CN114121400B - 一种简化的永磁体仿星器装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种简化的永磁体仿星器装置。该装置采用矩形极向截面真空室容纳等离子体，围绕所述真空室环向均匀分布的矩形平面线圈产生仿星器磁场位型所需环向磁场，以及安装在所述真空室外部、磁化方向指向或背离所述真空室的标准化永磁体模块产生仿星器磁场位型所需极向磁场。本发明极大简化了仿星器装置复杂的线圈系统以及真空室结构，可以显著地降低仿星器的建设难度与成本，因此其拥有较为出色的经济性竞争力，非常适合作为等离子体实验研究装置或者为等离子体应用领域提供高参数等离子体源。

Description

一种简化的永磁体仿星器装置

技术领域

本发明属于磁约束聚变能领域，涉及仿星器物理、工程设计，具体是一种简化的永磁体仿星器装置。

背景技术

仿星器是磁约束聚变研究领域最重要的研究装置类型之一，其通过三维非对称磁场来约束等离子体。然而正是由于其磁场位型的非对称特点，仿星器通常需要使用非常复杂的三维扭曲线圈来产生该磁场。以足够的精度制造、装配复杂的三维线圈，尤其是超导线圈，难度巨大且成本高昂。此外，由于以往线圈设计程序需要在真空室表面(绕组曲面)上进行线圈设计，如果真空室表面与等离子体边界形状类似，比较容易找到简单的线圈，这导致仿星器真空室形状结构非常复杂，因此其加工制造的难度以及成本同样很高。即使近期已经开发出不依赖真空室曲面进行线圈设计的程序，限于线圈本身的复杂形状及其布置方式，其围绕的用于设计真空室的空间依然非常有限，因此对真空室的设计仍然存在较大的限制。

最新研究表明永磁体结合平面线圈可以代替三维扭曲线线圈产生仿星器磁场位型，平面线圈用于产生主要的环向磁场，永磁体用于产生极向磁场以及部分旋转变换。平面线圈具有十分成熟且先进的加工制造工艺，其生产难度和成本远低于复杂的三维扭曲线圈。永磁体价格低廉，无需能量维持，因此，永磁体结合平面线圈的设计可能极大地降低仿星器的建设难度和成本。已公开的专利CN202011636945.4已经基于此概念提出了标准化永磁体设计，这为永磁体仿星器的工程实现奠定了坚实的基础。此外，永磁体可以自由灵活布置的特点极大地增加了仿星器设计的自由度，这为仿星器真空室的简化设计提供了可行性。近期，美国普林斯顿大学正在筹建一台小型永磁体仿星器装置(MUSE)，该装置采用了圆形平面线圈以及圆形极向截面真空室，一定程度上简化了仿星器装置结构。但是布置在其真空室外部的永磁体的分布以及相应的磁体框架结构较为复杂，永磁体的装配精度控制难度也较高。

由于仿星器具备非常多吸引人的优点如稳态运行，无破裂风险以及低再循环能量等，一个工程简单，造价低廉的仿星器装置将会极大地推动仿星器研究的发展，而且，其不仅可以作为等离子体实验研究装置，还可以为等离子体应用领域提供高参数等离子体源。

发明内容

针对仿星器线圈系统，真空室结构复杂的特点，本发明提出了一种简化的永磁体仿星器装置。该装置采用了矩形平面线圈以及标准化永磁体模块用于产生仿星器所需磁场位型，同时采用了矩形极向截面真空室，极大简化了仿星器真空室结构。该发明显著降低了仿星器结构复杂度，可以极大地降低仿星器的建设难度和成本。

一种简化的永磁体仿星器装置，包括用于容纳等离子体的矩形极向截面真空室，标准化永磁体模块和矩形平面线圈；

所述的矩形极向截面真空室为环向对称结构，内侧(高场侧)、外侧(低场侧)形状为曲面，顶部、底部形状为平面；

所述标准化永磁体模块所有磁体块为形状、大小相同的长方体，每一块磁体均沿着垂直于其各自表面的方向均匀磁化；

所述标准化永磁体模块安装在所述矩形极向截面真空室外部，每一列磁体内部不存在空位且同一列内所有磁体块磁化方向相同；

所述标准化永磁体模块磁化方向指向或背离所述矩形极向截面真空室，其中，在所述矩形极向截面真空室顶部或底部，永磁体磁化方向垂直于顶部或底部平面向上或向下，在所述矩形极向截面真空室内侧或外侧，永磁体在不同的环向位置磁化方向垂直于所述矩形极向截面真空室内侧或外侧曲面对应环向位置的切面向内或向外；

