[发明专利]一种基于孔型引出离子源的注入器设计程序

摘要

本发明属于磁约束聚变装置高功率中性束注入加热系统物理结构设计方法技术领域，具体涉及磁约束聚变工程中的中性束注入加热系统注入器概念设计分析程序包。通过脚本语言编制的人机交互界面调整注入器核心部件的基本布局和尺寸，根据输入参数分析计算注入器设计必须的几何布局参数，束功率传输效率，部件截获束功率等参数。程序界面均直接由脚本语言编写，运行简单，只需运行Matlab，在命令窗口输入NBIcao，按Enter键后出现程序第一个运行界面，其它运行界面由界面上放置的命令按钮给出。

主权项

一种基于孔型引出离子源的注入器设计程序，应用于磁约束聚变装置中注入器的设计，其特征在于：包括以下方面：(1)界面设计注入器设计程序的人机交互界面模块包括4个界面：NBI注入窗口和电极孔分布计算界面、等离子体发生器和引出束成分分析界面、孔引出4离子源束几何计算程序界面、注入器关键部件几何分析界面；上述4个界面都由脚本语言编写，每个界面都分别包括参数输入区，参数输出区和图形显示区；根据参数输入区中的输入参数进行计算，得到参数输出区的输出参数；(2)NBI注入窗口和电极孔分布计算界面(2.1)界面基本区域(2.1.1)在该界面中，图形显示区包括三部分，分别是：HL‑2M的设计水冷引出电极的孔分布示意图；HL‑2A的非水冷引出电极的孔分布示意图；HL‑2M的NBI注入窗口的几何参数示意图；在HL‑2M的NBI注入窗口的几何参数示意图中，几何参数包括注入角、束宽度、倾斜角、捕获长度；(2.1.2)参数输入区包括三部分，分别是：HL‑2M的设计水冷引出电极的初始几何参数：引出电流大小、电极的初始透明率、引出电流的初始密度、电极形状、电极水平半径、电极孔半径、水冷管直径、水冷管布置方向；HL‑2A的非水冷引出电极的初始几何参数：引出电流、电极透明率、引出面积、电极孔半径、引出电极半径、电极孔间距；HL‑2M的基本工程设计参数：托克马克装置内壁半径、托克马克装置外壁半径、托克马克装置的大半径、托克马克装置的小半径、NBI注入窗口的深度、NBI注入窗口的倾斜角、托克马克装置的等离子体密度、TF线圈宽度、NBI注入窗口的宽度、NBI束的倾斜角、NBI能量、TF线圈数量、窗口角度、NBI束的类型；(2.1.3)参数输出区包括两部分，分别是：HL‑2M的设计水冷引出电极的用于分析计算的几何参数：引出电极的面积、引出电极的半高、水平方向的电极孔数、电极的透明率、竖直方向的电极孔间距、水平方向的电极孔间距、半高方向的电极孔数、束密度、总孔数；HL‑2M的NBI加热系统的可行性参数：NBI注入角、最大NBI束宽度、沿注入方向的等离子体边界到等离子体中心之间的距离、捕获长度、注入窗口边界到等离子体中心之间的距离、注入窗口在托克马克装置中的相对坐标；(2.2)该界面与其他界面之间的联系按钮在脚本语言程序中输入主程序名称，进入程序第一个运行界面——NBI注入窗口和电极孔分布计算界面，其它三个运行界面通过设置在NBI注入窗口和电极孔分布计算界面上的命令按钮给出，在其它三个运行界面中都设置一个返回按钮返回到第一个运行界面；三个命令按钮分别是等离子体发生器和引出束成分分析界面按钮、孔引出4离子源束几何计算程序界面按钮、注入器关键部件几何分析界面按钮；(3)程序计算流程(3.1)根据NBI注入窗口和电极孔分布计算界面中参数输入区中HL‑2M的基本工程设计参数计算右侧输出区的HL‑2M的NBI加热系统的可行性参数及其对应的图形显示；(3.2)根据NBI注入窗口和电极孔分布计算界面中参数输入区中HL‑2M的设计水冷引出电极的初始几何参数和HL‑2A中非水冷引出电极的初始几何参数计算设计水冷引出电极的用于分析计算的几何参数以及图形显示区中对应的设计水冷引出电极的孔分布示意图、非水冷引出电极的孔分布示意图；(3.3)在NBI注入窗口和电极孔分布计算界面中，通过点击等离子体发生器和引出束成分分析界面按钮，进入等离子体发生器和引出束成分分析界面；(3.4)在等离子体发生器和引出束成分分析界面中包括参数输入区、参数输出区和图形显示区；(3.4.1)参数输入区包括两部分，分别是：左侧输入区，包括离子源初始设计参数