一種對等離子體進行快慢束分離的系統及方法
【專利摘要】本發明公開了一種對等離子體進行快慢束分離的系統，其用于截斷一全等離子體通道中的慢束等離子體束，全等離子體通道包括公共等離子體通道、截斷器通道、快等離子體通道和溜槽線圈，公共等離子體通道、截斷器通道、快等離子體通道和溜槽線圈均設有第一縱向線圈，多個第一縱向線圈在截斷器通道的中心軸線上產生的磁感應強度為B1，其包括：縱向線圈模塊、橫向線圈模塊和脈沖電源模塊，縱向線圈模塊包括兩個第二縱向線圈，兩個第二縱向線圈在截斷器通道的中心軸線上產生的磁感應強度為B2；橫向線圈模塊包括兩個橫向線圈，兩個橫向線圈產生與B2方向垂直的磁感應強度B3；脈沖電源模塊用于為兩個第二縱向線圈和兩個橫向線圈供電。
【專利說明】
-種對等離子體進行快慢束分離的系統及方法
技術領域
[0001] 本發明設及等離子體磁約束領域，具體而言，設及一種對等離子體進行快慢束分 離的系統及方法，實現了對能量較低的慢束等離子體束的截斷。
【背景技術】
[0002] 隨著化石能源日漸枯竭，人類更加迫切尋找可持續使用的新能源。聚變能作為一 種理想能源，具有對環境污染小、燃料儲量豐富等優點。目前，安全利用聚變能主要希望通 過受控慣性約束核聚變和受控磁約束核聚變實現。受控磁約束核聚變是研究熱點，多極磁 阱裝置即為一種受控磁約束核聚變的實驗裝置。
[0003] 多極磁阱磁約束裝置作為非托卡馬克型受控熱核聚變等離子體磁約束的初極研 究裝置，與托卡馬克、仿星器等磁約束裝置相比，具有結構簡單、體積小、成本低、能自動抑 制等離子體的互換不穩定性等優點。通過多組同軸線圈和支架系統構成的多極磁阱系統將 等離子體約束在磁阱系統產生的弱磁場區域，W便達到發生核聚變反應的條件，為后續研 究做準備。
[0004] 目前，為使能量一致的等離子體進入多極磁阱中，等離子體槍產生的等離子體需 要經過全等離子體通道進行輸運和篩選。全等離子體通道包括公共等離子體通道、截斷器 系統、快等離子體通道和溜槽線圈。由于等離子體槍產生的等離子體能量不均勻，導致了等 離子體束中有快束等離子體和慢束等離子體，如果不對慢束等離子體進行截斷，快束等離 子體進入磁阱后，慢束等離子體對磁阱的沖擊，會對磁阱的約束效果及參數的測量產生嚴 重干擾。
[0005] 因此，如何對等離子體束中的慢束等離子體進行截斷，W提高等離子體束能量的 一致性W及后續實驗效果，是本領域技術人員需要解決的一大問題。
【發明內容】
[0006] 本發明提供了一種對等離子體進行快慢束分離的系統，用W截斷等離子體束中的 能量較低的慢束等離子體束。
[0007] 為了達到上述目的，本發明提供了一種對等離子體進行快慢束分離的系統，其用 于截斷一全等離子體通道中的慢束等離子體束，所述全等離子體通道包括公共等離子體通 道、截斷器通道、快等離子體通道和溜槽線圈，對等離子體進行快慢束分離的系統設在截斷 器通道中，公共等離子體通道、截斷器通道、快等離子體通道和溜槽線圈均設有第一縱向線 圈，多個第一縱向線圈均為環狀、相互平行并通有順時針方向電流II，多個第一縱向線圈在 截斷器通道的中屯、軸線上產生的磁感應強度為Bi，其包括:縱向線圈模塊、橫向線圈模塊和 脈沖電源模塊，其中：
[000引所述縱向線圈模塊包括兩個第二縱向線圈，兩個第二縱向線圈均與多個第一縱向 線圈共軸平行并通有逆時針方向電流12,兩個第二縱向線圈在截斷器通道的中屯、軸線上產 生的磁感應強度為B2，B2與Bi大小相等且方向相反；
[0009] 所述橫向線圈模塊包括兩個橫向線圈，兩個橫向線圈的軸線均與截斷器通道的軸 線垂直并通有電流13,兩個橫向線圈W截斷器通道的軸線為對稱軸對稱，兩個橫向線圈產 生與B2方向垂直的磁感應強度B3,慢束等離子體束進入截斷器通道后，在磁感應強度B3的作 用下運動方向發生偏轉并在進入快等離子體通道之前被截斷；
[0010] 所述脈沖電源模塊與所述縱向線圈模塊和所述橫向線圈模塊連接，用于為兩個第 二縱向線圈和兩個橫向線圈供電。
[0011] 在本發明的一實施例中，第二縱向線圈為半徑為65mm的銅質線圈。
[0012] 在本發明的一實施例中，第二縱向線圈的應數為15應且截面積為10mm2。
