同軸對稱強脈沖四線圈組支撐裝置及同軸對稱強脈沖四線圈組
1.涉及大型電磁脈沖線圈技術領域，以及同軸分立支撐技術領域。
背景技術：
2.強脈沖線圈是磁控等離子體裝置的一個重要部件，在強脈沖磁場的作用下等離子體向遠離線圈的方向拋射。為了獲得快速變化的脈沖邊沿，單個脈沖線圈僅有少量匝數(shù)；于是為了獲得高磁場峰值，脈沖電流峰值需要達到10ka～100ka量級。大型強脈沖線圈能夠驅(qū)動更大體積的等離子體團，擴展了磁控等離子體裝置的應用范圍，包括磁控濺射鍍膜和空間等離子體模擬等領域。當脈沖磁場處于上升沿時，在脈沖線圈外徑以外的空心圓柱體區(qū)域等離子體團向遠離線圈的方向拋射。拋射波面由磁力線的形狀決定，在單脈沖線圈磁場的作用下呈雙曲線或拋物線形狀，等離子體團在對稱平面附近區(qū)域可供利用(或研究)的部分體積占比很低，不能滿足利用或研究的需要。為了提高等離子體團的利用效率和拋射強度，科學家們提出的解決辦法是——在對稱平面附近構造一個磁力線近似與線圈軸線相平行的平直波面區(qū)域。
3.美國普林斯頓大學等離子體物理實驗室，即pppl，首先提出并建造了同軸對稱雙線圈配置的實驗裝置，如圖6所示。為了避免尖端放電對等離子體的干擾，單脈沖線圈通常被設計為圓形截面的超環(huán)形狀。線圈支撐為管狀結(jié)構，管道中心線穿過超環(huán)體小圓截面圓心且與大圓中心軸線平行，通過作用在支撐管遠端外表面的夾持機構固定線圈，線圈引線從支撐管內(nèi)部穿出，以使得線圈引線和線圈支撐結(jié)構盡量少地占用超環(huán)體表面。支撐管的數(shù)量為4根，沿線圈圓周均布以實現(xiàn)均衡支撐。兩個線圈的支撐管兩兩同軸線以使得相鄰兩個支撐管之間無干擾等離子體跨越的扇形角度為90度。與單脈沖線圈相比取得了更加均勻的磁約束等離子體團拋射區(qū)域。但是對于更廣泛的磁控濺射鍍膜和空間等離子體模擬應用上述兩項指標依舊處于較低水平，因此也制約了強脈沖線圈的應用場景。
技術實現(xiàn)要素：
4.針對現(xiàn)有技術中存在的，按照pppl的支撐結(jié)構，4根支撐管從大圓平面的同側(cè)穿出，使用鏡像對稱的方法，受限于線圈支撐結(jié)構只能實現(xiàn)同軸對稱雙線圈方案，拋射波面的平直波面區(qū)域覆蓋范圍只能滿足少數(shù)應用的需要的問題，本發(fā)明提供的技術方案為：
5.同軸對稱強脈沖四線圈組支撐裝置，所述支撐裝置包括：導向管，沿所述導向管軸線方向依次滑動連接有第一支撐架、第二支撐架、第三支撐架和第四支撐架；所述第一支撐架和所述第四支撐架沿所述導向管方向?qū)ΨQ設置，所述第二支撐架和所述第三支撐架沿所述導向管方向?qū)ΨQ設置；
6.所述第一支撐架包括：一個第一固定環(huán)、四個第一支撐臂和四個第一側(cè)支臂，所述四個第一支撐臂垂直于所述導向管、均勻分布固定在所述第一固定環(huán)的外壁上，所述四個第一支臂上的中間位置分別設置有沿所述導向管平行方向上的通孔；所述四個第一側(cè)支臂
分別沿所述導向管平行的方向固定在所述四個第一支撐臂的端部；所述第一固定環(huán)用于滑動連接所述導向管；
7.所述第二支撐架包括：一個第二固定環(huán)、四個第二支撐臂和四個第二側(cè)支臂，所述四個第二支撐臂垂直于所述導向管、均勻分布固定在所述第二固定環(huán)的外壁上，所述四個第二側(cè)支臂的中間位置分別設置有沿所述導向管平行方向的長條形凸起，所述凸起與所述通孔滑動配合；所述四個第二側(cè)支臂分別沿所述導向管平行的方向固定在所述四個第二支撐臂的端部；所述第二固定環(huán)用于滑動連接所述導向管。
8.進一步，所述第一側(cè)支臂為中空結(jié)構。
9.進一步，所述第二側(cè)支臂、所述凸起和第二側(cè)支臂與凸起之間的第二支撐臂的部分均為中空結(jié)構。
10.優(yōu)選的，所述四個第一側(cè)支臂分別向所述第二支撐架的反方向延伸，延伸長度至少為所述四個第一側(cè)支臂的初始長度。
