一种用于高温强磁场下的球床填充因子测量的实验平台

摘要

本发明公开了一种用于高温强磁场下的球床填充因子测量的实验平台，包括实验球床，实验球床处于真空环境或氮气保护环境并放入实验容器内，实验容器固定支架将实验容器固定在强磁场线圈中央，五棱镜安装在所述实验容器的侧上方，激光发射器与所述激光扩束镜相连并安装在激光发射器支架上；真空室的上部有通透玻璃视窗，强磁场线圈与所述线圈供电系统相连，外侧包裹着线圈冷却系统，固定在真空室中央；高速相机对准真空室上部的通透玻璃视窗，光纤式温度测量系统设于实验容器下方，红外加热系统与所述加热系统可调压式电源连接，并通过数据线与计算机相连。可以在高温和强磁场环境下稳定可靠运行，使得磁场和高温的干扰对测量结果的影响降到允许的范围内。

权利要求

1.一种用于高温强磁场下的球床填充因子测量的实验平台，其特征在于，包括实验球床、实验容器、五棱镜、红外加热系统、光纤式温度测量系统、实验容器固定支架、强磁场线圈、真空室、激光发射器、激光扩束镜、激光发射器支架、激光发射器电源、真空泵、线圈供电系统、线圈冷却系统、高速相机、计算机、加热系统可调压式电源；

所述的实验球床处于真空环境或氮气保护环境并放入实验容器内，所述实验容器固定支架将所述实验容器固定在所述强磁场线圈中央，所述的五棱镜安装在所述实验容器的侧上方，所述的激光发射器与所述激光扩束镜相连并安装在所述激光发射器支架上；

所述真空室的外形包括圆筒壁，所述圆筒壁的顶端和底端分别连接有椭球壳形的上半部和下半部，所述真空室的上部有通透玻璃视窗，所述真空室为密封结构并连接所述真空泵维持真空；

所述强磁场线圈与所述线圈供电系统相连，外侧包裹着所述线圈冷却系统，固定在所述真空室中央；

所述高速相机对准所述真空室上部的通透玻璃视窗，并通过数据线与所述计算机相连；

所述光纤式温度测量系统设于所述实验容器下方，并通过数据线与所述计算机相连；

所述红外加热系统与所述加热系统可调压式电源连接，并通过数据线与所述计算机相连。

2.根据权利要求1所述的用于高温强磁场下的球床填充因子测量的实验平台，其特征在于，所述红外加热系统包括遮光绝热胶套、红外加热管，所述红外加热管插在遮光绝热胶套内，所述遮光绝热胶套固定在所述实验容器侧面，并一起置于所述真空室内，所述加热系统可调压式电源通过数据线与计算机连接并通过电源线与所述红外加热管连接，所述加热系统可调压式电源放置在真空室外。

3.根据权利要求2所述的用于高温强磁场下的球床填充因子测量的实验平台，其特征在于，所述光纤式温度测量系统包括光纤式温度探头，所述的光纤式温度探头通过支架固定在所述实验容器下方，并一起置于所述真空室内，所述的光纤式温度探头通过光纤与光纤式温度传感器连接，所述的光纤式温度传感器通过数据线与计算机连接，所述的光纤式温度传感器置于所述真空室外。

说明书

一种用于高温强磁场下的球床填充因子测量的实验平台

技术领域

[0001] 本发明涉及一种热核聚变堆包层技术，尤其涉及一种用于高温强磁场下的球床填充因子测量的实验平台。

背景技术

[0002] 包层作为面向等离子体关键部件,构成高温等离子体的物理边界的主要部分，具有能量转换、氚增殖及中子倍增等功能。包层是磁约束聚变堆能否走向能源堆的核心技术载体，也是实现其应用目标的功能载体。主流的包层技术方案根据氚增殖剂的形态分为液态包层和固态包层，其中固态包层技术方案相比液态包层具有诸多优点，最大的优点在于不会像液态金属在强磁场中受到洛伦兹力作用而增加压降所表现出来的磁流体动力学效应(MHD效应)。填充因子作为固态球床的基本参数，在球床的动力学研究中处于重要的地位，尤其对固态包层的氚增殖具有非常重要的作用。研究结果表明，填充因子改变0.4％，球床的氚增殖比将会变化4％，而球床在高温、强磁场的苛刻环境下服役，对现有的测量技术提出了挑战，因此需要结合现有的技术构建一种新型的测量球床的填充因子的方法。

