一种场反位形等离子体能量提取方法、系统、设备及介质与流程

本发明涉及能量回收领域，具体涉及一种场反位形等离子体能量提取方法、系统、设备及介质。

背景技术：

1、在场反位形等离子体装置及类似直线型等离子体系统中，等离子体通常沿真空室轴向运动、对撞、合并并发生轴向扩展。在该过程中，等离子体内部电流结构、等离子体边界以及外部磁场之间存在强耦合关系。等离子体的轴向运动和扩展会引起外部磁通分布发生快速变化。根据电磁感应原理，若在真空室外侧布置感应线圈，则穿过线圈有效面积的磁通变化可在线圈两端产生感应电压；当线圈接入外部负载或储能装置时，可进一步形成感应电流并向外部电路输出电能，可用于等离子体电能回收。

2、但能量回收线圈的轴向布置位置多依赖经验，缺乏基于实测响应分布的定量选址方法。由于等离子体轴向运动、对撞合并和扩展过程可能存在空间偏移、时间抖动、轴向非对称或磁通重构不均匀等现象，经验布置可能导致能量回收线圈未处于感应响应较强或重复性较好的区域，从而降低电能回收效率。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种场反位形等离子体能量提取方法、系统、设备及介质，解决了现有技术中的问题。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、第一方面，本发明实施例提供了一种场反位形等离子体能量提取方法，应用于场反位形等离子体能量提取系统，所述系统包括原有约束磁体、真空室和多个扫描线圈，每个扫描线圈套设于真空室外侧预设的轴向位置并接入高阻抗测量支路，所述真空室用于等离子体进行碰撞反应，所述方法包括：

4、在各扫描线圈处于高阻抗测量状态时采集各扫描线圈的全过程感应电压波形数据、原有约束磁体的电流波形数据和等离子体诊断信号数据；

5、根据所述电流波形数据，从各全过程感应电压波形数据中扣除所述原有约束磁体在各扫描线圈中产生的背景感应电压分量，得到各扫描线圈处由等离子体演化贡献的等离子体感应电压分量；

6、在所述等离子体诊断信号数据确定的目标轴向膨胀阶段的起始时刻，提取各扫描线圈在所述目标轴向膨胀阶段内的筛选等离子体感应电压分量；

7、对各轴向位置处的筛选等离子体感应电压分量进行特征提取，得到各轴向位置处的目标膨胀阶段响应参数；

8、将各轴向位置处的目标膨胀阶段响应参数与各扫描线圈的轴向坐标对应，形成沿真空室轴向的轴向感应响应分布；

9、根据所述轴向感应响应分布，确定至少一个回收线圈的轴向布置位置及各回收线圈的匝数与轴向宽度，得到能量提取配置方案。

10、优选地，所述根据所述电流波形数据，从各全过程感应电压波形数据中扣除所述原有约束磁体在各扫描线圈中产生的背景感应电压分量，包括：

11、根据多个原有约束磁体中每个原有约束磁体与各扫描线圈之间的等效互感，以及每个原有约束磁体的电流波形数据，分别计算每个原有约束磁体在各扫描线圈中产生的背景感应电压分量；

12、将各扫描线圈处由所述多个原有约束磁体产生的背景感应电压分量求和，得到各扫描线圈处的总背景感应电压分量；

13、将各扫描线圈的全过程感应电压波形数据与对应扫描线圈处的总背景感应电压分量进行逐时刻相减，得到各扫描线圈处由等离子体演化贡献的等离子体感应电压分量。

14、优选地，所述在所述等离子体诊断信号数据确定的目标轴向膨胀阶段的起始时刻，提取各扫描线圈在所述目标轴向膨胀阶段内的筛选等离子体感应电压分量，包括：

15、根据各原有约束磁体的电流波形数据中表征磁压缩过程结束的电流下降沿时刻，以及等离子体诊断信号数据中的碰撞合并结束时刻和等离子体膨胀起始时刻，确定目标轴向膨胀阶段的起始时刻和结束时刻，得到目标轴向膨胀时间窗口；所述等离子体诊断信号数据来源于磁探针信号、光辐射信号、密度信号和成像信号中的一种或多种；所述原有约束磁体至少包括沿真空室轴向布置的准稳态线圈、位于等离子体形成区的θ-pinch线圈和位于等离子体碰撞压缩区的压缩线圈中的一种或多种；

