31)的各个金属框架之间也通过塑料板隔开，防止放电的大电流在金属框架间感应出回路电流；

用于产生偏斜磁场的螺线管(14)缠绕在螺线管支座(15)上，螺线管支座(15)固定在中间电极筒(13)与内电极支撑管(1)之间的区域；螺线管(14)的铜线直径为2mm，缠绕长度为73cm，共缠绕344圈；螺线管(14)所在区域两端的第二绝缘体(4)和第三绝缘体(18)将螺线管(14)区域密封；螺线管(14)外表面与中间电极筒(13)内侧有一定间隙，在螺线管(14)外表面缠绕绝缘胶带，并在螺线管(14)区域内充入SF₆气体，避免中间电极筒(13)向螺线管(14)放电；螺线管(14)的两根引线由焊接在中间电极筒(13)左侧的两个细管道引出，其他的细管道分别用于监测气压和充放SF₆气体。

2.根据权利要求1所述的一种洛伦兹力驱动的高速等离子体注入装置，其特征在于：首先从真空泵接口(10)抽气，在外电极和中间电极、外电极和内电极之间形成高真空～10^-5Pa的通道；在放电形成等离子体之前，给螺线管(14)通电，螺线管(14)右侧产生的磁场扩散穿过中间电极筒(13)抵达不锈钢外壳(11)的表面，在同轴的两个电极之间形成偏斜磁场；由于中间电极筒(13)的材料是不锈钢且壁厚只有4mm，磁场扩散时间小于1ms；通过选取电源参数，使得螺线管(14)磁场的衰减时间达到几个毫秒，这样在等离子体产生和加速的时间范围内，<100μs，可以认为螺线管(14)磁场是恒定不变的；螺线管(14)通电的1.4ms后，由安装在不锈钢外壳(11)上的一组快速充气阀(12)在瞬间喷入少量工作气体，当气体在不锈钢外壳(11)和中间电极筒(13)之间扩散一段时间后，约400μs，不锈钢外壳(11)左端的成形场阳极法兰(7)和中间电极筒(13)左侧的成形场阴极法兰(6)与成形场电源导通，成形场电容放电，放电电流主要沿着螺线管(14)产生的偏斜磁场所在区域击穿气体形成环状的等离子体，成形场阳极法兰(7)接地，成形场阴极法兰(6)是负的高电压(0～-10kV)；

当在不锈钢外壳(11)和中间电极筒(13)之间放电形成环状的等离子体后，流过中间电极筒(13)的电流会在外电极和中间电极之间感应出环向磁场，该环向磁场与径向的击穿电流接近垂直，产生沿轴向(即水平方向)的洛伦兹力将等离子体向右推出，并拖曳螺线管(14)产生的偏斜磁场随等离子体一起前进，进入成形区外壳(16)和中间电极端筒(17)之间狭长的磁通限制区域；当等离子体从该区域右侧逸出进入成形区外壳(16)和预压缩区锥体(20)左侧柱面之间的区域时，由于等离子体通道内半径突然减小，等离子体拖曳的磁场与螺线管(14)磁场发生断联，磁重联后形成等离子体的极向磁场，这样同时具有环向磁场和极向磁场的紧凑环等离子体形成；等紧凑环等离子体驰豫到相对稳定的状态后，内电极支撑管(1)左端的加速场阴极法兰(2)和中间电极筒(13)左端的加速场阳极法兰(3)与加速场电源导通，加速场电容放电，在内电极与外电极之间产生径向电流；该电流与环向磁场耦合产生洛伦兹力，继续推着紧凑环等离子体向右依次通过预压缩区、加速区和压缩区，最终，紧凑环等离子体在惯性的作用下通过漂移管注入靶装置；预压缩区用来将紧凑环等离子体适当压缩，使其驰豫到一个密度更高、结构更加紧凑和稳定的状态，加速区的作用是进一步加速紧凑环等离子体，使其达到更高的速度，终端压缩区用来进一步压缩紧凑环等离子体，使其可以穿过靶装置的窗口；

在加速区外壳(24)的两端均开有磁探针窗口(22)和玻璃窗口(23)；磁探针窗口(22)用于安装磁探针，测量紧凑环等离子体表面的磁场，对穿的玻璃窗口(23)用于测量电子弦平均密度；加速区两端玻璃窗口的间距为20cm，结合两端玻璃窗口处测得的密度峰值的时间差，可以得到紧凑环等离子体经过加速区的平均速度。

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