[發明專利]一種具有三棱柱反射陣列的氣體靶中性化器

在審

• 申請號: 201910573734.1
• 申請日: 2019-06-28
• 公開（公告）號: CN112151196A
• 公開（公告）日: 2020-12-29
• 發明（設計）人: 楊憲福;魏會領;曹建勇
• 申請（專利權）人: 核工業西南物理研究院
• 主分類號: G21B1/15
• 分類號: G21B1/15;G21B1/19
• 代理公司: 核工業專利中心 11007
• 代理人: 高安娜

本發明屬于磁約束聚變技術，具體為一種具有三棱柱反射陣列的氣體靶中性化器。包括截面為矩形的中性化管道、設于中性化管道內的三棱柱反射陣列、純鐵屏蔽罩，三棱柱反射框圍繞一圈的冷卻水管；中性化管道底部設有送氣結構，向中性化管道內輸送中性化氣體。設計三棱柱反射框，其能夠反射氣體分子，根據分子流特性，氣體只和器壁發生碰撞，且碰撞后的發射角和入射無關，發射角滿足余弦定理，因此反射框使得分子碰撞后盡可能多的停留在中性化器中，達到增加氣體密度的效果。

技術領域

本發明屬于磁約束聚變技術，具體涉及一種氣體靶中性化器結構。

背景技術

中性束注入加熱是受控核聚變實驗中有效的輔助加熱方式，氣體在放電室中電離形成等離子體，而后被引出-加速系統引出形成離子束流，經中性化器和氣體靶碰撞反應后轉化為中性粒子束流，注入到托卡馬克中心等離子體，起到加熱作用。

中性束注入器是個差分抽氣系統，放電室未被電離的氣體會順流至中性化器，形成初始氣體靶，離子束通過中性化器時，離子束和氣體靶碰撞反應，俘獲或剝離電子轉化為中性粒子，但并非所有的離子都會轉化為中性粒子，不同能量的離子束流在氣體靶中都有最大的中性化效率，實現離子束的最大中性化效率是提高中性束注入功率的有效途徑。

當初始氣體靶厚不足時，離子束的中性化效率達不到最大中性化效率，此時需要在中性化器的適當位置添加補充送氣以增加氣體靶厚，特別是對能量較高的負離子束流而言，添加的補充送氣可能是順流氣體量的數倍，這些氣體都將作為中性束注入器的氣體負載進入真空室，將增加主泵的負載和再電離損失幾率，甚至破壞托卡馬克等離子體，因此在工程上通常取離子束最大中性化效率的95％為最佳中性化效率，此時所需的氣體靶厚為最佳氣體靶厚。根據離子束的能量和正負極性來確定中性化器中最佳氣體靶厚度，由離子源放電參數確定未電離的順流氣體流量，不足的部分則通過補充送氣使氣體靶厚達到最佳氣體靶厚。

氣體靶中性化器因其結構簡單，運行成本低等優點成為大多數中性束注入器的首選中性化器，某型號聚變裝置的中性束注入器也選擇氣體靶中性化器。在某型號聚變裝置中，需要實現最佳氣體靶厚，同時減少束線氣體負載，屏蔽托卡馬克雜散場對中性化器離子束流傳輸軌跡的影響，因此需要設計一種適配的新型氣體靶中性化器。

發明內容

本發明的目的是提供一種具有三棱柱反射陣列的氣體靶中性化器，能夠達到最佳氣體靶厚，同時減少束線氣體負載。

本發明的技術方案如下：

一種具有三棱柱反射陣列的氣體靶中性化器，包括截面為矩形的中性化管道、設于中性化管道內由若干個三棱柱反射框組成的三棱柱反射陣列、設于中性化管道外部的純鐵屏蔽罩，以及沿著每個三棱柱反射框圍繞一圈的冷卻水管；所述的冷卻水管的進水口和出水口全部穿過中性化管道和純鐵屏蔽罩；所述的三棱柱反射框平行且等間距放置；所述的中性化管道底部設有送氣結構，向中性化管道內輸送中性化氣體。

所述的三棱柱反射框由四段截面為直角三角形的三棱柱焊接組成。

所述的直角三角形為60°角的直角三角形，所述的三棱柱反射框中由截面直角短邊所在側面與中性化管道側壁接觸，并且垂直于離子束流方向，截面斜邊所在側面的外法線方向偏向中性化管道入口方向。

所述的送氣結構包括穿過純鐵屏蔽罩下方并和中性化管道焊接的安裝套管和設于安裝套管內的同軸的送氣管，安裝套管下端為螺帽，送氣管穿過純鐵屏蔽罩和中性化管道伸入到中性化管道包圍形成的離子束流動空間內。

所述的送氣管的送氣端設有偏轉段，偏轉方向朝向離子束流動入口。

所述的偏轉段的長徑比為1～5。

所述的偏轉段的偏轉角度為140～160°。

所述的冷卻水管的直徑為6～8mm。

所述的螺帽和安裝套管通過密封圈密封連接。