所述矩形平面线圈围绕所述矩形极向截面真空室与标准化永磁体模块竖直安放。

进一步的，对于每一个矩形平面线圈，其拐角处存在一定弧度。

进一步的，上述矩形极向截面真空室可根据设计需求将矩形极向截面替换为五边形，六边形、七边形、八边形等规则形状，且对应位置同样可布置所述磁化方向指向或者背离所述真空室的标准化永磁体模块。

进一步的，上述标准化永磁体模块的磁体块形状也可替换为其他规则形状，包括：平行四边形棱柱、三棱柱、梯形棱柱等，这些形状可通过规则长方体形状拆分、组合得到。

进一步的，上述标准化永磁体模块的所有磁体块的剩磁强度可以全部相同，但不同位置的磁体块也可以根据需求选择不同的剩磁强度。

进一步的，所述装置还包括极向场线圈系统，所述极向场线圈系统包括中心螺线管和平衡场线圈；所述中心螺线管设置在所述装置中央；所述平衡场线圈具有一个或多个，设置在所述装置外围。

进一步的，上述永磁体仿星器装置可根据需求选择是否使用辅助系统如上述极向场线圈系统用于等离子体的击穿、加热与位型控制。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明采用了具有矩形极向截面的真空室，极大地简化了现有仿星器复杂的真空室结构，生产加工难度和成本较低。此外规则形状极向截面的真空室非常有利于永磁体布置。

(2)根据该矩形极向截面真空室结构特点，提出了简单的标准化永磁体模块布置方式，该布置方式永磁体块安装的自由度较少，一方面可以显著降低磁体装配精度控制的难度，另一方面也降低了后续装置维护的难度和成本。

(3)矩形平面线圈的采用极大地简化了现有仿星器复杂的三维扭曲线圈系统。作为仿星器装置最重要的系统之一，线圈系统的简化可以极大地降低仿星器建设难度和成本。

(4)矩形极向截面真空室和矩形平面线圈的组合可以在高场侧留出较大的空间用于其他结构的布置，如用于等离子体的击穿、加热与位型控制的极向场线圈系统。

附图说明

图1为本发明所述一种简化的永磁体仿星器装置：

(1)矩形极向截面真空室，(2)标准化永磁体模块，(3)矩形平面线圈，(4)等离子体。此处只展示一半的矩形极向截面真空室(1)、标准化永磁体模块(2)以及矩形平面线圈(3)。

图2为本发明所述标准化永磁体模块网格划分示意图，图中仅展示环向(0，π/6)内永磁体网格。

图3为图2所示环向(0，π/6)内标准化永磁体模块网格划分俯视图。

图4为本发明增加了极向场线圈系统的简化的永磁体仿星器装置：

(1)矩形极向截面真空室，(2)标准化永磁体模块，(3)矩形平面线圈，(4)等离子体，(5)中心螺线管，(6)平衡场线圈。此处只展示一半的矩形极向截面真空室(1)、标准化永磁体模块(2)以及矩形平面线圈(3)。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。

根据本发明的实施例，如图1所示，提出一种简化的永磁体仿星器装置，包括用于容纳等离子体(4)的矩形极向截面真空室(1)，标准化永磁体模块(2)和矩形平面线圈(3)；

所述的矩形极向截面真空室(1)为环向对称结构，内侧(高场侧)、外侧(低场侧)形状为曲面，顶部、底部形状为平面；

所述标准化永磁体模块(2)所有磁体块为形状、大小相同的长方体，每一块磁体均沿着垂直于其各自表面的方向均匀磁化且所有磁体块剩磁强度相同；

所述标准化永磁体模块(2)安装在所述矩形极向截面真空室(1)外部，由磁体块组成的每一列磁体内部不存在空位且同一列内所有磁体块磁化方向相同；

所述标准化永磁体模块(2)磁化方向指向或背离所述矩形极向截面真空室(1)，其中，在所述矩形极向截面真空室(1)顶部或底部，永磁体磁化方向垂直于顶部或底部平面向上或向下，在所述矩形极向截面真空室(1)内侧或外侧，永磁体在不同的环向位置磁化方向垂直于所述矩形极向截面真空室(1)内侧或外侧曲面对应环向位置的切面向内或向外；

所述矩形平面线圈(3)围绕所述矩形极向截面真空室(1)与标准化永磁体模块(2)竖直安放且沿环向均匀分布，对于每一个矩形平面线圈，其拐角处为半径相同的90°圆弧结构。

