一種多極磁阱等離子體磁約束裝置的時(shí)序控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及等離子體磁約束領(lǐng)域，具體為一種多極磁阱等離子體磁約束裝置的時(shí) 序控制方法，給出了多極磁阱磁約束裝置各個(gè)子系統(tǒng)之間的時(shí)序控制模型，從而保證了多 極磁阱等離子體磁約束裝置中等離子體的產(chǎn)生、輸運(yùn)和等離子體磁約束等一系列工作的正 常運(yùn)行。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著能源問(wèn)題的日益突出，開發(fā)安全可靠、高效清潔的新能源迫在眉睫。受控核聚 變作為一種理想的清潔能源，在燃料儲(chǔ)量和安全性方面有著巨大的優(yōu)勢(shì)。目前，受控核聚變 主要有兩個(gè)研究方向：慣性約束和磁約束。其中磁約束核聚變是研究熱點(diǎn)，其代表性的磁約 束裝置有托卡馬克和仿星器。
[0003] 多極磁阱磁約束裝置作為一種非托卡馬克型受控?zé)岷司圩兊入x子體磁約束的初 極研究裝置，與托卡馬克、仿星器等磁約束裝置相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、可控性好、能 自動(dòng)抑制等離子體的互換不穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。它由等離子體槍系統(tǒng)、全等離子體通道系統(tǒng)和 多極磁阱系統(tǒng)組成。多極磁阱磁約束裝置位于等離子體內(nèi)部，它是利用最小B原理實(shí)現(xiàn)對(duì) 等離子體的約束。
[0004] 目前，大多數(shù)磁約束裝置的控制都是以脈沖方式進(jìn)行的，為了成功的進(jìn)行等離子 體磁約束，所有參與實(shí)驗(yàn)的子系統(tǒng)和設(shè)備必須同步運(yùn)行。這就意味著需要一個(gè)精確的時(shí)序 控制系統(tǒng)，一個(gè)可靠的時(shí)序控制系統(tǒng)應(yīng)該是根據(jù)磁約束裝置中的各個(gè)子系統(tǒng)的工作啟動(dòng)時(shí) 刻和工作時(shí)間來(lái)確定的。而磁約束裝置中現(xiàn)有的時(shí)序控制系統(tǒng)并沒(méi)有詳細(xì)分析各個(gè)子系統(tǒng) 的時(shí)序控制算法，只是通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)確定各子系統(tǒng)的時(shí)序參數(shù)，各個(gè)子系統(tǒng)之間的時(shí)序信 號(hào)匹配性差、可靠性低。
[0005] 在這種背景下，我們提出了一種多極磁阱等離子體磁約束裝置的時(shí)序控制方法， 給出了多極磁阱磁約束裝置的各個(gè)子系統(tǒng)之間的時(shí)序控制模型，從而保證多極磁阱等離子 體磁約束裝中等離子體的產(chǎn)生、輸運(yùn)和等離子體磁約束等一系列工作過(guò)程的正常運(yùn)行，保 證了多極磁阱等離子體磁約束裝置的實(shí)時(shí)性和可靠性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的主要目的在于提供了一種多極磁阱等離子體磁約束裝置的時(shí)序控制方 法。該方法能保證多極磁阱等離子體磁約束裝置中等離子體的產(chǎn)生、輸運(yùn)和等離子體磁約 束等一系列工作過(guò)程的正常運(yùn)行，提高多極磁阱等離子體磁約束裝置的實(shí)時(shí)性和可靠性。
[0007] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：一種多極磁阱等離子體磁約束 裝置的時(shí)序控制方法的步驟包括：
