一种电子漂移注入系统的制作方法

本发明属于磁约束聚变技术领域，更具体地，涉及一种电子漂移注入系统。

背景技术

电子漂移注入作为一种较新的托卡马克等离子体调制模式，其主要目的就是通过电场漂移和磁场梯度漂移接力的方法将自由电子注入到托卡马克真空室内。它可以在放电初始阶段通过增加种子电子数，进而降低电流启动所需电压。同时，也可以在等离子体放电阶段，通过改变电荷注入量与注入电流来改变边界电场，从而得到调节剪切流的作用。因此，开展电子漂移注入的实验研究可以提供一种简单易行的实现低环电压启动的候补手段，也可以针对磁约束等离子体反常输运、运输约束改善与控制展开研究。其结果可为iter计划提供实验参考。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种电子漂移注入系统，其目的在于增大电子注入量，实现高度模块化，便于问题排除与维修，引入反馈模块，在阴极预热阶段即可大量减少人力成本，并且远程控制阴极在装置中的升降，同时可以自动找出能够实现电子注入量最大时的电子枪下探距离。

本发明提供了一种电子漂移注入系统，包括：远程连接模块，控制模块，电源模块，电子发射模块，采集模块和反馈模块；所述控制模块的第一输入端连接远程连接模块的输出端，所述电源模块的输入端连接至控制模块的第一输出端，电子发射模块的输入端连接至电源模块的输出端，电子发射模块的控制端连接至控制模块的第二输出端，采集模块的输入端连接至电子发射模块的输出端，反馈模块的输入端连接至采集模块的输出端，控制模块的第二输入端连接至反馈模块的输出端，所述远程连接模块用于通过远程连接控制信号实现触发并设定电流初始值；所述控制模块用于输出触发信号，并根据反馈模块输出的注入电流大小控制在阴极预热阶段实现自动升高电流操作；所述电源模块用于对阴极发射电子进行加热，并产生正负极板间电场使电子偏移便于电子成功注入；所述采集模块用于采集注入电流大小、正负极板电压、阴极加热电压和阴极电流；所述反馈模块用于将采集的注入电流大小反馈给所述控制模块。

其中，控制模块中的触发源为可调脉宽脉冲波。

其中，电源模块中的正、负极板电源采用触发充放电形式，触发响应在毫秒级，充放电时间应为毫秒级脉冲式，最大脉冲应为1000ms，且正、负极板电源均拥有电压采集接口。

其中，电子发射模块包括：阴极、聚焦线圈、电磁屏蔽套筒、真空壁和步进电机；所述聚焦线圈设置在所述阴极外围，所述电磁屏蔽套筒设置在所述聚焦线圈外，所述真空壁设置在所述电磁屏蔽套筒外围；所述步进电机位于所述真空壁上方；各个组件之间相互绝缘，且真空度不得低于1×10-⁵pa。

其中，阴极材料为钡钨；真空高温下寿命长且蒸发率非常低，阴极材料周围套有电磁屏蔽套筒，屏蔽托卡马克装置内部磁场。可使热阴极加热电流在0～8a之间调节，每半个小时调节一次，无需人工操作；漂移电流过小时向控制模块发出同步电机下降信号，并且可寻找在一段长度内最大注入电流的阴极位置。

其中，阴极与所述聚焦线圈之间通过陶瓷碗绝缘。

其中，电磁屏蔽套筒的内直径为80mm，外直径为100mm，壁厚度为10mm。

本发明采用电磁屏蔽套筒，有效屏蔽托卡马克装置内部磁场，电子受到磁场干扰小，注入量更大；引入反馈模块，在加热阴极阶段依次递加电流，代替人力成本，并根据注入电子量大小自动实现电子枪的升降和极板角度调节进行控制来寻找最适合注入角度；系统各个部分实现模块化设计，上位机实现各个部分的同步控制。

