偏滤器线圈模块及装置

技术领域

涉及等离子体领域，具体涉及电磁系统。

背景技术

当下，能源是制约人类社会发展的重要问题，对聚变能源的探索是人们实现能源自由的 重要途径。偏滤器位形是一种先进的托卡马克放电位形，通过形成磁零点X点避免等离子体 与装置壁限制器的直接接触，降低材料附和和杂质反流。在偏滤器位形下，越过最后一个闭 合磁面的高温等离子体，特别是反应产生的氦灰，会沿磁力线打击在偏滤器靶板，并被真空 系统排出装置。

围绕偏滤器位形存在一系列关键的科学问题，影响和制约高参数聚变装置，特别是未来 商用聚变堆的运行。这类问题包括但不限于：靶板热负荷问题，杂质反流问题，等离子体与 偏滤器作用对芯部输运和约束的影响，排灰排杂技术等。这些物理和工程问题的解决需要大 量细致的实验研究作为基础。

托卡马克等环形装置由于实验参数的可控性和可调节性较差，诊断方法受实验条件和窗 口限制，难以进行精细的可重复实验，特别是众多实验条件的相互耦合影响，无法实现对特 定物理现象和工程技术的测试。此外，现有的环形装置很难达到聚变堆量级长脉冲稳态放电 和高热负荷、粒子附和的实验条件，也限制了针对于偏滤器物理问题的研究进展。

比较而言直线装置在精细物理和工程研究方面有着得天独厚的优势，并已经在研究等离 子体与材料相互作用的问题上有了很大进展。直线装置作为研究这类问题的小型装置，具有 参数可控性强，结果可重复，实验周期短等优势。目前国内的核工业西南物理研究院、中科 院等离子体所、中国科学技术大学、北京航空航天大学、四川大学、哈尔滨工业大学等诸多 单位都已建成针对不同研究方向的直线等离子体装置。国际上代表性的同类装置还有：UCSD 的CSDX，UCLA的LAPD，九州大学的PANTA。

目前直线装置对偏滤器物理和工程的研究主要集中在等离子体与材料相互作用方面，主 要原因在于直线装置由于没有闭合磁力线，等离子体电流较弱，不具备环形装置的偏滤器拓 扑结构和磁场位形。

发明内容

针对现有技术中存在的，目前直线装置对偏滤器物理和工程的研究主要集中在等离子体 与材料相互作用方面，主要原因在于直线装置由于没有闭合磁力线，等离子体电流较弱，不 具备环形装置的偏滤器拓扑结构和磁场位形的问题，本发明提供的技术方案为：

偏滤器线圈模块，所述模块包括：极向场线圈、辅助线圈、偏滤线圈和真空舱室；

所述真空舱室为筒型结构，所述极向场线圈、辅助线圈和偏滤线圈位于所述筒型结构内 部；

所述极向场线圈用于在导通时提供沿所述筒型结构轴线方向的均匀磁场；

所述偏滤线圈用于在导通时提供与所述均匀磁场的方向相反方向上的磁场，且与所述均 匀磁场叠加产生磁零点；

所述辅助线圈用于在导通时提供用于调节所述偏滤器磁场位形结构的磁场。

进一步，提供一个优选实施方式，所述真空舱室为圆筒形结构。

进一步，提供一个优选实施方式，所述极向场线圈包括六组导线，所述六组导线均平行 于所述筒型结构的轴线；定义垂直于所述轴线的平面为投影平面，所述六组导线投射在所述 投影平面上的虚拟图像为正六边形的六个顶点。

根进一步，提供一个优选实施方式，所述六组导线均为单匝线圈。

进一步，提供一个优选实施方式，所述偏滤线圈包括两组导线，所述两组导线均平行于 所述筒型结构的轴线。

进一步，提供一个优选实施方式，所述两组导线均为单匝线圈。

进一步，提供一个优选实施方式，所述辅助线圈包括两组导线，所述两组导线均平行于 所述筒型结构的轴线。

进一步，提供一个优选实施方式，所述两组导线均为单匝线圈。

基于同一发明构思，本发明还提供了偏滤器线圈装置，所述装置包括：主磁场线圈和偏 滤器线圈模块，所述偏滤器线圈模块为所述的偏滤器线圈模块，所述主磁场线圈套接在所述 真空舱室外部。

进一步，提供一个优选实施方式，所述主磁场线圈有五个，且相互平行排布，所述真空 舱室、所述极向场线圈、辅助线圈和偏滤线圈沿所述轴线方向上的长度大于所述主磁场线圈 沿所述轴线方向上的首尾之间距离。

