一种产生单个球马克等离子体的放电装置与方法

本发明属于磁约束聚变等离子体技术领域，涉及一种高速度、约束性能好、单一的球马克等离子体产生的放电装置与方法。

背景技术：

利用磁化同轴等离子体枪产生的球马克或(紧凑环)是一种轴对称磁化的等离子体结构，其中环向磁场和极向磁场均由等离子体电流产生和维持。球马克作为动能、热能、电磁能等多种形式能量的自组织载体，具有超高速、高能量密度、高温度等特性，在天体物理、核物理等研究领域具有广泛的应用。在球马克的实际应用中，(包括反螺旋球马克等离子体碰撞融合产生场反位型等离子体作为磁惯性约束核聚变的磁化靶；采用球马克等离子体对磁约束核聚变与磁化靶聚变加料；以及等离子体驱动下的磁重联研究等)除需要提高等离子体速度、电子密度、温度、约束磁场等特性之外，如何实现单个球马克等离子体喷射同样是一个关键的技术。

同轴等离子体枪放电的特点是通过将电容组高压施加在同轴电极之间，工质气体被完全电离，等离子体在自磁力作用下喷射出枪口，具有超高速、高密度、高温度等特点。放电期间枪内等离子体电流片连接内外电极，整个放电回路表现为一个rlc震荡回路，存在多次放电现象。多次放电过程中会产生多团等离子体喷射，而这些等离子体的引入对球马克相关的实验研究和应用产生诸多不利影响。一方面，除一次放电外的其它放电过程加速粒子数较少，等离子体喷射速度较高，易导致球马克存在拖尾而影响其形貌、磁场等特性。同样地，在球马克注料装置中多团等离子体的存在会影响二次加速阶段中枪内电流分布，减小注料效率。另一方面，在反螺旋球马克融合实验及磁重联现象的研究中，多团等离子体的喷射会影响新平衡态的建立与维持过程，严重时直接破坏等离子体融合及磁重联过程。因此，实现单个球马克等离子体产生的技术在相关实验及应用中显得尤为重要。

目前实验中常用电流截断和改变回路的方式避免多次放电现象，虽然两种方式均能实现单个球马克等离子体的产生，但需要设计较为复杂的电路匹配。电流截断即额外增加一个接地开关来控制放电的时间，使电流在第一个脉冲结束时进行截断。改变回路是通过匹配电阻、电感、电容等将外回路设置为一“撬放电”回路，使电路处于临界阻尼状态，只有一次电流脉冲。

相比于上述两种技术手段，本申请避免了复杂的电路设计过程，对电路要求简单、易于操作与调节，只需要合理的脉冲送气与偏置磁场参数设置、以及时序设计就能获得良好喷射性能的单个球马克等离子体。

技术实现要素：

本发明的目的在于不更改回路硬件的基础上，通过调控送气、放电时序，提供一种获得单个球马克等离子体的放电装置及方法。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种产生单个球马克等离子体的放电装置，所述的放电装置包括电容组电源、同轴等离子体枪、偏置磁场系统、延时触发系统、脉冲送气系统和真空系统。

所述的电容组电源包括并联的电容组和火花开关，并联的电容组经火花开关后与同轴等离子体枪内电极、外电极相连接，电容组的高压端与内电极相连，低压端与外电极相连，内电极接负高压，外电极接地。

所述的同轴等离子体枪包括内电极、外电极和半球形钨铜合金块；所述的脉冲送气系统包括电磁阀和驱动电源，驱动电源为电磁阀供电；同轴等离子体枪的外电极上切向开设脉冲送气孔，提供放电所需的工质气体，脉冲送气孔的位置处相应布置脉冲送气系统的电磁阀；内电极端部焊接半球形钨铜合金块。所述的偏置磁场系统包括螺线管和驱动电源，驱动电源为螺线管供电，螺线管嵌入同轴等离子体枪的内电极，以提供球马克形成所需要的径向磁场。