附图说明

图1是电子漂移注入系统的结构框图；

图2是电子漂移注入系统的预热阶段程序流程图；

图3是电子漂移注入系统的电子枪和电磁屏蔽套筒的安装流程图；

图4是电子漂移注入系统的反馈模块寻找最佳位置的程序流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的电子漂移注入系统包括：远程连接模块，控制模块，电源模块，电子发射模块，采集模块和反馈模块，控制模块的第一输入端连接远程连接模块的输出端，电源模块的输入端连接至控制模块的第一输出端，电子发射模块的输入端连接至电源模块的输出端，电子发射模块的控制端连接至控制模块的第二输出端，采集模块的输入端连接至电子发射模块的输出端，反馈模块的输入端连接至采集模块的输出端，控制模块的第二输入端连接至反馈模块的输出端，其中，远程连接模块用于实现远程控制，通过一台联网的电脑即可为用户实现对整个系统的控制；远程连接模块实现通过远程连接控制信号触发并设定电流初始值。控制模块用于输出触发信号，并且接收反馈模块调节注入电流大小，在阴极预热阶段实现自动升高电流操作。电源模块用于加热阴极发射电子，并且产生正负极板间电场，使电子偏移以方便电子成功注入。采集模块用于采集注入电流大小、正负极板电压、阴极加热电压和阴极电流。反馈模块用于将注入电流大小反馈给控制模块使得控制模块得以正确调节电子发射模块。

作为本发明的一个实施例，控制模块中触发源采用可调脉宽脉冲波，方便对电源进行调节。电源模块中正、负极板电源可以采用触发充放电形式，触发响应在毫秒级，充放电时间应为毫秒级脉冲式，最大脉冲应为1000ms，并且正负极板电源均拥有电压采集接口。

在本发明实施例中，电子发射模块中的热阴极应达到电子发射强度，目前纯金属热阴极、原子薄膜阴极、氧化物阴极，硼化物阴极等等，根据托卡马克装置实际情况，阴极表面为1平方厘米，材料为真空下寿命长且中毒率低的钡钨。真空室放电中会有微弱的漏电流出现，电磁屏蔽套筒减少托卡马克内部磁场对发射电子的影响并且减少漏电流的出现。磁屏蔽套筒内直径为80mm，套筒外直径为100mm，套筒壁厚度为10mm。

可选地，所述的采集模块通过电流守恒定律推断出电流大小。给出触发信号，正高压电源上升至10kv，负高压电源升至-5kv，并且采集触发，保持数据产生与采集的一致性。用计算机语言写出同步电机的图形交互界面，控制阴极在真空腔中的位置。

可选地，所述的反馈模块采用单片机控制同步电机转动，并且拥有可以检测加热阴极电流的电路。在阴极预热阶段从0a每隔三十分钟加2a直到8a为止。当阴极释放电子过少时，反馈模块向控制模块发出同步电机下降信号，并且可以通过程序寻找阴极在哪个位置才能达到最大注入电流。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术与现有方案相比，具有以下有益效果：

本发明提供了一种电子漂移注入系统，引入远程模块方便随时随地进行对系统控制；控制模块可以调节电源触发信号脉宽来调节注入电流大小，更加方便；电源模块提供毫秒级触发放电形式正负极板电压，阴极加热电源，聚焦线圈电源，同时带有漏电保护系统，精度更高，并且大大提高运行时安全问题。并且所有电源具有电压采集接口；反馈模块实现对阴极位置控制来达到控制注入电流大小的控制并且在预热阶段即可节省人工成本。控制模块给出触发信号时，采集模块和电源模块同时动作保证了系统各个模块的一致性，反馈模块则有效保证系统运行的稳定性，以及对注入电流的要求，并且可在一定程度内实现最大电流注入点求取。整个系统高度模块化，便于维修和故障排查，提高了系统的高效稳定运行。整体实现了，阴极电流注入量更大，电子漂移注入系统稳定运行时间长，简单高效易维修。

本发明针对以往电子枪发射电子量不足，阴极位置需要在托卡马克装置上手动调节，各个部件之间无法同步，并且实验设备排查故障难的问题，提供了一种电子漂移注入系统，并详细介绍如何寻找电子枪最佳位置的程序框图。

本发明提供的电子漂移注入系统，包括：远程连接模块，控制模块，电源模块，电子发射模块，采集模块和反馈模块；远程连接模块与控制模块相连，可远端与控制模块进行通讯连接。控制模块输出端与电源模块输入端连接，可以实时控制电源模块中正负极板电压值与阴极加热电源加热电流大小。并且与反馈模块输出端连接，实验人员可以根据反馈模块输出来决定是否对电源模块做出控制指令。电源模块输出端与电子发射模块输入端相连，来为电子发射模块提供阴极加热电流和为正负极板提供电压。电子发射模块与采集模块相连，采集模块采集到阴极发射电流与正负极板电压值。反馈模块输入端与采集模块输出端相连，反馈模块与控制模块输入端相连，将采集到电流进行反馈比较，进行与控制模块进行通讯来提醒实验人员是否做出电压值改变指令。