[0008] 步驟1 :等離子體槍系統(tǒng)的時(shí)序控制。等離子體是由脈沖供氣電磁閥和氣體電離 電極組成。設(shè)等離子體槍的工作起始時(shí)刻為tpg。，脈沖供氣電磁閥的工作時(shí)間為T pgl，工作起 始時(shí)刻為tpgl，氣體電離電極的工作時(shí)間為Tpg2，工作起始時(shí)刻為t pgl。
[0009] 步驟2 :全等離子體通道系統(tǒng)時(shí)序控制。全等離子體通道包括公共等離子體通道 系統(tǒng)、快等離子體通道系統(tǒng)、截?cái)嗥飨到y(tǒng)和溜槽線圈系統(tǒng)。全等離子體通道工作的時(shí)間記為 Tp。，全等離子體通道工作的時(shí)間Tp。包含四部分：一是等離子槍和全等離子體通道工作的起 始時(shí)刻差A(yù)t 1;二是等離子體通過(guò)全等離子體通道的時(shí)間Tpt，其起始時(shí)刻記為tp。。;三是溜 槽線圈系統(tǒng)的工作時(shí)間T pl，其啟動(dòng)時(shí)刻記為tpl。。四是截?cái)嗥飨到y(tǒng)的工作時(shí)間Tpi，其啟動(dòng) 時(shí)刻記為t pi。。
[0010] 步驟3 :多極磁阱系統(tǒng)時(shí)序控制。多極磁阱系統(tǒng)由盲鰻線圈、補(bǔ)償線圈和螺線管線 圈組成，各個(gè)線圈相互串聯(lián)，由一個(gè)脈沖電源系統(tǒng)供電產(chǎn)生磁阱磁場(chǎng)位形。磁阱工作的起始 時(shí)刻記為I t。，磁阱工作的時(shí)間記為Tnit，磁阱工作的時(shí)間Tnit包含三部分：一是磁阱和全等離 子體通道工作的起始時(shí)刻差A(yù)t 2;二是等離子體注入的時(shí)間Tpi;三是等離子體的約束時(shí)間 Tnc。
[0011]與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明計(jì)算多極磁阱等離子體磁約束裝置中各個(gè)子系統(tǒng)的工 作啟動(dòng)時(shí)刻和工作時(shí)間結(jié)果精度高，保證了多極磁阱等離子體磁約束裝置中各個(gè)子系統(tǒng)之 間的同步性，提高了多極磁阱等離子體磁約束裝置的實(shí)時(shí)性和可靠性。
【附圖說(shuō)明】
[0012] 圖1是本發(fā)明所述的多極磁阱磁約束裝置結(jié)構(gòu)示意圖
[0013] 圖2是本發(fā)明所述的一種多極磁阱磁約束裝置的時(shí)序控制算法流程圖
【具體實(shí)施方式】
[0014] 下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行清楚、完整地描 述，顯然，所描述的實(shí)施例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。
[0015] 如圖1所示，本發(fā)明所述的多極磁阱磁約束裝置由等離子體槍系統(tǒng)11、全等離子 體通道系統(tǒng)12和多極磁阱系統(tǒng)13三部分組成。等離子體槍系統(tǒng)11由脈沖供氣電磁閥模 塊a和氣體電離電極模塊b組成，負(fù)責(zé)工質(zhì)氣體輸送和電離。全等離子體通道系統(tǒng)12由公 共等離子體通道模塊c、截?cái)嗥髂Kd、快等離子體通道模塊e和溜槽線圈模塊f組成，負(fù)責(zé) 等離子體的輸運(yùn)、篩選和注入。多極磁阱系統(tǒng)13,負(fù)責(zé)產(chǎn)生約束等離子體的磁阱磁場(chǎng)位形。
[0016] 如圖2所示，本發(fā)明還給出了一種多極磁阱磁約束裝置的時(shí)序控制方法。包括以 下步驟：
[0017] 步驟21 :等離子體槍系統(tǒng)的時(shí)序控制。等離子體槍的工作起始時(shí)刻為tpg。，等離 子體槍的工作時(shí)間為Tpg= T pgl+Tpg2。其中！'^是脈沖供氣電磁閥的工作時(shí)間，啟動(dòng)時(shí)刻為 tpgl，考慮到脈沖供氣電磁閥是最先開始工作的，所以其啟動(dòng)時(shí)刻tpgl= tpg。。其中Tpg2是氣 體電離電極的工作時(shí)間，為了保證可靠的對(duì)工質(zhì)氣體電離，氣體電離電極啟動(dòng)時(shí)刻需滿足 t pgl〇
