一種多極磁阱等離子體磁約束裝置的時序控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及等離子體磁約束領域，具體為一種多極磁阱等離子體磁約束裝置的時 序控制方法，給出了多極磁阱磁約束裝置各個子系統之間的時序控制模型，從而保證了多 極磁阱等離子體磁約束裝置中等離子體的產生、輸運和等離子體磁約束等一系列工作的正 常運行。
【背景技術】
[0002] 隨著能源問題的日益突出，開發安全可靠、高效清潔的新能源迫在眉睫。受控核聚 變作為一種理想的清潔能源，在燃料儲量和安全性方面有著巨大的優勢。目前，受控核聚變 主要有兩個研究方向：慣性約束和磁約束。其中磁約束核聚變是研究熱點，其代表性的磁約 束裝置有托卡馬克和仿星器。
[0003] 多極磁阱磁約束裝置作為一種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、可控性好、能 自動抑制等離子體的互換不穩定性等優點。它由等離子體槍系統、全等離子體通道系統和 多極磁阱系統組成。多極磁阱磁約束裝置位于等離子體內部，它是利用最小B原理實現對 等離子體的約束。
[0004] 目前，大多數磁約束裝置的控制都是以脈沖方式進行的，為了成功的進行等離子 體磁約束，所有參與實驗的子系統和設備必須同步運行。這就意味著需要一個精確的時序 控制系統，一個可靠的時序控制系統應該是根據磁約束裝置中的各個子系統的工作啟動時 刻和工作時間來確定的。而磁約束裝置中現有的時序控制系統并沒有詳細分析各個子系統 的時序控制算法，只是通過多次實驗確定各子系統的時序參數，各個子系統之間的時序信 號匹配性差、可靠性低。
[0005] 在這種背景下，我們提出了一種多極磁阱等離子體磁約束裝置的時序控制方法， 給出了多極磁阱磁約束裝置的各個子系統之間的時序控制模型，從而保證多極磁阱等離子 體磁約束裝中等離子體的產生、輸運和等離子體磁約束等一系列工作過程的正常運行，保 證了多極磁阱等離子體磁約束裝置的實時性和可靠性。

【發明內容】

[0006] 本發明的主要目的在于提供了一種多極磁阱等離子體磁約束裝置的時序控制方 法。該方法能保證多極磁阱等離子體磁約束裝置中等離子體的產生、輸運和等離子體磁約 束等一系列工作過程的正常運行，提高多極磁阱等離子體磁約束裝置的實時性和可靠性。
[0007] 為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案為：一種多極磁阱等離子體磁約束 裝置的時序控制方法的步驟包括：
[0008] 步驟1 :等離子體槍系統的時序控制。等離子體是由脈沖供氣電磁閥和氣體電離 電極組成。設等離子體槍的工作起始時刻為tpg。，脈沖供氣電磁閥的工作時間為T pgl，工作起 始時刻為tpgl，氣體電離電極的工作時間為Tpg2，工作起始時刻為t pgl。
[0009] 步驟2 :全等離子體通道系統時序控制。全等離子體通道包括公共等離子體通道 系統、快等離子體通道系統、截斷器系統和溜槽線圈系統。全等離子體通道工作的時間記為 Tp。，全等離子體通道工作的時間Tp。包含四部分：一是等離子槍和全等離子體通道工作的起 始時刻差At 1;二是等離子體通過全等離子體通道的時間Tpt，其起始時刻記為tp。。;三是溜 槽線圈系統的工作時間T pl，其啟動時刻記為tpl。。四是截斷器系統的工作時間Tpi，其啟動 時刻記為t pi。。
[0010] 步驟3 :多極磁阱系統時序控制。多極磁阱系統由盲鰻線圈、補償線圈和螺線管線 圈組成，各個線圈相互串聯，由一個脈沖電源系統供電產生磁阱磁場位形。磁阱工作的起始 時刻記為I t。，磁阱工作的時間記為Tnit，磁阱工作的時間Tnit包含三部分：一是磁阱和全等離 子體通道工作的起始時刻差At 2;二是等離子體注入的時間Tpi;三是等離子體的約束時間 Tnc。