16、根据各扫描线圈的等离子体感应电压分量，以所述目标轴向膨胀时间窗口的起始时刻和结束时刻为时间截断边界，从各扫描线圈的等离子体感应电压分量中截取位于所述起始时刻与所述结束时刻之间的波形数据片段，得到各扫描线圈在所述目标轴向膨胀阶段内的筛选等离子体感应电压分量。

17、优选地，所述对各轴向位置处的筛选等离子体感应电压分量进行特征提取，得到各轴向位置处的目标膨胀阶段响应参数，包括：

18、对各轴向位置处的筛选等离子体感应电压分量在目标轴向膨胀阶段内进行时间积分，得到各轴向位置处的净磁通变化量；

19、根据各轴向位置处的筛选等离子体感应电压分量，识别感应电压波形首次达到预设阈值的时刻作为响应开始时刻，将目标轴向膨胀阶段结束时刻与所述响应开始时刻之差作为响应持续时间；所述目标轴向膨胀阶段结束时刻由等离子体诊断信号数据指示等离子体明显衰减或离开有效回收区域的时刻确定；

20、根据各轴向位置处的筛选等离子体感应电压分量，提取每个轴向位置处的感应电压峰值所对应的时间坐标作为峰值时刻；

21、根据相邻两个扫描线圈的轴向位置之差除以两个扫描线圈处同一特征时刻之差，计算得到各相邻扫描位置之间的轴向传播速度；所述同一特征时刻为响应开始时刻或峰值时刻；

22、根据所述净磁通变化量、所述响应持续时间、所述峰值时刻和所述轴向传播速度，得到各轴向位置处的目标膨胀阶段响应参数。

23、优选地，所述根据所述轴向感应响应分布，确定至少一个回收线圈的轴向布置位置，包括：

24、根据所述轴向感应响应分布中各轴向位置处的净磁通变化量的绝对值，将各轴向位置处的净磁通变化量的绝对值与预设磁通阈值进行比对，将净磁通变化量的绝对值大于所述预设磁通阈值的轴向连续区间确定为候选布置区间；所述预设磁通阈值根据所述轴向感应响应分布中净磁通变化量绝对值的最大值确定；

25、根据各候选布置区间沿轴向的几何中心位置确定回收线圈的轴向布置位置；

26、根据各候选布置区间沿轴向的连续跨度长度确定对应布置位置处回收线圈的轴向宽度，使各回收线圈的轴向宽度不超过所述连续跨度长度。

27、优选地，各回收线圈的匝数与轴向宽度通过以下方式确定：

28、根据各回收线圈的轴向布置位置从所述轴向感应响应分布中读取对应位置处的净磁通变化量和轴向传播速度；

29、根据各回收线圈布置位置处的净磁通变化量、轴向传播速度和预设目标电压，计算各回收线圈的匝数与轴向宽度，使各回收线圈的特征电压落入预设电压范围内；所述预设目标电压为根据外部负载的电压承受范围预先设定的设计电压值，所述预设电压范围为预设目标电压的下限值至上限值之间的区间；

30、将各回收线圈的轴向布置位置、匝数和轴向宽度组合为能量提取配置方案。

31、优选地，所述方法还包括：

32、根据各回收线圈的轴向布置位置从所述轴向感应响应分布中读取对应位置处的峰值时刻；

33、以各回收线圈布置位置处的峰值时刻作为时间基准点，将所述时间基准点向前扩展第一预设延时时长作为负载接入时间窗口的起始时刻，将所述时间基准点向后扩展第二预设延时时长作为负载接入时间窗口的终止时刻，得到各回收线圈各自对应的负载接入时间窗口；所述第一预设延时时长和所述第二预设延时时长根据该位置处的响应持续时间和外部负载的导通特性确定；

