一种多极磁阱等离子体磁约束装置的时序控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及等离子体磁约束领域，具体为一种多极磁阱等离子体磁约束装置的时 序控制方法，给出了多极磁阱磁约束装置各个子系统之间的时序控制模型，从而保证了多 极磁阱等离子体磁约束装置中等离子体的产生、输运和等离子体磁约束等一系列工作的正 常运行。
【背景技术】
[0002] 随着能源问题的日益突出，开发安全可靠、高效清洁的新能源迫在眉睫。受控核聚 变作为一种理想的清洁能源，在燃料储量和安全性方面有着巨大的优势。目前，受控核聚变 主要有两个研究方向：惯性约束和磁约束。其中磁约束核聚变是研究热点，其代表性的磁约 束装置有托卡马克和仿星器。
[0003] 多极磁阱磁约束装置作为一种非托卡马克型受控热核聚变等离子体磁约束的初 极研究装置，与托卡马克、仿星器等磁约束装置相比，具有结构简单、体积小、可控性好、能 自动抑制等离子体的互换不稳定性等优点。它由等离子体枪系统、全等离子体通道系统和 多极磁阱系统组成。多极磁阱磁约束装置位于等离子体内部，它是利用最小B原理实现对 等离子体的约束。
[0004] 目前，大多数磁约束装置的控制都是以脉冲方式进行的，为了成功的进行等离子 体磁约束，所有参与实验的子系统和设备必须同步运行。这就意味着需要一个精确的时序 控制系统，一个可靠的时序控制系统应该是根据磁约束装置中的各个子系统的工作启动时 刻和工作时间来确定的。而磁约束装置中现有的时序控制系统并没有详细分析各个子系统 的时序控制算法，只是通过多次实验确定各子系统的时序参数，各个子系统之间的时序信 号匹配性差、可靠性低。
[0005] 在这种背景下，我们提出了一种多极磁阱等离子体磁约束装置的时序控制方法， 给出了多极磁阱磁约束装置的各个子系统之间的时序控制模型，从而保证多极磁阱等离子 体磁约束装中等离子体的产生、输运和等离子体磁约束等一系列工作过程的正常运行，保 证了多极磁阱等离子体磁约束装置的实时性和可靠性。
【发明内容】
[0006] 本发明的主要目的在于提供了一种多极磁阱等离子体磁约束装置的时序控制方 法。该方法能保证多极磁阱等离子体磁约束装置中等离子体的产生、输运和等离子体磁约 束等一系列工作过程的正常运行，提高多极磁阱等离子体磁约束装置的实时性和可靠性。
[0007] 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种多极磁阱等离子体磁约束 装置的时序控制方法的步骤包括：
[0008] 步骤1 :等离子体枪系统的时序控制。等离子体是由脉冲供气电磁阀和气体电离 电极组成。设等离子体枪的工作起始时刻为tpg。，脉冲供气电磁阀的工作时间为T pgl，工作起 始时刻为tpgl，气体电离电极的工作时间为Tpg2，工作起始时刻为t pgl。
[0009] 步骤2 :全等离子体通道系统时序控制。全等离子体通道包括公共等离子体通道 系统、快等离子体通道系统、截断器系统和溜槽线圈系统。全等离子体通道工作的时间记为 Tp。，全等离子体通道工作的时间Tp。包含四部分：一是等离子枪和全等离子体通道工作的起 始时刻差At 1;二是等离子体通过全等离子体通道的时间Tpt，其起始时刻记为tp。。;三是溜 槽线圈系统的工作时间T pl，其启动时刻记为tpl。。四是截断器系统的工作时间Tpi，其启动 时刻记为t pi。。
[0010] 步骤3 :多极磁阱系统时序控制。多极磁阱系统由盲鳗线圈、补偿线圈和螺线管线 圈组成，各个线圈相互串联，由一个脉冲电源系统供电产生磁阱磁场位形。磁阱工作的起始 时刻记为I t。，磁阱工作的时间记为Tnit，磁阱工作的时间Tnit包含三部分：一是磁阱和全等离 子体通道工作的起始时刻差At 2;二是等离子体注入的时间Tpi;三是等离子体的约束时间 Tnc。