11.優(yōu)選的，所述四個凸起的端部與所述四個第一側(cè)支臂延伸方向的端部位于同一水平面上。
12.進一步，所述四個第一側(cè)支臂向垂直于所述導向管的平面上的虛擬投影與所述四個第二側(cè)支臂向垂直于所述導向管的平面上的虛擬投影重合。
13.進一步，所述第一固定環(huán)包括：自潤滑層、兩個隔離層和中心圓環(huán)，所述自潤滑層位于所述第一固定環(huán)所在虛擬圓環(huán)的最內(nèi)側(cè)，向外依次是一個隔離層、中心圓環(huán)和另一個隔離層，所述第二固定環(huán)的結(jié)構與所述第一固定環(huán)結(jié)構相同。
14.進一步，所述第一支撐臂與所述第一固定環(huán)和所述第二支撐臂與所述第二固定環(huán)的連接方式具體為：采用焊接的方式連接。
15.基于同一發(fā)明構思，本發(fā)明還提供了同軸對稱強脈沖四線圈組，所述線圈組包括：所述的同軸對稱強脈沖四線圈組支撐裝置和四個線圈，所述四個線圈尺寸相同且同軸、分別設置在四個支撐架的側(cè)支臂上。
16.進一步，所述四個線圈設置在四個支撐架的側(cè)支臂上的具體設置方式為：側(cè)支臂的端點插入線圈內(nèi)部，且端點位于所述線圈截面所在的虛擬圓的圓心位置。
17.本發(fā)明的有益之處在于：
18.本發(fā)明提供的同軸對稱強脈沖四線圈組支撐裝置，解決了四個脈沖線圈同軸對稱布置的支撐問題，為強脈沖線圈的應用提供了穩(wěn)定的基礎。
19.本發(fā)明提供的同軸對稱強脈沖四線圈組，與pppl的同軸對稱雙線圈配置相比，在保持無干擾等離子體跨越的扇形角度為90
°
的同時，平直波面區(qū)域的軸向長度被延長了一倍，即均勻的磁約束等離子體團拋射區(qū)域增加了一倍。
20.適合應用于磁控等離子體裝置和空間等離子體模擬等領域。
附圖說明
21.圖1為實施方式九提供的同軸對稱強脈沖四線圈組的主視圖；
22.圖2為實施方式九提供的同軸對稱強脈沖四線圈組的俯視圖；
23.圖3為實施方式九提供的同軸對稱強脈沖四線圈組沿圖2中a方向的剖視圖；
24.圖4為圖3中ⅰ部分的放大圖；
25.圖5為圖3中ⅱ部分的放大圖；
26.圖6為背景技術中提到的同軸對稱雙線圈配置的實驗裝置的示意圖。
27.其中，1表示線圈，2表示導向管，3表示第一支撐架，301表示第一支撐臂，302表示第一側(cè)支臂，303表示通孔，304表示第一固定環(huán)，4表示第二支撐架，401表示第二支撐臂，402表示第二側(cè)支臂，403表示凸起，404表示第二固定環(huán)，5表示第三支撐架，6表示第四支撐架。
具體實施方式
28.為使本發(fā)明提供的技術方案的優(yōu)點和有益之處體現(xiàn)得更清楚，現(xiàn)通過幾個具體實施方式對本發(fā)明提供的技術方案進行進一步詳細地描述，具體的：
29.實施方式一、結(jié)合圖1-5說明本實施方式，本實施方式提供了同軸對稱強脈沖四線圈組支撐裝置，所述支撐裝置包括：導向管，沿所述導向管軸線方向依次滑動連接有第一支撐架、第二支撐架、第三支撐架和第四支撐架；所述第一支撐架和所述第四支撐架沿所述導向管方向?qū)ΨQ設置，所述第二支撐架和所述第三支撐架沿所述導向管方向?qū)ΨQ設置；
30.所述第一支撐架包括：一個第一固定環(huán)、四個第一支撐臂和四個第一側(cè)支臂，所述四個第一支撐臂垂直于所述導向管、均勻分布固定在所述第一固定環(huán)的外壁上，所述四個第一支臂上的中間位置分別設置有沿所述導向管平行方向上的通孔；所述四個第一側(cè)支臂分別沿所述導向管平行的方向固定在所述四個第一支撐臂的端部；所述第一固定環(huán)用于滑動連接所述導向管；