[0003] 经过过去若干年的发展，强磁场技术和固态颗粒的测量技术水平有了很大发展。现有的强磁场稳定强度可达20T以上，在这种环境中会使很多精确测量仪器有较大的偏差。
同时，关于固态颗粒系统关键参数的测量时间也不长，很多工作都在PIV成像技术下进行的工作。

[0004] 在高温强磁场中，常见的直接测量方法因为受到干扰，具有很大的局限性，高温、强磁场和未来必须纳入考虑的强辐射等严酷的环境下，对测量方法提出很高的条件。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供一种用于高温强磁场下的球床填充因子测量的实验平台。

[0006] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

[0007] 本发明的用于高温强磁场下的球床填充因子测量的实验平台，包括实验球床、实验容器、五棱镜、红外加热系统、光纤式温度测量系统、实验容器固定支架、强磁场线圈、真空室、激光发射器、激光扩束镜、激光发射器支架、激光发射器电源、真空泵、线圈供电系统、线圈冷却系统、高速相机、计算机、加热系统可调压式电源；

[0008] 所述的实验球床处于真空环境或氮气保护环境并放入实验容器内，所述实验容器固定支架将所述实验容器固定在所述强磁场线圈中央，所述的五棱镜安装在所述实验容器的侧上方，所述的激光发射器与所述激光扩束镜相连并安装在所述激光发射器支架上；

[0009] 所述真空室的外形包括圆筒壁，所述圆筒壁的顶端和底端分别连接有椭球壳形的上半部和下半部，所述真空室的上部有通透玻璃视窗，所述真空室为密封结构并连接所述真空泵维持真空；

[0010] 所述强磁场线圈与所述线圈供电系统相连，外侧包裹着所述线圈冷却系统，固定在所述真空室中央；

[0011] 所述高速相机对准所述真空室上部的通透玻璃视窗，并通过数据线与所述计算机相连；

[0012] 所述光纤式温度测量系统设于所述实验容器下方，并通过数据线与所述计算机相连；

[0013] 所述红外加热系统与所述加热系统可调压式电源连接，并通过数据线与所述计算机相连。

[0014] 由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的用于高温强磁场下的球床填充因子测量的实验平台，采用直接和五棱镜折射相结合的激光摄像法测量真空室内的强磁场加热条件下的球床表面，在真空室外设计并安置光学测量、磁线圈冷却及电源、温度测量与控制装置；在真空室内设计激光光源和扩束镜，并在实验容器旁固定一块水晶棱镜；最后通过摄像机来回对焦拍摄两处图像获得数据。这套装置可以在高温和强磁场环境下稳定可靠运行，使得磁场和高温的干扰对测量结果的影响降到允许的范围内。

附图说明

[0015] 图1为本发明实施例提供的用于高温强磁场下的球床填充因子测量的实验平台的结构效果图；

[0016] 图2为本发明实施例提供的高温强磁场下球床温度测量和控制平台的结构示意图；

[0017] 图3为本发明实施例中摄像机、棱镜、扩束透镜和激光光源光路架构示意图。

具体实施方式

[0018] 下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

[0019] 本发明的用于高温强磁场下的球床填充因子测量的实验平台，其较佳的具体实施方式是：

[0020] 包括实验球床、实验容器、五棱镜、红外加热系统、光纤式温度测量系统、实验容器固定支架、强磁场线圈、真空室、激光发射器、激光扩束镜、激光发射器支架、激光发射器电源、真空泵、线圈供电系统、线圈冷却系统、高速相机、计算机、加热系统可调压式电源；