[0011]与现有的技术相比，本发明计算多极磁阱等离子体磁约束装置中各个子系统的工 作启动时刻和工作时间结果精度高，保证了多极磁阱等离子体磁约束装置中各个子系统之 间的同步性，提高了多极磁阱等离子体磁约束装置的实时性和可靠性。
【附图说明】
[0012] 图1是本发明所述的多极磁阱磁约束装置结构示意图
[0013] 图2是本发明所述的一种多极磁阱磁约束装置的时序控制算法流程图
【具体实施方式】
[0014] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的原理和特征进行清楚、完整地描 述，显然，所描述的实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
[0015] 如图1所示，本发明所述的多极磁阱磁约束装置由等离子体枪系统11、全等离子 体通道系统12和多极磁阱系统13三部分组成。等离子体枪系统11由脉冲供气电磁阀模 块a和气体电离电极模块b组成，负责工质气体输送和电离。全等离子体通道系统12由公 共等离子体通道模块c、截断器模块d、快等离子体通道模块e和溜槽线圈模块f组成，负责 等离子体的输运、筛选和注入。多极磁阱系统13,负责产生约束等离子体的磁阱磁场位形。
[0016] 如图2所示，本发明还给出了一种多极磁阱磁约束装置的时序控制方法。包括以 下步骤：
[0017] 步骤21 :等离子体枪系统的时序控制。等离子体枪的工作起始时刻为tpg。，等离 子体枪的工作时间为Tpg= T pgl+Tpg2。其中！'^是脉冲供气电磁阀的工作时间，启动时刻为 tpgl，考虑到脉冲供气电磁阀是最先开始工作的，所以其启动时刻tpgl= tpg。。其中Tpg2是气 体电离电极的工作时间，为了保证可靠的对工质气体电离，气体电离电极启动时刻需满足 t pgl〇
[0018] 步骤22 :全等离子体通道工作的起始时刻为tp。。。等离子枪和全等离子体通道工 作的起始时刻差At1, At1满足下式：
[0020] 快束和慢束等离子体分别通过全等离子体通道的时间Tptq和T pts满足下式：
[0022] 式中，Lptl为公共等离子体通道的长度，单位为m ;L pt2为快等离子体通道的长度， 单位为m ;vq是快束等离子体运动速度，单位为m/s ;v s为慢束等离子体的运动速度，单位为 m/s〇
[0023] 同时为了可靠进行等离子体的输运，公共等离子体通道和快等离子体通道的启动 时刻tpp。和t pq。均等于t pg。，工作时间Tpp和T pq均等于T pts〇
[0024] 步骤23 :截断器系统的工作时间为Tpi，启动时刻为tpi。。其启动时刻满足如下关 系式：
[0026] 截断器系统在工作时间Tpi内需要完全截断慢束等离子体，保证只有快束等离子 体通过，因此其工作时间T pi= T pts。
[0027] 步骤24 :溜槽线圈需等到等离子体通过全等离子体通道之后才启动，所以溜槽线 圈的启动时刻tpl。满足：
[0028] tpl0= t pc〇+Tptq
[0029] 为了保证溜槽线圈可靠的中和多极磁阱的障壁磁场，其工作时间Tpl应为等离子 体枪产生等离子体束的持续时间，即等离子体枪的气体电离电极工作时间T pg2。
[0030] 步骤25 :设磁阱工作的起始时刻为It。，磁阱和全等离子体通道工作的起始时刻 的差记为At2, At2不能少于等离子体通过全等离子体通道的时间，即At2满足：
[0031]
[0032] 磁阱工作的时间记为Tnit，磁阱工作的时间1^包含三部分：一是磁阱和全等离子体 通道工作的起始时刻差A t2;二是等离子体注入的时间T P1;三是等离子体的约束时间T 即Tnit满足：
[0033] Tnt= At2+Tpi+Tnc