[0011]與現有的技術相比，本發明計算多極磁阱等離子體磁約束裝置中各個子系統的工 作啟動時刻和工作時間結果精度高，保證了多極磁阱等離子體磁約束裝置中各個子系統之 間的同步性，提高了多極磁阱等離子體磁約束裝置的實時性和可靠性。
【附圖說明】
[0012] 圖1是本發明所述的多極磁阱磁約束裝置結構示意圖
[0013] 圖2是本發明所述的一種多極磁阱磁約束裝置的時序控制算法流程圖
【具體實施方式】
[0014] 下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明的原理和特征進行清楚、完整地描 述，顯然，所描述的實施例只用于解釋本發明，并非用于限定本發明的范圍。
[0015] 如圖1所示，本發明所述的多極磁阱磁約束裝置由等離子體槍系統11、全等離子 體通道系統12和多極磁阱系統13三部分組成。等離子體槍系統11由脈沖供氣電磁閥模 塊a和氣體電離電極模塊b組成，負責工質氣體輸送和電離。全等離子體通道系統12由公 共等離子體通道模塊c、截斷器模塊d、快等離子體通道模塊e和溜槽線圈模塊f組成，負責 等離子體的輸運、篩選和注入。多極磁阱系統13,負責產生約束等離子體的磁阱磁場位形。
[0016] 如圖2所示，本發明還給出了一種多極磁阱磁約束裝置的時序控制方法。包括以 下步驟：
[0017] 步驟21 :等離子體槍系統的時序控制。等離子體槍的工作起始時刻為tpg。，等離 子體槍的工作時間為Tpg= T pgl+Tpg2。其中！'^是脈沖供氣電磁閥的工作時間，啟動時刻為 tpgl，考慮到脈沖供氣電磁閥是最先開始工作的，所以其啟動時刻tpgl= tpg。。其中Tpg2是氣 體電離電極的工作時間，為了保證可靠的對工質氣體電離，氣體電離電極啟動時刻需滿足 t pgl〇
[0018] 步驟22 :全等離子體通道工作的起始時刻為tp。。。等離子槍和全等離子體通道工 作的起始時刻差At1, At1滿足下式：
[0020] 快束和慢束等離子體分別通過全等離子體通道的時間Tptq和T pts滿足下式：
[0022] 式中，Lptl為公共等離子體通道的長度，單位為m ;L pt2為快等離子體通道的長度， 單位為m ;vq是快束等離子體運動速度，單位為m/s ;v s為慢束等離子體的運動速度，單位為 m/s〇
[0023] 同時為了可靠進行等離子體的輸運，公共等離子體通道和快等離子體通道的啟動 時刻tpp。和t pq。均等于t pg。，工作時間Tpp和T pq均等于T pts〇
[0024] 步驟23 :截斷器系統的工作時間為Tpi，啟動時刻為tpi。。其啟動時刻滿足如下關 系式：
[0026] 截斷器系統在工作時間Tpi內需要完全截斷慢束等離子體，保證只有快束等離子 體通過，因此其工作時間T pi= T pts。
[0027] 步驟24 :溜槽線圈需等到等離子體通過全等離子體通道之后才啟動，所以溜槽線 圈的啟動時刻tpl。滿足：
[0028] tpl0= t pc〇+Tptq
[0029] 為了保證溜槽線圈可靠的中和多極磁阱的障壁磁場，其工作時間Tpl應為等離子 體槍產生等離子體束的持續時間，即等離子體槍的氣體電離電極工作時間T pg2。
[0030] 步驟25 :設磁阱工作的起始時刻為It。，磁阱和全等離子體通道工作的起始時刻 的差記為At2, At2不能少于等離子體通過全等離子體通道的時間，即At2滿足：
[0031]
[0032] 磁阱工作的時間記為Tnit，磁阱工作的時間1^包含三部分：一是磁阱和全等離子體 通道工作的起始時刻差A t2;二是等離子體注入的時間T P1;三是等離子體的約束時間T 即Tnit滿足：