[0021] 所述的实验球床处于真空环境或氮气保护环境并放入实验容器内，所述实验容器固定支架将所述实验容器固定在所述强磁场线圈中央，所述的五棱镜安装在所述实验容器的侧上方，所述的激光发射器与所述激光扩束镜相连并安装在所述激光发射器支架上；

[0022] 所述真空室的外形包括圆筒壁，所述圆筒壁的顶端和底端分别连接有椭球壳形的上半部和下半部，所述真空室的上部有通透玻璃视窗，所述真空室为密封结构并连接所述真空泵维持真空；

[0023] 所述强磁场线圈与所述线圈供电系统相连，外侧包裹着所述线圈冷却系统，固定在所述真空室中央；

[0024] 所述高速相机对准所述真空室上部的通透玻璃视窗，并通过数据线与所述计算机相连；

[0025] 所述光纤式温度测量系统设于所述实验容器下方，并通过数据线与所述计算机相连；

[0026] 所述红外加热系统与所述加热系统可调压式电源连接，并通过数据线与所述计算机相连。

[0027] 所述红外加热系统包括遮光绝热胶套、红外加热管，所述红外加热管插在遮光绝热胶套内，所述遮光绝热胶套固定在所述实验容器侧面，并一起置于所述真空室内，所述加热系统可调压式电源通过数据线与计算机连接并通过电源线与所述红外加热管连接，所述加热系统可调压式电源放置在真空室外。

[0028] 所述光纤式温度测量系统包括光纤式温度探头，所述的光纤式温度探头通过支架固定在所述实验容器下方，并一起置于所述真空室内，所述的光纤式温度探头通过光纤与光纤式温度传感器连接，所述的光纤式温度传感器通过数据线与计算机连接，所述的光纤式温度传感器置于所述真空室外。

[0029] 本发明的用于高温强磁场下的球床填充因子测量的实验平台，作为对球床填充因子测量及其它实验在高温强磁场领域的一个填充，采用直接和五棱镜折射相结合的激光摄像法测量真空室内的强磁场加热条件下的球床表面，在真空室外设计并安置光学测量、磁线圈冷却及电源、温度测量与控制装置；在真空室内设计激光光源和扩束镜，并在实验容器旁固定一块水晶棱镜；最后通过摄像机来回对焦拍摄两处图像获得数据。这套装置可以在高温和强磁场环境下稳定可靠运行，使得磁场和高温的干扰对测量结果的影响降到允许的范围内。使用矩阵理论和算法以及图像分析的方法处理数据，则可获得高置信度的填充因子置信区间。

[0030] 具体实施例：

[0031] 如图1所示，该平台主要包括：实验球床1、实验容器2、五棱镜3、红外加热系统4、光纤式温度测量系统5、实验容器固定支架6、强磁场线圈7、真空室8、激光发射器9、激光扩束镜10、激光发射器支架11、激光发射器电源12、真空泵13、线圈供电系统14、线圈冷却系统15、高速相机16、数据线17、计算机18、加热系统可调压式电源19。

[0032] 所述的实验球床1处于真空操作或经由氮气保护下操作，放入实验容器2内，所述的实验容器放置在实验容器固定支架6内，所述实验容器固定支架6将实验容器2固定在强磁场线圈7中央。所述的五棱镜3安装在实验容器2的侧上方，所述的激光发射器9与激光扩束镜相连，安装在激光发射器支架上。所述真空室8，外形为椭球壳形上下半部与圆筒壁相连，上方有通透玻璃视窗，对于每一处需要穿过的线加以开口与密封，使用真空泵13维持真空。所述强磁场线圈7与线圈供电系统14相连，外侧包裹着线圈冷却系统15，固定在真空室8最中央。所述高速相机16对准真空室8上部视窗，通过数据线17a与计算机18相连。所述光纤式温度测量系统自实验容器2下方测量温度，通过数据线17b与计算机18相连；所述红外加热系统4由加热系统可调压式电源19供电；所述加热系统可调压式电源19通过数据线17c由计算机18控制。