[0034] 以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解， 在不脱离以下所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改、变化或等效， 但都将落入本发明的保护范围内。
【主权项】
1. 一种多极磁阱等离子体磁约束装置的时序控制方法，其步骤包括： 步骤1:等离子体枪系统的时序控制，等离子体是由脉冲供气电磁阀和气体电离电极 组成，等离子体枪的工作起始时刻为tpg。，等离子体枪的工作时间为Tpg=Tpgl+Tpg2，其中Tpgl是 脉冲供气电磁阀的工作时间，启动时刻为tpgl，考虑到脉冲供气电磁阀是最先开始工作的， 所以其启动时刻tpgl=tpg。，其中Tpg2是气体电离电极的工作时间，为了保证可靠的对工质气 体电离，气体电离电极启动时刻需满足tpg2多tpgl; 步骤2 :全等离子体通道系统时序控制，全等离子体通道包括公共等离子体通道系统、 快等离子体通道系统、截断器系统和溜槽线圈系统，全等离子体通道工作的时间记为Tp。，全 等离子体通道工作的时间Tp。包含四部分：一是等离子枪和全等离子体通道工作的起始时 刻差At1;二是等离子体通过全等离子体通道的时间Tpt，起始时刻为tp。。;三是溜槽线圈系 统的工作时间为Tpl，启动时刻为tpl。;四是截断器系统的工作时间TP1，启动时刻为tpi。;等离 子枪和全等离子体通道工作的起始时刻差Atl，A^满足下式：快束和慢束等离子体分别通过全等离子体通道的时间T_和Tpts满足下式：同时为了可靠进行等离子体的输运，等离子体通道的工作时间Tpt=Tpts; 溜槽线圈需等到等离子体通过全等离子体通道之后才启动，所以溜槽线圈的启动时刻tpl。满足： tpi〇 -tpc0+Tptq 溜槽线圈需等到等离子体通过全等离子体通道之后才启动，所以溜槽线圈的启动时刻tpl。满足： tpi〇 -tpc0+Tptq 截断器系统的工作时间为TP1，启动时刻为tpi。，其启动时刻满足如下关系式：截断器系统在工作时间TP1内需要完全截断慢束等离子体，保证只有快束等离子体通 过，因此其工作时间Tpi=Tpts; 步骤3 :多极磁阱系统时序控制，多极磁阱系统由盲鳗线圈、补偿线圈和螺线管线圈组 成，各个线圈相互串联，由一个脉冲电源系统供电产生磁阱磁场位形，磁阱工作的起始时刻 为tmt。，磁阱工作的时间记为Tmt，磁阱工作的时间Tmt包含三部分：一是磁阱和全等离子体通 道工作的起始时刻差At2;二是等离子体注入的时间TP1;三是等离子体的约束时间T 多级磁阱和全等离子体通道工作的起始时刻的差记为At2,At2不能少于等离子体通 过全等离子体通道的时间，即At2满足：磁阱工作的时间记为Tm，磁阱工作的时间Tm包含三部分：一是磁阱和全等离子体通道 工作的起始时刻差At2;二是等离子体注入的时间Tpl;三是等离子体的约束时间T"。。即Tmt 满足： Tnt=At2+Tpi+Tnc〇
【专利摘要】本发明涉及一种多极磁阱等离子体磁约束装置的时序控制方法，所述的多极磁阱等离子体磁约束装置包括等离子体枪系统、全等离子体通道系统和多极磁阱系统。该方法由多极磁阱等离子体磁约束装置各个子系统工作时序的数学模型，得出多极磁阱磁约束装置各个子系统之间的时序控制模型。本发明所述的方法实现了多极磁阱等离子体磁约束装置中各个子系统工作时序的精确控制，保证了整个等离子体磁约束装置完成磁约束工作的同步性和实时性。
【IPC分类】H05H1/24, H05H1/02
【公开号】CN105101602
【申请号】CN201510455578
【发明人】金显吉, 林景波, 陶宝泉, 佟为明, 李辰, 赵志衡, 刘勇
【申请人】哈尔滨工业大学
【公开日】2015年11月25日
【申请日】2015年7月30日