一种等离子约束用超导磁体及测试装置的制作方法

1.本技术涉及超导技术领域，特别涉及一种等离子约束用超导磁体及测试装置。


背景技术：

2.核聚变研究是当今世界科技界为解决人类未来能源问题而开展的重大国际合作计划。与不可再生能源和常规清洁能源不同，聚变能具有资源无限，不污染环境，不产生高放射性核废料等优点，是人类未来能源的主导形式之一，也是目前认识到的可以最终解决人类社会能源问题和环境问题、推动人类社会可持续发展的重要途径之一。“国际热核聚变实验堆(iter)计划”是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一。iter装置是一个能产生大规模核聚变反应的超导托卡马克，俗称“人造太阳”。iter计划是实现聚变能商业化必不可少的一步，其目标是验证和平利用聚变能的科学和技术可行性。
3.偏滤器(divertor)是磁约束核聚变翻译室内部的核心部件，其是环形聚变装置(例如：托卡马克)的组成部分，这种装置是用来把放电的外壳层内的带电粒子偏滤到一个单独的室内，在此带电粒子轰击挡板，变为中性粒子被抽走。用这种方法能避免外壳层内的带电粒子轰击主放电室壁，从而避免了主放电室壁释放出能够冷却放电的次级粒子。因此，研究其在等离子体作用下的相关性能，是成功设计及制造商业化偏滤器的关键。由于研究偏滤器在等离子环境下的材料服役性能需要搭建大型实验平台，以模拟真实核聚变环境下的等离子体相关参数。然而，实验平台的核心部件—大型超导强磁体装置，在发生异常或失超时，超导线圈的能量会转换为热量，并缓慢的排出到常温环境，导致超导磁体装置需要长时间的退电停机和再次冷却，不但存在着超导线圈烧毁的风险，而且时间成本、特别是经济成本较大，不利于超导磁体装置的使用和推广。