[0013] 在本發明的一實施例中，兩個第二縱向線圈之間的距離為35mm，并且兩個第二縱 向線圈分別與距離其最近的第一縱向線圈之間的距離為10mm。
[0014] 在本發明的一實施例中，橫向線圈為半徑為55mm的銅質線圈。
[0015] 在本發明的一實施例中，橫向線圈的應數為10應且截面積為10mm2。
[0016] 在本發明的一實施例中，兩個橫向線圈之間的距離為150mm。
[0017] 為了達到上述目的，本發明還提供了一種利用上述對等離子體進行快慢束分離的 系統進行的對等離子體進行快慢束分離的方法，其包括W下步驟：
[0018] S1:等離子體槍與全等離子體通道之間的距離為Lo，W等離子體槍開始發射等離 子體的時間為計時零點to,等離子體束中慢速等離子體束的運動速度為Vs，快束等離子體束 的運動速度為Vf，慢束等離子體束通過Lo所需的時間為TsO,快束等離子體束通過Lo所需時間 為Tfo,其中，
[0021] S2:to時刻后，啟動脈沖電源模塊為兩個第二縱向線圈和兩個橫向線圈供電；
[0022] S3:公共等離子體通道的長度為^，慢束等離子體束通過^的時間為Tsi，快束等離 子體束通過^的時間為Tfi，其中，
[0025] S4:截斷器通道的長度為L2,快束等離子體束通過L2的時間為Tf2,慢束等離子體束 到達截斷器通道后，被截斷器通道完全截斷所需的時間為Ts2,其中，
[0028] S5:在等離子體槍產生等離子體后，為了保證能夠完全將慢束等離子體束截斷，需 要在快束等離子體束通過截斷器通道后啟動對等離子體進行快慢束分離的系統，啟動時刻 tpc滿足W下條件：
[0029] tpc = Tf〇+Tfi+Tf2；
[0030] S6:對等離子體進行快慢束分離的系統的工作時間為Τ。，^將全部慢束等離子體 束截斷，Τ。滿足W下條件：
[0031] Tc>Ts〇+Tsi+Ts2-Tf〇-Tf 廣 Tf2。
[0032] 本發明提供的對等離子體進行快慢束分離的系統能夠實現對慢束等離子體束的 完全截斷，從而提高等離子體束能量的一致性，進而能夠保證后續實驗效果，具有很強的應 用價值。
【附圖說明】
[0033] 為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現 有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可W 根據運些附圖獲得其他的附圖。
[0034] 圖1為全等離子體通道的示意圖；
[0035] 圖2為本發明一實施例的對等離子體進行快慢束分離的系統的示意圖。
[0036] 附圖標記說明：11-公共等離子體通道；12-截斷器通道；13-快等離子體通道；14- 溜槽線圈；21-縱向線圈模塊;22-橫向線圈模塊;23-脈沖電源模塊;A-全等離子體通道。
【具體實施方式】
[0037] 下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于 本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有付出創造性勞動前提下所獲得的所有其他 實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0038] 圖1為全等離子體通道的示意圖，圖2為本發明一實施例的對等離子體進行快慢束 分離的系統的示意圖。如圖所示，本發明提供的對等離子體進行快慢束分離的系統用于截 斷一全等離子體通道A中的慢束等離子體束，全等離子體通道A包括公共等離子體通道11、 截斷器通道12、快等離子體通道13和溜槽線圈14,對等離子體進行快慢束分離的系統設在 截斷器通道12中，公共等離子體通道11、截斷器通道12、快等離子體通道13和溜槽線圈14均 設有第一縱向線圈，多個第一縱向線圈均為環狀、相互平行并通有順時針方向電流II，多個 第一縱向線圈在截斷器通道的中屯、軸線上產生的磁感應強度為Bi，其包括:縱向線圈模塊 21、橫向線圈模塊22和脈沖電源模塊23,其中：