[0018] 步驟22 :全等離子體通道工作的起始時(shí)刻為tp。。。等離子槍和全等離子體通道工 作的起始時(shí)刻差A(yù)t1, At1滿足下式：
[0020] 快束和慢束等離子體分別通過(guò)全等離子體通道的時(shí)間Tptq和T pts滿足下式：
[0022] 式中，Lptl為公共等離子體通道的長(zhǎng)度，單位為m ;L pt2為快等離子體通道的長(zhǎng)度， 單位為m ;vq是快束等離子體運(yùn)動(dòng)速度，單位為m/s ;v s為慢束等離子體的運(yùn)動(dòng)速度，單位為 m/s〇
[0023] 同時(shí)為了可靠進(jìn)行等離子體的輸運(yùn)，公共等離子體通道和快等離子體通道的啟動(dòng) 時(shí)刻tpp。和t pq。均等于t pg。，工作時(shí)間Tpp和T pq均等于T pts〇
[0024] 步驟23 :截?cái)嗥飨到y(tǒng)的工作時(shí)間為Tpi，啟動(dòng)時(shí)刻為tpi。。其啟動(dòng)時(shí)刻滿足如下關(guān) 系式：
[0026] 截?cái)嗥飨到y(tǒng)在工作時(shí)間Tpi內(nèi)需要完全截?cái)嗦入x子體，保證只有快束等離子 體通過(guò)，因此其工作時(shí)間T pi= T pts。
[0027] 步驟24 :溜槽線圈需等到等離子體通過(guò)全等離子體通道之后才啟動(dòng)，所以溜槽線 圈的啟動(dòng)時(shí)刻tpl。滿足：
[0028] tpl0= t pc〇+Tptq
[0029] 為了保證溜槽線圈可靠的中和多極磁阱的障壁磁場(chǎng)，其工作時(shí)間Tpl應(yīng)為等離子 體槍產(chǎn)生等離子體束的持續(xù)時(shí)間，即等離子體槍的氣體電離電極工作時(shí)間T pg2。
[0030] 步驟25 :設(shè)磁阱工作的起始時(shí)刻為It。，磁阱和全等離子體通道工作的起始時(shí)刻 的差記為At2, At2不能少于等離子體通過(guò)全等離子體通道的時(shí)間，即At2滿足：
[0031]
[0032] 磁阱工作的時(shí)間記為Tnit，磁阱工作的時(shí)間1^包含三部分：一是磁阱和全等離子體 通道工作的起始時(shí)刻差A(yù) t2;二是等離子體注入的時(shí)間T P1;三是等離子體的約束時(shí)間T 即Tnit滿足：
[0033] Tnt= At2+Tpi+Tnc
[0034] 以上說(shuō)明對(duì)本發(fā)明而言只是說(shuō)明性的，而非限制性的，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解， 在不脫離以下所附權(quán)利要求所限定的精神和范圍的情況下，可做出許多修改、變化或等效， 但都將落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種多極磁阱等離子體磁約束裝置的時(shí)序控制方法，其步驟包括： 步驟1:等離子體槍系統(tǒng)的時(shí)序控制，等離子體是由脈沖供氣電磁閥和氣體電離電極 組成，等離子體槍的工作起始時(shí)刻為tpg。，等離子體槍的工作時(shí)間為Tpg=Tpgl+Tpg2，其中Tpgl是 脈沖供氣電磁閥的工作時(shí)間，啟動(dòng)時(shí)刻為tpgl，考慮到脈沖供氣電磁閥是最先開始工作的， 所以其啟動(dòng)時(shí)刻tpgl=tpg。，其中Tpg2是氣體電離電極的工作時(shí)間，為了保證可靠的對(duì)工質(zhì)氣 體電離，氣體電離電極啟動(dòng)時(shí)刻需滿足tpg2多tpgl; 步驟2 :全等離子體通道系統(tǒng)時(shí)序控制，全等離子體通道包括公共等離子體通道系統(tǒng)、 快等離子體通道系統(tǒng)、截?cái)嗥飨到y(tǒng)和溜槽線圈系統(tǒng)，全等離子體通道工作的時(shí)間記為Tp。