技术实现要素：

4.本技术实施例提供了一种等离子约束用超导磁体及测试装置，用以解决现有技术中超导磁体装置在发生异常或失超后，超导线圈产生的热量导致超导磁体需要长时间的退电停机和再次冷却的问题。
5.一方面，本技术实施例提供了一种等离子约束用超导磁体，包括：
6.超导线圈；
7.冷却介质槽，内部填充有冷却介质，超导线圈设置在冷却介质槽内部；
8.冷屏，冷却介质槽设置在冷屏内部；
9.超导线圈的两端分别通过电流引线与超导电源电连接，超导电源位于冷屏外部；冷屏外部还具有异常泄能电路和失超泄能电路，异常泄能电路和失超泄能电路分别与超导电源并联，异常泄能电路包括依次串联的异常泄能电阻、异常泄能二极管和异常泄能断路器，失超泄能电路包括依次串联的失超泄能电阻、失超泄能二极管和失超泄能断路器，当超导磁体发生异常时，异常泄能断路器闭合，当超导磁体发生失超时，失超泄能断路器闭合。
10.另一方面，本技术实施例提供了一种等离子约束用测试装置，包括离子源、测试样
品以及上述的一种等离子约束用超导磁体，离子源正对测试样品设置，离子源和测试样品沿超导磁体的轴向设置在超导磁体的内部。
11.本技术中的一种等离子约束用超导磁体及测试装置，具有以下优点：
12.1、提出了可实现异常泄能、主、被动双重失超保护及泄能的磁体保护方案，既保证系统运行的可行性、可靠性，避免磁体在失超后只采用主动保护、失超探测不及时或者甚至失效时引起的超导线圈内部产生高压导致损坏磁体，又避免由于磁体储能太大失超后冷体部分会出现温度回升过高，从而导致超导线圈再次降温冷却时间、经济成本高等实际工程问题。
13.2、可以为核聚变研究中涉及的偏滤器等材料实验，需要在等离子体环境作用下进行性能测试研究的相关材料或者器件，提供一种空间大、磁场强度高的超导磁体装备方案。
附图说明
14.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
15.图1为本技术实施例提供的一种等离子约束用超导磁体的内部结构示意图；
16.图2为本技术实施例提供的冷屏的结构示意图；
17.图3为本技术实施例提供的超导磁体整体电路示意图；
18.图4为本技术实施例提供的超导磁体正常运行时的供电状态示意图；
19.图5为本技术实施例提供的超导磁体的供电流程示意图；
20.图6为现有技术中超导磁体的电路示意图；
21.图7为现有技术中超导磁体的失超保护流程示意图；
22.图8为本技术实施例提供的用于异常泄能的电路示意图；
23.图9为本技术实施例提供的异常泄能的流程示意图；
24.图10为本技术实施例提供的用于失超保护的电路示意图；
25.图11为本技术实施例提供的失超保护流程示意图；
26.图12为本技术实施例提供的磁体无泄能与有泄能方案失超后最终的冷体最高温度对比示意图；
27.图13为本技术实施例提供的一种等离子约束用测试装置的结构示意图；
28.图14为本技术实施例提供的超导磁体内部超导线圈及磁场约束下的等离子体的运动轨迹示意图。
29.附图标记说明：1-超导磁体，2-离子源，3-测试样品。101-制冷机，102-超导线圈，103-骨架，104-冷却介质槽，105-冷屏，105-a-凸起结构，106-真空杜瓦内筒体，107-电流引线，108-轴向吊装杆，109-径向吊装杆，110-支撑底座，111-超导电源，112-供电断路器，113-失超探测器，114-保护二极管，115-异常泄能二极管，116-异常泄能断路器，117-异常泄能电阻，118-失超泄能断路器，119-失超泄能电阻，120-失超泄能二极管。
具体实施方式
30.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
31.现有技术中，用于等离子约束的超导磁体在发生异常或失超时，超导线圈的能量会转换为热量，并缓慢的排出到常温环境，导致超导磁体装置需要长时间的退电停机和再次冷却。例如，公开号为cn114974797a的中国发明专利申请中，采用保护二极管释放超导线圈失超时的能量，而能量由超导线圈转换为热量后，全部的热量均累积在冷却介质槽内，短时间大量热量聚集对超导线圈的安全造成了极大的威胁，而且将热量排出也需要漫长的时间，大大降低了研究测试的效率。
32.针对现有技术中的问题，本技术提出了一种等离子约束用超导磁体及测试装置，在超导线圈的两端并联了异常泄能电路和失超泄能电路，两个电路中均具有电阻，当超导磁体发生异常或失超时，超导线圈中的能量一部分将通过电阻快速释放到常温环境中，大大降低了冷却介质槽的冷却压力，不但提高了超导线圈的安全性，而且缩短了冷却介质槽的冷却时间。
33.图1-3为本技术实施例提供的一种等离子约束用超导磁体的组成示意图。本技术实施例提供了一种等离子约束用超导磁体，包括：
34.超导线圈102；
35.冷却介质槽104，内部填充有冷却介质，超导线圈102设置在冷却介质槽104内部；
36.冷屏105，冷却介质槽104设置在冷屏105内部；
37.超导线圈102的两端分别通过电流引线107与超导电源111电连接，超导电源111位于冷屏105外部；冷屏105外部还具有异常泄能电路和失超泄能电路，异常泄能电路和失超泄能电路分别与超导电源111并联，异常泄能电路包括依次串联的异常泄能电阻117、异常泄能二极管115和异常泄能断路器116，失超泄能电路包括依次串联的失超泄能电阻119、失超泄能二极管120和失超泄能断路器118，当超导磁体发生异常时，异常泄能断路器116闭合，当超导磁体发生失超时，失超泄能断路器118闭合。
38.示例性地，冷却介质槽104内部设置有骨架103，超导线圈102设置在骨架103上。具体地，骨架103为空心圆筒状结构，超导线圈102绕制在骨架103的外侧面上，而且超导线圈102需要设置为串联在一起的至少三段，而每段超导线圈又可以包含串联在一起的至少两个更小的线圈。其中两段超导线圈分别绕制在骨架103的两端，而另一段则绕制在骨架103的中部。冷却介质槽104内部的冷却介质可以采用液态氦气，采用冷屏105将冷却介质槽104包围后，可以有效减小外部高温对冷却介质槽104的热辐射载荷。上述超导线圈102、骨架103、冷却介质槽104和冷屏105的组合称为低温部分。