34、根据各回收线圈的轴向布置位置与等离子体碰撞中心的位置关系，对于位于碰撞中心轴向同一侧的多个回收线圈，按照各回收线圈的负载接入时间窗口的起始时刻先后顺序依次控制各回收线圈与外部负载导通；对于位于碰撞中心轴向不同侧的回收线圈，分别按照各自所在侧的响应时序独立控制接入。

35、第二方面，本发明实施例提供了一种场反位形等离子体能量提取系统，包括：

36、真空室，用于等离子体进行碰撞反应；

37、多个扫描线圈，每个扫描线圈套设于真空室外侧预设的轴向位置并接入高阻抗测量端，用于采集因等离子体全过程演化和原有约束磁体电流变化而产生的感应电压信号；

38、多个原有约束磁体，每个原有约束磁体沿真空室轴向布置，具有电流检测端，用于产生约束磁场；

39、多个回收线圈，每个回收线圈套设于真空室外侧后接入能量输出端；

40、采集模块，用于在各扫描线圈处于高阻抗测量状态时采集各扫描线圈的感应电压波形数据、原有约束磁体的电流波形数据和等离子体诊断信号数据；

41、扣除模块，用于根据所述电流波形数据，从各全过程感应电压波形数据中扣除所述原有约束磁体在各扫描线圈中产生的背景感应电压分量，得到各扫描线圈处由等离子体演化贡献的等离子体感应电压分量；

42、筛选模块，用于在所述等离子体诊断信号数据确定的目标轴向膨胀阶段的起始时刻，提取各扫描线圈在所述目标轴向膨胀阶段内的筛选等离子体感应电压分量；

43、特征提取模块，用于对各轴向位置处的筛选等离子体感应电压分量进行特征提取，得到各轴向位置处的目标膨胀阶段响应参数；

44、轴向感应响应分布模块，用于将各轴向位置处的目标膨胀阶段响应参数与各扫描线圈的轴向坐标对应，形成沿真空室轴向的轴向感应响应分布；

45、回收线圈配置模块，用于根据所述轴向感应响应分布，确定至少一个回收线圈的轴向布置位置及各回收线圈的匝数与轴向宽度，得到能量提取配置方案。

46、第三方面，本发明实施例提供了一种电子设备，包括：至少一个处理器、至少一个存储器以及存储在存储器中的计算机程序指令，当计算机程序指令被处理器执行时实现如上述实施方式中第一方面的方法。

47、第四方面，本发明实施例提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序指令，当计算机程序指令被处理器执行时实现如上述实施方式中第一方面的方法。

48、本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

49、扫描线圈以高阻抗状态采集全过程电压、原有约束磁体电流和等离子体诊断信号，使各扫描线圈在全时间轴上同时获得外部磁体变化、等离子体演化和阶段边界三类信息；在此基础上，根据原有约束磁体电流波形扣除其在各扫描线圈中产生的背景感应电压分量，使扫描线圈输出中属于等离子体自身演化的分量与属于外部磁体贡献的分量得以分离；再以诊断信号确定的目标膨胀阶段起始时刻为边界，从覆盖完整周期的等离子体感应电压分量中截取出仅属于碰撞压缩后轴向膨胀阶段的筛选分量，使电离、形成、输运、碰撞合并和磁压缩阶段的信号被排除在后续处理之外；随后通过对筛选分量进行积分、峰值识别和相邻位置差值计算提取出净磁通变化量、峰值时刻、响应持续时间和轴向传播速度，并将这些参数与轴向坐标对应形成轴向感应响应分布，使磁通变化总量、时序特征和传播速度沿轴向的连续变化被定量描述；最终依据该分布中净磁通变化量大于阈值的区间确定回收线圈布置位置和轴向宽度，并根据各位置处的净磁通变化量和传播速度配置匝数与宽度的比例使特征电压落入预设范围，从而将回收线圈的空间位置、覆盖宽度和电气参数与实测膨胀响应特性直接关联，避免线圈布置在磁通变化微弱区域、轴向宽度覆盖不同响应特性的区间或匝数与局部速度不匹配导致输出电压超出外部负载承受范围，提高了电能回收效率。