本发明的有益之处在于：

本发明提供的偏滤器线圈装置，首次在直线装置中实现了包含LCFS、X点的完整的偏滤 器磁场位形，解决了原有直线装置磁力线不闭合、磁场结构单一的问题，为进行托卡马克偏 滤器实验研究提供了新的方法。本装置中实现的由主磁场和极向场作用产生的螺线形磁场结 构与托卡马克中的主要区域的磁场结构相近，能够激发漂移波、交换不稳定性、气球模等等 离子体模式，对湍流输运的研究是提高托卡马克约束能力，进而实现可控核聚变技术的关键。 另一方面，装置中实现的完整的可调偏滤器结构能够为研究拓扑性质对等离子体模式、输运 以及约束性能提供了实验条件，对偏滤器靶板杂质输运抑制、燃烧等离子体排灰等聚变工程 问题提供实验依据。这有利于我们针对托卡马克偏滤器问题进行研究，解决托卡马克的约束、 热能沉积、杂质排出等问题。

适合应用于在直线装置上研究偏滤器物理问题的实验平台中。

附图说明

图1为实施方式一提供的偏滤器线圈模块的截面示意图；

图2为实施方式九提供的偏滤器线圈装置的截面示意图；

图3为实施方式九提供的偏滤器线圈装置的主视图；

图4为实施方式九提供的偏滤器线圈装置的磁场结果示意图；

图5为实施方式九提供的偏滤器线圈装置在辅助线圈调节下的磁场结果示意图；

其中图a为开启左侧辅助线圈的状态，图b为开启右侧辅助线圈的状态；

图6为实施方式九提到的偏滤器线圈装置的替代方案的截面示意图；

图7为图6的磁场结果示意图；

图8为图7在辅助线圈调节下的磁场结果示意图；

其中图c为开启左侧辅助线圈的状态，图d为开启右侧辅助线圈的状态；

其中，1表示真空舱室，2表示极向场线圈，3表示辅助线圈，4表示偏滤器线圈，5表示主磁场线圈。

具体实施方式

为使本发明提供的技术方案的优点和有益之处体现得更清楚，现结合附图对本发明提供 的技术方案的进行进一步详细地描述，具体的：

实施方式一、结合图1说明本实施方式，本实施方式提供了偏滤器线圈4模块，所述模 块包括：极向场线圈2、辅助线圈3、偏滤线圈和真空舱室1；

所述真空舱室1为筒型结构，所述极向场线圈2、辅助线圈3和偏滤线圈位于所述筒型 结构内部；

所述极向场线圈2用于在导通时提供沿所述筒型结构轴线方向的均匀磁场；

所述偏滤线圈用于在导通时提供与所述均匀磁场的方向相反方向上的磁场，且与所述均 匀磁场叠加产生磁零点；

所述辅助线圈3用于在导通时提供用于调节所述偏滤器磁场位形结构的磁场。

其中，极向磁场线圈可使用位于中心的直导线替代。该方法可以通过穿过中心的不锈钢 管形成与大气联通的电流通道，可减少导线穿越真空壁的技术难度，同时由于线圈位于大气 环境，无需进行陶瓷喷涂，能够增加电流密度，进一步提升极向磁场强度。但由于中心区域 被线圈占据，无法使用螺旋波等非接触式、高参数、低碰撞的等离子体源，需要使用热阴极 源、电容耦合放电等替代，不适于边缘区湍流的研究、但仍可进行靶板与等离子体相互作用、 刮削层输运的相关研究。

线圈采用无氧铜管喷涂氧化铝陶瓷方法加工，采用等离子体预放电进行清洗，去除挥发 性杂质特别是有机杂质。水冷采用格林接头、线圈引线使用镀锌接头机械压接保证接触特性。 真空电流引线采用梯形氟橡胶轴向密封，通过非标加工获得。电源为定制电源，电源功率为 50KW，额定电流为600A。

实施方式二、结合图1说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一提供的偏滤器线圈 4模块的进一步限定，所述真空舱室1为圆筒形结构。

实施方式三、结合图1说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一提供的偏滤器线圈 4模块的进一步限定，所述极向场线圈2包括六组导线，所述六组导线均平行于所述筒型结 构的轴线；定义垂直于所述轴线的平面为投影平面，所述六组导线投射在所述投影平面上的 虚拟图像为正六边形的六个顶点。

