用于磁约束聚变高温等离子体中性粒子分析的磁体的制作方法

1.本实用新型属于高温等离子体诊断技术领域，具体涉及一种用于中性粒子分析的磁体。


背景技术：

2.在磁约束聚变高温等离子体中，中性粒子分析器(npa)用于探测电荷交换反应产生的、从等离子体内部逃逸出的中性粒子，以此分析等离子体内部信息，主要应用于聚变装置上快离子物理分析和氘氚燃料离子密度比的诊断。随着辅助加热能力的提高，现代的磁约束聚变装置的实验条件对诊断设备提出了新的要求：npa需要对较宽能量范围的中性粒子进行分辨。
3.中性粒子能量分辨的实现由磁场完成。经过npa的剥离单元，中性粒子外层电子被剥离成为离子飞入磁场，通过磁场时根据不同能量离子偏转半径不同，磁场完成能量分辨。要实现对较宽能量范围的中性粒子达到一定的分辨能力，则需要对磁场结构进行优化设计。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种用于磁约束聚变高温等离子体中性粒子分析的磁体，该磁体能够实现对较宽能量范围的中性粒子达到一定的分辨能力，减小离子的损失，提高磁场对离子的传射效率。
5.实现本发明目的的技术方案如下：一种用于磁约束聚变高温等离子体中性粒子分析的磁体，该磁体包括磁轭，包裹在磁轭内的永磁铁和磁极，若干块上下布置的磁极之间形成气隙，若干块磁极位于若干块上下布置的永磁铁之间。
6.所述的磁轭的形状为“c”形。
7.所述的永磁铁的结构为上宽下窄的平面状。
8.所述的磁极在气隙前端处至气隙后端处由宽至窄。
9.所述的磁极在气隙前端最宽处的厚度为20mm，在气隙后端收紧处的厚度为30mm。
10.所述的气隙为前端宽后端窄。
11.所述的气隙前端最宽处为30mm，气隙后端收紧处厚度为10mm。
12.所述的磁轭的材料选用1010低碳钢。
13.所述的永磁铁的材料选用钕铁硼
14.所述的磁轭厚度为80mm。
15.本实用新型有益技术效果在于：本实用新型的中性粒子分析的磁体，能够使入射的高能段离子经过更长的偏转距离，在保证偏转效果的前提下，能够有效减小磁场的体积。此外，该磁体的结构设计使气隙内部磁场由低到高，使磁力线弯曲从而对离子轨迹向中平面进行聚焦，由此减小了离子的损失，提高了磁场对离子的传射效率。
16.本实用新型的磁体外部的“c”型磁轭将内部磁场形成回路，并对气隙中磁场起到
保护作用，以避免环境中杂散磁场的干扰。永磁铁采用钕铁硼材料，结构为上宽下窄的平面状，该设计使高能量段的离子能在磁场中经过更长距离从而达到更有效偏转的目的，同时减小磁铁体积。磁极的设计在离子入射处的气隙较宽，而出射处的气隙较窄，结构过渡平滑；该设计可以弯曲磁力线，对离子在垂直方向上的偏转轨迹有一定的聚焦效果，能够使不同位置和有一定发射角飞入的离子轨迹在后端磁场中向气隙中平面聚焦而不轰击到磁体材料上，提高了分析器的传射效率。整个磁场结构设计紧凑，在满足分析能力的前提下，优化了磁场的结构设计，提高了整个单元的利用率。
附图说明
17.图1为本实用新型所提供的一种用于磁约束聚变高温等离子体中性粒子分析的磁体的结构示意图；
18.图2为本实用新型所提供的气隙内部磁场强度分布曲线；
19.图3为本实用新型所提供的离子在磁场中偏转的俯视图；
20.图4为本实用新型所提供的气隙中磁力线分布和离子飞行轨迹的会聚效果示意图，其中，图4(a)为气隙内磁力线分布示意图，图4(b)为不同位置垂直入射的离子轨迹示意图，图4(c)是当有一定发散角的入射离子轨迹在气隙中聚焦效果。