39.在本技术的实施例中，冷屏105外部设置有真空杜瓦内筒体106，冷屏105和真空杜瓦内筒体106之间的空间为真空状态。超导磁体还包括：径向吊装杆109，设置在骨架103外侧，径向吊装杆109穿过冷却介质槽104、冷屏105和真空杜瓦内筒体106，并伸出真空杜瓦内筒体106外部；轴向吊装杆108，与骨架103的轴向平行，轴向吊装杆108穿过冷却介质槽104、冷屏105和真空杜瓦内筒体106，并伸出真空杜瓦内筒体106外部。
40.采用上述径向吊装杆109和轴向吊装杆108后，整个低温部分采用轴向吊装杆108和径向吊装杆109悬挂在真空杜瓦内筒体106内部，而冷却介质槽104、冷屏105及真空杜瓦内筒体106之间除吊装杆连接外，均无任何接触，进一步减少了漏热。
41.在本技术的实施例中，真空杜瓦内筒体106的外侧面上设置有制冷机101，制冷机101的冷头与超导线圈102和冷屏105接触。进一步地，冷头包括一级冷头和二级冷头，二级冷头通过冷凝器与超导线圈102接触，一级冷头与冷屏105接触。具体地，冷屏105的侧面上具有凸起结构105-a，一级冷头与该凸起结构105-a接触。
42.真空杜瓦内筒体106的底部侧面上设置有支撑底座110，以对整个超导磁体提供稳定的支撑。
43.超导磁体的供电、异常泄能和失超泄能电路状态如图4-5以及8-11所示，现有技术中超导磁体的失超泄能电路状态如图6-7所示。在本技术中，超导线圈102的两端与电流引线107连接，最后分别与超导电源111进行连接，连接的回路上设置了供电断路器112，以实现不同状态下的加电与断电。在本技术的实施例中，超导线圈102的两端还并联有保护二极管114。多段超导线圈102分别为coil 1-6，六段超导线圈102分为三组依次连接，每组中的两个超导线圈102两端均并联有保护二极管114，该保护二极管114需要由两个反向的二极管并联组成，以实现将超导线圈102失超时产生的过高的电压泄放掉。
44.当发生异常情况时，磁体系统在加电过程或者运行阶段，出现电源、系统其他部件异常，而非磁体真正失超时，需要较为快速的将磁体储存的电磁能移除到常温环境，此时由于磁体未失超，那么内部的保护二极管114并未被导通。此时通过闭合异常泄能断路器116，并断开供电断路器112，那么电流将在超导线圈102、异常泄能二极管115、异常泄能断路器116和异常泄能电阻117形成泄能回路，此时电流通过异常泄能电阻117将产生焦耳热q＝i^2*r，将磁体储能消耗掉，从而实现磁体系统的泄能。需要说明的是异常泄能电阻117的阻值不应太大，避免储能消耗过快引起电流衰减过快，在超导线圈102上产生动态的交流衰耗，导致超导线圈102发生真正的失超。
45.进一步地，超导线圈102的两端还并联有失超探测器113，失超探测器113用于检测超导线圈102两端的电压，并根据电压的变化情况确定超导线圈102是否发生失超。具体地，失超探测器113具有三个探测端，分别与超导线圈102的两端以及中点连接，相邻两个探测端之间的电压分别为v1和v2，失超探测器113时刻监测v1和v2的差值变化情况，当电压差值超过1v的时间超过1s，认为超导磁体1发生了失超。
46.当超导磁体1在加电过程或者运行阶段，失超探测器113检测到磁体真正发生失超时，此时首先将失超泄能断路器118进行闭合，并断开供电断路器112和异常泄能电路器116。超导磁体1会随着超导线圈102失超部分的扩大，内部形成电阻电压和电感电压，当两者的电压之和大于保护二极管114的导通电压时，电流将会有一部分分流到保护二极管114上，这样将出现失超泄能电路与保护二极管114同时产生焦耳热的情况，此时就是主、被动保护同时产生保护作用，主动保护即通过保护二极管114泄能，被动保护即通过失超泄能电阻119和失超泄能二极管120泄能。该泄能电路主要是用于超导磁体1真正失超时，快速的将超导线圈102储存的电磁能的一部分移除到常温环境，避免所有的储能全部通过热能的形式释放到低温部分内部，从而导致温度升高过多，最终导致冷却时间、经济成本过高的问题。同时本技术还采用主动与被动保护相结合的方式，避免了只采用被动保护导致温度回
升过高，与只采用主动保护可能存在失超探测器113探测不准确、不及时导致在超导线圈102内部形成高压将线圈击穿的风险。
47.如图12所示，采用主动保护方案后，可以大大降低超导线圈102的最高温度，因此在实现对超导线圈102保护的同时，也降低了再次冷却的时间和经济成本，具有良好的工程意义。
48.本技术的实施例还提供了一种等离子约束用测试装置，如图13-14所示，包括离子源2、测试样品3以及上述的一种等离子约束用超导磁体1，离子源2正对测试样品3设置，离子源2和测试样品3沿超导磁体1的轴向设置在超导磁体1的内部。
49.示例性地，当超导磁体1、离子源2和测试样品3安装完成后，首先使用真空机组对冷屏105和真空杜瓦内筒体106之间的空间抽真空，当真空度达到10-2
pa量级时，打开制冷机101对超导磁体1进行冷却，并采用温度传感器对重要温度检测点进行温度监测，待超导磁体1内部超导线圈102的温度低于超导线材临界温度tc时，超导线圈102进入超导状态并具备通电励磁的能力。
50.同时，对离子源2与测试样品3所在的超导磁体1内部的腔体进行抽真空，待其他条件准备就绪后，在无磁场情况下，如果给离子源通入气体，由于等离子体缺乏约束，产生的等离子体迅速发散开，无法有效的达到测试样品3，因此达不到实验要求的等离子体通量密度。
51.在正常使用时，首先根据理论计算得到的等离子体约束所需要的磁场强度要求，闭合供电断路器112，使超导电源111向超导线圈coil 1-6同时加电，当超导线圈102的电流加载到设定值后，此时使用离子源产生等离子体，通过相关的测试传感器测试等离子体到达样品处的相关参数，如果需要调节磁场强度，可以仅仅使用超导电源111对其整体进行调节，以满足等离子体约束的要求，直到达到不同工质的等离子体约束的需求。最终，完成等离子体约束状态下，相关材料的性能测试。
52.尽管已描述了本技术的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本技术范围的所有变更和修改。
53.显然，本领域的技术人员可以对本技术进行各种改动和变型而不脱离本技术的精神和范围。这样，倘若本技术的这些修改和变型属于本技术权利要求及其等同技术的范围之内，则本技术也意图包含这些改动和变型在内。