实施方式四、本实施方式是对实施方式三提供的偏滤器线圈4模块的进一步限定，所述 六组导线均为单匝线圈。

实施方式五、结合图1说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一提供的偏滤器线圈 4模块的进一步限定，所述偏滤线圈包括两组导线，所述两组导线均平行于所述筒型结构的 轴线。

实施方式六、本实施方式是对实施方式五提供的偏滤器线圈4模块的进一步限定，所述 两组导线均为单匝线圈。

实施方式七、结合图1说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一提供的偏滤器线圈 4模块的进一步限定，所述辅助线圈3包括两组导线，所述两组导线均平行于所述筒型结构 的轴线。

实施方式八、本实施方式是对实施方式七提供的偏滤器线圈4模块的进一步限定，所述 两组导线均为单匝线圈。

实施方式九、结合图2-8说明本实施方式，本实施方式提供了偏滤器线圈4装置，所述 装置包括：主磁场线圈5和偏滤器线圈4模块，所述偏滤器线圈4模块为实施方式一提供的 偏滤器线圈4模块，所述主磁场线圈5套接在所述真空舱室1外部。

本发明的硬件系统由三部分组成：

第一部分，极向场线圈2。在直线装置上，所述直线装置即为偏滤器线圈4装置，主磁 场线圈5沿纵向直线排列，该线圈开启后能提供沿纵向的均匀磁场。在均匀磁场基础上，加 入极向磁场，使装置产生类似于托卡马克装置中螺旋结构的磁场位形，这需要在装置上加入 纵向的极向场线圈2，提供极向的磁场分量。设计的极向场线圈2主要部分位于真空腔室内， 沿纵向横穿过五组主磁场线圈5。极向场线圈2由六组导线构成，六组导线分别位于边长为 100mm的正六边形的六个顶点上，各组线圈相互平行。线圈组中心，即正六边形中心，位于 主磁场线圈5中心上方140mm，偏向右侧40mm处，六组线圈为左右对称结构，中心左右两边 各三组。单组线圈导线设计使用单匝线圈，最大电流Imax(A)＝600，线圈直径20mm。

第二部分，偏滤器磁场线圈。托卡马克中偏滤器磁场为加入环向电流产生反向磁场与极 向场相叠加产生磁零点，即X点，即偏滤器位形。在直线装置中，偏滤器线圈4设计为纵向 穿过真空腔室，线圈紧贴腔室底部，腔室内的线圈部分与极向场线圈2平行，电流与极向场 线圈2通向。这样可在极向场线圈2与偏滤器线圈4在二者中间部分产生的磁场相反，叠加 后产生偏滤器磁场位形。偏滤器磁场线圈设计为两组导线并行的结构，对称分布在装置中垂 线两边30mm处。偏滤器线圈4单组线圈使用单匝线圈，设计最大电流Imax(A)＝600，线圈直 径24mm。

第三部分，X点调节线圈，即辅助线圈3。偏滤器磁场位形形成后，中心的X点形状和上 下位置主要由极向场线圈2和偏滤器线圈4形状和电流决定，这两组线圈电流较大，用其调 节偏滤器磁场结构相对困难，所以在额定参数下的偏滤器X点两测加入辅助线圈3，用以调 节偏滤器磁场位形结构。辅助线圈3沿纵向穿过直线装置，线圈与极向场线圈2平行，电流 与其相反。辅助线圈3由两组导线构成，两组导线间距为100mm，导线中心在垂直方向距主 线圈中心160mm，横向距中垂线10mm，两导线垂直方向相差15mm。辅助线圈3单组导线设计 使用单匝线圈，设计最大电流Imax(A)＝300，单组线圈直径15mm。

真空大电流引线是作为主磁场线圈5；使用内部水冷铜线圈产生稳定磁场，使用氧化铝 陶瓷喷涂技术进行表面绝缘处理，通过等离子体预放电对氧化铝陶瓷吸附杂质进行清洗。另 外，腔室外导线外部全部包裹屏蔽层，减小杂散场对腔室内磁场影响。在线圈穿越真空壁时 采用轴向绝缘密封，通过氮化硼陶瓷绝缘套筒缓冲瞬时应力，使用梯形氟橡胶保证腔室真空 度及电磁绝缘。

本实施方式提供的偏滤器线圈4装置的目的在于，在直线装置上研究偏滤器物理问题的 实验平台。基于真空绝缘励磁引线技术，通过外加电流产生偏滤器位形的拓扑结构，在直线 装置中首次构造包含最后一个闭合磁面、分形线、X点、偏滤器足点等结构的完整偏滤器位 形，为后续对于偏滤器物理的研究：1.等离子体与靶板相互作用2.偏滤器磁场结构对等离子 体输运影响3.等离子体湍流和相干结构等，提供高效、精准的小型实验平台。

