一种产生单个球马克等离子体的放电装置制造方法及图纸

一种产生单个球马克等离子体的放电装置，属于磁约束聚变等离子体技术领域。所述的放电装置包括电容组电源、同轴等离子体枪、偏置磁场系统、延时触发系统、脉冲送气系统和真空系统。所述的同轴等离子体枪包括内电极、外电极和半球形钨铜合金块；同轴等离子体枪的外电极上切向开设脉冲送气孔，脉冲送气孔的位置处相应布置脉冲送气系统的电磁阀；内电极端部焊接半球形钨铜合金块。偏置磁场系统的螺线管嵌入同轴等离子体枪的内电极，以提供球马克形成所需要的径向磁场。本实用新型专利技术通过调控气体填充、偏置磁场及放电之间的延时获得单个球马克的技术操作简单、灵活、稳定性高，为核物理研究与实际应用中获得单个球马克等离子体提供了一种简便新途径。

【技术实现步骤摘要】
一种产生单个球马克等离子体的放电装置
本技术属于磁约束聚变等离子体
，涉及一种高速度、约束性能好、单一的球马克等离子体产生的放电装置与方法。
技术介绍
利用磁化同轴等离子体枪产生的球马克或(紧凑环)是一种轴对称磁化的等离子体结构，其中环向磁场和极向磁场均由等离子体电流产生和维持。球马克作为动能、热能、电磁能等多种形式能量的自组织载体，具有超高速、高能量密度、高温度等特性，在天体物理、核物理等研究领域具有广泛的应用。在球马克的实际应用中，(包括反螺旋球马克等离子体碰撞融合产生场反位型等离子体作为磁惯性约束核聚变的磁化靶；采用球马克等离子体对磁约束核聚变与磁化靶聚变加料；以及等离子体驱动下的磁重联研究等)除需要提高等离子体速度、电子密度、温度、约束磁场等特性之外，如何实现单个球马克等离子体喷射同样是一个关键的技术。同轴等离子体枪放电的特点是通过将电容组高压施加在同轴电极之间，工质气体被完全电离，等离子体在自磁力作用下喷射出枪口，具有超高速、高密度、高温度等特点。放电期间枪内等离子体电流片连接内外电极，整个放电回路表现为一个RLC震荡回路，存在多次放电现象。多次放电过程中会产生多团等离子体喷射，而这些等离子体的引入对球马克相关的实验研究和应用产生诸多不利影响。一方面，除一次放电外的其它放电过程加速粒子数较少，等离子体喷射速度较高，易导致球马克存在拖尾而影响其形貌、磁场等特性。同样地，在球马克注料装置中多团等离子体的存在会影响二次加速阶段中枪内电流分布，减小注料效率。另一方面，在反螺旋球马克融合实验及磁重联现象的研究中，多团等离子体的喷射会影响新平衡态的建立与维持过程，严重时直接破坏等离子体融合及磁重联过程。因此，实现单个球马克等离子体产生的技术在相关实验及应用中显得尤为重要。目前实验中常用电流截断和改变回路的方式避免多次放电现象，虽然两种方式均能实现单个球马克等离子体的产生，但需要设计较为复杂的电路匹配。电流截断即额外增加一个接地开关来控制放电的时间，使电流在第一个脉冲结束时进行截断。改变回路是通过匹配电阻、电感、电容等将外回路设置为一“撬放电”回路，使电路处于临界阻尼状态，只有一次电流脉冲。相比于上述两种技术手段，本申请避免了复杂的电路设计过程，对电路要求简单、易于操作与调节，只需要合理的脉冲送气与偏置磁场参数设置、以及时序设计就能获得良好喷射性能的单个球马克等离子体。
技术实现思路
本技术的目的在于不更改回路硬件的基础上，通过调控送气、放电时序，提供一种获得单个球马克等离子体的放电装置及方法。为了实现上述技术目的，本技术提供了以下技术方案：一种产生单个球马克等离子体的放电装置，所述的放电装置包括电容组电源、同轴等离子体枪、偏置磁场系统、延时触发系统、脉冲送气系统和真空系统。所述的电容组电源包括并联的电容组和火花开关，并联的电容组经火花开关后与同轴等离子体枪内电极、外电极相连接，电容组的高压端与内电极相连，低压端与外电极相连，内电极接负高压，外电极接地。所述的同轴等离子体枪包括内电极、外电极和半球形钨铜合金块；所述的脉冲送气系统包括电磁阀和驱动电源，驱动电源为电磁阀供电；同轴等离子体枪的外电极上切向开设脉冲送气孔，提供放电所需的工质气体，脉冲送气孔的位置处相应布置脉冲送气系统的电磁阀；内电极端部焊接半球形钨铜合金块。所述的偏置磁场系统包括螺线管和驱动电源，驱动电源为螺线管供电，螺线管嵌入同轴等离子体枪的内电极，以提供球马克形成所需要的径向磁场。同轴等离子体枪放电产生球马克过程中所需要的定时触发信号均由时间可调的延时触发系统提供。进一步的，设置光电二极管、磁探针阵列、高速相机，用于对单个球马克喷射特性进行表征。一种产生单个球马克等离子体的放电方法，包括以下步骤：第一步，采用机械泵与分子泵组维持真空系统中真空腔室气压为10-3Pa以下。然后给电容组电源、偏置磁场的驱动电源、脉冲送气的驱动电源进行充电。电容组电源充电电压0～20kV连续可调，对应峰值电流0～300kA。