[0039] 縱向線圈模塊21包括兩個第二縱向線圈，兩個第二縱向線圈均與多個第一縱向線 圈共軸平行并通有逆時針方向電流12,兩個第二縱向線圈在截斷器通道的中屯、軸線上產生 的磁感應強度為B2，B2與Bi大小相等且方向相反，B2用于抵消Bi;
[0040] 橫向線圈模塊22包括兩個橫向線圈，兩個橫向線圈的軸線均與截斷器通道的軸線 垂直并通有電流13,兩個橫向線圈W截斷器通道的軸線為對稱軸對稱，兩個橫向線圈產生 與B2方向垂直的磁感應強度B3,慢束等離子體束進入截斷器通道后，在磁感應強度B3的作用 下運動方向發生偏轉并在進入快等離子體通道之前被截斷；
[0041] 脈沖電源模塊23與縱向線圈模塊21和橫向線圈模塊22連接，用于為兩個第二縱向 線圈和兩個橫向線圈供電。
[0042] 需要說明的是，上述提到的電流Ii、l2和13均不做具體限制，其中，12需要根據Ii產 生的磁感應強度Bi的大小進行設置，W使B2能夠完全抵消Bi，l3的大小需要根據等離子體束 中等離子體的運動速度進行設置，W使得磁感應強度B3能夠完全將慢束等離子體束完全截 斷。
[0043] 在一具體實施例中，第二縱向線圈可W選用為半徑為65mm的銅質線圈，應數可W 為15應且截面積為10mm2。另外，兩個第二縱向線圈之間的距離為35mm，并且兩個第二縱向 線圈分別與距離其最近的第一縱向線圈之間的距離為10mm。
[0044] 在一具體實施例中，橫向線圈可W選用為半徑為55mm的銅質線圈，橫向線圈的應 數可W為10應且截面積為10mm2。另外，兩個橫向線圈之間的距離為150mm。
[0045] 本發明還提供了一種利用上述對等離子體進行快慢束分離的系統進行的對等離 子體進行快慢束分離的方法，其包括W下步驟：
[0046] S1:等離子體槍與全等離子體通道之間的距離為Lo，W等離子體槍開始發射等離 子體的時間為計時零點to,等離子體束中慢速等離子體束的運動速度為Vs，快束等離子體束 的運動速度為Vf，慢束等離子體束通過Lo所需的時間為TsO,快束等離子體束通過Lo所需時間 為Tfo,其中，
[0049] S2:to時刻后，啟動脈沖電源模塊為兩個第二縱向線圈和兩個橫向線圈供電，從開 始啟動脈沖電源模塊至產生所需的磁感應強度B2和B3的時間即短，甚至可W忽略不計；
[0050] S3:公共等離子體通道的長度為^，慢束等離子體束通過^的時間為Tsi，快束等離 子體束通過^的時間為Tfi，其中，
[0053] S4:截斷器通道的長度為L2，快束等離子體束通過L2的時間為Tf2，慢束等離子體束 到達截斷器通道后，被截斷器通道完全截斷所需的時間為Ts2,其中，
[0056] S5:在等離子體槍產生等離子體后，為了保證能夠完全將慢束等離子體束截斷，需 要在快束等離子體束通過截斷器通道后啟動對等離子體進行快慢束分離的系統，啟動時刻 tpc滿足W下條件：
[0化7] tpc = Tf〇+Tfi+Tf2；
[0058] S6:對等離子體進行快慢束分離的系統的工作時間為Tc，W將全部慢束等離子體 束截斷，τ。滿足W下條件：
[0059] Te>TsD巧sl+Ts2-TfD-Tf廣Tf2,也就是說，在快束等離子體束離開截斷器通道12后至 慢束等離子體束離開截斷器通道12之前，對等離子體進行快慢束分離的系統時一直工作 的，并且最短工作時間為Tso巧Sl+Ts2-Tf0-Tf廣Tf2。
[0060] 本發明提供的對等離子體進行快慢束分離的系統能夠實現對慢束等離子體束的 完全截斷，從而提高等離子體束能量的一致性，進而能夠保證后續實驗效果，具有很強的應 用價值。
[0061] 本領域普通技術人員可W理解:附圖只是一個實施例的示意圖，附圖中的模塊或 流程并不一定是實施本發明所必須的。
[0062] 本領域普通技術人員可W理解:實施例中的裝置中的模塊可W按照實施例描述分 布于實施例的裝置中，也可W進行相應變化位于不同于本實施例的一個或多個裝置中。上 述實施例的模塊可W合并為一個模塊，也可W進一步拆分成多個子模塊。