[0033] Tnt= At2+Tpi+Tnc
[0034] 以上說明對本發明而言只是說明性的，而非限制性的，本領域普通技術人員理解， 在不脫離以下所附權利要求所限定的精神和范圍的情況下，可做出許多修改、變化或等效， 但都將落入本發明的保護范圍內。
【主權項】
1. 一種多極磁阱等離子體磁約束裝置的時序控制方法，其步驟包括： 步驟1:等離子體槍系統的時序控制，等離子體是由脈沖供氣電磁閥和氣體電離電極 組成，等離子體槍的工作起始時刻為tpg。，等離子體槍的工作時間為Tpg=Tpgl+Tpg2，其中Tpgl是 脈沖供氣電磁閥的工作時間，啟動時刻為tpgl，考慮到脈沖供氣電磁閥是最先開始工作的， 所以其啟動時刻tpgl=tpg。，其中Tpg2是氣體電離電極的工作時間，為了保證可靠的對工質氣 體電離，氣體電離電極啟動時刻需滿足tpg2多tpgl; 步驟2 :全等離子體通道系統時序控制，全等離子體通道包括公共等離子體通道系統、 快等離子體通道系統、截斷器系統和溜槽線圈系統，全等離子體通道工作的時間記為Tp。，全 等離子體通道工作的時間Tp。包含四部分：一是等離子槍和全等離子體通道工作的起始時 刻差At1;二是等離子體通過全等離子體通道的時間Tpt，起始時刻為tp。。;三是溜槽線圈系 統的工作時間為Tpl，啟動時刻為tpl。;四是截斷器系統的工作時間TP1，啟動時刻為tpi。;等離 子槍和全等離子體通道工作的起始時刻差Atl，A^滿足下式：快束和慢束等離子體分別通過全等離子體通道的時間T_和Tpts滿足下式：同時為了可靠進行等離子體的輸運，等離子體通道的工作時間Tpt=Tpts; 溜槽線圈需等到等離子體通過全等離子體通道之后才啟動，所以溜槽線圈的啟動時刻tpl。滿足： tpi〇 -tpc0+Tptq 溜槽線圈需等到等離子體通過全等離子體通道之后才啟動，所以溜槽線圈的啟動時刻tpl。滿足： tpi〇 -tpc0+Tptq 截斷器系統的工作時間為TP1，啟動時刻為tpi。，其啟動時刻滿足如下關系式：截斷器系統在工作時間TP1內需要完全截斷慢束等離子體，保證只有快束等離子體通 過，因此其工作時間Tpi=Tpts; 步驟3 :多極磁阱系統時序控制，多極磁阱系統由盲鰻線圈、補償線圈和螺線管線圈組 成，各個線圈相互串聯，由一個脈沖電源系統供電產生磁阱磁場位形，磁阱工作的起始時刻 為tmt。，磁阱工作的時間記為Tmt，磁阱工作的時間Tmt包含三部分：一是磁阱和全等離子體通 道工作的起始時刻差At2;二是等離子體注入的時間TP1;三是等離子體的約束時間T 多級磁阱和全等離子體通道工作的起始時刻的差記為At2,At2不能少于等離子體通 過全等離子體通道的時間，即At2滿足：磁阱工作的時間記為Tm，磁阱工作的時間Tm包含三部分：一是磁阱和全等離子體通道 工作的起始時刻差At2;二是等離子體注入的時間Tpl;三是等離子體的約束時間T"。。即Tmt 滿足： Tnt=At2+Tpi+Tnc〇
【專利摘要】本發明涉及一種多極磁阱等離子體磁約束裝置的時序控制方法，所述的多極磁阱等離子體磁約束裝置包括等離子體槍系統、全等離子體通道系統和多極磁阱系統。該方法由多極磁阱等離子體磁約束裝置各個子系統工作時序的數學模型，得出多極磁阱磁約束裝置各個子系統之間的時序控制模型。本發明所述的方法實現了多極磁阱等離子體磁約束裝置中各個子系統工作時序的精確控制，保證了整個等離子體磁約束裝置完成磁約束工作的同步性和實時性。
【IPC分類】H05H1/24, H05H1/02
【公開號】CN105101602
【申請號】CN201510455578
【發明人】金顯吉, 林景波, 陶寶泉, 佟為明, 李辰, 趙志衡, 劉勇
【申請人】哈爾濱工業大學
【公開日】2015年11月25日
【申請日】2015年7月30日