一种超导小球的磁悬浮支撑定位装置及支撑定位调节方法

摘要

本发明公开了一种超导小球的磁悬浮支撑定位装置及支撑定位调节方法，包括：类球形腔体，其下端外部套设有环形磁铁和高度调节线圈；类球形腔体侧面外部设置有水平凸起平台；水平凸起平台外围绕设有水平位置调节线圈；类球形腔体上端和下端分别设置有上端凸起平台和下端凸起平台；由于超导小球的抗磁特性，超导小球悬浮在类球形腔体正中央；高度调节线圈用于调节超导小球的竖直高度，水平位置调节线圈用于调节超导小球的水平位置，从而通过高度调节线圈和水平位置调节线圈的附加磁场来补偿装配产生的误差，以满足激光聚变对超导小球定位的苛刻要求。水平位置调节线圈和高度调节线圈连接有PID控制电流源，可以实现对超导小球快速精准的定位。

说明书

技术领域

本发明属于激光聚变靶丸支撑定位装置技术领域，更具体地说，本发明涉及一种超导小球的磁悬浮支撑定位装置及支撑定位调节方法。

背景技术

在激光聚变试验中，靶丸的支撑方式是影响内爆对称性的重要环节。传统的支撑方式均为接触式支撑，如双层薄膜支撑、细丝支撑等，均不可避免的破坏球对称性。研究表明，在夹持膜与靶丸分离的界面上存在明显的对称性扰动。磁悬浮作为非接触式的支撑方式，有望显著降低由夹持膜带来的对称性扰动。将磁悬浮应用于靶丸的支撑虽然早有设想，但实验上是从未实现过的。

超导磁悬浮是利用超导体的抗磁性来对抗物体的重力，实现物体在空中悬浮的技术。该技术本身是成熟且应用广泛的，如磁悬浮列车等。但将磁悬浮应用于激光聚变的靶丸支撑，是从来没有实现过的。历史上对这一问题较为深入讨论的是日本的A.Ishiyama等人(IEEE.T.Appl.Supercon.21(2011)3)，他们设计的磁悬浮方案要用三个电流线圈来产生磁场。其方案示意图如图3所示，线圈1、线圈2主要用于提供悬浮力，线圈3则主要用于提高悬浮小球的稳定性。该方案可通过控制线圈电流的大小，精确调节超导小球的位置，且调节范围可达厘米量级。

与之不同的是，本发明申请人一篇发表于2018年的论文设计了一种用永磁铁产生磁场来实现超导小球悬浮的方案(Matter and Radiation at Extremes 3(2018)104-109)。由于永磁铁承载的等效电流密度远大于传导电流密度，所以该方案的优势在于所需的支撑材料少，体积更小。在激光聚变这一应用场景下，不会有遮挡光路的情况发生。

上述两种技术方案各有优势，但都存在明显的不足。对于Ishiyama的方案，由于用到三个电流线圈，且传导电流要达到百安培量级，其线圈的体积将会相当庞大。对于激光聚变这一特定的应用场景来说是不可接受的，因为激光需要从四面八方，各个角度到达靶丸附近，光路不可能完美绕开庞大的线圈。如果要考虑小球水平位置的调控，还需要附加更多的线圈，使这一方案更加不具有可行性。申请人自己所提的方案在设计之初就充分考虑了激光光路的问题，因而采用永磁铁来产生磁场，大大减小了所需的支撑材料体积。其缺点在于，悬浮小球的位置完全由磁铁的装配位置决定，一旦磁铁装配完成，小球的位置便不可调节。由于装配误差总是存在的，因而可能无法满足激光聚变对小球定位的苛刻要求。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种超导小球的磁悬浮支撑定位装置，包括：

用于放置超导小球的类球形腔体，其下端外部套设有环形磁铁和高度调节线圈，且所述高度调节线圈位于环形磁铁下方；

所述类球形腔体侧面外部设置有多个水平凸起平台，每个水平凸起平台外围绕设有水平位置调节线圈，每个水平凸起平台上开设有水平观测孔；所述类球形腔体上端和下端分别设置有上端凸起平台和下端凸起平台，且上端凸起平台和下端凸起平台上均开设有竖直观测孔；

将超导小球放置在类球形腔体内，由于超导小球的抗磁特性，超导小球悬浮在类球形腔体内正中央位置处；高度调节线圈通电后用于调节超导小球的竖直高度，水平位置调节线圈通电后用于调节超导小球的水平位置，从而通过高度调节线圈和水平位置调节线圈的附加磁场来补偿装配产生的误差，以满足激光聚变对超导小球定位的苛刻要求。