31.所述第二支撐架包括：一個第二固定環(huán)、四個第二支撐臂和四個第二側(cè)支臂，所述四個第二支撐臂垂直于所述導向管、均勻分布固定在所述第二固定環(huán)的外壁上，所述四個第二側(cè)支臂的中間位置分別設置有沿所述導向管平行方向的長條形凸起，所述凸起與所述通孔滑動配合；所述四個第二側(cè)支臂分別沿所述導向管平行的方向固定在所述四個第二支撐臂的端部；所述第二固定環(huán)用于滑動連接所述導向管。
32.實施方式二、本實施方式是對實施方式一提供的同軸對稱強脈沖四線圈組支撐裝置的進一步限定，所述第一側(cè)支臂為中空結(jié)構。
33.實施方式三、本實施方式是對實施方式一或二任意一項提供的同軸對稱強脈沖四線圈組支撐裝置的進一步限定，所述第二側(cè)支臂、所述凸起和第二側(cè)支臂與凸起之間的第二支撐臂的部分均為中空結(jié)構。
34.本實施方式的有益之處在于：在所述同軸對稱強脈沖四線圈組支撐裝置支撐線圈時，使線圈的引線通過裝置的支臂內(nèi)部連接外部電路，一方面可降低脈沖電流對外界的干擾，另一方面不再額外占用脈沖線圈的超環(huán)形表面，使得均勻磁約束等離子區(qū)域的扇形角度仍然能達到90
°
。
35.實施方式四、本實施方式是對實施方式三提供的同軸對稱強脈沖四線圈組支撐裝置的進一步限定，所述四個第一側(cè)支臂分別向所述第二支撐架的反方向延伸，延伸長度至少為所述四個第一側(cè)支臂的初始長度。
36.實施方式五、本實施方式是對實施方式四提供的同軸對稱強脈沖四線圈組支撐裝置的進一步限定，所述四個凸起的端部與所述四個第一側(cè)支臂延伸方向的端部位于同一水平面上。
37.實施方式六、本實施方式是對實施方式一提供的同軸對稱強脈沖四線圈組支撐裝置的進一步限定，所述四個第一側(cè)支臂向垂直于所述導向管的平面上的虛擬投影與所述四個第二側(cè)支臂向垂直于所述導向管的平面上的虛擬投影重合。
38.實施方式七、本實施方式是對實施方式一提供的同軸對稱強脈沖四線圈組支撐裝置的進一步限定，所述第一固定環(huán)包括：自潤滑層、兩個隔離層和中心圓環(huán)，所述自潤滑層位于所述第一固定環(huán)所在虛擬圓環(huán)的最內(nèi)側(cè)，向外依次是一個隔離層、中心圓環(huán)和另一個隔離層，所述第二固定環(huán)的結(jié)構與所述第一固定環(huán)結(jié)構相同。
39.實施方式八、本實施方式是對實施方式一提供的同軸對稱強脈沖四線圈組支撐裝置的進一步限定，所述第一支撐臂與所述第一固定環(huán)和所述第二支撐臂與所述第二固定環(huán)的連接方式具體為：采用焊接的方式連接。
40.實施方式九、本實施方式提供了同軸對稱強脈沖四線圈組，所述線圈組包括：實施方式一提供的同軸對稱強脈沖四線圈組支撐裝置和四個線圈，所述四個線圈尺寸相同且同軸、分別設置在四個支撐架的側(cè)支臂上。
41.具體的，
42.用于支撐單個線圈的側(cè)支臂的延伸方向背向?qū)ΨQ面，使得支撐管固定區(qū)域遠離等離子體拋射區(qū)。
43.導向管表面光滑，作為各線圈在相互電磁力作用下沿導向管運動的導向，同時作為水平方向的限位以限制水平方向其它脈沖線圈的磁相互作用力所導致的運動。
44.支撐架之間通過阻尼機構限位，以緩沖巨大的電磁相互作用力。
45.實施方式十、本實施方式是對實施方式九提供的同軸對稱強脈沖四線圈組的進一步限定，所述四個線圈設置在四個支撐架的側(cè)支臂上的具體設置方式為：側(cè)支臂的端點插入線圈內(nèi)部，且端點位于所述線圈截面所在的虛擬圓的圓心位置。
46.以上通過幾個具體實施方式對本發(fā)明提供的技術方案進行進一步詳細地描述，是為了使本發(fā)明提供的技術方案的優(yōu)點和有益之處體現(xiàn)得更清楚；不過以上幾個具體實施方式并不用于作為對本發(fā)明的限制，任何基于本發(fā)明的精神和原則范圍內(nèi)的，對本發(fā)明的修改和改進、實施方式的組合和等同替換等，均應當包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