本实施方式的特点之一在于可在直线装置上的偏滤器磁场位形：直线装置产生0-2000高 斯平台长度为2.1m的均匀磁场位形后，再开启极向场线圈2，电流设置为600A，可在均匀磁 场下添加极向场，极向场磁感应强度大小由极向场线圈2向外逐渐减小，在极向场线圈2附 近区域为0.1T左右。而后开启偏滤器磁场线圈，电流设置为600A，产生与极向场线圈2相 反的磁场位形，二者在装置下半区域叠加，产生磁零点，形成偏滤器磁场位形，模拟结果显 示，该位形下偏滤器磁场位形的X点位于主线圈中心下方120mm，偏向右方10mm处。X点位 形与托卡马克装置上的X点位形相似，为非对称的结构。开启辅助线圈3，可影响偏滤器磁 场位形，调节X点长度、宽度和位置，典型的辅助线圈3的三种开启模式：1.左右辅助线圈 3均开启，额定电流为200A，可压缩X点宽度，使X点附近磁力线变密，磁场位形整体拉长；2.仅开启左部辅助线圈3，电流设置为200A，左侧磁场增强，使X点位置向右移动25mm,X点形状也受到影响，左部磁力线弯曲程度大，右侧弯曲小；3.仅开启右部辅助线圈3，电流设置为200A，右侧磁场增强，使X点位置向左移动25mm,X点形状受到影响与序号2相反。上 述各情况为设计中磁场变化的最大值，实现具体的磁场位形可根据需要调节极向场线圈2、偏滤器线圈4及辅助线圈3以达到目标实验参数。

本实施方式特点之二为极向场线圈2的结构设计：在直线装置中用导线横向穿越真空腔 室，以实现在直线装置本身的均匀磁场结构中加入极向场。在该设计下，本装置能够产生类 似于托卡马克装置中的磁场结构，进而与偏滤器线圈4产生的磁场作用产生偏滤器磁场位形， 实现在直线装置上产生偏滤器位形磁场的物理设计。极向场线圈2设计为六组线圈分布于正 六边形的六个顶点上的结构，在六边形外侧可近似认为产生近圆形的极向场磁力线机构，同 时六边形内部形成六级磁场，在中心处形成弱磁场区，便于螺旋波等离子体源、微波源等等 非接触试等离子体源产生和注入。注入的等离子体沿六极场磁力线可绕过极向场线圈2生成 等效的“芯部”等离子体。

本实施方式特点之三为利用偏滤器线圈4及辅助线圈3结构设计实现大范围的参数可调， 偏滤器线圈4采用两组平行的同向线圈组成，铺设在真空腔室底部，可以拓宽X点下部区域 宽度，使偏滤器位形相对合理，为靶板设计预留更宽位置，而且可以减小单根导线的电流参 数。辅助线圈3设计在额定电流下偏滤器位形的X点附近，采用两组线圈设计，二者相距100mm， 既可以调节偏滤器磁场形状，X点的左右位置，也不会影响由主磁场区出来的等离子体。

本实施方式特点之四，真空线圈绝缘和保护设计：此种设计不同于一般的直线装置，横 穿过真空腔室的各组线圈尽可能设计为小直径，减小对实验中等离子体的影响。线圈采用中 心水冷保证在真空绝热环境下大电流导线的长时间稳态运行，通过氧化铝陶瓷喷涂技术实现 线圈与等离子体的绝缘。利用线圈开启时产生环绕的磁场，保护导线不会被等离子体溅射和 过度加热。

其中，图2-3为偏滤器线圈4装置的截面示意图和主视图；外侧五组线圈为主磁场线圈 5，单个线圈截面为156*260mm，孔径g(mm)＝640，线圈使用的导线截面为12*12/Φ8mm，导 线外加1mm绝缘层，每个线圈内导线匝数N＝240。线圈设计最大电流Imax(A)＝600。主磁场线 圈5内部为真空腔室，极向场线圈2、偏滤器线圈4和辅助线圈3在真空腔室内平行穿过， 图中未给出真空腔室两侧壁结构以及极向场线圈2、偏滤器线圈4和辅助线圈3的回线部分。；