优选的是，其中，所述高度调节线圈和水平位置调节线圈分别连接有PID控制电流源。

优选的是，其中，所述上端凸起平台上绕设有上端高度调节线圈。

一种超导小球的磁悬浮支撑定位装置，其支撑定位调节方法包括：

将超导小球通过水平观测孔或竖直观测孔放入类球形腔体内；将高度调节线圈中心设置在环形磁铁下方；向高度调节线圈中通入电流，通过改变高度调节线圈的电流大小，改变高度调节线圈产生的附加磁场大小，进而调节超导小球的竖直高度；

向水平位置调节线圈中通入电流，通过改变水平位置调节线圈的电流大小，改变水平位置调节线圈产生的附加磁场大小，进而调节超导小球的水平位置；

通过PID控制电流源，经PID算法控制高度调节线圈和水平位置调节线圈的输出电流，使高度调节线圈和水平位置调节线圈始终输出与超导小球速度方向相反的阻尼力，将超导小球多余的动能在短时间内耗散掉，使超导小球静止在新的平衡位置。

优选的是，其中，当高度调节线圈电流大小在﹣5～5A范围内变化时，超导小球的高度调节范围为﹣100～100μm。

优选的是，其中，当水平位置调节线圈中电流大小在﹣5～5A范围内变化时，超导小球水平位置调节范围为﹣225～225μm。

本发明至少包括以下有益效果：本发明是目前为止有望应用于激光聚变小球支撑和定位的唯一可行方案。本方案整合了现有方案的所有技术优点，在不影响激光入射的同时实现了悬浮小球位置的百微米范围内，亚微米量级精确定位，完美覆盖了装配误差带来的小球位置的不确定范围。本方案的应用不但可替代夹持膜等传统物理支撑的方法，而且将使激光聚变靶丸定位的精度由数十微米量级提高至亚微米量级，对内爆过程中流体不稳定性的抑制起到至关重要的作用。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明：

图1为本发明提供的超导小球的磁悬浮支撑定位装置结构示意图；

图2为本发明提供的超导小球的磁悬浮支撑定位装置剖面结构示意图；

图3为A.Ishiyama磁悬浮设计方案的结构示意图；

图4为磁铁片势阱形状图；

图5为本发明提供的环形磁体势阱形状图；

图6为环形磁铁正上方3mm处的归一化的悬浮力随内径的变化曲线图；

图7为高度调节线圈竖直位置和高度调节线圈半径对超导小球高度的影响；

图8为水平位置调节线圈电流为5A时，超导小球的平衡位置关系图；

图9为水平位置调节线圈电流为﹣5A时，超导小球的平衡位置关系图；

图10为PID控制原理示意图；

图11为典型的控制电流、位移随时间变化关系图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

如图1-2所示：本发明的一种超导小球的磁悬浮支撑定位装置，包括：

用于放置超导小球10的类球形腔体1，其下端外部套设有环形磁铁2和高度调节线圈3，图1和图2中高度调节线圈3位于环形磁铁2下方，根据实际的使用需求，高度调节线圈3也可放置在环形磁铁2上方；

所述类球形腔体1侧面外部设置有多个水平凸起平台4，每个水平凸起平台4外围绕设有水平位置调节线圈5，每个水平凸起平台4上开设有水平观测孔6；所述类球形腔体1上端和下端分别设置有上端凸起平台7和下端凸起平台8，且上端凸起平台7和下端凸起平台8上均开设有竖直观测孔9；

为保证超导小球10周围5mm范围内没有任何固态物质，将超导小球10放置在图1和图2中所示半径为5.5mm的类球形腔体1内。由于超导小球10的抗磁特性，超导小球10悬浮在类球形腔体1内正中央位置处；高度调节线圈3通电后用于调节超导小球10的竖直高度，水平位置调节线圈5通电后用于调节超导小球10的水平位置，从而通过高度调节线圈3和水平位置调节线圈5的附加磁场来补偿装配产生的误差，以满足激光聚变对超导小球10定位的苛刻要求。超导小球10位置调节结束后，激光从水平观测孔6或竖直观测孔9射入类球形腔体中，实现激光打靶。

