[发明专利]用于多极磁阱磁约束装置的等离子体环向力平衡控制方法

摘要

本发明公开了一种用于多极磁阱磁约束装置的等离子体环向力平衡控制方法，该方法通过设置外部磁场B_V的磁感应强度大小的方式控制多极磁阱磁约束装置中的等离子体的环向力平衡，多极磁阱磁约束装置包括一内部盲鳗线圈、两个外部盲鳗线圈、一补偿线圈和一螺线管线圈，多极磁阱磁约束装置中还设有一磁感应强度为B_V的外部磁场。根据环向力平衡条件，等离子体受到的各项力的合力为零，由此得到外部磁场的磁感应强度B_V需满足的关系式。本发明提供的用于多极磁阱磁约束装置的等离子体环向力平衡控制方法通过引入外加磁场的方式实现了对等离子体环向力平衡的控制，减少了环形磁约束装置由于环向效应引起的等离子体的损失。

主权项

一种用于多极磁阱磁约束装置的等离子体环向力平衡控制方法，该方法通过设置外部磁场B_V的磁感应强度大小的方式控制多极磁阱磁约束装置中的等离子体的环向力平衡，多极磁阱磁约束装置包括一内部盲鳗线圈、两个外部盲鳗线圈、一补偿线圈和一螺线管线圈，多极磁阱磁约束装置中还设有一磁感应强度为B_V的外部磁场，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1：将多极磁阱磁约束装置中的等离子体视为理想状态下的等离子体，即等离子体中的电流均在表面无限薄的层间流动，等离子体区域呈一圆环体且等压面为一组逐层嵌套的准同轴的圆，等离子体区域中某一点的压强P为：P＝P(r)，其中，r为该点与内部盲鳗线圈之间的最短距离，等离子体区域中某一点的磁感应强度B为：$B=B_{\mathrm{\&theta;}}\left(r\right)\frac{R_0}{R}{e}_{\mathrm{\&theta;}}+B_V{e}_z,$其中，B_θ(r)为内部盲鳗线圈、两个外部盲鳗线圈和补偿线圈在该点产生的极向场的磁感应强度，e_θ、e_z为方向向量，R₀为内部盲鳗线圈的半径，R为等离子体区域形成的圆环体的大圆半径；S2：计算等离子体区域中的等离子体受到的车胎力F_p，车胎力F_p是由于等离子体作用的等效面积在等离子体区域形成的圆环体内外不一致而产生的：$F_P=-\&Integral;(e_R\&CenterDot;\&dtri;p)d\stackrel{\&RightArrow;}{r}=-2{\mathrm{\&pi;}}^2{\&Integral;}_0^a{r}^2\frac{\&part;p}{\&part;r}dr=2{\mathrm{\&pi;}}^2{a}^2\&lt;p\&gt;$其中，e_R为内部盲鳗线圈半径方向的单位向量，<p>为等离子体区域的平均压强，a为等离子体区域形成的圆环体的半径；S3：计算等离子体区域中的等离子体受到的环力F_L：$F_L=-\frac{2{\mathrm{\&pi;R}}_0}{{\mathrm{\&mu;}}_0}\&Integral;B_{\mathrm{\&theta;}}\frac{\&part;}{\&part;r}\left(\frac{R_0}{R}{\mathrm{rB}}_{\mathrm{\&theta;}}\right)cos\mathrm{\&theta;}drd\mathrm{\&theta;}$其中，μ₀为真空中的磁导率；S4：根据等离子体的环向力平衡模型，计算等离子体区域中的等离子体受外部磁场的作用力F_V：$F_V=-\frac{2{\mathrm{\&pi;R}}_0{B}_V}{{\mathrm{\&mu;}}_0}\&Integral;R\frac{\&part;}{\&part;r}\left(\frac{{\mathrm{rB}}_{\mathrm{\&theta;}}}{R}\right)drd\mathrm{\&theta;};$S5：根据环向力平衡条件，等离子体受到的各项力的合力为0，由此得到外部磁场的磁感应强度B_V需满足的关系式：$\frac{B_V}{B_{\mathrm{\&theta;}a}}=\frac{1}{4}\frac{a}{R_0}\&lsqb;\frac{\&lt;p\&gt;}{B_{\mathrm{\&theta;}a}^2/2{\mathrm{\&mu;}}_0}+l_i+l_e+2\&rsqb;,$其中，B_θa为等离子区域边界处的磁感应强度，电感l_i的实际数值与等离子体中的电流密度分布情况相关，且真空电感l_e满足以下关系式：$l_e=2ln\left(\frac{8R_0}{a}\right)-4.$