外侧区域为主磁场线圈5侧视图，线圈外径为1160mm。内径为640mm。线圈外部为20mm 的DT4材料铁轭包层，内部紧贴着真空腔室。腔室外径为640mm，内径为540mm。图2为腔室内部截面图，图中右上方区域的六个圆形区域为极向场线圈2，线圈由六组导线构成，六组导线轴对称地分布于半径为为85mm的圆上，每相邻的两组线圈间角度为60°，圆心位于主磁场中心上方100mm，偏向右侧40mm处。偏滤器单组线圈设计使用20匝线圈，最大电流Imax(A)＝600，单组线圈直径20mm。腔室底部两个圆形区域为偏滤器磁场线圈，由两组导线构成，线圈紧贴腔室底部，对称分布在中垂线两边30mm处。偏滤器线圈4单组线圈使用 30匝线圈，设计最大电流Imax(A)＝600，单组线圈直径24mm。位于极向场线圈2和偏滤器 线圈4中间的两组圆形区域为辅助线圈3，由两组导线构成，两组导线横向间距为100mm， 两导线中心横向距中心10mm，纵向距中心120mm。辅助线圈3单组设计使用10匝线圈，设 计最大电流Imax(A)＝300，单组线圈直径15mm。线圈开启时，极向场线圈2和偏滤器线圈4 通向，方向向内，辅助线圈3方向向外，这样能够产生可调节的偏滤器磁场位形；

真空腔室长3m，极向场线圈2、偏滤器线圈4和辅助线圈3主要部分位于真空腔室内， 这三类线圈相互平行，横穿过五组主磁场线圈5。

图4为偏滤器线圈4装置磁场结果图，线圈开启偏滤器磁场，在截面上的磁场方向如图 4。图上三分之二区域为主等离子体区，该区域内可以看到极向场线圈2内部的低磁感应强度 区，外部为明显的极向磁场位形，下三分之一区为偏滤器位形区，可以看到清晰的X点位置， 最下部开放的磁力线位置为偏滤器靶板，等离子体由极向场线圈2内部先输运到极向场区， 在经过X点到达偏滤器靶板；

图5中，a、b为辅助线圈3调节下的偏滤器磁场结果，a为开启左侧辅助线圈3，b为开启右侧辅助线圈3，在辅助线圈3的帮助下，极向场区域变化不大，而X点的位置及形状有 明显改变，模拟结果现实X点在左右两侧的可调范围为-20mm到35mm，在位置改变最大处，X 点逼近辅助线圈3，达到物理设计极限。

图6为偏滤器线圈4装置的替代方案的截面示意图；作为替代方案，采用单根极向场线 圈2的设计。与图2不同的是，极向场线圈2位于主磁场线圈5中心上方140mm，偏向右侧40mm处，线圈主要部分位于真空腔室内，横穿过五组主磁场线圈5。线圈回路部分距腔室3m。线圈设计使用120匝线圈，最大电流Imax(A)＝600，单组线圈直径50mm。

图7为替代的偏滤器线圈4装置磁场结果图，线圈开启偏滤器磁场，在截面上的磁场方 向如图7。图上三分之二区域为主等离子体区，线圈外部极向磁场位形仍旧明显，下三分之 一区为偏滤器位形区，可以看到清晰的X点位置，最下部开放的磁力线位置为偏滤器靶板， 等离子体由极向场线圈2内部先输运到极向场区，在经过X点到达偏滤器靶板。

图8中a、b为替代装置辅助线圈3调节下的偏滤器磁场结果，a为开启左侧辅助线圈3， b为开启右侧辅助线圈3，在辅助线圈3的帮助下，极向场区域变化不大，而X点的位置及形 状有明显改变，模拟结果现实X点在左右两侧的可调范围为-10mm到30mm，在位置改变最大 处，X点逼近辅助线圈3，达到物理设计极限。

实施方式十、结合图2-3说明本实施方式，本实施方式是对实施方式九提供的滤器线圈 装置的进一步限定，所述主磁场线圈5有五个，且相互平行排布，所述真空舱室1、所述极 向场线圈2、辅助线圈3和偏滤线圈沿所述轴线方向上的长度大于所述主磁场线圈5沿所述 轴线方向上的首尾之间距离。

以上通过几个具体实施方式对本发明提供的技术方案进行一进步详细地描述，是为了是 本发明提供的技术方案的优点和有益之处体现得更清楚，不过以上所述的几个具体实施方式 并不用于作为对本发明的限制，任何基于本发明的精神和原则范围内的，对本发明的修改和 改进、实施方式的组合和等同替换等，均应当包含在本发明的保护范围之内。