21.图中：1-磁轭，2-永磁铁，3-磁极，4-气隙；5-离子飞行轨迹，6-磁力线，7-气隙中平面上方离子垂直入射轨迹，8-气隙中平面离子垂直射入轨迹，9-气隙中平面下方离子垂直入射轨迹。
具体实施方式
22.下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
23.如图1、图2、图3和图4所示，本实用新型所提供的一种用于磁约束聚变高温等离子体中性粒子分析的磁体，该磁体包括磁轭1、永磁铁2和磁极3。
24.磁轭1的形状为“c”形，磁轭1的材料为1010低碳钢，夹住包裹上下两块永磁铁2和上下两块磁极3，对气隙4中的磁场进行保护，并且屏蔽周围环境中的杂散磁场，“c”形的形状同时为磁场形成回路，磁轭1厚度为80mm。
25.永磁铁2用于产生磁场，永磁铁2的结构为上宽下窄的平面状，该结构能够使能量较高的离子在磁场中经过更长的距离，能够更有效地偏转，由此显著降低永磁铁的体积及相应的质量及成本；永磁铁2的材料选用钕铁硼，厚度10mm，上下两块永磁铁2平行对称分布。永磁体2安装壳体内，壳体内为真空环境。
26.上下两块磁极位3于上下两块永磁铁2之间。上下两块磁极3之间存在间隔，形成气隙4，在磁场区气隙4中离子完成能量分辨，该气隙4即为离子在磁场中的飞行空间，因为进入磁场的粒子，入射位置并非一个固定点，而是以一个固定点为中心的高斯分布，入射方向也并非全部垂直于磁力线，也可能有一定的发散角度。偏离中平面过多或发散角度过大的粒子，如果不进行聚焦，就可能轰击到磁极材料上直接损失掉，无法通过气隙4达到探测器。磁极3的结构在粒子入射处的气隙4较宽，在粒子出射处的气隙4较窄，结构过渡平滑，此结构使强磁场聚集在后端，使磁力线弯曲，这样能达到在垂直方向上，离子在磁场后端向气隙的中平面聚焦的作用，有效提高分析器的传射效率，提高了整个磁场的利用率。磁极3在气
隙4前端最宽处的厚度为20mm，在气隙4后端收紧处的厚度为30mm。气隙4厚度最宽处为30mm，气隙4厚度平滑过渡到气隙收紧处，收紧处厚度为10mm，气隙4前端即离子入射处的磁场强度为0.2t，气隙4后端磁场强度逐渐增大，到达离子出射处的磁场强度为0.8t。磁场曲线分布如图2所示。不同能量的离子在气隙4磁场中的偏转轨迹见图3所示。此外，此结构使气隙4内的磁力线6弯曲，磁力线6在后端收紧处的聚集的如图4(a)所示，进入磁场的粒子，入射位置并非一个固定点，而是以一个固定点为中心的高斯分布，入射方向也并非全部垂直于磁力线6，也可能有一定的发散角度。偏离固定点过多或发散角度过大的粒子，可能轰击到磁极3材料上直接损失掉，无法通过气隙4。因此，需设计本发明的结构使离子飞行轨迹5聚焦，离子飞行轨迹5聚焦如图4(b)、(c)所示，本实用新型设计的磁场结构能够产生弯曲的磁力线6，它对偏离气隙4中平面或者有一定发散角的入射离子束有一定的聚焦作用，即离子行轨迹5向气隙4中平面聚焦，即使气隙中平面上方离子垂直入射轨迹7、气隙中平面下方离子垂直入射轨迹9均向气隙中平面离子垂直射入轨迹聚焦，提高磁场单元的传射效率。另外，这种结构还能使磁力线6聚集在后端(如图4(a)所示，磁力线箭头大小与磁场强度成正比)，提高了磁场的利用效率，有效优化了磁场的设计结构，减小了磁场的体积，由此降低磁铁的重量和成本。
27.上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，上述实施方式仅为本发明的最优实施例，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。