[0063] 最后應說明的是：W上實施例僅用W說明本發明的技術方案，而非對其限制;盡管 參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解:其依然可 W對前述實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換;而 運些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明實施例技術方案的精神和范 圍。
【主權項】
1. 一種對等離子體進行快慢束分離的系統，其用于截斷一全等離子體通道中的慢束等 離子體束，所述全等離子體通道包括公共等離子體通道、截斷器通道、快等離子體通道和溜 槽線圈，對等離子體進行快慢束分離的系統設在截斷器通道中，公共等離子體通道、截斷器 通道、快等離子體通道和溜槽線圈均設有第一縱線向圈，多個第一縱向線圈均為環狀、相互 平行并通有順時針方向電流II·，多個第一縱向線圈在截斷器通道的中心軸線上產生的磁感 應強度為也，其特征在于，包括:縱向線圈模塊、橫向線圈模塊和脈沖電源模塊，其中： 所述縱向線圈模塊包括兩個第二縱向線圈，兩個第二縱向線圈均與多個第一縱向線圈 共軸平行并通有逆時針方向電流12,兩個第二縱向線圈在截斷器通道的中心軸線上產生的 磁感應強度為出，8 2與出大小相等且方向相反； 所述橫向線圈模塊包括兩個橫向線圈，兩個橫向線圈的軸線均與截斷器通道的軸線垂 直并通有電流13,兩個橫向線圈以截斷器通道的軸線為對稱軸對稱，兩個橫向線圈產生與B2 方向垂直的磁感應強度B3,慢束等離子體束進入截斷器通道后，在磁感應強度B3的作用下運 動方向發生偏轉并在進入快等離子體通道之前被截斷； 所述脈沖電源模塊與所述縱向線圈模塊和所述橫向線圈模塊連接，用于為兩個第二縱 向線圈和兩個橫向線圈供電。2. 根據權利要求1所述的對等離子體進行快慢束分離的系統，其特征在于，第二縱向線 圈為半徑為65mm的銅質線圈。3. 根據權利要求1所述的對等離子體進行快慢束分離的系統，其特征在于，第二縱向線 圈的匝數為15匝且截面積為10mm2。4. 根據權利要求1所述的對等離子體進行快慢束分離的系統，其特征在于，兩個第二縱 向線圈之間的距離為35mm，并且兩個第二縱向線圈分別與距離其最近的第一縱線向圈之間 的距離為l〇mm。5. 根據權利要求1所述的對等離子體進行快慢束分離的系統，其特征在于，橫向線圈為 半徑為55mm的銅質線圈。6. 根據權利要求1所述的對等離子體進行快慢束分離的系統，其特征在于，橫向線圈的 匝數為10匝且截面積為l〇mm2。7. 根據權利要求1所述的對等離子體進行快慢束分離的系統，其特征在于，兩個橫向線 圈之間的距離為150mm。8. -種利用權利要求1~7任一項所述的對等離子體進行快慢束分離的系統進行的對 等離子體進行快慢束分離的方法，其特征在于，包括以下步驟： S1:等離子體槍與全等離子體通道之間的距離為L〇，以等離子體槍開始發射等離子體的 時間為計時零點to,等離子體束中慢速等離子體束的運動速度為Vs，快束等離子體束的運動 速度為vf，慢束等離子體束通過Lo所需的時間為T sQ，快束等離子體束通過Lo所需時間為Tf 〇， 其中，S2: to時刻后，啟動脈沖電源模塊為兩個第二縱向線圈和兩個橫向線圈供電； S3:公共等離子體通道的長度為U，慢束等離子體束通過。的時間為Tsl，快束等離子體 束通過1^的時間為Tfl，其中，S4:截斷器通道的長度為L2,快束等離子體束通過。的時間為Tf2,慢束等離子體束到達 截斷器通道后，被截斷器通道完全截斷所需的時間為Td，其中，S5:在等離子體槍產生等離子體后，為了保證能夠完全將慢束等離子體束截斷，需要在 快束等離子體束通過截斷器通道后啟動對等離子體進行快慢束分離的系統，啟動時刻tpc滿 足以下條件： tpc = Tf〇+Tfl+Tf2 ； S6:對等離子體進行快慢束分離的系統的工作時間為τ。，以將全部慢束等離子體束截 斷，τ。滿足以下條件： Tc>TsO+Tsl+Ts2-Tf〇-Tfl-Tf2〇
【文檔編號】H05H1/10GK105873345SQ201610428747
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年6月15日
【發明人】金顯吉, 佟為明, 林景波, 李鳳閣, 李中偉, 劉佳坤, 陶寶泉
【申請人】哈爾濱工業大學