偏置磁场大小通过测量其回路电流大小来确定，最大偏置磁通3mWb。进一步的，所述的电容组电源电容为150μF，放电电流脉宽为23.5μs。第二步，采用延时触发系统三路输出分别控制放电。首先触发偏置磁场系统的驱动电源放电，然后触发脉冲送气系统的驱动电源放电，电磁阀快速打开，通过脉冲送气孔向同轴等离子体枪内注入工作气体，间隔一定时间后触发同轴等离子体枪电容组电源放电，产生等离子体喷射。通过控制送气时间使得工作气体填充满整个加速区域，并保证整个加速时间内偏置磁场电流处于最大值附近。与现有技术相比，本技术的有益效果为：同轴等离子体枪放电方式为一种强电流脉冲放电，额外的截断电路与复杂的回路改变等操作相对较难。通过调控气体填充、偏置磁场及放电之间的延时获得单个球马克的技术操作简单、灵活、稳定性高，为核物理研究与实际应用中获得单个球马克等离子体提供了一种简便新途径。附图说明图1磁化同轴等离子体枪放电装置示意图；图2同轴等离子体枪结构设计图；图3延时触发器三路不同延时触发信号；图4同轴等离子体枪形成球马克的操作顺序：(a)偏置磁场场驱动电流，(b)脉冲气体压力，(c)放电电流和电压；图5放电电压、电流及光电流信号；图6球马克环向磁场和极向磁场的径向分布图；图7同轴等离子体枪形成球马克的端面演化图像；图8二次放电等离子体的端面演化图像。具体实施方式以下结合说明书附图对本技术做进一步阐述。一种产生单个球马克等离子体的放电装置(图1所示)，所述的放电装置包括电容组电源、同轴等离子体枪、偏置磁场系统、延时触发系统、脉冲送气系统和真空系统。电容组电源为6个25μF电容并联的电容组，经火花间隙开关后通过同轴电缆与同轴枪内外电极相连接，内电极接负高压，外电极接地。电容充电电压最大20kV，电流脉宽为23.5μs。同轴枪外电极材料为不锈钢，长388mm，内径Φ～83.1mm。内电极为空心铜棒与半球形钨铜焊接而成，长343mm，外径Φ～54.0mm。等离子体环在枪内的加速度长度为328mm。同轴等离子体枪的设计如图2所示，同轴等离子体枪外电极为不锈钢筒，内电极为空心铜棒与半球形钨铜焊接而成，其目的在于避免电流集中在电极头部造成烧蚀影响等离子体纯度。偏置磁场的螺线管嵌入内电极以提供球马克形成所需要的径向磁场。外电极中平面上切向布置两个对称的脉冲送气孔，脉冲送气孔位置处对应设置脉冲送气阀，使注射的中性气体在电极间隙内沿方位方向均匀扩散。为了获得具有强磁场约束的球马克等离子体，固定偏置磁通量为2.7mWb，螺线管中心磁场3.1T。然而，对于球马克的形成，需要满足其形成阈值，因此放电电压控制在11～15kV，对应的放电电流为183～253kA。两个脉冲送气阀由同一驱动电源供电，保证两路送气的同时性。脉冲送气气压从阀口处测得并调节氩气送气质量本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种产生单个球马克等离子体的放电装置，其特征在于，所述的放电装置包括电容组电源、同轴等离子体枪、偏置磁场系统、延时触发系统、脉冲送气系统和真空系统；/n所述的电容组电源包括并联的电容组和火花开关，并联的电容组经火花开关后与同轴等离子体枪内电极、外电极相连接，电容组的高压端与内电极相连，低压端与外电极相连，内电极接负高压，外电极接地；/n所述的同轴等离子体枪包括内电极、外电极和半球形钨铜合金块；所述的脉冲送气系统包括电磁阀和驱动电源，驱动电源为电磁阀供电；同轴等离子体枪的外电极上切向开设脉冲送气孔，提供放电所需的工质气体，脉冲送气孔的位置处相应布置脉冲送气系统的电磁阀；内电极端部焊接半球形钨铜合金块；所述的偏置磁场系统包括螺线管和驱动电源，驱动电源为螺线管供电，螺线管嵌入同轴等离子体枪的内电极，以提供球马克形成所需要的径向磁场；/n同轴等离子体枪放电产生球马克过程中所需要的定时触发信号均由时间可调的延时触发系统提供。/n

【技术特征摘要】
1.一种产生单个球马克等离子体的放电装置，其特征在于，所述的放电装置包括电容组电源、同轴等离子体枪、偏置磁场系统、延时触发系统、脉冲送气系统和真空系统；
所述的电容组电源包括并联的电容组和火花开关，并联的电容组经火花开关后与同轴等离子体枪内电极、外电极相连接，电容组的高压端与内电极相连，低压端与外电极相连，内电极接负高压，外电极接地；
所述的同轴等离子体枪包括内电极、外电极和半球形钨铜合金块；所述的脉冲送气系统包括电磁阀和驱动电源，驱动电源为电磁阀供电；同轴等离子体枪的外电极上切向开设脉冲...

【专利技术属性】
技术研发人员：漆亮文，宋健，赵崇霄，赵繁涛，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：新型
国别省市：辽宁;21