按照上述方案，远程模块包括程序窗口，网线，以太网通信口。

按照上述方案，控制模块包括触发源，触发通道，控制窗口。

按上照述方案，电源支持串口，usb，以太网通信且电压输出能够达到5kv至10kv。且电源经过改进之后，相较于之前发热量小且温度控制更加智能，可以进行长时间工作。电压更高，电压上升时间更短，电压波形更加平稳。

电子发射模块的结构如图3所示，1为阴极，2为聚焦线圈，方便将电子集中防止漏电流的产生。3为电磁屏蔽套筒用以屏蔽外部干扰磁场将电子更好聚焦。4为真空壁，5为步进电机方便将阴极送往最佳注入位置为止。电子发射模块包括：阴极1、聚焦线圈2、电磁屏蔽套筒3、真空壁4和步进电机5；阴极1外部包围着聚焦线圈2，聚焦线圈2外围是电磁屏蔽套筒3，电磁屏蔽套筒3外围是真空壁4，其中各个组件相互绝缘。真空度不得低于1×10^-5pa。

在本发明实施例中，阴极1外围由聚焦线圈2围绕，但阴极1与聚焦线圈2绝缘，其中用陶瓷碗隔离，阴极材料为钡钨，阴极加热电流范围为2a-8a。但是要求能够承受加热电流至少为10a。

在本发明实施例中，聚焦线圈2存在于电磁屏蔽套筒3内部，电子枪存在于聚焦线圈2内部，聚焦线圈2为无氧铜导线，使用时候所需通电电流为60a-100a，同时聚焦线圈2，电磁屏蔽套筒3，阴极1相互绝缘。使用之前需要进行除气操作，即在真空中通60a-100a电流来进行放气。

在本发明实施例中，真空壁4为不锈钢，内部为空腔，电磁屏蔽套筒3存在于空腔中，同时电磁屏蔽套筒3与真空壁4相互绝缘。

在本发明实施例中，步进电机5位于真空壁之上，通过陶瓷隔离与电子枪相连，给出控制信号后步进电机进行上升下降操作，来调整电子枪位置。

按照上述方案，反馈模块包括反馈程序与反馈比较电路，反馈程序框图如图4所示。反馈程序实施步骤如下：

(1)系统初始化，用户给出触发信号，微控制器向电源给出脉冲波，阴极加热电源电压最高支持15v，最高电流支持10a。

(2)通过远程界面设置预热程序运行的频率与加热电流上升值。加热电流上升值范围为0.5a-2a，默认为1a，预热程序运行频率为30分钟。

(3)将预设值通过通信协议发送给控制器，若用户未设置系统运行频率，则默认为半小时一次。电流初始值为0，处在0-8a范围内，开始系统运行，微控制器通过电流探测电路读取阴极加热电流，每隔半个小时加1a电流，直至8a为止。

预热阶段结束后，远程给出触发信号，同步电机开始运作，微控制器发出脉冲波给电源模块，触发响应在毫秒级，充放电时间均为毫秒级脉冲，正负极板电源开始运作，正极板电压升至10kv，负极板电压升至-5kv，最大脉冲应为1000ms，并且带漏电保护；正负极板电源均须拥有电压采集接口，后接采集模块。当触发信号给出后，电子由聚焦线圈聚集，极板电压与电子极性相反，所以电子被加速。同时电池屏蔽套筒有屏蔽托卡马克装置内部磁场作用，电子损失减少，采集到电流变大。系统电子枪部分也进行了改善，电流更大，可以发射出更多电子。

采集模块通过霍尔元件采集到阴极发射电流，电子枪加热电流，聚焦线圈电流，正极板电压和负极板电压大小。并且采集模块与反馈模块相连。

当采集模块采集到阴极发射电流大小后，反馈模块开始运作，首先根据以往实验数据预设出k值，k值单位为500ma-1a，推荐预设值为750ma。并预设一定频率pwm脉冲波，pwm脉冲波频率范围为10hz-60hz，推荐频率为20hz。也可根据触发信号的频率进行设置，原则为pwm脉冲波信号脉冲宽度为触发信号脉冲宽度脉冲宽度范围在500ms-1000ms。此时电机开始送阴极进行下探，采集模块持续运作中，当pwm脉冲波幅值为1时，采集模块对阴极发射电流进行一次采集，并记录电机刻度于数组中，若采集到电流已大于k值，则取k＝i，i代表阴极发射电流大小，单位为ma，i值范围为200ma-1000ma。取k＝i后继续下探，直到i≤k为止则取临近上一数组中的电机位置。即可求得电子漂移注入量最大的电机位置。通过pwm的频率即可设置系统精度，精度越高所需时间越长，且工作量越大，通过在系统精度与工作量之间选择一个平衡。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。