一种真空环境用高磁通螺旋磁体三维空间成型结构的制作方法

本发明属于磁重联装置领域，主要涉及一种真空环境用高磁通螺旋磁体三维空间成型结构。

背景技术：
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磁力线重联是空间等离子体中重要的物理过程之一。这种现象在太阳耀斑和磁层等离子体中已经观测到。磁场重联过程伴随着磁力线的断开和重新连接，能够导致磁力线拓扑形状的改变。磁场重联提供了一种将磁能快速转化为等离子体动能和热能的有效机制，太阳耀斑磁层亚暴以及托卡马克中的锯齿振荡等过程中的能量转换都被认为和磁场重联密切相关。太阳观测卫星 Yohkoh 以及地球磁层观测卫星 Wind、Cluster 等已经发现了磁场重联过程的发生，其过程伴随着等离子体的加热加速以及等离子体湍流等现象。为了深入理解磁场重联的物理过程，在实验室中也开展了磁场重联的模拟研究，实验室中的等离子体参数及边界条件能够比较容易地被控制和改变，诊断过程也相对比较容易，因此实验室中的磁场重联模拟能够更直接和详细地理解磁场重联的物理机制。

理论上提出的模型并不能完全解释空间观测的重联现象，而实验室中的等离子体参数具有很好的可控性，并且物理量相对比较容易进行测量，能够更好的理解磁场重联的物理，磁场重联早期的实验研究是在箍缩等离子体中、场反位形和其他位形的装置中进行的，当时高时空分辨的诊断设备还没有应用到实验中，重联过程中，发现重联率比经典理论的计算值要大，湍流和反常电阻被发现，并且测量到了离子声湍流谱以及宽谱的哨声湍流。

从七八十年代开始，美国、日本以及俄罗斯的几个实验装置开始进行详细的物理研究。到目前为止，所有的实验按照装置的位形可以分为以下几种：线性位形(加州大学洛杉矶分校的LCD装置、劳斯阿拉莫斯实验室的RSX装置、俄罗斯的CS-3D装置、球马克位形(日本东京大学的TS-3装置、普林斯顿实验室的MRX装置、Swarthmore大学的SSX装置)和环形位形(麻省理工的VTF装置)。这些装置的结构以及构造的重联位形各不相同，放电方式和等离子体参数也有所差异，由此决定了每个装置研究的物理和得到的结果是不一样的。

自世纪年代开始在箍缩装置上开展重联实验研究以来，实验室磁场重联研究已经取得了一些突破性的进展，与空间观测、理论及数值模拟研究相结合，使得人们对于重联的物理过程有了进一步的深入了解，比如四极场及电子扩散区的实验验证等。但是重联研究中依然存留许多重要物理问题有待解决，例如重联触发机制是什么空间中的重联大多是在三维空间内的爆发重联，磁能如何在等离子体中先缓慢地全局储存起来，然后再迅速地局域释放及转换成等离子体动能和热能目前三维空间的实验室磁场重联研究逐渐受到重视。早期线性装置上的实验结果重新受到重视，这也是选择线性磁化装置开展重联实验的一个原因，通过细致测量等离子体及磁场参数的小截面分布如何随着轴向位置变化，研究局域的重联现象和整体的磁场自组织过程之间的联系和等环形装置上的实验也已经发现平行电场存在局域结构并会沿环向传播，这表明以往在环形装置上采用轴对称假定进而研究二维重联过程是不全面的。另外，目前实验室研究中等离子体参数和重联驱动力的变化范围有限，并没有针对这些参数开展系统研究，因此难以确定重联的触发与驱动力及等离子体参数之间的关系。因此，对于这些物理参数的确定，磁重联装置的设计与研究显的尤为必要，对于推进空间等离子体磁重联物理过程发展有着重要的意义。

技术实现要素：
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本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种真空环境用高磁通螺旋磁体三维空间成型结构，特殊设计的螺旋TF线圈可以实现准确的高磁通磁场位型，内部特殊的设计回线消除了螺旋产生的杂向场。同时设计了三层G10绝缘介质来实现TF线圈和PF线圈的分步绕制，实现三维螺旋TF线圈和PF线圈的三维精准定位和绕制，简化螺旋线圈绕制工艺。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种真空环境用高磁通螺旋磁体三维空间成型结构，包括有线圈绝缘介质板和线圈，其特征在于：所述线圈由四组由大半径方向缠绕的PF线圈和四组沿小半径方向缠绕的TF线圈组成，所述PF线圈穿过TF线圈螺旋内部空间，四组TF线圈周向均布，每组TF线圈有一部分沿着大半径方向缠绕的回线，所述线圈绝缘介质板由上中下三层环氧板，所述PF线圈分为上下两层每层两组进行成型绕制，分别绕制在中层环氧板的上、下槽内；所述TF线圈的中间回线与PF上层一起绕制在中层环氧板内，TF线圈螺旋部分待三层环氧板定位后绕制在三层环氧板外侧槽内。