[0033] 如图2所示，温度测量与控制平台的结构分为：分别为真空室8内部和外部的两部分。其中红外加热系统4分为遮光绝热胶套20、红外加热管21。所述的光纤式温度探头22通过支架(图2中未画出)固定在实验容器2下方，所述红外加热管21插在遮光绝热胶套20内，所述遮光绝热胶套20固定在实验容器2侧面，并一起置于真空室8内；所述的光纤式温度传感器23分别通过光纤24a和数据线17b连接着自真空室8内的光纤24b和计算机18，所述加热系统可调压式电源19通过数据线17c连接着计算机18以及电源线27连接真空室8内的红外加热管21，为避免磁场和真空的干扰放置在真空室8外。

[0034] 在实际操作中，使用遮光绝热胶套20保护的光纤式温度探头22用于接收实验球床1发射的热辐射，经由光纤传导到真空室8外的光纤式温度传感器23；光纤式温度传感器23用于将光信号转为电信号；通过计算机18接收来自光纤式温度传感器23的电信号，显示并反馈给真空室8内的红外加热管21，起到温度控制作用；红外加热管21用于提高实验容器2中实验球床1的温度；遮光绝热胶套20起到对红外加热管21的余热余光的屏蔽以及对实验球床1温度下降速度的减缓。

[0035] 如图3所示，光路架构示意图结构由源头到终端分为：所述激光发射器9经由可调支架穿过真空室8固定于真空室8内，可由可调支架在真空室8外调节；所述激光扩束镜10连接在激光发射器9上，将光束扩展；所述扩束激光24由激光扩束镜10发出打在实验球床1上表面，形成漫反射；所述直接反射光25，由实验球床1上表面发出，透过真空室8视窗，打在真空室8外照相机16上；所述间接反射光26，由实验球床1上表面发出，射入五棱镜3内部，经过五棱镜3后，透过真空室8视窗，打在真空室8外照相机上；所述五棱镜3有一面涂黑面对外源光屏蔽，两面镜面进行反射，使得入射的光经两次反射后与原光线空间顺序不变，仅改变空间角度；所述照相机16用于接收直接反射光25和间接反射光26，得到的信息通过数据线17a传递到配套计算机18中；所述配套计算机18用于处理和对比直接反射光25和间接反射光26的图像。

[0036] 以上为本发明实施例提供的用于高温强磁场下的球床填充因子测量的实验平台的组成结构，为了便于理解，下面针对其原理进行详细的说明：

[0037] 本发明实施例所提供的上述测量平台主要解决如下三个技术问题：1)如何通过光路设计使得照相机能清晰的拍摄到两个方向上球床上表面；2)实验过程中是否需要持续加热达到温度稳定的论证，以及温度控制装置功率的计算；3)计算磁线圈对真空室的力的影响，并以磁线圈的尺寸计算真空室的最小尺寸。

[0038] 1)针对问题1：

[0039] 控制激光器的方向，发射的激光通过激光扩束镜，直到激光的直径放大到能覆盖实验球床上表面为止；激光应接近垂直布置，而实验前实验球床的表面要尽可能的平整，使得实验变化对表面的凹凸程度较小，不会产生阴影区域。对于球床表面的球体，只有一小片会对应扩束激光在空间的一个方向的反射；直接反射到真空室视窗然后被照相机拍摄下来；向一个相对倾角较大的角度反射的光，可以用接近垂直的角度射入五棱镜的一个面中，在两面相邻的镜面上折射两次，使得成像的空间顺序不改变，再经由上方的玻璃面射出，到达真空室视窗后被照相机拍摄下来。此外，五棱镜不一定布置如同图中光束对应的方向上，一处棱镜不足以得到准确的位移值时，可以多布置一处，没有设计上数量的限制。

