激光聚变靶丸磁悬浮系统设计'

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1、!第"#卷!第$期强激光与粒子束%&’("#，)&($!!*++,年$月-./-01234567346)80649.:53;36<77=>(，*++,!文章编号：!"++"?@A**（*++,）+$?"B+@?+A!激光聚变靶丸磁悬浮系统设计"，*"**易!勇，!卢忠远，!唐永建，!张!林（"!西南科技大学材料科学与工程学院，四川绵阳,*"+"+；!*!中国工程物理研究院激光聚变研究中心，四川绵阳,*"$++）!!摘!要：!为实现均匀辐照，.:C靶的无接触支撑是关键，.:C磁靶悬浮是实现无接触支撑的理想途径之一。对.:C靶

2、的磁悬浮系统进行了初步设计，利用超前相位补偿器作为内回路改善系统的稳定性。仿真试验时，系统在初始阶段（+D"+EF）小球出现轻微振荡，之后逐渐趋于稳定，最终到达设定的目标位。悬浮系统控制曲线平滑，调节时间短，这说明.:C靶磁悬浮是可行的。!!关键词：!.:C靶；!磁悬浮系统；!超前相位补偿器；!仿真设计!!中图分类号：!9-"AA!!!!文献标识码：!6［"］!!惯性约束聚变（.:C）是未来干净能源的主要候选者之一。.:C是利用激光或离子束作驱动源提供高强度能量，均匀地作用于装填氘氚（89）燃料的微型球状靶丸外壳表面，压缩

3、氘氚主燃料层到极高密度，达到点火条件，在高温高密度热核来不及驱散之前进行充分热核燃烧，放出大量聚变能。为实现.:C，关键技术之一是［*］靶的均匀压缩以提高聚爆效率，即激光和G射线辐射应尽量均匀在各个方向上同时作用于靶丸材料上，因而如何解决靶丸材料在激光和G射线辐射场中的支撑是一项关键的技术，也是一项难题。目前.:C靶普遍使用的杆支撑阻碍了均匀辐照，而无接触支撑目前尚未深入研究。磁悬浮是实现.:C靶无接触支撑的理想途径。［A］［@］实现.:C靶磁悬浮的关键：一是磁性靶的制备，可以在靶上均匀地涂)H层或者添加少量的铁氧体，二是

4、本文将要研究的磁悬浮系统（<77）。"#磁悬浮系统原理!!.:C靶磁悬浮系统主要由铁芯、线圈、光电源、传感器、放大及补偿装置、电流驱动器和.:C靶等组成（见图"）。当电磁铁绕组中通以一定的电流时会产生电磁力，只要控制电磁铁绕组中的电流，使之产生的电磁力与.:C靶的重力平衡，靶就可以悬浮在空中，处于平衡状态。但由于电磁吸力和悬浮气隙之间呈非线性反比关系，这种平衡并不稳定，只要稍微受到扰动，就会失去平衡。为了得到一个稳定的平衡系统，必须实现闭环控制。采用激光位移传感器组成的测量装置实时检测靶与电磁CHI("!

5、NF>=KFH&KFOFL=E（<77）&P.:CLJQI=L图"!.:C靶的磁悬浮系统铁之间距离的变化，当靶受到扰动下降，与电磁铁之间的距离增大时，控制电磁铁控制绕组中的电流相应增大，电磁力增大，则靶又被吸回到平衡状态；反之亦然。为了提高控制效果，还应检测距离变化的速率和电磁铁中控制电流的大小，同时作为控制系统的输入量。!!根据磁悬浮系统的原理和设计的组成图"以及表"中应用时相关的参数（表"中，!+为工作点的电磁力；"+为工作点的间距；#+为工作点的电流；$+为工作点的电压；%为驱动增益；&为位置传感器增益），可以建立以

6、电压为输入，磁球位置为输出的磁悬浮系统，其结构如图*所示。磁悬浮系统的传递函数为表"#磁悬浮系统相关参数$%&’("#)%*%+(,(*-./011!R)"REE#R6$R%’REI(R!)R-*S"S"S"++++#（R)·6）+"（R)·E）%&（R%·EE）A(AB",(B+(A@A*B(A"A@"(,TA(#+(@+A"$(B,S"+A""""!收稿日期：*++,?+A?*T；!!修订日期：*++,?+T?*"基金项目：国家自然科学基金委?中国工程物理研究院联合基金资助课题（"+AT,+A+）作者简介：易!勇（"$

7、TT—），男，讲师，主要从事材料设计与过程模拟；OHO&KI*+++UIEJH’(M&E。第A期易&勇等：激光聚变靶丸磁悬浮系统设计6;:;!"#$%&’()*+,"-#.-/)0123455图%&磁悬浮系统的闭环结构$（"）&’(6&67%06!（"）##-#（6）%8%%（"）)"*+,.*/""*69806"&8:69"&;;%<::式中：$（"）为输出变量磁球位置=（1）的拉普拉斯变换式；%（"）为输入变量电压>（1）的拉普拉斯变换式；’(为电流1磁力系数；)为磁球质量；"为复变数；+,为位移1磁力系数；.为线圈的

8、阻抗；/为线圈的感抗。&&由传递函数可得磁悬浮系统的开环根点为?698$6，@;7$A7。有根点;7$A7位于"平面的右半平面，因此，磁悬浮系统是极其不稳定的。!"超前相位补偿器的设计&&由于磁悬浮系统是高度非线性和不稳定的，需设计一个超前相位的补偿器以提高系统的稳定性。超前相位补偿器的主要目的是改善闭