磁铁片原则上可以实现超导小球的悬浮，但磁铁片的磁场中，势阱范围较小，且稳定性较差，故本发明采用环形磁铁2实现超导小球的悬浮；对比图4磁铁片势阱形状图和图5环形磁铁2势阱形状图，图5中闭合状的区域均是势阱范围，因此环形磁铁2不但势阱范围大，稳定性好，且中空的结构可以释放中部空间，使得超导小球在六个方向均可被直接观测，且不影响下方激光的入射。如图6所示，图中横坐标表示环形磁铁的内径大小，纵坐标表示超导小球所受悬浮力大小，图中三条曲线从下至上分别表示外径为6mm、7mm和8mm的环形磁铁所提供的悬浮力大小变化情况。实际情况下，由于悬浮高度和类球形腔体1内部空腔的限制，环形磁铁2内径不可能小于3.5mm，从图6中可以得出结论：要获得更大的悬浮力，环形磁铁2的外径越大越好，内径越小越好，故环形磁铁2内径应尽可能紧贴类球形腔体1外表面。

受空间尺寸限制，水平位置调节线圈的放置空间很小。好在水平方向的磁场本来就很弱。最方便的方法是在四个水平观测孔6处各设置一个凸起平台4，将线圈绕在凸起平台4上，水平位置调节线圈5半径取2.5mm，水平位置调节线圈5中心距类球形腔体球心约5.35mm。

要保证高度调节线圈3产生磁场的对称性，传导电流只能是与环形磁铁2同轴的电流环，位置调控范围基本上与电流大小成反比，因此设计中可以调节的只有高度调节线圈3的竖直位置z和半径大小a两个参数。预设超导小球质量为8mg，等效电流为330A，可实现悬浮目标高度约为2.75mm。通过扫描z与a的参数范围，如图7所示，其中z＝0代表高度调节线圈3的电流与环形磁铁2位于同一水平面，从图中可以得出结论：高度调节线圈3的半径a越小，竖直位置z越高，对超导小球的改变就越大。综合考虑几何尺寸的限制，给水平位置调节线圈留出必要空间，可将线圈中心设置在磁铁下方300微米处，线圈半径a设置为磁铁内径加300μm。经计算，在电流大小为±5A情况下，已经可以实现±100μm范围的调节，即调节能力约为20μm/A。

在上述技术方案中，所述高度调节线圈3和水平位置调节线圈5分别连接有PID控制电流源。高度调节线圈3和水平位置调节线圈5中电流的跃变会引发超导小球位置的跃变，超导小球将在类球形腔体1的平衡位置附近振荡。超导小球在振荡期间受气体的阻尼作用，振幅衰减并最终达到稳定，但这一过程通常需要几分钟到十几分钟的时间，通过电流的PID控制，可以将这一过程缩短到几秒量级，即可以使超导小球在很短时间内静止在新的平衡位置，参见10和图11。超导小球定位的精度取决于PID控制电流源的调控精度和电流稳定性。取最保守的估计，假设单匝的电流为100mA，现有电流源的输出电流波动普遍不会超过10

在上述技术方案中，所述上端凸起平台上绕设有上端高度调节线圈；上端高度调节线圈可以通入与高度调节线圈同样的电流，用以增加对超导小球竖直高度的调节能力；当高度调节线圈电流大小在﹣5～5A范围内变化时，超导小球的高度调节范围为﹣100～100μm，即对超导小球竖直高低的调节能力为20μm/A，若上端高度调节线圈加相同的电流，则调节能力可以提高至32μm/A。

一种超导小球的磁悬浮支撑定位装置，其支撑定位调节方法包括：

将超导小球通过水平观测孔6或竖直观测孔9放入类球形腔体内；将高度调节线圈2中心设置在环形磁铁2下方300μm处；向高度调节线圈2中通入电流，通过改变高度调节线圈2的电流大小，改变高度调节线圈2产生的附加磁场大小，进而调节超导小球的竖直高度；当高度调节线圈3电流大小在﹣5～5A范围内变化时，超导小球的高度调节范围为﹣100～100μm；

水平位置调节线圈5半径取2.5mm，线圈中心距类球形腔体1球心距离为5.35mm；向水平位置调节线圈5中通入电流，通过改变水平位置调节线圈5的电流大小，改变水平位置调节线圈5产生的附加磁场大小，进而调节超导小球的水平位置；当水平位置调节线圈5中电流大小在﹣5～5A范围内变化时，超导小球水平位置调节范围为﹣225～225μm，即调节能力约为45μm/A；如图8和图9所示的势阱结构，同心圆的中心为小球的平衡位置；电流调节范围可以根据实际期望值确定，这里的给出的值只是说明在这种实施情况下电流可以达到的调节范围大小。

通过PID控制电流源，经PID算法控制高度调节线圈3和水平位置调节线圈5的输出电流，使高度调节线圈3和水平位置调节线圈5始终输出与超导小球速度方向相反的阻尼力，将超导小球多余的动能在短时间内耗散掉，使超导小球静止在新的平衡位置。

这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。