：引出电压、弧放电效率、放电室内壁磁极磁场强度、会切磁极间隙宽度、放电室深度、放电室灯丝间隙、灯丝直径、等离子体的初始电子温度、等离子体的初始离子温度、放电室的等离子体密度；右侧输入区，包括气靶厚度和NBI束参数：NBI束的离子能量、中性化气靶厚度、等离子中H1的比例、等离子中H2的比例、漂移管道的气靶厚度、不同氢族图形输出选择参数；(3.4.2)参数输出区包括两部分，分别是：左侧输出区，包括离子源实际输出参数：放电室水平方向的腔体宽度、放电室垂直方向的高度、会切磁极数量、放电室腔体体积、等离子体体积、放电室腔体的内壁面积、磁极损失面积、灯丝数量、离子损失面积、离子源引出束流密度、放电电流、引出束功率、0℃和3000K下的灯丝并联电阻、灯丝电流、等离子体质子比；右侧输出区，包括束成分和中性化效率参数：全能H1原子的比例、全能H2分子的比例、半能H1原子的比例、三分之一能量的H1原子的比例、三分之二能量的H2分子的比例、中性化效率；全能H1离子的比例、全能H2的比例、全能H3离子的比例、半能H1离子的比例、三分之一能量的H1离子的比例、三分之二能量的H2的比例；(3.4.3)图形显示区包括四部分，分别是：等离子体密度对应质子比的关系示意图；不同氢族的中性化气靶厚度和离子成分的比例示意图；不同的中性化气靶厚度下对应中性化效率的示意图；不同的漂移管道的气靶厚度下对应的再电离损失示意图；(3.5)在NBI注入窗口和电极孔分布计算界面中，点击进入孔引出4离子源束几何计算程序界面的按钮有两个，分别为进入需要设计的H2‑M的水冷引出电极的离子源束几何计算程序界面按钮，进入需要设计的H2‑A的非水冷引出电极的离子源束几何计算程序界面按钮；(3.5.1)在NBI注入窗口和电极孔分布计算界面中点击进入需要设计的H2‑M的水冷引出电极的离子源束几何计算程序界面按钮(3.5.1.1)在需要设计的H2‑M的水冷引出电极的离子源束几何计算程序界面中：参数输入区为输入NBI参数：4个离子源的小孔束发散角和总的束功率、离子源布局参数、需要计算的位置距离离子源引出面纵向位置之间的距离参数；参数输出区为输出NBI参数：4个离子源的总束发散角、1/e半宽度、最大功率密度、最大功率密度位置；总的4个离子源的最大功率密度、水平方向焦距和垂直方向焦距；图形显示区：每个离子源的束功率分布示意图；4个离子源的总的束功率分布示意图；(3.5.1.2)在需要设计的H2‑M的水冷引出电极的离子源束几何计算程序界面中，通过点击注入器关键部件几何分析界面按钮，进入注入器关键部件几何分析界面；在注入器关键部件几何分析界面中，参数输入区包括两部分：总的NBI束参数输入区：包括束电流大小、束能量大小、小孔引出束的发散角、离子类型、离子比例；关键部件的参数输入区：包括中性化室、偏转磁体、束边缘刮削器、量热靶、注入漂移管道的几何参数；参数输出区为不同关键部件的几何参数、输出功率、损失功率比例；图形显示区为不同关键部件的束功率密度分布示意图；(3.5.2)在NBI注入窗口和电极孔分布计算界面中点击进入需要设计的H2‑A的非水冷引出电极的离子源束几何计算程序界面按钮；(3.5.2.1)在需要设计的H2‑A的非水冷引出电极的离子源束几何计算程序界面中：参数输入区为输入NBI参数：4个离子源的小孔束发散角和总的束功率、离子源布局参数、需要计算的位置距离离子源引出面纵向位置之间的距离参数；参数输出区为输出NBI参数：4个离子源的总束发散角、1/e半宽度、最大功率密度、最大功率密度位置；总的4个离子源的最大功率密度、水平方向焦距和垂直方向焦距；图形显示区：每个离子源的束功率分布示意图；4个离子源的总的束功率分布示意图；(3.5.2.2)在需要设计的H2‑A的非水冷引出电极的离子源束几何计算程序界面中，通过点击注入器关键部件几何分析界面按钮，进入注入器关键部件几何分析界面；在注入器关键部件几何分析界面中，参数输入区包括两部分：总的NBI束参数输入区：包括束电流大小、束能量大小、小孔引出束的发散角、离子类型、离子比例；关键部件的参数输入区：包括中性化室、偏转磁体、束边缘刮削器、量热靶、注入漂移管道的几何参数；参数输出区为不同关键部件的几何参数、输出功率、损失功率比例。