所述的四组TF线圈周向均布，每组TF线圈有一部分沿着大半径方向缠绕的回线，用于消除TF线圈螺旋绕制产生的杂向场，PF线圈的线头分两路引出，TF线圈的线头分四路引出，周向均布。

所述的线圈绝缘介质版为上中下三层分布的G10板结构件，上下两层G10板的结构相同，外表面分别开有相互对应的螺旋槽，中间G10板外表面上开有与上下螺旋槽对应的外部开槽。

所述的PF线圈分为上下两层每层两组分别绕制，下层PF线圈绕制在中间环氧板的下槽内，且下层环氧板的对合端面上设有与中间环氧板的下槽配合的开槽，上层PF线圈绕制在上槽内，且上层环氧板的对合端面上设有与中间环氧板的上槽对应的开槽，所述线头引出均在中间环氧板上侧。

所述的四组TF线圈中间回线与PF上层一起绕制在中层环氧板内，TF线圈螺旋部分待三层环氧板定位后绕制在三层环氧板外表面的螺旋槽内。并沿着均布的线头引出口引出。

本发明的优点是：

本发明主要实现了一种真空环境用高磁通螺旋磁体三维空间成型方法，实现了三维螺旋TF线圈和PF线圈的三维精准定位和绕制。螺旋形的TF线圈相比传统的独立分布的TF线圈更加简单，并且减少了线头引出，简化了整体线圈的结构。并且在螺旋线圈内部设计了回线，抵消了由于螺旋线圈产生的杂向场，实现特定的高磁通磁场位型。特殊设计的三层环氧板绝缘介质作为螺旋型TF线圈和PF线圈的分步绕制的定位基准，简化了绕制工艺，可以实现多层线圈的精确绕制。该发明实现了三维螺旋多层线圈的精准绕制，对高磁通线圈技术的推广和应用有着重要的推动作用。

附图说明：

图1为本发明真空环境用高磁通螺旋磁体结构示意图；

图2为本发明真空环境用高磁通螺旋磁体骨架G10板结构示意图；

图3为本发明高磁通螺旋线圈结构示意图；

图4为本发明高磁通螺旋线圈PF导线绕制示意图；

图5为本发明高磁通螺旋线圈TF导线绕制示意图；

其中，附图中标号：1、上层G10板；2、中层G10板；3、下层G10板；4、TF线圈螺旋部分；5、PF线圈；6、TF线圈回线部分；7、电流接线头；8、待绕制TF线圈螺旋部分。

具体实施方式：

参见附图。

一种真空环境用高磁通螺旋磁体三维空间成型方法，其特征在于：线圈由四组由大半径方向缠绕的PF（极向场）线圈和四组沿小半径方向缠绕的TF（环向场）线圈组成，PF线圈穿过TF线圈螺旋内部空间，四组TF线圈周向均布，每组TF线圈有一部分沿着大半径方向缠绕的回线；线圈绝缘介质板由上中下三层G10板组成；PF线圈分为上下两层（每层两组）进行成型绕制，分别绕制在中层G10上下槽内；TF线圈中间回线与PF上层一起绕制在中层G10板内，TF线圈螺旋部分待三层G10板定位后绕制在三层G10板外侧槽内。

如图1所示，四组由大半径方向缠绕的PF（极向场）线圈和四组沿小半径方向缠绕的TF（环向场）线圈组成，PF线圈穿过TF线圈螺旋内部空间，四组TF线圈周向均布，可以产生高磁通磁场位型。每组TF线圈有一部分沿着大半径方向缠绕的回线，用于消除TF线圈螺旋绕制产生的杂向场。PF线圈的线头分两路引出，TF线圈的线头分四路引出，周向均布；

如图2所示线圈绝缘介质版为上中下三层分布的G10结构件，上下两层G10板相同，外表面开螺旋槽，中间G10板上下和外部开槽；

如图3所示，PF线圈分为上下两层（每层两组）分别绕制，下层PF线圈绕制在中间G10板下槽内，上层PF线圈绕制在上槽内，线头引出均在G10板上侧；

如图4所示，先将中层G10板翻转放置，待PF线圈的下层两组线圈嵌在中层G10板槽内，安装下层G10板，翻转整体G10板组件，再将PF线圈上层两组线圈安装在中层G10板槽内。

如图5所示，先将TF线圈圆弧段安装在中层G10板槽内，盖上上层G10板，最后再将TF线圈待绕制的螺旋部分绕制在G10板组件外表面槽内。