，全 等離子體通道工作的時(shí)間Tp。包含四部分：一是等離子槍和全等離子體通道工作的起始時(shí) 刻差A(yù)t1;二是等離子體通過(guò)全等離子體通道的時(shí)間Tpt，起始時(shí)刻為tp。。;三是溜槽線圈系 統(tǒng)的工作時(shí)間為Tpl，啟動(dòng)時(shí)刻為tpl。;四是截?cái)嗥飨到y(tǒng)的工作時(shí)間TP1，啟動(dòng)時(shí)刻為tpi。;等離 子槍和全等離子體通道工作的起始時(shí)刻差A(yù)tl，A^滿足下式：快束和慢束等離子體分別通過(guò)全等離子體通道的時(shí)間T_和Tpts滿足下式：同時(shí)為了可靠進(jìn)行等離子體的輸運(yùn)，等離子體通道的工作時(shí)間Tpt=Tpts; 溜槽線圈需等到等離子體通過(guò)全等離子體通道之后才啟動(dòng)，所以溜槽線圈的啟動(dòng)時(shí)刻tpl。滿足： tpi〇 -tpc0+Tptq 溜槽線圈需等到等離子體通過(guò)全等離子體通道之后才啟動(dòng)，所以溜槽線圈的啟動(dòng)時(shí)刻tpl。滿足： tpi〇 -tpc0+Tptq 截?cái)嗥飨到y(tǒng)的工作時(shí)間為TP1，啟動(dòng)時(shí)刻為tpi。，其啟動(dòng)時(shí)刻滿足如下關(guān)系式：截?cái)嗥飨到y(tǒng)在工作時(shí)間TP1內(nèi)需要完全截?cái)嗦入x子體，保證只有快束等離子體通 過(guò)，因此其工作時(shí)間Tpi=Tpts; 步驟3 :多極磁阱系統(tǒng)時(shí)序控制，多極磁阱系統(tǒng)由盲鰻線圈、補(bǔ)償線圈和螺線管線圈組 成，各個(gè)線圈相互串聯(lián)，由一個(gè)脈沖電源系統(tǒng)供電產(chǎn)生磁阱磁場(chǎng)位形，磁阱工作的起始時(shí)刻 為tmt。，磁阱工作的時(shí)間記為Tmt，磁阱工作的時(shí)間Tmt包含三部分：一是磁阱和全等離子體通 道工作的起始時(shí)刻差A(yù)t2;二是等離子體注入的時(shí)間TP1;三是等離子體的約束時(shí)間T 多級(jí)磁阱和全等離子體通道工作的起始時(shí)刻的差記為At2,At2不能少于等離子體通 過(guò)全等離子體通道的時(shí)間，即At2滿足：磁阱工作的時(shí)間記為Tm，磁阱工作的時(shí)間Tm包含三部分：一是磁阱和全等離子體通道 工作的起始時(shí)刻差A(yù)t2;二是等離子體注入的時(shí)間Tpl;三是等離子體的約束時(shí)間T"。。即Tmt 滿足： Tnt=At2+Tpi+Tnc〇
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種多極磁阱等離子體磁約束裝置的時(shí)序控制方法，所述的多極磁阱等離子體磁約束裝置包括等離子體槍系統(tǒng)、全等離子體通道系統(tǒng)和多極磁阱系統(tǒng)。該方法由多極磁阱等離子體磁約束裝置各個(gè)子系統(tǒng)工作時(shí)序的數(shù)學(xué)模型，得出多極磁阱磁約束裝置各個(gè)子系統(tǒng)之間的時(shí)序控制模型。本發(fā)明所述的方法實(shí)現(xiàn)了多極磁阱等離子體磁約束裝置中各個(gè)子系統(tǒng)工作時(shí)序的精確控制，保證了整個(gè)等離子體磁約束裝置完成磁約束工作的同步性和實(shí)時(shí)性。
【IPC分類】H05H1/24, H05H1/02
【公開號(hào)】CN105101602
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510455578
【發(fā)明人】金顯吉, 林景波, 陶寶泉, 佟為明, 李辰, 趙志衡, 劉勇
【申請(qǐng)人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年11月25日
【申請(qǐng)日】2015年7月30日