图2和图3给出了图1所述标准化永磁体模块(2)的初始网格划分，图中仅展示环向(0，π/6)内永磁体网格，其中图2为永磁体网格三维视图，图3为图2俯视图。在所述矩形极向截面真空室(1)顶部、底部，永磁体在以装置中心为原点的笛卡尔坐标系中进行网格划分，磁体块长、宽、高对应边平行于笛卡尔坐标系对应X,Y,Z坐标轴；在所述矩形极向截面真空室(1)内侧、外侧，永磁体在上述以装置中心为原点的笛卡尔坐标系对应大柱坐标系中进行网格划分，对于内侧和外侧磁体，首先分别在各自磁体划分区域径向(R)最小半径位置沿纵向(Z)和环向(Φ)均匀划分一层永磁体网格，然后分别以各自对应的第一层永磁体网格为起点沿径向(R)扩展到各自指定的磁体设计区域边界。

所述标准化永磁体模块(2)具体布置方案根据已公开的专利CN202011636945.4提出的设计策略发展的设计方法在图2和图3给出的初始磁体网格上进行设计。

图1所述矩形极向截面真空室(1)可根据设计需求将矩形极向截面替换为五边形，六边形、七边形、八边形等规则形状，且对应位置同样可布置所述磁化方向指向或者背离所述真空室的标准化永磁体模块(2)。上述标准化永磁体模块(2)的磁体块形状也可替换为其他规则形状，包括：平行四边形棱柱、三棱柱、梯形棱柱等可通过规则长方体形状拆分、组合得到的形状。

此外，图1所示简化永磁体仿星器装置可增加极向场线圈系统用于等离子体的击穿、加热与位型控制，如图4所示，所述极向场线圈系统包括中心螺线管(5)和平衡场线圈(6)。所述中心螺线管(5)设置在所述装置中央，所述平衡场线圈(6)设置在所述装置外围，其数量可根据设计需求调整。

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (5)

1.一种简化的永磁体仿星器装置，包括用于容纳等离子体（4）的矩形极向截面真空室（1）、标准化永磁体模块（2）、以及矩形平面线圈（3），其特征在于：

所述矩形极向截面真空室（1）具有矩形极向截面，且整体为环向对称结构，其内侧、外侧形状为曲面，顶部、底部形状为平面；

所述标准化永磁体模块（2）中的所有磁体块为形状、大小相同的长方体，每一块磁体均沿着垂直于其各自表面的方向均匀磁化；

所述标准化永磁体模块（2）安装在所述矩形极向截面真空室（1）外部，由磁体块构成的每一列磁体内部不存在空位且同一列内所有磁体块磁化方向相同；

所述标准化永磁体模块（2）磁化方向指向或背离所述矩形极向截面真空室（1），其中，在所述矩形极向截面真空室（1）顶部或底部，永磁体磁化方向垂直于顶部或底部平面向上或向下，在所述矩形极向截面真空室（1）内侧或外侧，永磁体在不同的环向位置磁化方向垂直于所述矩形极向截面真空室（1）内侧或外侧曲面对应环向位置的切面向内或向外；

所述矩形平面线圈（3）围绕所述矩形极向截面真空室（1）与标准化永磁体模块（2）竖直安放；

所述矩形平面线圈（3）拐角处存在一定弧度。

2.根据权利要求1所述的一种简化的永磁体仿星器装置，其特征在于：所述矩形极向截面真空室（1）根据设计需求将矩形极向截面替换为五边形，六边形、七边形、八边形规则多边形形状，且对应位置同样布置所述磁化方向指向或者背离所述真空室的标准化永磁体模块。

3.根据权利要求1所述的一种简化的永磁体仿星器装置，其特征在于：所述标准化永磁体模块（2）中磁体块的形状能够替换为其他规则形状，包括：平行四边形棱柱、三棱柱、梯形棱柱，这些形状通过规则长方体形状拆分、组合得到。

4.根据权利要求1所述的一种简化的永磁体仿星器装置，其特征在于：所述标准化永磁体模块（2）中的磁体块的剩磁强度全部相同，但不同位置的磁体块根据设计需求选择不同的剩磁强度。

5.根据权利要求1所述的一种简化的永磁体仿星器装置，其特征在于：

所述装置还包括极向场线圈系统，所述极向场线圈系统包括中心螺线管（5）和平衡场线圈（6）；所述中心螺线管（5）设置在所述装置中央；所述平衡场线圈（6）具有一个或多个，设置在所述装置外围。

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