[发明专利]一种基于立方体永磁体块的仿星器磁体及其优化布置方法

说明书

本发明提出一种基于立方体永磁体块的仿星器磁体及其优化布置方法。针对仿星器三维磁体线圈结构复杂的特点，本发明提供一种基于均匀磁化、磁化强度相同、尺寸相同的立方体永磁体块的仿星器磁体，立方体永磁体块的磁化方向固定在有限个备选方向上，通过这些永磁体块提供的偶极磁场，与平面线圈一起产生仿星器的磁场位形，降低仿星器的装置复杂度、磁体加工和安装的难度和成本。其中永磁体块的形状可替换为其他规则形状，仍然由同一形状、同一大小、均匀磁化、磁化强度相同的永磁体块组合构成。针对这种磁体，本发明提供一种“局部补偿”的永磁体布置优化方法，以及相关的“阈值截断”、“全局微调”等优化策略用于针对不同的磁场精度、磁体用量等优化需求，能够得到符合设计要求的磁场。

技术领域

本发明属于磁约束聚变能领域，涉及仿星器位形的磁约束聚变装置，具体涉及一种基于立方体永磁体块的仿星器磁体及其优化布置方法。

背景技术

仿星器是一种磁约束聚变装置，通过环形封闭的磁场位形约束等离子体，其磁力线为环向螺旋形结构。通过外部磁体产生螺旋磁场，其磁面结构为环向非对称并且具有扭转的形态。传统的仿星器是通过外部线圈产生磁场构成仿星器的磁场位形，线圈既要产生环向磁场，也要产生极向磁场，因此传统仿星器线圈的几何形态非常复杂，对其加工和制造会带来很大挑战，成本也随之大幅上升。

永磁体是能被外部磁场磁化从而对外产生偶极磁场，并且在撤掉外部磁场之后还能长期保持磁性的磁体。尽管通过物理原理可知，永磁体的任何布置都无法产生环形封闭磁场，但是如果通过平面线圈产生环向磁场，在仿星器等离子体平衡磁面上会产生法向磁场分量，而永磁体的双极磁场可以用来低效等离子体平衡磁面上的法向磁场分量，进而与平面线圈一道，形成闭合扭转的仿星器磁场位形。P.Helander等人以准轴对称仿星器为例，计算得到了真空室表面所需的永磁体的磁化强度分布，从原理上证明了通过永磁体可以产生仿星器所需要的极向磁场和旋转变换，与平面线圈相结合可以得到仿星器磁场位形(论文1：P.Helander,et.al.Stellarators with Permanent Magnets.Phys.Rev.Lett.2020,124 095001)。