同轴等离子体枪放电产生球马克过程中所需要的定时触发信号均由时间可调的延时触发系统提供。

进一步的，设置光电二极管、磁探针阵列、高速相机，用于对单个球马克喷射特性进行表征。

一种产生单个球马克等离子体的放电方法，包括以下步骤：

第一步，采用机械泵与分子泵组维持真空系统中真空腔室气压为10^-3pa以下。然后给电容组电源、偏置磁场的驱动电源、脉冲送气的驱动电源进行充电。电容组电源充电电压0～20kv连续可调，对应峰值电流0～300ka。偏置磁场大小通过测量其回路电流大小来确定，最大偏置磁通3mwb。

进一步的，所述的电容组电源电容为150μf，放电电流脉宽为23.5μs。

第二步，采用延时触发系统三路输出分别控制放电。首先触发偏置磁场系统的驱动电源放电，然后触发脉冲送气系统的驱动电源放电，电磁阀快速打开，通过脉冲送气孔向同轴等离子体枪内注入工作气体，间隔一定时间后触发同轴等离子体枪电容组电源放电，产生等离子体喷射。通过控制送气时间使得工作气体填充满整个加速区域，并保证整个加速时间内偏置磁场电流处于最大值附近。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

同轴等离子体枪放电方式为一种强电流脉冲放电，额外的截断电路与复杂的回路改变等操作相对较难。通过调控气体填充、偏置磁场及放电之间的延时获得单个球马克的技术操作简单、灵活、稳定性高，为核物理研究与实际应用中获得单个球马克等离子体提供了一种简便新途径。

附图说明

图1磁化同轴等离子体枪放电装置示意图；

图2同轴等离子体枪结构设计图；

图3延时触发器三路不同延时触发信号；

图4磁化同轴等离子体枪形成球马克的操作顺序：(a)偏置磁场场驱动电流，(b)脉冲气体压力，(c)放电电流和电压；

图5放电电压、电流及光电流信号；

图6球马克环向磁场和极向磁场的径向分布图；

图7磁化同轴等离子体枪形成球马克的端面演化图像；

图8二次放电等离子体的端面演化图像。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明做进一步阐述。

一种产生单个球马克等离子体的放电装置(图1所示)，所述的放电装置包括电容组电源、同轴等离子体枪、偏置磁场系统、延时触发系统、脉冲送气系统和真空系统。

电容组电源为6个25μf电容并联的电容组，经火花间隙开关后通过同轴电缆与同轴枪内外电极相连接，内电极接负高压，外电极接地。电容充电电压最大20kv，电流脉宽为23.5μs。同轴枪外电极材料为不锈钢，长388mm，内径φ～83.1mm。内电极为空心铜棒与半球形钨铜焊接而成，长343mm，外径φ～54.0mm。等离子体环在枪内的加速度长度为328mm。

同轴等离子体枪的设计如图2所示，同轴等离子体枪外电极为不锈钢筒，内电极为空心铜棒与半球形钨铜焊接而成，其目的在于避免电流集中在电极头部造成烧蚀影响等离子体纯度。偏置磁场的螺线管嵌入内电极以提供球马克形成所需要的径向磁场。外电极中平面上切向布置两个对称的脉冲送气孔，脉冲送气孔位置处对应设置脉冲送气阀，使注射的中性气体在电极间隙内沿方位方向均匀扩散。为了获得具有强磁场约束的球马克等离子体，固定偏置磁通量为2.7mwb，螺线管中心磁场3.1t。然而，对于球马克的形成，需要满足其形成阈值，因此放电电压控制在11～15kv，对应的放电电流为183～253ka。两个脉冲送气阀由同一驱动电源供电，保证两路送气的同时性。脉冲送气气压从阀口处测得并调节氩气送气质量为0.46～0.61mg。腔室真空维持在10^-3pa。整个同轴枪放电产生球马克过程中所需要的定时触发信号均由时间可调的光纤耦合延时触发系统提供，分辨力为1μs。