[0040] 2)针对问题2：

[0041] 假设最高的实验温度为熔点附近的1560K，常用的温度为1273K，计算实验球床热辐射能损：

[0042] 热辐射公式：

[0043]

[0044] 其中A1是发射面积，ε1是发射率，T1、T2分别是发射面和接受面的热力学温度[0045]

[0046] 换热系数公式：

[0047]

[0048] 其中hr换热系数，σ为5.67×10-8W/(m2·K4)，T为热力学温度

[0049]换热系数hr 未氧化光洁0.1 氧化取0.4
1560K 1.247 4.987
1273K 0.714 2.855

[0050] 相应的毕渥数：

[0051] Bi＝hrR/λ，其中R为半径，λ为导热系数

[0052]百倍毕渥数Bi·102 未氧化光洁0.1 氧化取0.4
1560K 0.312 1.247
1273K 0.179 0.714

[0053] 皆离Bi＝0.1很远，即使这里的毕渥数计算的导热系数没有考虑接触热阻，也可以认为整个圆柱体的温度是一致的(即内外温差足够小)。

[0054] 此时假设实验进行了300s的时间，则温度发生100K到200K左右的变化，需要外源进行加热或者良好的保温。

[0055] 这里直接采用空间均匀分布的加装几根红外加热管，受磁场干扰小，加热方式适合真空，也容易控制温度，维持球床表面的光洁不氧化，总功率有2000W即可。其他方案列出但未做进一步校核设计，比如中央插入式加热棒，或者是使用镀银反射层配合更小功率的电热丝等，均可实现维持温度稳定的目标。

[0056] 3)针对问题3：

[0057] 本发明实施例的上述方案中，磁线圈的半径记为a，采用毕奥—萨伐尔定律可计算低频交变磁场

[0058]

[0059] I为线圈电流，r为到线圈中点的矢量的模，μ为磁导率

[0060] 以下为对侧面对应的钢制外壳感生涡流场以及力的计算：

[0061]

[0062] δr为球壳厚度，f为频率，H为侧面的高，ρ为电阻率。

[0063] 其中第二项内阻R较感抗XL小3个量级以上，可以直接计算感抗代替阻抗。

[0064] 用正弦电流计算可知：

[0065]

[0066] n为线圈的圈数

[0067]

[0068] 代入相对磁导率仅为2.0左右的奥氏体不锈钢：

[0069]

[0070] 接近磁场螺线圈时受力较大，可能会引起真空室装置的不稳定，因而这里采用壳体距离3倍或以上半径于磁线圈中轴的位置上，使F降到100N量级，同时功耗减少，也便于内部固定。但受力和电流限制如果经过进一步核算在允许范围内，可减小壳体侧面的直径。

[0071] 顶端的计算和侧面的类似，结果为：

[0072]

[0073] 其中l为水平盖板的半径，计算中限制在0.31a内。

[0074] 对应的采用离线圈轴心端点2倍半径的顶端壳高度，使F降到100N量级，同时功耗减少。

[0075] 问题3的结论综述为：真空室水平直径为磁线圈直径3倍，上下的椭球壳短半径取为磁线圈的直径。

[0076] 本发明实施例的上述方案中，测量球床的温度，通过红外加热管进行反馈式加热，维持实验球床的高温状态；又通过布置在真空室内的磁线圈进行磁场的干扰，在真空室的尺寸限定下，磁线圈对真空室的影响较小可以忽略；使用扩束激光为光源，加以五棱镜折射使得能从多个角度进行拍摄。拍摄的结果输入电脑进行程序处理，得到实验球床的上表面的空间变化。

[0077] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。