采用上述装置得到单个球马克等离子体产生的方法，具体包括以下步骤：

第一步，确定放电条件之后分别给电容组电源充电，电压15kv；偏置磁场驱动电源电压650v，对应磁通2.7mwb；脉冲送气驱动电源电压2.1kv，对应进气量0.46mg。

第二步，利用延时触发器调节偏置磁场、脉冲送气和放电的延时。脉冲送气通过一个快速响应的气压传感器测量，送气质量由驱动电流和背景气压控制。首先触发偏置磁场电源，然后在偏置电流升高到2.3ms时触发两个送气阀电源。经过200μs后，偏置磁场和填充气体压力达到最大值，如图3和图4所示。最后，同时触发连接到充电电容组的火花间隙开关放电。此时，气体已填充满加速区域，驱动电流达到峰值，偏置磁通为2.7mwb。火花间隙开关从触发到气体击穿的时间间隔小于1μs，对整个延时调整没有影响。气体击穿后，流过等离子体的电流连接内、外电极，形成rlc电路。等离子体在放电过程中主要表现为无功负载，因此电路表现出欠阻尼振荡。相应的电流和电压波形如图4中的(c)所示。考虑到磁场电源电流持续时间是10ms，所以认为在放电脉冲期间(～100μs)的偏置磁场是稳定的。

第三步，放电过程中，利用高速相机拍摄枪内等离子体的形成与演化图像，并在距离喷口处2cm和12cm位置处测量等离子体光电流信号，诊断单个球马克等离子体喷射与磁场特征，利用距离喷口2和12cm处的两个光电二极管测量等离子体喷射特性，如图5所示。整个放电过程中只有一次放电期间产生了球马克等离子体。多次放电产生的等离子体均未喷出枪口，其中二次放电过程中没有产生球马克等离子体与放电模式转变有关。

利用一个距离喷口7cm处的二维磁探针阵列测量等离子体磁场的径向分布，进一步验证了喷出的等离子体是否为球马克，如图6所示。球马克具有环向磁场和极向磁场嵌套的结构。

在放电起始时刻触发高速相机拍摄磁化同轴等离子体枪内等离子体形成与演化过程，由于二次放电后的多次放电电流小于球马克形成阈值，因此被限制在枪内，不考虑其产生的等离子体演化过程。电流的第一个周期内两次放电的等离子体演化图像如图7和图8所示。从图像上可以看出：一次放电过程中喷射的球马克是一个空心等离子体环，二次放电过程中等离子体弥散分布在枪内未被喷出。

第四步，在不改变放电延时的条件下，改变不同的放电参数(放电电压与送气量)，放电电压11～15kv，送气量0.46～0.61mg，气体填充时间200μs，固定偏置磁通2.7mwb。重复上述步骤，均产生了单个球马克等离子体。

产生的这种单一球马克等离子体以螺旋运动的形式喷出，是一个空心环状的结构，类似于“甜甜圈”的形状。环向磁场与极向磁场相互嵌套，最大磁场达0.2t，等离子体喷射速度最大为90km/s。

上述实例证明：采用上述设计的同轴等离子体枪结构及所提出的技术方案实现了整个放电过程中单个球马克等离子体的产生与喷射。实验过程不需要借助于其他设备或复杂的电路设计，只需要控制偏置磁场、气体填充与放电之间的延时就可以获得单个球马克等离子体喷射。该技术操作简单、灵活、稳定性高，在满足球马克形成阈值的条件下，可根据不同的实际需要获得不同质量、不同喷射速度的球马克等离子体。

在此基础上，如果想要获得更高速度、约束性能好的球马克等离子体，就需要增加偏置磁通量，同时在满足球马克形成阈值的条件下增加放电电压。这也不能影响整个放电过程及单个球马克等离子体的产生。因此，本发明可以实现整个放电过程中产生单个高速度、约束性能良好球马克等离体，并且其等离子体性能可根据实际需要进行调节。